高应变速率超塑性的研究进展

高应变速率超塑性的研究进展 哈尔滨工 业大学 崔忠场 王 中 文摘 , � � 年 , ! ∀ # ∃ 等首次提出高应变速率超塑性概念 , 近年来的研究戌果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 , 细小的晶粒尺寸和接近固相线的变形温度是获得高应变速率超塑性的重要条件 % 晶粒尺寸在 &拼∋ 以下的金属墓复合材料和粉末冶金材料 , 在 (。一 , 一 ()七一 ’应变这 率范围内可获得很高的延伸率 , 增强体和合金中沉淀析出的难熔的弥散质点 , 可钉扎 晶界 , 使细 晶组织保持到很高温度 % 高速变形时的绝热加热往往使材料的实际变形沮 度升高至固相线沮度以上 , 液相的存在与分布 , 使全属基体通过液体薄层剪切实现彼 此滑动 , 从而大大改善材料的变形性能 % 主题词 十高应变速率 超塑性 ’ 粉末冶金 绝热过程 孔 月∗吕 近三十年来 , 金属超塑性的研究取得了巨大 进展 , 在工业生产中已开始应用 , 它可以使宇航 工业的复杂构件一次成型 , 大大降低成本 , 提高 构件的使用性能 , 尤其是解决了室温塑性和韧性 差的材料 , 如金属基复合材料 , 陶瓷材料 , 金属 间化合物等难于成型的问题 , 已引起材料学界的 巨大兴趣 % 然而 , 当前存在的突出问题是超塑成 形时最佳应变速率太低 , 一般在 +, “ , − () 一名一 ‘范 围 , 这使超塑性技术的大规模应用受到限制 。 一 些研究指出 , 未来工程应用的超塑合金应具备延 伸率大于 .加/ 的高应变速率下的超塑性 , 而不 是低应变速率条件下的大延伸率 % (� � 年 , 饨∀∃ 等在金属荃复合材料 0112 3 456!% 789 :( & 尸表示增强体为品须3 和机械合金 化 01; 3材料1; 一5!� )& ( 的研究中 , 分别在 应变速率为 .% . < () 一 ‘= 一 ‘和 (% . > “’的变形条件下 实现了超塑性 , 并首次命名为 “高应变速率超塑 性 ” 随后 1?≅ Α #∃ 等用 1乡5。一4Β , ! ΧΔΕ9 Φ) Φ( 在 初始应变速率为 : < 7, 一’= 一’和 112 一 4Β ,!% Γ9 印Φ 0Γ表示增强体为颗粒3 在恒应变速率为 &= 一 ‘ 的变形条件下均获得了大于 Φ加/ 的延伸率 % 最 近 , 托Η ?= ∃Β 等 用 1; 一5! � )& ( 在应变 速率 为 () − (以治一 ‘的范围内获得了大于 () )) / 的延伸 率 , 其应变速率比传统的工业超塑合金如 4 ΑΙ ?7 和 ϑ ϑ> 的最佳应变速率 0为 ( < 7『 > “ , 高 一 Φ 个数量级 % 近几年来 , 关于高应变速率超塑性的研究 已 取得不少进展 , 并已成为超塑性研究领域的新方 向 % 本文就高应变速率超塑性变形的特点 , 条件 及变形机理进行了较全面的评述 , & 粉末冶金与晶粒细化 研究表明 , 超塑变形时的应变速率与晶粒尺 寸有关 % 就组织超塑性而言 , 材料具有尺寸细小 而稳定的细晶组织和一定的变形温度是必要的 , 如果在变形时这些条件能被满足且保持 , 材料将 具有高的抗颈缩能力 , 即高的 ∋ 值 % 由关系式 Κ ‘ Λ Μ ≅ , ≅ 、一 , 厅 乙Ν 矛Ο − %二 , 二二, − ‘— 了气− %二 , + % ‘ 。 % ‘ 。 % , 。 % 。 。 。 。 。〔Π 7人 ’7’ 、 Θ ‘ 、 行 ; % 一 与变形机制有关的常数 Γ一 品粒尺寸指数 , 对超塑性材料一般为 & − . Ρ Λ一 扩散系数 Ρ Θ一 品粒尺欢 ≅一原子体 积 Ρ Σ一 Τ 弹性模量Ρ Υ一 应力指数 Ρ Ο一玻氏常 航夭工艺 数 手 一 绝对温度 % 序号 Π 合金种类 预处理状态 固相线沮度℃ 应变速率 4 一 生 ∋ 值 延伸率 / 翻朔&>) >)&.)�.)&>)划���������甘、肉 ! 月峙月,�∀#∀#∀#∀#∀# ∃ %白 %#、&%∋∀# (∀#∀#∀#∀#∀#∀# )纽纽∗%∗∗+% � 阳,热−./ %) %0 阳元1 2岸)%0 妈枯3 #!4 %56翻 阳,,从2了印7) 阳屯悦2 (月 一劝一 8 9 ∗ ), 3 尹邝:拼 ∗ ),心% )% 0 8 ; 一 < 喂泪% ) 3 !; 一刀又以刀! 入至; 一 < 证沁% ) 8 ; 一 =三> ,侧如% ) 8 ; 一 50 5∗ 一 ∀ 5乙 8 ; 一川 一减一8 ? 8 ; 一刀尺卯分几 8 ; 一 7 ≅幻 8 ; 一 5∗0 Α脚5闷5 ∗ 曰Β ℃烧结挤压 挤压 绷卿卿划)+∀期期����一� ∗∀%、)∀∀#Χ)为∀#∗∀#)∀#) 双观0Δ∗0Δ∗0Δ∗0Δ∗ 夕刀 ℃挤压 挤压 ΕΦΓ ℃ 挤压 挤压 Η 7处理 挤压热轧 挤压热轧 挤压热轧 � )%乏Ι ϑ ∗Χ+ 挤压热轧 挤压热轧 热轧 热轧 表 ) 变形温度 ℃ ∗%∗ ∗ %∗ ∗乃 ∗0 ∗ ∗0 ∗ ∗ )∗ ∗%∗ 0 5∗ ∗阅 0 %∗ ∗幻 ∗为 〔朋 ∗幻 )〔≅幻 )〕刀 ∗ )∗ ϑ ))%∀ ϑ ) Κ%∀ ϑ ∗Χ + 众Χ ∀# ∗ ∀ # Χ ∀# ∗ ∃ ∀ # Χ ∀ # ∗ ∀ # ∗ ∀# ∗ 以Χ � )以刀 一:Κ⋯⋯Κ:Κ门‘#⋯Λ<甘#盈,山月 月峪心&‘Μ�了:Ν%! 0‘‘)夕6Ο了占7八,#胜‘)Π∋,,)喇#占ΠΝ, 可见晶粒尺寸的减小能使应变速率显著地提高 # 铸态合金晶粒细化往往受到一定的限制 , 在 最佳预处理状态下 , 晶粒尺寸一般也不能小于 ΘΓ 拜? # 最近 , 粉末冶金技术的新发展 , 使制备 新型细品超塑材料成为现实 # 通过快速凝固可获 得品粒在 ∗拜? 以下的合金粉末 , 进行变形再结 晶后 , 可获得 %井? 以下 的等轴品 , 而机械合金 化可获得超细氧化物粒子增强的超细品材料 , 甚 至能得到非晶材料 , 这为超塑变形的 高速化创 造了条件 , 目前 , 关于高应变速率超塑性 的研 究 , 都是针对粉末冶金材料 Ρ表 Μ 技粉末 加 工方法和材料组成分类 , 可分为 人乞入粉末冶金材 料 , 粉末 88Σ 和快速凝固粉末 Ρ毗ΑΒ 冶金材 料三种 # %# ) # 机械合金化粉末冶金材料 机械合金化即通过机械粉碎的方法 , 如捣 磨 , 球磨等 , 使金属颗粒不断粉碎 、 细化 、 均匀 化 , 最终得到超细化的合金粉末 , 然后经烧结 、 挤压 、 轧制等工艺获得晶粒超细化的粉末冶金材 料 。 在机械细化过程中, 粉末及表面的氧化膜不 断破碎并细化 # 可仗找化物颗粒细化到 ∀# )召? 以 下 , 晶粒细化到 ∀ # ∗尸? 