超塑性成型
对超塑性成型的认识
对超塑性成型的认识一.超塑性的简介及发展历史超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件啊（如晶粒尺寸及形状、相变等)和外部(环境)条件下(如温度、应变速率等)，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能(如大的延伸率)的现象。
超塑性的特点有大延伸率，无缩颈（小缩颈），小应力，易成形。
超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。
超塑性是一种奇特的现象。
具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。
金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。
最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。
一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。
60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。
特别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工却获得了成功。
到了70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。
现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有10～15个牌号，它们的延伸率在200～2000％之间。
如铝锌共晶合金为1000％，铝铜共晶合金为1150％，纯铝高达6000％，碳和不锈钢在150～800％之间，钛合金在450～1000％之间。
实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率，这时合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒（直径五微米以下），这种超塑性称为超细晶粒超塑性。
还有一些钢，在一定的温度下组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。
超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。
2特种塑性成形-超塑性
结论： （1）提高宏观变形均匀性，可通过提高n和m值 实现； （2）超塑性变形的进行主要依赖m值，均匀变 形主要在准稳定阶段。 （3）一般塑性材料m值较小，均匀变形主要在 稳定阶段,依赖n值。
为什么超塑性定义中，可以用m>0.3？ 为什么m物理意义可以表示材料抗缩颈的能力？
影响超塑性和应变速率敏感性指数的各种因素
两相组织的影响 两相晶粒可以互相阻碍在变形过程中的长 大。两项分布越均匀，两相的体积比越接近1 时，热稳定性越好，对超塑性变形越有利。 否则，第二相晶粒很少，同相晶粒聚合机 会大大增加。
§2.3 超塑性变形机理
超塑性变形过程中金属组织变化的特点 （1）晶粒长大、趋于（保持）等轴化； （2）晶粒的滑动、转动和换位； （3）由于晶界滑移，将在晶界附近产生大量 位错，为保证变形进行，位错以攀移和相消 方式松弛应力； （4）材料内部出现空洞。
4、超塑性流动应力本构方程、m的物理意义
5、组织超塑性变形机制
作业
请同学自己查找一种超塑性材料，下节课请1—2位同学采用 PPT形式向大家分享这种材料的超塑性变形机制、实现超塑性的 条件等。
特定的内部和外部条件
超塑性是指：材料在特定内部和外部条件 下具有异常高的塑性指标，这种现象称为超塑 性。
超 塑 性 分 类
组织超塑性 相变超塑性 其它超塑性
组织（细晶）超塑性：
（1）变形前及变形中等轴细小晶粒（一般<10μm）； （2）变形温度恒定高温（0.5-0.7）Tm； （3）应变速率小
为什么有以上要求？ 普遍认为超塑性的发生主要依靠晶界滑移变形机制， 晶界滑移本质上是晶界上原子扩散和位错运动的结果。
拉伸过程的三个阶段： （1）稳定阶段，第一个细颈点出现以前； （2）准稳定阶段，细颈扩散、转移，直到某 一部位的细颈极度发展而转移不出去为止。 此阶段的变形从细观上看不够均匀，但是 由于细颈部分的应变强化和应变速率敏感 性的作用，使不均匀性受到某种程度的抑 制，以致变形有一种在不均匀中求均匀的 趋势，以致宏观上大致是均匀变形。 （3）失稳阶段
超塑性成形与扩散连接技术
提高产品质量和可靠性 降低生产成本和能耗 促进新产品的开发和上市 增强企业竞争力和市场地位
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智能化：通过引入人工智能、机器学 习等技术，实现超塑性成形与扩散连 接技术的智能化控制，提高生产效率 和产品质量。
