第一篇：陶瓷材料的超塑性

陶瓷材料的超塑性

劉文娣

齊魯工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材工10-2班 山東濟(jì)南 250353 摘要：雖然陶瓷材料在本質(zhì)上是一種脆性材料；然而研究已表明細(xì)晶陶瓷材料具有超塑性，在高溫下能產(chǎn)生很大的拉伸形變。陶瓷材料的超塑性可以定義為在拉伸載荷下顯示異常高的延伸率，斷裂前無頸縮發(fā)生。通過對超塑性晶界滑移微觀機(jī)理的解釋，了解超塑性產(chǎn)生的原因，進(jìn)而分析一下陶瓷材料的形變特征參數(shù)，最后簡單介紹納米陶瓷材料，及陶瓷材料超塑性的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： 陶瓷材料；超塑性；晶界滑移；相變超塑性；陶瓷應(yīng)用

引言：陶瓷材料由于具有優(yōu)良的性能,如高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨、比重小等,因而得到越來越廣泛的應(yīng)用,尤其適合用于在高溫、摩擦和腐蝕介質(zhì)的場合取代金屬部件。

陶瓷很容易獲得細(xì)晶結(jié)構(gòu)，而且結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，即使在較高的溫度時晶粒長大也不是很明顯，這顯示了陶瓷具有超塑性變形的潛力，但陶瓷材料在常溫下幾乎不產(chǎn)生塑性變形，實現(xiàn)超塑性形變要比金屬材料困難得多。

陶瓷材料的超塑性可以定義為在拉伸載荷下顯示異常高的延伸率，斷裂前無頸縮發(fā)生。陶瓷的超塑性要求1.試驗溫度應(yīng)達(dá)到材料熔化溫度的一半以上；2晶粒尺寸要很小，通常應(yīng)小于<1μm；3.能穩(wěn)定保持細(xì)晶結(jié)構(gòu)，沒有或只有輕微的晶粒生長;4晶粒具有等軸粒狀，以利于晶界滑移的發(fā)生；5.能抑制空洞的產(chǎn)生和連接以及晶界分離。

一．陶瓷材料超塑性介紹

1.1 超塑性的分類

細(xì)晶超塑性：晶粒尺寸通常小于10微米；變形溫度T>0.5Tm,并在變形過程中保持恒定應(yīng)變速率較低。

相變超塑性：并不要求具有超細(xì)晶粒組織，而是在一定的溫度和應(yīng)力條件下，經(jīng)過多次循環(huán)相變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變而獲得大延伸率。1.2 陶瓷材料超塑性變形的結(jié)構(gòu)特征

晶界滑動是人們普遍接受的變形機(jī)制，從晶界的組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，可以將晶界滑動分為三種類型：第一，界面結(jié)構(gòu)使晶界上的原子比在晶格內(nèi)的擴(kuò)散快得多，這種類型的界面一般來說是大角度晶界；第二種類型，晶界間存在少量液相，如果晶相在液相中有一點溶解度，就可以增強(qiáng)晶間的擴(kuò)散作用；第三種類型，主要 是小角度晶界，推測是晶間位錯而產(chǎn)生的超塑性，它具有最大的變形速率，在工藝技術(shù)上最有意義。

對于受擴(kuò)散控制的形變過程，高溫超塑性形變的特征方程可表達(dá)為：

bp?????AGb()??D

kTd?G?.n式中：?為應(yīng)變速率;A為常數(shù);G為剪切模量;b為伯氏矢量;k為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;d為晶粒大小;p為晶粒尺寸指數(shù);?為應(yīng)力;n為應(yīng)力指數(shù);D為擴(kuò)散系數(shù)。D?D0exp(?Q/RT)，其中

D0.為頻率因子;Q為激活能;R為氣體常數(shù);n，p和Q是描寫形變過程的特征參數(shù)。

在溫度和晶粒尺寸不變的條件下，方程還可進(jìn)一步簡化為: ??A?或??B?