以下甚至可获得非晶态 粉末 # 在以后的挤压轧制过程中 , 大且存在的氧 化物旱细小均布 , 起到增强体的作用 , 在变形过 程中使品粒变形受阻同时钉扎晶界 # 形变热处理 后可形成位错密度极高的形变细品和亚品组织 , 在超塑变形时发生再结品 , 使品粒进一 步细化 , 或形变亚品在变形初期通过位错运动 , 使小角品 界向大角品界发展 # ‘在品粒细化的 同时 又形成 可滑动的大角晶界 # 由于 弥散氧化物的 钉扎作 用 , 可使细品组织保持到很高的温度 , 因而使8; 粉末 冶金 材料 具有 高应变 速率 超 塑 性 , 如 入Τ久一 !3 Δ∀% ) 办工; 一儿 一3 ,一8 ? 郎? 一 含钵的 稀 土Β # 有 的材 料如 加认一以刀6在 超 塑 变 形 时 , 组织几乎不发生变化 , 其高应变速率越塑性 的组织条件由机械细化所得细品组织和氧化物对 晶界的钉扎作用来保证 # )卯Χ年第 Χ 期 ( & 金属基复合材料 用于制造金属基复合材料的粉末有两种 % 一 种为普通工业粉末 , 如 > (.从ς 脚 一: Υ 一1 Η 、=Β, !尸9Φ) Φ( 和 4Β ,执Ι 9& (& 等复 合材 料 所 用 的 粉末 % 工业粉末可具有小的粉末粒度 0一 & )月Κ∋3 但并不一定具有细小晶粒 % 增强体一般为 4Β 双0或45 Σ 3颗粒 0或晶须3 , 粒度 0或晶须直径3 在 ) %知∋ 以下 , 与1; 粉末冶金材料中的氧化物尺寸 相近 , 基体的晶粒细化方式与 入毛气粉末冶金材料 相似 , 即在挤压与轧制后 , 由于弥散的增强体阻 界变形 , 同时钉扎品界 , 在形变处理后形成具有 高密度位错的形变组织 , 在超塑变形时发生再结 品 , 且角品界向大角品界的转化 , 实现品粒细 化 % 另一种是用机械合金化粉末制成的金属荃复 合材料 , 如 45 ΣΓ 瓜5; 一5! �)& ( % 在细化品粒方 面 这种材料具 1; 粉末 冶金材料 和 粉末冶金 1入(色 的双重优势 , 因而能表现出好的高应变速 率超塑性 % &% . 快凝粉末冶金材料 普迈的铸造方法 , 在金属凝 目时因冷却速度 较低 , 一般大于 (> ℃ 94 , 很难得到细品材料 % 利 用快速凝周技术 , 如超声波气体雾化法 , 离心雾 化法 , 可使冷却速度高达 7。‘− 7护 ℃ 9= , 获得元 偏析的超细化合金粉末 % 采用快凝方法 , 一般可 使晶粒细化到 >召∋ 以下 , 如快凝条件较好 , 可使 晶粒细化到 毕∋ 以下 , 甚至更小 % 快凝粉末冶金材料料没有增强体 , 变形后位 错密度不及前两种高 , 在高温变形时也能发生再 结品使品粒细化 , 但要维持这种细品状态 , 合金 必须能沉淀出难溶的弥散质点, 以钉扎品界 % 如 ϑ ϑ> 一) % ϑ:+ 和 含:+ 的 月 一ΩΒ 合金 都 能沉 淀 出弥故分布于品界的月 。:+ 质点 , 因而这些合金 都具有较好的超塑性 % 低 :+ 的 ΩΒ合金由千 川。