神奇的材料——超塑合金

当人们制造机械零件和各种产品时，他们有两个共同的要求。首先，他们希望产品经久耐用，支撑力强。二是希望制造过程简单易行，省时省力。这两者往往是矛盾的，硬而有力的东西往往是在许多过程中制成的，既费时又费力。例如，将铝、铜和钢等金属材料轧制成管子、棒材、板材、皮带和其他材料，需要几千吨到几万吨的压力机，以及几千千瓦到几万千瓦的轧机。具有高强度和硬度的材料越硬，生产它们就越困难。这些设备体积庞大，消耗惊人的高能量。一些形状复杂、精度高的零件需要在许多工序中进行加工，如车削、铣削、刨削、磨削等。，这进一步消耗能量并导致大量废料。这些机床大多数都非常复杂和昂贵。人们在研究和选择金属材料时，首先要从以上两个方面考虑，一是从使用角度考虑的强度和硬度，二是从制造角度考虑的塑性和柔软性。所谓塑性是指金属在外力作用下稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。特征数据是伸长率(符号是δ，单位是百分比)。金属的柔软度反映了金属的硬度和柔软度。它是通过变形阻力的大小来测量的(符号г，单位为Mpa)。高塑性材料可以通过变形加工成各种适用的型材，加工所需的功率与其抗变形能力有关。例如，普通铸铁只能铸造，因为其塑性和伸长率低于1%，不能轧制、挤压或拉伸，因此不能提供型材。钢的延伸率要大得多。例如，普通A3钢的伸长率超过20%，而不考虑轧制、挤压和拉伸。然而，它并不柔软，在900℃时，它的抗变形能力仍在200兆帕以上，所以一般轧机的动力装置在几千千瓦以上。为了提高金属的塑性，人们从材料的冶炼、提纯、变形加工到热处理的各个环节都进行了研究和改进，但成果有限。黑色金属的伸长率一般不超过40%，有色金属(如铜、锌和铝)的伸长率一般不超过60%，而抗变形性仍然很高，进展甚微。超塑性合金的出现有了飞跃。它不仅具有普通金属的强度和硬度，而且在一定条件下还具有超过普通金属的塑性。其延伸率是普通金属的10-100倍，最高可达5000%以上。它在拉伸试验机上继续到达终点。下图显示了拉伸前后超塑性材料Bi-44%Sn的样品长度的比较。然而，它的抗变形能力非常低，只有传统金属的十分之几到百分之一。例如，锌-22%A1的抗变形性仅为2Mpa或更低。只需很小的力，它就可以被挤压或吹制成各种形状复杂的产品，从而大大降低了压力加工设备的吨位，甚至可以像吹糖机一样吹出模具中的各种中空部件。

图1 bi-44sn挤出材料在缓慢拉伸下显示异常大的伸长率(δ=1950%)，左边是拉伸前的样品。

超塑性的研究最早出现在1920年。当德国的罗森海姆对冷轧铝-锌-碳三元共晶合金铝板进行弯曲时，出现了反常的高塑性现象。此后，来自英国、苏联和其他国家的学者对其进行了研究。第二次世界大战后，著名的苏联冶金学家阿·阿·奥·乌帕对此进行了系统的研究。ZnA1共析合金在高温拉伸试验中被用来获得异常大的伸长率，并首次使用“超塑性”一词。1964年，美国学者W·A·巴克芬对超塑性力学性能进行了分析研究，提出了变形应力г与应变率ε的关系方程

σ= kεm

在公式中，k是与材料相关的常数，m是应变率灵敏度指数。它与材料有关，是评价金属超塑性的一个指标。提出了确定材料m值的方法，为超塑性奠定了力学基础。自20世纪60年代以来，美国、苏联、英国、法国、日本、加拿大、印度等国家在超塑性研究方面投入了相当大的努力。研究的重点集中在两个方面:一方面，深入研究了超塑性变形的组织、机制和变形机制；另一方面，强调超塑性材料在生产实践中的应用。目前，超塑性几乎存在于所有金属材料中，例如有色金属如锌、铝、铜、铅、锡、镍、钛、镁、钨、锆，以及钢材料如碳钢、合金钢和不锈钢，并且许多材料已经应用于生产中。

材料超塑性的发生是有条件的，这既需要材料本身的内在因素，也需要变形过程中的环境条件。

首先，材料本身优选是具有两相结构的共析或共晶合金。经过一定的处理后，其晶体应为等轴、球形、细晶结构。粒度一般不超过10米(1米= 10-3毫米)，即D≤10米。越好越好。这些材料最初是指为实现超塑性而专门开发的合金，如锌合金中的锌-22%A1、锌-5%A1和铝合金中的铝-6%铜-锆合金。随着对超塑性认识的加深和超塑性技术的进步，一些现有品牌的工业合金也可以通过一定的工艺处理实现超塑性。如钛合金中的Ti-6A4V、铜合金中的黄铜、不锈钢中的IN744、轴承钢GCr-15、过共析钢T12、低合金结构钢30CrMnSiA等。这些传统金属材料在经过一定的工艺处理后，在特定的工艺条件下具有超塑性。

