特種塑性成形

1、論超塑性成形的應(yīng)用及發(fā)展摘 要：金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件下，具有更大的塑性。本文主要介紹了超塑性成形的主要發(fā)展概況，超塑性成形的成形原理、主要特點(diǎn)及應(yīng)用，對(duì)超塑性成形技術(shù)的未來(lái)發(fā)展做出了展望。關(guān)鍵詞：超塑性成形、金屬材料、發(fā)展?fàn)顩r一、 金屬超塑性發(fā)展概況 金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件(晶粒細(xì)化、極低的變形速度及等溫變形)下，具有更大的塑性。如低碳鋼拉伸時(shí)延伸率只有3040%，塑性好的有色金屬也只有6070%，但超塑性狀態(tài)。一般認(rèn)為塑性差的金屬延伸率在100200%范圍內(nèi)，塑性好的金屬延伸率在5002000%范圍內(nèi)。早在1920年，德國(guó)W.Rosenhain等人將冷軋后的Zn-A

2、l-Cu三元共晶合金的鋁板慢速?gòu)澢臅r(shí)候，發(fā)現(xiàn)這種脆性材料被彎成180而未出現(xiàn)裂紋，它和普通晶體材料大不相同。他們推斷這種負(fù)荷速度有密切依賴關(guān)系的異?，F(xiàn)象，可能是由于加工產(chǎn)生了非晶質(zhì)。1934年，英國(guó)C.E.pearson初次對(duì)共晶合金的異常彎曲進(jìn)行了詳細(xì)研究。這種合金的擠壓材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson將其緩慢拉伸，得到了伸長(zhǎng)率為2000%的試樣。很奇怪的是這種慢速大延伸的金屬，在落地實(shí)驗(yàn)中呈脆性斷裂，這是一個(gè)更大的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)雖然引起了一部分人的強(qiáng)烈反響，但在第二次世界大戰(zhàn)的卻被擱置了。 第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)金屬的異常延伸現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，用Zn-Al共析合金

3、在高溫拉伸試驗(yàn)中得到異常的伸長(zhǎng)率，并應(yīng)用于“超塑性”這個(gè)詞匯。1962年，美國(guó)E.E.Underwood發(fā)表了一篇評(píng)論解說性文章，從冶金學(xué)的角度分析了實(shí)現(xiàn)超塑性成形的可能性、條件及基本原理。人們?cè)u(píng)價(jià)這篇文章是超塑性研究的總結(jié)。從此超塑性研究引起了人們?cè)絹?lái)越多的重視。目前，在我國(guó)的超塑性研究領(lǐng)域中，已形成了開發(fā)、應(yīng)用以鋁合金、鈦合金、銅合金為代表的結(jié)構(gòu)合金超塑性材料的熱潮，主要進(jìn)行了三方面的工作：研究結(jié)構(gòu)合金獲得超塑性的途徑；探索結(jié)構(gòu)合金超塑性成形工藝規(guī)范；解決成形工藝關(guān)鍵，并進(jìn)入工藝實(shí)用，其中很大部分曾在航空航天、儀表、電子、輕工、機(jī)械、鐵路等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了有效的應(yīng)用。二、 超塑性成形特點(diǎn)根

4、據(jù)超塑性成形的宏觀變形特性，可用大變形、無(wú)縮頸、小應(yīng)力、易成形來(lái)描述超塑性成形特點(diǎn)。1、 大變形超塑性材料在單向拉伸時(shí)延伸率極高。很多超塑性材料在單向拉伸條件想伸長(zhǎng)率可以達(dá)到1000%以上，鋁青銅的伸長(zhǎng)率最高可達(dá)8000%以上，代表了金屬材料的最高伸長(zhǎng)率。2、 無(wú)縮頸超塑性材料在單向拉伸條件下不像常規(guī)塑性材料那樣表現(xiàn)出明顯的縮頸行為，卻類似于粘性物質(zhì)的流動(dòng)，變形在整個(gè)試樣上均勻地產(chǎn)生，沒有（或很?。?yīng)變硬化效應(yīng)，這也是能夠?qū)崿F(xiàn)大延伸的原因所在。3、 小應(yīng)力超塑性材料在變形過程中，變形抗力可以很小，因?yàn)樗哂姓承曰虬胝承粤鲃?dòng)的特點(diǎn)。變形抗力可以低到10MPa的量級(jí)，便于實(shí)現(xiàn)甚至像吹塑這樣的低壓力

5、成形，而且基本上沒有加工硬化行為。4、 易成形 由于超塑性具有以上特點(diǎn)，而且變形過程基本上沒或只有很小的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，所以超塑合金易于壓力加工，流動(dòng)性和填充性極好，可用多種方式進(jìn)行成形，而且產(chǎn)品質(zhì)量可大大提高。三、 超塑性變形機(jī)理 關(guān)于超塑性變形機(jī)理目前尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí) 。有人認(rèn)為在超塑性變形過程中，起支配作用的變形機(jī)理是晶界滑移；也有人認(rèn)為，擴(kuò)散蠕變機(jī)理的作用很大；還有人認(rèn)為，在超塑性變形過程中，伴隨有動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由于超塑性變形過程中，晶粒的大小和形狀都沒有顯著的變化，大量的變形來(lái)自晶間滑移，但同時(shí)，晶間滑移不可能作為獨(dú)立的變形機(jī)理，還必須有其他的變形機(jī)理來(lái)相互協(xié)調(diào)配合。擴(kuò)散蠕變機(jī)理

