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1出現背景

高強度材料可以滿足一些耐受性要求較高的部件製造,但加工難度相應也增大了。長期以來,人們一直希望能夠很容易地對高強度材料進行塑性加工成型,成型以後,又能像鋼鐵一樣堅固耐用。隨著超塑性合金的出現,這種想象成為了現實。

2超塑性合金的發現

最初發現的超塑性合金是鋅與22%鋁的合金。1920年,德國人羅森漢在鋅-鋁-銅三元共晶合金的研究中,發現這種合金經冷軋后具有暫時的高塑性。超塑性鋅合金的形成條件為,溫度250℃~270℃,壓力0.39兆帕~1.37兆帕。超塑性鋅合金具有成型加工溫度低,成型性和耐腐蝕性好等優點。所以除了製作各種複雜形狀的容器外,還廣泛用作建築材料。

3超塑性現象的定義

1928年英國物理學家森金斯下了一個定義:凡金屬在適當的溫度下變得像軟糖一樣柔軟,而且其應變速度為每秒10毫米時產生300%以上的延伸率,均屬超塑性現象。1945年蘇聯包奇瓦爾等針對這一現象提出了「超塑性」這一術語,並在許許多多有色金屬共晶體及共析體合金中,發現了不少的延展性特別顯著的特異現象。
70年代的初期,全世界都在追尋金屬的超塑性,並已發現170多種合金材料具有超塑性。
在通常情況下,金屬的延伸率不超過90%,而超塑性材料的最大延伸率可高達1000%~2 000%,個別的達到6000%。金屬只有在特定條件下才顯示出超塑性。在一定的變形溫度範圍內進行低速加工時可能出現超塑性。產生超塑性的合金,晶粒一般為微細晶粒,這種超塑性叫作微晶超塑性。有些金屬受熱達到某個溫度區域時,會出現一些異常的變化,若使這種金屬在內部結構發生變化的溫度範圍上下波動,同時又對金屬施力,就會使金屬呈現相變超塑性。

4超塑性合金的定義

超塑性合金是指那些具有超塑性的金屬材料。超塑性是一種奇特的現象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍,既不出現縮頸,也不會斷裂。金屬的超塑性現象,是英國物理學家森金斯在1982年發現的,他給這種現象做如下定義:凡金屬在適當的溫度下(大約相當於金屬熔點溫度的一半)變得像軟糖一樣柔軟,而應變速度10毫米秒時產生本身長度三倍以上的延伸率,均屬於超塑性。
最初發展的超塑性合金是一種簡單的合金,如錫鉛、鉍錫等。一根鉍錫棒可以拉伸到原長的19.5倍,然而這些材料的強度太低,不能製造機器零件,所以並沒有引起人們的重視。
60年代以後,研究者發現許多有實用價值的鋅、鋁、銅合金中也具有超塑性,於是前蘇聯、美國和西歐一些國家對超塑性理論和加工發生了興趣。特別在航空航天上,面對極難變形的鈦合金和高溫合金,普通的鍛造和軋制等工藝很難成形,而利用超塑性加工卻獲得了成功。到了70年代,各種材料的超塑性成型已發展成流行的新工藝。
現在超塑性合金已有一個長長的清單,最常用的鋁、鎳、銅、鐵、合金均有10~15個牌號,它們的延伸率在200~2000%之間。如鋁鋅共晶合金為1000%,鋁銅共晶合金為1150%,純鋁高達6000%,碳和不鏽鋼在150~800%之間,鈦合金在450~1000%之間。

5實現超塑性的主要條件

實現超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應變速率,這時合金本身還要具有極為細小的等軸晶粒(直徑五微米以下),這種超塑性稱為超細晶粒超塑性。還有一些鋼,在一定的溫度下組織中的相發生轉變,在相變點附近加工也能完成超塑性,稱為相變超塑性。

6超塑加工具的實用價值

超塑加工具有很大的實用價值,只要很小的壓力就能獲得形狀非常複雜的製作。試想一下,金屬變成了飴糖狀,從而具有了可吹塑和可擠壓的柔軟性能,因此過去只能用於玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工藝被沿用過來,用以對付難變形的合金。而這時所需的壓力很小,只相當於正常壓力加工時的幾分之一到幾十分之一,從而節省了能源和設備。使用超塑性加工製造零件的另一優點是可以一次成型,省掉了機械加工、鉚焊等工序,達到節約原材料和降低成本的目的。在模壓超塑性合金薄板時,只需要具備一種陰模或陽模即可,節省一半模具費用。超塑性加工的缺點是加工時間較長,由普通熱模鍛的幾秒增至幾分鐘。
超塑性的鉛合金已經商品化,如英國的Supral 100(A—6Cu—0.4Zr)和加拿大的Alcan 08050(AL—5Ca—5Zn)。鋁板可在300~600℃時利用超塑性成型為複雜形狀,所用模具費用降低至普通壓力加工模具費用的十分之一,因此它具有和薄鋼板、鋁壓鑄件及塑料模壓件相競爭的能力。
據推測,最近超塑性成形工藝將在航天、汽車、車廂製造等部門中廣泛採用,所用的超塑性合金包括鋁、鎂、鈦、碳鋼、不鏽鋼和高溫合金等
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