绿色化：在环保意识日益增强的背景 下，超塑性成形与扩散连接技术将向 更加环保、绿色的方向发展，减少对 环境的负面影响。
航空航天领域：超塑性成形与扩散连接技术将进一步提高航空航天器的性能和可靠性。
比较：超塑性成形对材料的要求更为严 格，需要材料具备较好的塑性变形能力， 而扩散连接对材料的要求相对较为宽松。
应用范围：超塑性成形适用于轻质、薄 壁、复杂结构件的制作，而扩散连接适 用于金属、陶瓷、玻璃等材料的连接。
优点：超塑性成形与扩散连接技术能够提高材料成形极限，减少成形缺陷，提高产品质量。
缺点：超塑性成形与扩散连接技术需要较高的温度和压力，对设备要求较高，同时需要严格控制工艺参数，否则 容易造成成形失败或产品质量问题。
材料的热膨胀系数、弹性模量、 热导率等物理性能也是扩散连 接的重要考虑因素。
扩散连接对材料的要求包括材 料的纯净度、晶粒度、表面光 洁度等。
材料的厚度、形状、尺寸等 也会影响扩散连接的效果。
材料的可加工性、可焊性、可 连接性等也是扩散连接需要考
虑的因素。
航空航天领域：连接不同材料，提 高结构强度和疲劳性能
比较：超塑性成形与扩散连接技术在不同应用场景下各有优缺点，需要根据具体情况进行选择。
应用：超塑性成形与扩散连接技术在航空航天、汽车、精密机械等领域有广泛应用。
轻量化：超塑性成形与扩散连接技 术将向更轻、更薄的方向发展，以 满足现代工业对节能减排的需求。
超塑性成形的原理和应用
超塑性成形的原理和应用1. 超塑性成形的概念超塑性成形是一种可以在极高温度下并且应力条件下进行的金属塑性变形技术。
它的特点是在高温下，金属材料具有极高的塑性，可以在较小的应力下实现大变形。
超塑性成形主要应用于高温合金的成形加工，如航空航天零部件、发动机叶片和复杂形状的零件等。
2. 超塑性成形的原理超塑性成形的原理是通过改变金属材料的晶体结构和形变机制来实现。
在高温下，金属材料的晶体结构会发生变化，从原来的多晶结构转变为细小的晶粒。
这种细小晶粒的结构使得金属材料在高温下具有较高的塑性。
超塑性成形的变形机制主要有固溶变形机制和晶界滑移机制。
固溶变形机制是指在晶体内部出现位错和断裂，通过位错运动和撤消来实现变形。
晶界滑移机制是指晶界变形的滑移和滑动机制，在晶界上形成高密度的位错和滑移。
3. 超塑性成形的应用超塑性成形的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：3.1 航空航天领域在航空航天领域，超塑性成形可以用于制造各种复杂形状的零部件，如发动机叶片、涡轮盘等。
超塑性成形能够在一次成形过程中实现复杂形状的制造，不仅可以减少后续加工工序，还能够提高零件的质量和性能。
3.2 汽车制造领域在汽车制造领域，超塑性成形可以用于制造汽车车身和车身零部件。
通过超塑性成形，可以使得汽车的轻量化设计成为可能，提高汽车的燃油效率和性能。
3.3 铁路交通领域超塑性成形在铁路交通领域的应用主要集中在制造高速列车的车体和车轮等零部件。
通过超塑性成形，可以使得高速列车具有更好的抗风阻能力和稳定性，提高列车的运行速度和安全性。
3.4 石油化工领域在石油化工领域，超塑性成形可以用于制造各种复杂形状的化工设备，如反应器、换热器等。
超塑性成形能够使得化工设备具有更好的耐腐蚀性和耐压性，提高设备的使用寿命和效率。
3.5 其他领域此外，超塑性成形还可以应用于船舶制造、电子设备制造、科学研究等其他领域。
通过超塑性成形，可以制造出更加复杂和精密的零部件，提高产品的质量和性能。
金属超塑性成形的理论与实践研究
金属超塑性成形的理论与实践研究金属超塑性成形是一种新型的金属加工方法，它具有高精度、高效率、高质量的特点。
近年来，随着金属材料科学技术的发展，越来越多的研究者开始关注金属超塑性成形技术的发展。
本文主要介绍金属超塑性成形的理论与实践研究。
一、金属超塑性成形的概念金属超塑性成形是指在高温和高应变率下，金属材料表现出了极好的塑性变形和高度的变形容限。
这种性能在某些特殊工艺条件下，可以实现细节复杂、形状相对规则的零部件的加工。
金属超塑性成形在工业的应用领域非常广泛，尤其在航空、航天、汽车、电子、玻璃和陶瓷领域中占有重要的地位。
二、金属超塑性成形的理论金属超塑性成形理论主要包括两部分：材料理论和加工技术理论。
材料理论：金属超塑性成形的理论基础主要是材料的变形学和热力学。
材料的变形学研究材料在各种外力作用下的变形行为，包括刚性塑性变形、弹性变形和塑性变形等。
而热力学则是研究材料在加热和冷却过程中所产生的热量以及其对材料的影响。
加工技术理论：金属超塑性成形的加工技术理论主要包括加热加工、变形机制、变形控制和断裂行为等几个方面。
其中，加热加工是指将材料升温，使材料达到超塑变形温度；变形机制则是指材料的变形方式和变形过程。
变形控制是指采取合理的控制措施，使材料变形到设计的形状和尺寸。