:+ 的数目少 , 使其变形时不能连续发生结晶 , 因而 超塑性变形时的延伸率较低 % 高 :+ 铝合金析出的 从:+ 粒子多 , 对品界钉扎作用强烈 , 在超塑变形 时能发生连续再结晶 , 以保持稳定的细品组织 , 表现出良好的高应变速率超塑性 % 有人认 为高 :+ 的拟 一ΩΒ 合金超塑变形就是 以这种方式进行的 % 现象 一般金属材料在变形过程中 , 约有 �) / 的形 变能转化为热能 % 在高应变速率变形条件下 , 由 于产生的热童来不及敬失 % 造成绝热加热现象发 生 , 从而使卖际变形温度增高 % 高应变速率超塑 性往往出现在固相线附近的温度范围内 , 这种由 绝热加热使变形温度的增高很可能导致材料的实 际变形温度在固相线之上 , 即使材料在液一日两 相共存状态下变形 % =Β ΥΗ ∀+ 和 Μ 邸ΒΥ Η∀+ 测量 了 入5; 一Φ) ) )在超塑变形中的沮度变化 , 在应变速 ’ 率为 )% .> 一’时 , 温度升高 ϑ) Ξ , 相应的应力值由 �)) 1Γ? 降至 钓Ψ入5Γ? % 这种温度升高是 由绝热加 热而造成的结论也为 Ζ [+Β Υ 和 Ξ Α≅ ΒΥ 所证实 % 在变形过程中沮度的变化 △∴ 可由下式表示 Κ 盯、之叭9# · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·⋯⋯0匀 [一 变形经历的时问 Σ一定体积比热 ;[ Α7 和 Σ∃, Ο= ∃等从塑性变形能的角度 , 给出 了下式 % ] ) % � 厂‘ ] , ] , , 、。 ( 二 − , Κ 尸一 7 ‘? 匕 ‘ ” ’“” ‘ ” ‘ ’ ‘ ’ ““ · ‘ ’ ‘⋯ ’⋯气。3夕七Ι 6。 Ι一 材料密度 6。址。Υ 和 Σ, , Ο 提出了形变应力与温度 、 应 变及应变速率的关系式 。 一 0。。 十Ζ 。、307⊥ Σ , Υ Κ 3_卜洛户( · · ·⋯⋯0’3工 口 叮。一材料的屈服强度 Ζ % Σ % 1 % !‘ 常数 ∴ 。 一材料的熔点 0.3 式与 0勺式合并得 广以几丁 。 ) �07 ⊥ 2 Υ云3ΓΣΓ 广‘%Χ。 〔气⊥ ”护,Θ “ ⋯⋯0>, . 高应变速率变形中的绝热加热 几一变形开始时沮度 航天工艺 毛一交形结束时温度 价一变形结束时的应变 0>3 式较为全面的反映了变形过择中温度变化 与材料特性和变形条件的关系, Τ 高应变速率超塑变形机理 具有高应变速率超塑性的材料往往具有高的 ∋ 值 0⎯ )% .3 % 人们普遍认为,高的∋ 值意味着品 界滑移在变形中占主导地位 % ;Β Α7 等认为 其协调 机制是 2 ≅Π ∀ 蠕变 , 因为 Σ, ≅7 ∀ 蟋变机制对应变 速率有较低的限制 , 能使变形在高应变速率条件 下发生 % Μ +∀ ΗΥ +α 等就 1; 一 Φ)) ) 通过计算对低能 量蠕变和伪≅7 ∀ 蟠变做了比较 , 认为 Σ, ≅7 ∀ 蠕变 能在高应变速率 0一 (> 一 ‘3范围内发生 , 而当应 变速率高于 (= 一 ‘时 低能量蜘变则占优势 % 高应变速率超塑性往往出现在合金固相线附 近 的温度范围内 , 有的甚至在固相线温度之上 % 有些材料虽然在低于固相线温度下进行高应变速 率变形 , 但由于在晶界和复合材料中的相界处存 在偏析 , 导致这些 区域在变形温度下熔化而产生 液相 , 另一个原因就是由于绝热加热使实际变形 温度高于固相线温度而产生液相 , 因而高应变速 率超塑变形往往在准固态 0液一 固两相共存状 态3 下进行 % 在变形中 , 固相的形状 ,不论是纤维 状 0晶须增强体3 还是颗粒 0颗粒增强体3 或未 熔的金属基体 , 都能通过液体的薄层剪切实现彼 此的滑动 % Γ抽耳和 ;= ∃≅α也指出 , 在多晶体材 料中 , 液相的存在犹如润 滑剂一样 , 使品粒和第 二相颗粒间的滑动更容易进行 , 从而使材料的变 形性能大为改观 % ! Β∀ ∃等提出用流变的观点来解释高应变速率 超塑变形 , 把准固态合金作为非理想流体来处 理 % 从流变的观点 , 其剪切粘度 叮可定义为 Κ 。 