式中B為常數(shù)，m=l/n，稱為應(yīng)變速率敏感性因子。通常當(dāng)m>0.3(或n?3)時，由于流動局部化和頸縮受到有效的抑制，材料才能產(chǎn)生明顯的超塑性.。

晶體受力時，晶體的一部分相對另一部分發(fā)生平移滑動，叫做滑移?；剖窃诩魬?yīng)力作用下在一定滑移系統(tǒng)上進(jìn)行的。晶體形變后，表面出現(xiàn)一些條紋，在顯微鏡下可以看到這些條紋組成一些滑移帶，.n.m 至于多晶陶瓷，其晶粒在空間隨機(jī)分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應(yīng)力差別很大。即使個別晶粒已達(dá)臨界剪應(yīng)力而發(fā)生滑移，也會受到周圍晶粒的制約，使滑移受到阻礙而終止。所以多晶材料更不容易產(chǎn)生滑移。

1.20滑移時存在一位錯寬度

1.3 滑移機(jī)制

晶體中已滑移的部分和未滑移部分的分界線是以位錯作為表征的。但這種分界并不是有一個鮮明的界線，實際上是一過渡區(qū)域，這個過渡區(qū)域稱為位錯的寬度，如圖1.2所示。位錯之所以有一定寬度，是兩種能量平衡的結(jié)果。從界面能來看，位錯寬度越窄界面能越小，但彈性畸變能很高。反之，位錯寬度增加，將集中的彈性畸變能分?jǐn)偟捷^寬區(qū)域內(nèi)的各個原子面上，使每個原子列偏離其平衡位置較小，這樣，單位體積內(nèi)的彈性畸變能減小了。位錯寬度是影響位錯是否容易運(yùn)動的重要參數(shù)。位錯寬度越大，位錯就越易運(yùn)動。1.4 陶瓷材料的形變特征參數(shù)

應(yīng)力指數(shù)n，含有玻璃相時一般為2以下.粗晶粒的n=1，屬于純擴(kuò)散蠕變，是受晶格擴(kuò)散控制的晶界滑移。n=2時的晶界滑移，是受界面反應(yīng)控制的擴(kuò)散；無玻璃相時為3左右；當(dāng)晶粒尺寸由0.2微米增加到1.5微米時，應(yīng)力指數(shù)由2.6減為1.6.高溫下的晶粒生長引起應(yīng)變硬化，含有玻璃相時使流動應(yīng)力下降，強(qiáng)化了超塑性流動，最大變形量增加，形變溫度下降。

活化能涉及到變形機(jī)理和離子的擴(kuò)散過程，一般為500-600KJ/mol。隨著晶 3 粒尺寸的增加而下降，例如當(dāng)及晶粒尺寸有0.3增加到1.33微米時，活化能由580降低為500 KJ/mol.。

在高溫超塑性變形過程中，由于晶界滑移在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中超過臨界值時，空洞就成核。空洞主要在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的三晶交匯處成核，隨應(yīng)變的增大而長大，并沿著晶界發(fā)展，部分空洞連結(jié)在一起形成裂紋，成為斷裂的起源，降低了材料的力學(xué)性能?？斩吹漠a(chǎn)生意味著擴(kuò)散過程來不及松弛晶界滑移所產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，限制了斷裂前的最大變形量。

在受壓條件下，晶間脆性的影響不能得到有效的反映，晶間空洞和晶界分離或裂紋受到一定程度的壓抑，故所表現(xiàn)出的塑性形變不能嚴(yán)格地體現(xiàn)真正的超塑性行為，只能說明具有高的延展性。嚴(yán)格地說，按傳統(tǒng)習(xí)慣把超塑性限定為材料具有異常大的拉伸延展性。但是過去有許多試驗是在受壓條件下進(jìn)行，而且也應(yīng)用壓縮成形，如鍛造、擠壓等的超塑性加工，故從實際出發(fā)，應(yīng)把異常大的壓縮延展性也認(rèn)為是超塑性.二．納米陶瓷的結(jié)構(gòu)與超塑性

納米陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)特征是，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是處于納米量級的水平。超塑性要求晶粒細(xì)小，納米材料完全符合這一要求，預(yù)計納米陶瓷應(yīng)該具有很好的超塑性。納米材料的晶界層所占的體積分?jǐn)?shù)可能接近于晶粒的體積，晶界便具有舉足輕重的作用，許多界相的結(jié)合時不對稱和松散的，容易在外力作用下產(chǎn)生相對位移。納米陶瓷在高溫下具有類似于金屬的超塑性。擴(kuò)散系數(shù)比普通材料提高了3個數(shù)量級，晶粒尺寸降低了3個數(shù)量級，擴(kuò)散蠕變速率高出1012倍。因此，在較低的溫度下，納米陶瓷材料因其高的擴(kuò)散蠕變速率可對外力作出迅速反應(yīng)，造成晶界方向的平移，從而出現(xiàn)超塑性。納米氧化鋯陶瓷在1250下，施加不太大的力就約有400%的形變。