6、是在應(yīng)力場(chǎng)的作用下原子（或空位）發(fā)生定向轉(zhuǎn)移，引起物質(zhì)的遷移和晶體的塑性變形；但若此過程單獨(dú)地進(jìn)行，必然會(huì)引起晶粒沿外力方向伸長(zhǎng)，而這與超塑性變形中晶粒仍基本保持等軸狀也是相矛盾的。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶雖然能解釋超塑性變形中等軸晶粒的形成，但是，在通常的熱塑性變形過程中亦有發(fā)生再結(jié)晶，卻不能獲得像超塑性變形那樣的大伸長(zhǎng)率、低流動(dòng)應(yīng)力和表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)變速率的高敏感性。所有這些都說明，沒有哪一個(gè)理論能過完滿地解釋各種金屬材料中所發(fā)生的超塑性變形現(xiàn)象。事實(shí)上，超塑性變形機(jī)理比常規(guī)塑性變形機(jī)理更為復(fù)雜，它包括晶界的滑移和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)、擴(kuò)散蠕變、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)、在特殊情況下還有再結(jié)晶等，不可能是單一的變形機(jī)理，而是幾個(gè)機(jī)理

7、是綜合作用；而且，在不同情況下，可能有不同的機(jī)理起著主導(dǎo)作用。四、 超塑性成形的應(yīng)用由于金屬及合金在超塑性狀態(tài)具有異常好的塑性和極低的流動(dòng)應(yīng)力，對(duì)成形加工極為有利。對(duì)于形狀極為復(fù)雜或變形量很大的零件，都可以一次成形。從已報(bào)導(dǎo)的成形已有多種形式，如板料成形，管材成形，無(wú)模拉絲，吹塑成形和各種擠壓，模鍛等。利用這種異常的塑性，有些原來(lái)很多零件拼合成的部件，現(xiàn)在可以用超塑性成形一次加工出來(lái)，減輕了零件的重量，節(jié)約大量加工工時(shí)。如形狀復(fù)雜的電子儀器的底座、蓋板及其他復(fù)雜零件，各種汽車外殼、箱板等，以及形狀復(fù)雜的工藝制品、家用電器制件。具體應(yīng)用介紹如下:1、氣壓成形 這是在超塑性材料的延伸率高和變形抗力

8、小的前提下，受到塑料板吹塑成形的啟發(fā)而發(fā)展起來(lái)的新工藝。用于Zn-22%A1,A1-6%Cu-0.5%Zr和鈦合金的超塑性板料成形。利用凹?；蛲鼓Ｉ系男螤?，把板料和模具加熱到預(yù)定的溫度，用壓縮空氣的壓力，使壓緊的板料漲開貼緊在凹?；蛲鼓Ｉ?，以獲得所需形狀的薄板工件。目前能加工的板料厚度為0.44毫米。根據(jù)工件要求在它的表面上或在內(nèi)腔內(nèi)有清晰的形狀和花紋，選用凹模內(nèi)或凸模上成形。2. 拉深成形 鋅鋁合金等超塑性板料，在法蘭部分加熱，并在外圍加油壓，一次能拉出非常深的容器。如果在沖頭下部和拉伸好的筒部采用冷卻裝置，深沖比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分時(shí)深沖系數(shù)不變

9、。超塑性成形件最大特點(diǎn)是沒有各向異性，拉伸的杯形件沒有制耳。3.擠壓和模鍛近年來(lái)高溫合金和鈦合金的應(yīng)用不斷增加，尤其是國(guó)防工業(yè)生產(chǎn)中。這些合金的特點(diǎn)是:流變抗力高，可塑性極低，具有不均勻變形所引起機(jī)械性能各向異性的敏感性，難于機(jī)械加工及成本昂高。如采用普通熱變形鍛造時(shí)，機(jī)械加工的金屬損耗達(dá)80%左右，而機(jī)械加工的性能是很差的，所以往往不能滿足零件所需的機(jī)械性能。但是采用超塑性模鍛方法，就能改變過去肥頭大耳的落后的鍛造工藝。五、 超塑性成形展望超塑性成形的歷史尚短，仍屬于一個(gè)新興工藝，對(duì)各種材料的各種成形工藝過程，還在不斷試驗(yàn)、比較、淘汰、選擇、發(fā)展和完善。從目前的發(fā)展趨勢(shì)看，有下述幾點(diǎn)值得注意。1、 成形大型金屬結(jié)構(gòu)及相關(guān)成形設(shè)備2、 陶瓷材料與復(fù)合材料的超塑性3、 Al-Li合金的研究4、 工藝過程的數(shù)值模擬超塑性成形雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是超塑性成形一般生產(chǎn)率較低，又需要較高的溫度，這是該工藝沒有得