超塑性变形有两种主要的技术环境:

一是变形温度，超塑性变形一般要求材料的温度保持在Tc≥0.5TM

其中Tc是超塑性变形的临界温度，K TM是材料的熔化温度，K上述温度等级是绝对温度(K)，即摄氏+273度。

这是一个普遍的温度极限，每种材料的最佳超塑变形温度应通过一系列实验来获得。

二是变形率。超塑性变形的最大特点是必须在一定的应变速率(ε)内进行。每种材料都有自己的应变率与δ、M和г的关系曲线。也就是说，

δ-ε:最大伸长率与应变率的关系曲线

应变率敏感性指数与应变率的关系

г-ε:变形抗力与应变率的关系曲线

根据这些曲线，选择最合适的应变率。一般来说，ε值一般在10-2S10-4S-1之间，远低于常规变形速率。这是超塑性变形的最大不足，限制了生产率的提高，从而限制了超塑性合金的应用范围。它仅适用于中小批量生产。例如，新产品的试制、旅游工艺品的生产、某些军事产品的生产等。1908年，英国利兰汽车公司生产了工业用锌-22%铝共析合金。该合金薄板用于在低应力下使汽车门和冰箱门的衬里超塑性化，引起轰动。1970年，汤姆森等人还使用锌-22%的铝合金在小气压(1.98牛顿/MM2)下用凸起和图案给调味品瓶充气。由于锌合金的性能限制，超塑性合金的发展扩展到铝合金、钛合金、铜合金、碳钢、不锈钢等领域，并被应用于电子、仪器仪表、纺织、机械、汽车、航空航天和工艺产品，尤其是航空领域。美国在战斗机和轰炸机中广泛使用超塑性成形铝合金和钛合金部件，在B-1B重型轰炸机中使用11550磅，占其铝和钛结构部件重量的15%。

自20世纪70年代以来，中国一直在开展超塑性技术的研究，并在锌合金、铝合金、钛合金和铜合金领域取得了超塑性机理和发展方面的成就，许多成果已应用于生产实践。例如，纺织工业中用于落纱机的带槽滚筒形状复杂且不规则。它在中国是由塑料制成的，使用寿命很短。其摩擦和静电影响纱线质量。国外采用铸铝、铸铁或不锈钢制造，工艺多、重量大、价格高。我国已成功研制出形状精确、壁薄、重量轻、工艺简单、价格低廉的超塑成形用锌-5%铝合金。它已被广泛应用于纺织工业，并已取代进口产品。通信卫星地面接收站抛物面体要求曲面形状精度高。板材冷冲压不仅需要很高的冲压压力，而且由于材料的回弹，还需要不同形状的产品和模具。接近理论值需要多次修正和修正:采用超塑性成形，压力大大降低，产品与模具形状误差很小，一次成形效果很好。人造卫星上使用的钛合金燃料箱是空心球体，壁厚为0.75-1.5毫米，很难用常规方法成形，采用超塑性成形，非常光滑。

近年来，随着技术的进步，超塑性技术发展到了一个更深更高的水平。

为了克服超塑性成形过程中低应变率影响生产率的问题，自1985年以来，学者们一直致力于高应变率超塑性技术的研究。目前，高达10-1S-1甚至高达100S-1的应变速率接近于常规金属加工变形时的应变速率，这是超塑性技术研究和发展的一个关键点。

超塑性材料的一个特点是要求材料具有细晶粒，一般要求晶粒直径小于10 μm。研究表明，纳米尺度(nm，即10-6 mm)的超细晶粒材料可以大大提高材料的性能和应变率。如何控制和获得纳米细晶结构也是超塑性技术发展的一个热点。

金属基复合材料、陶瓷材料和金属间化合物近年来在高新技术领域获得了特别的青睐，因为它们通常具有重量轻、强度高、耐高温、耐磨损等一系列优点。，但它们也有一个共同的特点，即加工困难，冷、热加工困难，这限制了它们的推广应用。1984年，通过在铝基合金中添加碳化硅晶须增强剂获得了细晶粒复合材料，并在10-1S-1的高应变速率下获得了伸长率为300%的超塑性。1986年出现的细晶粒(0.3μm)氧化钇稳定的四方氧化锆(YTZP)在1450℃时伸长率为120%-800%。此后，研究工作迅速发展到其他材料领域，如氧化铝、磷灰石、氧化硅、碳化铁等。1987年，对铝化钛和硅化镍等金属间化合物的研究也获得了可观的超塑性，这为这些难以加工的材料的成型提供了捷径，并且可以一次超塑性化成成品，避免了许多困难的加工工序，为其应用和发展打开了方便之门。

超塑性合金作为一种新材料，以其神奇的性能正逐步走向工业生产的各个领域。