三．陶瓷材料超塑性的發(fā)展前景

超塑性陶瓷材料的未來應(yīng)用既取決于它在變形過程中是否成功，也取決于在長期使用中有沒有過早破壞的可能性。迄今為止，已經(jīng)報道過Al2O3。ZrO2和Al2O3-ZrO2陶瓷的熱鍛造；把Y-TZP燒結(jié)坯料鍛至凈形和完全致密化，擠壓加工Y-TZP，擴(kuò)散連接Y-TZP/ Al2O3復(fù)合材料。

通過對陶瓷材料超塑性的研究，進(jìn)而可在一些領(lǐng)域如航天等高新技術(shù)領(lǐng)域取代金屬或金屬合金，推動陶瓷材料更廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)：楊斌 張小珍 《Al2O3陶瓷及其復(fù)合材料的超塑性研究》 《中國陶瓷工業(yè)》2006年4月 第13卷第2期

胡士廉 《陶瓷材料的超塑性研究》 中國科學(xué)院上海冶金研究所 材料物理與化學(xué)博士論文 2000年

葉建東 陳楷 《陶瓷材料的超塑性》 《無機(jī)材料學(xué)報》 1998年03期

期刊論文：《陶瓷材料超塑性研究進(jìn)展》 第18卷第4期 無機(jī)材料學(xué)報

第二篇：超塑性成形的發(fā)展?fàn)顩r

超塑性成形的發(fā)展?fàn)顩r

摘要：金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件下，具有更大的塑性。本文主要介紹了超塑性成形的主要發(fā)展歷程，超塑性成形的主要應(yīng)用，非金屬材料的超塑性研究和國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：超塑性 金屬材料 成形

一、緒論

近年來，高溫合金和欽合金的使用不斷增加，尤其是在宇航飛行器及其發(fā)動機(jī)生產(chǎn)中。這些合金的特點是:流變杭力高，可塑性低，具有不均勻變形所引起機(jī)械性能各向異性的敏感性，難于機(jī)械加工及成木高昂。如采用普通熱變形鍛造時，機(jī)械加工的金屬損耗達(dá)80%左右，如采用超塑性成形方法，就能改變鍛件肥頭大耳的落后狀況。

金屬材料的超塑性是指金屬在特定條件(晶粒細(xì)化.極低的變形速度及等溫變形)下，具有更大的塑性。如低碳鋼拉伸時延伸率只有30~40%，塑性好的有色金屬也只有60~70%，但超塑性狀態(tài)。一般認(rèn)為塑性差的金屬延伸率在100~200%范圍內(nèi)，塑性好的金屬延伸率在500~2000%范圍內(nèi)。

要使超塑性出現(xiàn)，必須滿足某些必要條件。首先必須使金屬具有0.25-2.5μm的極細(xì)晶粒，即必須小于一般晶粒大小的十分之一。其次，當(dāng)溫度達(dá)金屬熔點一半以上時，具有一般晶粒金屬的晶粒便開始長大，而這時細(xì)晶粒金屬的晶粒保持穩(wěn)定。因此，超塑性除要求有極細(xì)的晶粒度外，還必須具有高的延伸率和低的屈服應(yīng)力，并以低的變形速率在高于熔點一半的溫度下進(jìn)行加工。

二、超塑性成形的發(fā)展

早在1920年，德國W.Rosenhain等人將冷軋后的Zn-Al-Cu三元共晶合金的鋁板慢速彎曲的時候，發(fā)現(xiàn)這種脆性材料被彎成180°而未出現(xiàn)裂紋，它和普通晶體材料大不相同。他們推斷這種負(fù)荷速度有密切依賴關(guān)系的異?，F(xiàn)象，可能是由于加工產(chǎn)生了非晶質(zhì)。1934年，英國C.E.pearson初次對共晶合金的異常彎曲進(jìn)行了詳細(xì)研究。這種合金的擠壓材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson將其緩慢拉伸，得到了伸長率為2000%的試樣。很奇怪的是這種慢速大延伸的金屬，在落地實驗中呈脆性斷裂，這是一個更大的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時雖然引起了一部分人的強(qiáng)烈反響，但在第二次世界大戰(zhàn)的卻被擱置了。