Ν 刀公 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·⋯⋯间 , 一 剪切应力Ρ 公一剪切速率% 刀又可表示为 刀Ν 妙 一 Ι · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·⋯⋯ 0ϑ3 Ξ %Γ 一 均为材料常数 , 与固相的体积分数 、形 状 、 尺寸分布等结构因素有关 % 0句式与 0ϑ3 式合并得 Κ Κ Ν Ο俨 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·⋯⋯0� 3 ∋ “ (一Γ是材料的应变速率敏感指数 % 0�3 式常被用来描述结构材料的高温形变特 征 , 即合金处于准固态具有一定粘度时 , 其变形 应满足此式 。 就超塑变形而言 , 大的延伸率往往在产生大 的 ∋ 值 0⎯ )% .3的条件下获得 , 此时材料具有高 的抗颈缩扩展能力 % 假如把上述准则应用干准固 态材料 , 则在合适的条件下准固态材料能表现出 大的延伸率 % 以流变的观点 , 在准固态材料中固 相的形状对流变不是十分重要的 , 如果液相的存 在与分布使材料具有适当的粘度 , 即 Ι 值不大于 )% ϑ0∋ ⎯ )% .3, 且在固相间粘着力不发生显著下降的 行况下 , 就能期望材料表现 出高应变速率超塑性 并获得大的延伸率 % 在液相体积分数较小时 , 细 小的固相尺寸 0晶粒或增强体3 能使固相间的界 面上产生高的毛细作用力 , 使单位面积相界上的 液相减少和均匀化 , 使固相间的粘着力不发生显 著下降 % 1 , ,Υ 在准固态的川 一Φ % >> (合金和 45Σ Ι周 一 Φ% >> ( 中均观察到了薄层剪切效应 % 对含 +, / 、 &) / 、 .) / 体积分数 45ΣΓ 的 > (饰闪 一Φ % >> (的粘度测量所得出的 Γ值与相近材料的高应变速率超 塑性实验所得的 ∋ 值对应的很好 % 导致高应变速率超塑性的因素很多 , 应变速 率控制变形机理的提法尚无实验依据 % 液相的存 在使高应变速率变形具有独特的特性 , 液相的作 用与品界滑移的关系有待于进一步研究 % > 高应变速率变形中的孔洞 晶粒及增强体的超细化 , 使材料对孔洞形核 及长大的敏感性明显减小 % 4∃, ?7 和 Γ叨#∀ 认为如果材料具有稳定的超细品组织 0一 (井∋3 , 则变 形时晶粒问是否能协调 , 都不会产生孔洞 % 材料 具有高 ∋ 值可使孔洞易于稳定而不发生连接 , 所 以最佳超塑性能要求的是对孔洞连接的抑制作 用 , 抑制孔洞的形核则不是重要的 % 但孔洞 的存 在对材料的使用性能有影响 % 幻 ∋ 等在对 4 Α Ι旧()) 合金超塑变形孔洞无损 检测的研究中发现 , 在延伸率不大于 . ) / 时 , 孔洞数目随初始应变速率的增加而减少 , 在应变 速率大于 (『 ’=一 ’时 , 孔洞数目接近于零 , 并指出 (�� .