超塑性作业.doc

细晶超塑性

学号：123111066

学生：肖宇宁

2012.12.25细晶超塑性
1.前言
超塑性是指晶体材料在拉伸时表现出大的应变。一般将材料延伸率超过100%的现象叫做“超塑性”。这个现象在学术上很令人感兴趣，在工业上也有相当大的应用潜力，因为超塑性成形为难变形材料成形为复杂形状的部件提供了可能。通常超塑性现象主要发生在高温下（约等于0.7Tm, Tm为材料的熔点），应变速率相对较低（小于10-3/s）。超塑性应变速率对工业结构材料的成形来说是极低的，因此超塑性在工业上的应用也受到了限制。Longdon提出了超塑性变形的两个必要的条件：(1)局部缩颈受到限制；(2)空洞内部相互连接受到抑制。由于材料超塑性变形过程复杂,在超塑性变形过程中既有位错运动和物质的扩散, 又有晶界的滑动和转动,目前关于超塑性机理尚未形成统一的理论[1]。
按超塑性实现的条件（组织、温度、应力状态等）可将超塑性分为：（1）恒温超塑性，也叫细晶超塑。（2）相变超塑性；（3）其它超塑性或者第三类超塑性[2]。本文主要介绍细晶超塑性及其成型工艺。
近年来的大量研究结果表明,细晶超塑性变形的主要机理是扩散蠕变、晶内滑移等协调的晶界滑移。晶界滑移有利于材料在超塑性变形过程中的应力松弛,塑性提高,从而防止裂纹产生;并且其与晶粒转动相配合, 有利于保持晶粒的等轴性, 降低变形抗力,使晶粒在滑动中保持连续性,晶界滑移所造成的几何不匹配为位错运动和扩散运动等协调过程所消除。研究发现晶粒越细小,其提供可滑动的晶界面积越大,为晶界滑移提供了大量晶界,与此伴生的应力集中也增多,主要集中在晶界及其附近, 从而导致晶内位错滑移也集中在晶界附近, 起到了协调晶界滑移的作用。同时,晶粒越细小,等轴性越好,产生的空洞尺寸和密度也越小,晶粒的滑动和转动也越容易进行。因此,细晶材料在超塑性变形过程中,晶粒通过晶界滑动和晶粒转动等运动使得晶粒等轴化和晶界圆弧化,并使晶粒逐渐排列到拉伸轴方向,使材料延伸率得到极大提高[3]。
2.细晶超塑性
2.1 1420铝锂合金的超塑性行为

1420铝锂合金具有密度低、比强度高、焊接性能和抗腐蚀性能好等特点, 是一种优良的航空航天结构材料。具有细晶组织的1420铝锂合金则表现出了较好的塑性和服役性能而且还可以获得超塑性。鉴于等通道角挤压技术、高压扭转和变形热处理方法(TMP)的局限性,张新明，叶凌英等[4]采用一种新型形变热处理方法制备1420铝锂合金细晶超塑性板材，得到的晶粒尺寸约为7μm。具体为试验方法为试验用材料为8.2mm厚的1420AI-Li合金热轧板,合金在空气炉中经475℃2h固溶处理和300℃/48h过时效,在400℃加热4h后立即进行轧制,轧辊直径350mm。轧制过程中将样品进行300~380℃/lh的中间退火 并采用转向轧制, 即将前一次轧制后板材的横向作为本次的轧制方向,总变形量为45%-82%,道次压下量为10%-20%。最后将轧制样品在盐浴炉内进行510℃/2~60min的再结晶退火。将得到的细晶板材在温度范围450-570℃、应变速率110-3s-1和温度525℃、初始应变速率范围510-4-110-2s-1条件下进行高温超塑性拉伸,探求了对板材流动行为及组织演变的影响规律。图1(a)和(b)分别给出了经形变热处理后的1420铝锂合金板材在相应条件下拉伸时合金的真应力一真应变曲线。从图中可以看出, 主要存在2种形状的应力一应变曲线。在较低的变形温度或较快的初始应变速率条件下,板材在变形初始阶段加工硬化率很高,应力迅速达到峰值,然后较快地减小直至断裂, 没有明显的应力稳定流动阶段。这种情况下的加工硬化主要是由位错的增值引起的。而在较高的温度或较慢的应变速率条件下,板材的真应力一真应变曲线出现了明显的稳定流动阶段, 流动应力先缓慢达到峰值, 然后逐渐下降, 应力的大小随应变变化不明显，表现出明显的超塑性变形规律。从图中还可以看出, 提高变形温度或降低应变速率都使板材达到峰值应力的应变量增加。在525℃、应变速率为110-3s-1变形条件下,合金延伸率最高为915%。