而断裂行为则是指超塑材料在变形过程中的断裂机制和规律。
三、金属超塑性成形的应用金属超塑性成形技术在航空、航天、汽车、电子、玻璃和陶瓷领域中有着广泛的应用。
在航空和航天领域，金属超塑性成形技术被广泛用于制造各种零部件，如涡轮叶片、喷气发动机燃烧室和飞机机身等。
在汽车领域，金属超塑性成形技术可以用于制造车身外壳、排气管、油箱和变速器壳体等。
相较于传统的冲压技术，金属超塑性成形技术可以提高成形精度，减少板材的扭曲和变形。
在电子领域，金属超塑性成形技术可以用于制造微型零件，例如微型夹具、微型感应器、微型电机和半导体器件等。
在玻璃和陶瓷领域，金属超塑性成形技术可以用于制造高精度的模具，例如光纤芯棒、金属注塑机配件和玻璃成型机的零部件。
先进材料超塑成形技术
先进材料超塑成形技术先进材料超塑成形技术是一种利用特殊的工艺方法和控制技术，将金属材料在高温和高应变率条件下通过塑性变形成型的一种先进制造技术。
超塑成形技术能够制备出复杂几何形状的零件，并且具有优异的力学性能和表面质量。
本文将对超塑成形技术的原理、应用、发展现状和未来发展进行探讨。
超塑成形技术的原理主要是利用材料在高温和高应变率条件下的特殊塑性行为。
在高温下，材料的塑性变形能力会显著增强，可以实现超塑性变形。
高应变率条件下，由于材料的快速变形速率，可以避免材料的回弹和微观缺陷的形成，从而得到理想的成形零件。
超塑成形技术通常需要在高温下进行，因此需要使用专门设计的设备和控制系统来保持合适的温度和应变率。
超塑成形技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，超塑成形技术可以制造出轻量化的结构件，提高整体效能并减少燃料消耗。
在汽车制造领域，超塑成形技术可以制造出复杂形状和轻质的车身零件，提高车辆的安全性能和燃油经济性。
在医疗器械领域，超塑成形技术可以制造出精密的植入器械和医疗设备，提高治疗效果和患者的生活质量。
目前，超塑成形技术已经得到了广泛的研究和应用。
一些国家和地区已经建立了专门的研究中心和实验室，对超塑成形技术进行深入研究，并推动其产业化发展。
在实践中，超塑成形技术已经成功应用于一些特定领域的生产工艺中，取得了较好的成果。
然而，超塑成形技术还存在一些挑战和限制。
首先，高温和高应变率条件下材料容易发生晶粒长大和孔洞形成等缺陷，导致材料的力学性能下降。
其次，超塑成形技术的设备和工艺复杂，生产周期长，需要大量的热能和人工操作。
此外，超塑成形技术还需要对材料的力学性能和塑性变形行为进行深入研究，以满足不同应用领域对材料的要求。
未来，超塑成形技术的发展方向主要包括材料的改进、工艺的优化和设备的突破。
首先，需要开发出具有优异力学性能和高温稳定性的超塑性材料。
其次，需要改进超塑成形工艺，提高生产效率和产品质量。
超塑性成形资料
1.1超塑性的概念超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。
但至今还没有从物理本质上的确切定义。
有的以拉伸试验的延伸率来定义，认为 >200%即为超塑性；有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为m>0.3，即为超塑性；还有的认为抗颈缩能力大，即为超塑性。
1.2超塑性的分类根据目前世界上各国学者研究的成果，按照实现超塑性的条件（组织，温度，应力状态等）可将超塑性分为三类：1.微晶组织超塑性（即恒温超塑性或结构超塑性）一般所指超塑性多属这类，它是国内外研究最多的一种。
当材料是微细的等轴晶粒组织，间距为0.5一5μm，温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为10-4一10-1/s之间时，材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。
2.相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性）将材料在相变温度附近进行热循环，利用相变过程，每一次热循环贡献一小的应变，从而在多次热循环过程中获得大的延伸率。
3.内应力超塑性和相变超塑性一样进行热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内应力，内应将有助于基体的塑性流动，从而使材料获得超塑性。
1.3超塑性的特点金属塑性成形时宏观变形有几个特点:大延伸、无缩颈、小应力、易成形。
（1）大变形：超塑性材料在单向时延伸率极高，有的可以到8000%表明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。
这样使材料的成形性能大大改善，可以使许多形状复杂，一般难以成形的材料变形成为可能。
（2）无紧缩：超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动，没有（或很小）应变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大，材料会强化。