第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)科學(xué)家對金屬的異常延伸現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，用Zn-Al共析合金在高溫拉伸試驗中得到異常的伸長率，并應(yīng)用于“超塑性”這個詞匯。1962年，美國E.E.Underwood發(fā)表了一篇評論解說性文章，從冶金學(xué)的角度分析了實現(xiàn)超塑性成形的可能性、條件及基本原理。人們評價這篇文章是超塑性研究的總結(jié)。從此超塑性研究引起了人們越來越多的重視。

三、超塑性成形的應(yīng)用

由于金屬及合金在超塑性狀態(tài)具有異常好的塑性和極低的流動應(yīng)力，對成形加工極為有利。對于形狀極為復(fù)雜或變形量很大的零件，都可以一次成形。從已報導(dǎo)的成形已有多種形式，如板料成形，管材成形，無模拉絲，吹塑成形和各種擠壓，模鍛等。利用這種異常的塑性，有些原來很多零件拚合成的部件，現(xiàn)在可以用超塑性成形一次加工出來，減輕了零件的重量，節(jié)約大量加工工時。具體應(yīng)用介紹如下:

1、板料深沖

鋅鋁合金等超塑性板料，在法蘭部分加熱，并在外圍加油壓，一次能拉出非常深的容器。如果在沖頭下部和拉伸好的筒部采用冷卻裝置，深沖比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分時深沖系數(shù)不變。超塑性成形件最大特點是沒有各向異性，拉伸的杯形件沒有制耳。

2.板料吹塑成形(氣壓成形)這是在超塑性材料的延伸率高和變形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的啟發(fā)而發(fā)展起來的新工藝。用于Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr和鈦合金的超塑性板料成形。利用凹?；蛲鼓Ｉ系男螤睿寻辶虾湍＞呒訜岬筋A(yù)定的溫度，用壓縮空氣的壓力，使壓緊的板料漲開貼緊在凹?；蛲鼓Ｉ?，以獲得所需形狀的薄板工件。目前能加工的板料厚度為0.4~4毫米。根據(jù)工件要求在它的表面上或在內(nèi)腔內(nèi)有清晰的形狀和花紋，選用凹模內(nèi)或凸模上成形。

3.擠壓和模鍛

近年來高溫合金和鈦合金的應(yīng)用不斷增加，尤其是國防工業(yè)生產(chǎn)中。這些合金的特點是:流變抗力高，可塑性極低，具有不均勻變形所引起機(jī)械性能各向異性的敏感性，難于機(jī)械加工及成本昂高。如采用普通熱變形鍛造時，機(jī)械加工的金屬損耗達(dá)80%左右，而機(jī)械加工的性能是很差的，所以往往不能滿足零件所需的機(jī)械性能。但是采用超塑性模鍛方法，就能改變過去肥頭大耳的落后的鍛造工藝。

四、應(yīng)用舉例

美國軍工材料-機(jī)械研究中心用超塑性模鍛法成功地制成了直升飛機(jī)用的Ti-6AL-4V鈦合金風(fēng)扇葉輪。該葉輪直徑為34Omm。葉片厚度為4mm，模具材料采用MAR一M200鎳基鑄造高溫合金，毛坯加熱溫度為950℃，模具溫度為870℃，平均單位壓力為11.9kg/mm2，超塑性模鍛件重10kg，而普通模鍛件重24kg。加工后成品葉輪凈重4.8kg。

五、超塑性成形的發(fā)展現(xiàn)狀

超塑性成形的主要研究前沿是“先進(jìn)材料的超塑性開發(fā)”。所謂先進(jìn)材料是指金屬基復(fù)合材料、金屬化合物、陶瓷等，由于他們具有某些優(yōu)異的性能（例如強(qiáng)度、高溫性能等），所以可以得到很大的發(fā)展。然而這些材料卻有其共同的不足之處-難于加工成型，因此開發(fā)這些材料的超塑性具有重要意義。近年來其中一些材料的超塑性已經(jīng)達(dá)到很高的指標(biāo)，然而這些材料的超塑性應(yīng)用上有一定的距離。

超塑性成型的歷史尚短，仍屬于新興工藝，對各種材料的各種成型工藝過程，還在不斷地實驗、比較、淘汰、選擇、發(fā)展和完善、從目前的發(fā)展趨勢上來看，有下述幾點值得注意。