图1 温度和应变速率对1420铝锂合金真应力一真应变曲线的影响
作者对延伸率最高时的试样组织进行了研究发现：在板材肩部，试样表层和中心层的晶粒尺寸有较小的增长；在板材标距部分，晶粒整个厚度方向在超塑性变形阶段非常均匀，表明中心层的扁平状晶粒在变形过程中，转变为等轴状晶粒。
2.2 Al-5.6Mg-0.30Zr合金细晶超塑性研究
Al-Mg系铝合金具有良好的力学性能、抗腐蚀性和焊接成型性, 在航天航空工业领域有着广泛的应用潜力。随着现代科技的不断发展, 先进飞行器的零部件服役条件苛刻, 且构造复杂, 要求一体化。许多复杂构件需要采用超塑性成形技术来制造。Al-Mg系铝合金属于热处理不可强化型铝合金, 材料组织性能主要是通过合金化、熔铸、形变和退火工艺来控制。众所周知, 添加稀土元素或者过渡族元素可以细化铝合金晶粒。在Al-Mg合金中加入微量Zr合金化,一方面可以明显细化铸造晶粒,另一方面也可以细化后续加工和热处理组织,这对实现Al-Mg系铝合金超塑成形是十分有利的。刘黎明等[5]通过熔炼、铸造、均匀化、旋压或者轧制得到超塑性试验所需试样。进行高温超塑性拉伸试验,确定了拉伸温度和应变速率。在拉伸温度480-540℃和应变速率810-4s-1的条件下,试验材料的应变速率敏感系数M值处于0.37-0.55,超塑性拉伸性能均>400%。总体上,冷轧板的超塑性拉伸伸长率大于冷旋管的。在520℃,810-4s-1的条件下,冷轧板和冷旋管的超塑性拉伸伸长率分别可达600%和500%。相关研究表明,对于Al-Mg系合金, 需进行较大变形(>85% )的冷加工,增加储能,在随后的高温变形过程中能诱发动态再结晶,有利于提高细晶超塑性。然而,由于采用微量Zr合金化,引入析出退火处理,虽然冷变形量分别仅为73%和50%,但是试验合金冷轧板和冷旋管仍能达到细晶超塑性组织的要求,可以获得良好的高温超塑性拉伸性能。只是相比之下冷旋管的超塑性均略低,原因可能在于：冷旋累积减薄量小,逐点累积导致旋压变形不均匀,导致再结晶晶粒偏大,且易出现不均匀性。Al-Mg系合金是以晶内位错协调的晶界滑移机制来实现其细晶超塑变形的。在高温超塑性变形过程中,晶界滑动于三叉晶界、晶界台阶、第二相粒子等处受阻,并产生应力集中。这时, 启动位错滑移和扩散蠕变协调机制。图2显示了在晶界运动受阻处附近存在晶内位错。这表明,借助晶内位错协调, 即位错增殖、滑移或攀移、异号对消,或被晶界所吸收, 促使晶粒微小转动, 松弛应力,使变形得以继续。但随变形量增大,晶界滑移受阻严重,在受阻处萌生空洞,经历一个形核长大过程,如图3所示, 空洞数量增多, 尺寸增大、聚集、扩展,最终导致沿晶破断试验合金520℃冷轧板和冷旋管试样的超塑性拉伸断口呈现出典型的沿晶断裂形貌。断口上存在大量深坑, 深坑内可看到多个晶粒的晶界,晶粒呈剥离状, 有的表面上拉出细丝。这是晶界滑移,晶粒转动而后沿晶破断的结果。

图2 试验合金520℃超塑性拉伸后TEM组织

图3 超塑性拉伸过程中的空洞形核长大( a), 聚集扩展( b)与沿晶破断( c)
显然, 在高温超塑性变形过程中,再结晶晶粒细小、均匀,且呈等轴状,容易实现晶界滑移、转动而获得超塑性,也有利于阻滞空洞形核长大而推迟破裂。因此,虽然冷旋管试样在宏观上表现出良好的超塑性拉伸性能,但是,由于再结晶晶粒偏大,且存在相对不均匀性, 与冷轧板的相比冷旋管的超塑性偏低。
3 总结
总之，在材料方面，对材料超塑性的研究工作以组织超塑性为主。除一般的金属和合金的超塑性研究之外,近十年来超塑性研究的一个重要特点是对新材料如金属基复合材料、金属间化合物及陶瓷材料的研究显得尤为重要在工艺方面，随着超塑性拉伸，超塑性与扩散连结（SPF/DB）[6]等工艺的发展与应用，超塑性将对塑性加工领域产生重要的影响。

参考文献
[1]詹美燕，傅定发，夏伟军，陈吉华.细晶超塑性变形及其在镁合金中的研究现状[J].轻合金加工技术.2003,31（8）：6-10.
[2]彭大署.金属塑性加工原理[M].长沙：中南大学出版社,2004:162.
[3]孙前江, 王高潮 , 李淼泉. 细化晶粒对钛合金超塑性的影响[J].材料导报，2010,24（9）：126-129.
[4]张新明，叶凌英，郑大伟.1420铝锂合金的超塑性行为[J].航空制造技术，2009，（10）:82-86.
[5]刘黎明, 肖于德, 苏 婕, 赵 俊, Al-5.6Mg-0.30Zr合金细晶超塑性研究[J].金属热处理,2006,31(12):12-15.
[6]李志强，郭和平.超塑成形/扩散连接技术的应用进展和发展趋势[J].航空制造技术，2010，（8）：32-35.