因此，超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部位变形速度增大而发生局部强化，而其余未强化部分继续变形，这样使紧缩传播出去，结果获得巨大的宏观均匀变形。
超塑性的无紧缩是指宏观上的变形结果，并非真的没有紧缩。
（3）小应力：超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以很小，因为它具有粘性或半粘性流动的特点。
第二讲：超塑性成形
超塑性成形的应用
SPF构件用料情通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需
增加加热和保温装置。同时，由于应变速率要求在较低范围内， 不能采用锤和热模锻压力机，只能用液压机。具有充模好、变 形力低、组织性能好、变形道次少、弹复小的特点。用于铝、 镁、钛合金的叶片、翼板等薄腹板带肋件或类似形状复杂零件 的模锻。
超塑性变形机理
溶解—沉淀理论 亚稳态理论 扩散蠕变机制 扩散流动机制--Ashby-Verral模型 位错蠕变机制
超塑性成形的应用
利用气压胀形／扩散连接复合工艺（SPF/DB）工艺制造的发动 机整流叶片形
超塑性成形的应用
军用飞机采用的超塑成形零件
超塑性成形的应用
铝合金超塑成形构件的市场分布
（2）实现超塑性的条件
微细晶粒超塑性的实现有赖于晶粒细化、适当的温度和低应变速率三个 基本条件。
冶金方法：主要是添加一些能够促使早期形核，使组织弥散，并在变形 过程中稳定晶粒的微量元素。此外，还可采取快速凝固方法。 压力加工方法：采用冷、温、热三种不同温度下的轧制或锻造。 热处理方法：包括反复淬火、形变热处理、球化退火等方法。
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拉伸实验步骤
• 3、对流变应力----应变速率曲线求导得到不同 应变速率下的应变速率敏感指数m 值及对应的 最佳应变速率,再在此温度及应变速率下考察其 伸长率。oddt应力－应变速率曲线
结论
• 应变速率为10 - 4 s – 1下， m 最大值出现在865 ℃， 为0. 5 ，测得伸长率已经超过306. 1 % ，且流变 应力只有71. 2MPa ，这表明BTi6431S 合金已经 表现出良好的超塑性及潜在的可成型性。
拉伸实验步骤
• 2、采用拉伸速率突变法，在CMT5105 型万能拉伸机上 （能进行拉伸、压缩、剪切及弯曲等各种静力实验）进 行试验，初始拉伸速率为0. 075 mm/min，下一次速率 突变为上一次的2倍。 • 万能拉伸机
构造及工作原理
• 是以液压油推动工作油缸4的工作活塞6，并带动与活塞相连的活动台9，以 使试件受力并产生变形。 • 将试件固定于上、下夹头之间，开动油泵5将高压油通过油管（1）压入工作 油缸，工作活塞6随即升起，与活塞相连的活动立柱8和工作台9也随之上升， 同时带动上夹头10向上移动，这样便使试件受拉力而产生拉伸变形。
• 超塑性成型视频
BTi6431S 高温钛合金盒形件超 塑性成型工艺
• 试验材料为BTi6431S 板料,厚度为1. 48 mm。 • 根据本试验的特点切割成图1 的试样。
拉伸实验步骤
• 1、采用电阻炉加 热试样,工作区温差 ≤3 ℃。根据该种 材料的熔点,在可能 的超塑性温度区间 790～880 ℃选择了 5 个不同温度进行 试验
成型件显微组织
• 从成型后盒形件的型芯部位切割下一块金相 试样, 光学显微镜观察显微组织，金相腐蚀 剂为氢氟酸、硝酸、水的混合液,三者的体积 比为1 ∶1 ∶3 。
分析
• 原始板料的显微组织为等轴状初生α 相加 β转变组织,α 相约占23 % ,其平均直径小 于5μ m ,最大颗粒尺寸在10μ m 左右,是典 型的超塑性材料 。 • 成型后合金的显微组织中α 相大小及体积 分数并没有明显变化,且分布更加均匀,这 有利于改善成型后零件的力学性能。
成型试验
目的：1、获得BTi6431S 钛合金合理的成型工艺参数如： 加载曲线，还有成型温度、保温时间、保压时间等。 试验步骤： 1、设计、制造模具。
成型试验
• 2、密封成型气体：板料与模具之间加贴石墨纸 • 3、加压：液压机直接在凸模上加压 • 4、加热：加热炉，恒温865度，保温0.5h，保证模具， 毛坯与炉温一致 • 5、加载，压力由氩气瓶提供，大小手动控制
概念
• 超塑性：一般是指材料在低载荷作用下，其拉 伸变形的伸长率超过100%的现象。具有能超过 100%伸长率的材料叫作超塑性材料。如锌合金， 铝合金，铜合金，钛合金，不锈钢和高温合金 等。 • 微晶组织超塑性
• 内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织，<10um； • 外在条件：特定温度和变形速率。