1.成型大型金屬結(jié)構(gòu)及相關(guān)成型設(shè)備。采用超塑脹形工藝來成型大型金屬結(jié)構(gòu)具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。這一類金屬結(jié)構(gòu)在美國的B-1型飛機(jī)和F14A、F15、F18飛機(jī)以及英國的直升飛機(jī)上獲得應(yīng)用，其中最大的構(gòu)件是B-1機(jī)的發(fā)動機(jī)艙門，平面尺寸達(dá)到2790*1520cm。與這種成型工藝相適應(yīng)設(shè)備研究也在發(fā)展，這種設(shè)備與通用液壓機(jī)有很大的區(qū)別，對于整個成型過程采用自動控制。目前，美國已推出系列機(jī)型，英國、日本也有使用的報道。

2.陶瓷材料與復(fù)合材料的超塑性。國際上，陶瓷材料的超塑性研究有很大進(jìn)展。日本物質(zhì)和材料研究機(jī)構(gòu)最近開發(fā)成功一種具有超塑性的新型陶瓷。這種陶瓷在高溫下能夠像金屬一樣被拉長，可以用來制造形狀復(fù)雜的機(jī)械零件。這種新陶瓷是把鈷、鋁和尖金石三種材料在一起用一般方法燒制出來的。實驗結(jié)果表明，1cm的材料片在1650℃的高溫下，其應(yīng)變速度1s可拉長1cm，是一般陶瓷的大約100倍。它可以像金屬一樣，進(jìn)行軋制和鍛造，制造發(fā)動機(jī)和渦輪機(jī)零件等產(chǎn)品。

我國的陶瓷材料超塑性研究也列入了863高技術(shù)研究規(guī)劃之列。此外，以金屬超塑性材料為基體的復(fù)合材料的研究也在進(jìn)行中，從制備（包括材料設(shè)計）、性能測試、成型實驗等諸多方面發(fā)展。比如，在金屬基超塑性材料中加入SiC纖維形成的超塑性材料，可以達(dá)到超塑性氣壓脹形的要求。

六、超塑性的發(fā)展方向

世界上超塑性的研究已開展了四十年，70年代形成了“超塑熱”，現(xiàn)在也有不少的專家教授在從事超塑性研究。然而，迄今為止超塑性技術(shù)尚未發(fā)揮其應(yīng)有的作用。其主要原因在于研究的范圍在不斷拓展，但縱深性不夠，很多研究工作還停留在理論和試驗室，由于在理論上尚未吃透、工程上缺乏經(jīng)驗，超塑技術(shù)在工程上的應(yīng)用受到阻礙。超塑技術(shù)想在關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件上得以應(yīng)用，必須進(jìn)行艱苦細(xì)致的工作，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上進(jìn)行縱深研究。

1.先進(jìn)穩(wěn)定的工藝研究

超塑性成形是一種新工藝，它的特點是，可以利用小噸位設(shè)備進(jìn)行具有大變形量的復(fù)雜零件的成形。然而這種工藝也有缺點，主要是成形速度慢。工程應(yīng)用中應(yīng)注意發(fā)揮超塑成形技術(shù)的優(yōu)越之處，專門成形其它塑性工藝難以甚至不能成形的重要零件，這樣就顯示出了超塑工藝的先進(jìn)性。另外超塑性成形與傳統(tǒng)成形方法相比，生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，生產(chǎn)過程中不可控因素較多，加上生產(chǎn)經(jīng)驗積累不足，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定性。因此，須針對典型超塑部件，重點突破關(guān)鍵工藝，并對已有的工藝應(yīng)進(jìn)行完善和穩(wěn)定化，這是產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。

2.輔助環(huán)節(jié)的研究

抓住每一工藝環(huán)節(jié)，包括輔助環(huán)節(jié)。超塑性成形工藝本身包括材料的加熱―入模預(yù)熱―加壓成形―出模―校形―熱處理等環(huán)節(jié)，這僅僅是成形工藝的主線，模具的設(shè)計、制造、加熱、維護(hù)、潤滑劑的選擇與使用，成形設(shè)備的設(shè)計、使用、維護(hù)及改進(jìn)等，也都直接關(guān)系到超塑性成形工藝的成敗。實際上，我國在超塑領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家的差距更多的體現(xiàn)在模具、成形設(shè)備等輔助環(huán)節(jié)上，其原因在于基礎(chǔ)工業(yè)的相對落后，導(dǎo)致在模具設(shè)計的先進(jìn)性、成形設(shè)備的智能化等方面滿足不了超塑成形所需條件，成為超塑技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