年第 . 期 供应态铝合金超塑成形试验 北京东方科学仪器厂 张守诚 王健民 文摘 对航天结构常用材料供应态铝合金 Ωβ( & 、 『 Φ板材的超塑性进行探讨 的结果表明 , 在一定的没度 、 变形速率条件下 , Ω丫, :Σ:状态的板材的延伸率可达 到 &) / , 呈现出超塑性 % Ω丫(织 及 Ωχ 以乃状态的板材的延伸率分别可达到 & )/ 及&> )/ , 呈现中等超塑性 , 均可用超塑成形的方法加工出形状复杂的结构件 % 铝合金超 塑成形时对沮度很敏感 , 要精确控制 % 主题词 铝合金 超塑性 超塑性成型 超塑成形有一系列优点 , 最先用于钦合金的 成形 % 近年来 , 对铝合金的超塑性国内外也都开 始研究 % 国外已将 ϑ ϑ >高强铝合金制成超塑合 金 , 但处理过程比较复杂 % 其方法是先将这种材 料用常规方法制成板材 , 然后将板材进行形变处 理 , 变成微细晶粒的 % 形变处理的过程是先将板 材进行固溶处理 , 然后在 ) ) ℃ 的温度下进行 �∃ 的过时效处理 , 随后立 即冷却到室温 , 再加热到 &)) ℃ , 进行热轧 , 最后进行时效处理 % 国内也 有少数单位进行了这方面的研究 , 其途径也是通 过对常规方法制成的板材进行热处理及再轧制的 形变处理 , 使其品粒细化 % 这样处理后的板材具 有很好的超塑性 % 但是这一处理过程很复杂 , 对 使用单位而言 , 一般都不具备这样的条件 , 因此 其实际应用受到很大的限制% 本试验的目的就在于探讨供应态常用铝合金 的超塑性能及其超塑成形的可能性 % 金属超塑性的组织敏感性早 已被人们所公 认 , 因此往住将细晶粒的处理称为超塑处理 % 最 初 , 研究者们将实现超塑性的晶粒度条件定为 )% > − 知∋ , 进而扩大到 ()并∋ 范围以内 , Ψ ·; 卡 依波舍夫对于一系列合金的研究表明 , 对于 1; 4 合金 , 当其晶粒尺寸为 (>井∋ 时 % 在特定条件下 变形 , 可具有超塑性的所有特征 , 其最大延伸率 为 .&) / % 还曾报导过大晶粒尺寸合金 , 如钦合 金一 >)) 井巩刀黄铜 − .∋∋ 皆皇现出超塑性 % 由此可见 , 对于不同合金 , 呈现超塑效应的晶粒尺 寸是不同的 % 因此实现较大晶粒合金的超塑性是 有可能的 。 研究供应态常用铝合金的超塑性对使 用单位来说很有实际意义 % 这样就可以直接应用 供应态的材料进行超塑性成形而无需以昂贵的费 用去专门加土制作经特殊处理的铝板材 , 从而使 超塑成形技术便于推广应用 % ( 试验材料 在低应变速率条件下 , 由于变形 时间过长而造成 一些孔洞的粗化 % 关于高应变速率超塑变形中孔洞行为的报导 还很少 % 由于高应变速率超塑变形机制的独特 性 , 使孔洞行为也将不同于一般 % Φ 结束语 高应变速率超塑性的研究还不成熟 , 仍处于 航天工艺 实验性阶段 % 目前高应变速率超塑性研究所针对 的材料仅局限于粉末冶金材料 , 对其它材料 , 如 铸态合金具有大品粒材料的研究还很欠缺 % 关于 高应变速率超塑变形机理 , 目前也无一确切的说 法 , 另外高应变速率超塑变形所需的温度较高 , 给实际应用带来一些困难 % 总之 , 超塑变形的高 速化、 低温化及大品粒材料的超塑性是研究领域 的新方向 , 参考文献 0略3