3.工藝的智能控制研究

現(xiàn)在一些大的超塑成形研究公司如美國的SUPERFORM公司已經(jīng)對超塑成形全程計算機(jī)機(jī)控制，只要事先輸入數(shù)據(jù)，成形設(shè)備就可以自動按時準(zhǔn)確的進(jìn)行加溫―加壓―充氣―放氣等動作，工人只用放入坯料，取出好的零件。這種超塑性成形的零件成品率高，一致性好，更體現(xiàn)出超塑成形工藝的先進(jìn)性。在工藝的智能控制研究方面，在硬件(自動化超塑成形設(shè)備)及軟件(優(yōu)化準(zhǔn)確的工藝流程和參數(shù))上都有很大欠缺，可研究的空間很大。

4.產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制研究

超塑成形產(chǎn)品要想真正得以應(yīng)用尤其是在航天器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上得以應(yīng)用,必須進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制研究?，F(xiàn)在的很多技術(shù)發(fā)展都是基于這個原則進(jìn)行的，比如目前很熱的鈦合金滲氫技術(shù)，以獲得低溫(700℃左右)超塑性，可以大幅度降低成本，更重要的是可防止晶粒長大，提高最終材料性能，保障產(chǎn)品質(zhì)量。另外，超塑成形中的材料性能變化、變薄率的研究等都應(yīng)給予高度的關(guān)注。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的超塑成形技術(shù)已發(fā)展到成熟的工程應(yīng)用階段，很多航天、航空公司都有自己的超塑研究、生產(chǎn)部門，形成規(guī)模效益，并互相競爭，加速技術(shù)發(fā)展。而我國目前僅有少數(shù)單位能生產(chǎn)合格超塑產(chǎn)品，并且技術(shù)還相當(dāng)落后。

所以在超塑領(lǐng)域不斷拓寬的同時，更需對關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品進(jìn)行縱深研究，“變熱點為亮點，以寬度換深度”，培養(yǎng)幾個具有自己技術(shù)特色的研究、生產(chǎn)單位。對于技術(shù)相對落后且有巨大背景需求的研究單位，應(yīng)采取“以背景換技術(shù)，用需求促發(fā)展”的戰(zhàn)略，與擁有先進(jìn)技術(shù)的公司、學(xué)校合作，以提升自身的研發(fā)能力，迅速發(fā)展壯大自己，在超塑成形領(lǐng)域占有一席之地。

參考文獻(xiàn)

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第三篇：超塑性鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院 機(jī)械工程材料?新型材料課題論文

課題論文題目： 超塑性合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

姓 名： 劉萍

學(xué) 號： 2011509291 院系專業(yè)班級： 機(jī)械電氣工程學(xué)院11機(jī)制

（二）班 聯(lián) 系 電 話： *** 指 導(dǎo) 教 師： 魏敏 填 表 日 期： 2012年12月8號

《機(jī)械工程材料》課程組 2012年11月26日

超塑性鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，在航空航天、艦艇、化工等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。闡述了航空航天用鈦合金盤件的研究現(xiàn)狀，重點介紹了高性能鈦合金盤件的制備工藝，包括粉末冶金熱等靜壓成形和超塑性等溫鍛造成形。分析了鈦合金盤件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并探討了航天航空用鈦合金盤件的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：鈦合金；超塑性；超塑性成形；擴(kuò)散連接

1，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(xiàn)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(xiàn)縮頸，也不會斷裂。金屬的超塑性現(xiàn)象，是英國物理學(xué)家森金斯在1982年發(fā)現(xiàn)的，他給這種現(xiàn)象做如下定義：凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ù蠹s相當(dāng)于金屬熔點溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應(yīng)變速度10毫米秒時產(chǎn)生本身長度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。根據(jù)金屬材料的結(jié)構(gòu)和變形條件(溫度、應(yīng)力)，可超塑性合金大致劃分為微晶超塑性合金，相變超塑性合金2大類。由于鈦合金在超塑狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，可以在很多領(lǐng)域中應(yīng)用。

2，鈦合金的結(jié)構(gòu)特點：

鈦合金的結(jié)構(gòu)特點決定了它們不僅有良好的高溫強(qiáng)度，較好的抗氧化性和抗腐蝕性，而且密度較小，因此是理想的航天和航空材料。當(dāng)前世界上研究較多的鈦合金有TiAl、Ti3Al等。然而，這些材料的室溫塑性和韌性一般較差；加工性能較差。在其主要優(yōu)點不受很大損失的前提下，改善其塑性、韌性及加工性。而實現(xiàn)這些目標(biāo)的主要措施是添加合金元素以形成塑性較好的第二相，超塑性鈦合金的實現(xiàn)一般還需要通過一定的形變熱處理以得到等軸細(xì)晶顯微組織。近年來的研究結(jié)果已經(jīng)表明，鈦合金可以獲得很高的超塑性水平——Ti3Al合金的伸長率超過1000%；TiAl合金的伸長率達(dá)470%。發(fā)展起來的超塑成形技術(shù)，改善了鈦合金難以成形的狀況，因而充分發(fā)揮了鈦合金的優(yōu)勢。超塑性鈦合金正以它們優(yōu)異的變形性能和材質(zhì)均勻等特點，在航空航天以及汽車的零部件生產(chǎn)、工藝品制造、儀器儀表殼罩件和一些復(fù)雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)中起到了不可替代的作用。

3，超塑性成形工藝：

超塑性成形工藝主要包括了氣脹成形和體積成形兩類。超塑性氣脹成形是用氣體的壓力使板坯料（也有管坯料或其他形狀坯料）成形為殼型件，如儀差殼、拋物面天線、球型容器、美術(shù)浮雕等。氣脹成形又包括了Female和Male兩種方式，分別由圖1和圖2表示。Female成形法的特點是簡單易行，但是其零件的先帖模和最后貼模部分具有較大的壁厚差。Male成形方式可以得到均勻壁厚的殼型件，尤其對于形狀復(fù)雜的零件更具有優(yōu)越性。

超塑性氣脹成形與擴(kuò)散連接的復(fù)合工藝（SPF／DB）在航空工業(yè)上的應(yīng)用取得重要進(jìn)展，特別是鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的SPF／DB成形提高了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少了飛機(jī)重量，對航空工業(yè)的發(fā)展起到重要作用。

超塑性體積成形包括不同的方式（例如模鍛、擠壓等），主要是利用了材料在超塑性條件下流變抗力低，流動性好等特點。一般情況下，超塑性體積成形中模具與成形件處于相同的溫度，因此它也屬于等溫成形的范疇，只是超塑性成形中對于材料，對于應(yīng)變速率及溫度有更嚴(yán)格的要求。這種方法利用自由運(yùn)動的輥壓輪對坯料施加載荷使其變形，使整體變形變?yōu)榫植孔冃?，降低了載荷，擴(kuò)大了超塑性工藝的應(yīng)用范圍。他們采用這樣的方法成形出了鈦合金、鎳基高溫合金的大型盤件以及汽車輪轂等用其他工藝難于成形的零件。

4，超塑性成形及擴(kuò)散聯(lián)接（SPF/DB）：

超塑性成形及擴(kuò)散聯(lián)接（SPF/DB）是航空領(lǐng)域多年來重點發(fā)展和應(yīng)用的一種近無余量先進(jìn)成形技術(shù)。通過在一次加熱、加壓過程中成型整體構(gòu)件，不需要中間處理，能有效減輕結(jié)構(gòu)重量和提高材料利用率，可為設(shè)計提供更大的自由度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

基本原理是：利用金屬及合金的超塑性和擴(kuò)散焊無界面的一體化特點，在材料超塑溫度和擴(kuò)散焊溫度相近時，采用吹脹或模鍛法在一次加熱、加壓過程中完成超塑成形和擴(kuò)散連接兩道工序，從而制造高精度復(fù)雜的大型整體構(gòu)件。該技術(shù)具有以下特點：

（1）成形壓力低/變形大而不破壞（2）外形尺寸精確，無殘余應(yīng)力和回彈效應(yīng)（3）節(jié)省裝備，縮短制造周期

（4）改善結(jié)構(gòu)性能，提高結(jié)構(gòu)完整性，延長機(jī)體壽命（5）降低制造成本，減輕結(jié)構(gòu)重量

從以上特點分析，SPF/DB簡化了零件制造過程和裝配過程，減少了零件（標(biāo)準(zhǔn)件）和工裝數(shù)量，消除大量連接孔，避免了連接裂紋及疲勞問題，有利于提高結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性，尤其適合于加工復(fù)雜形狀的零件，如飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身框架、發(fā)動機(jī)葉片等。對于鈦合金，SPF/DB解決了鈦合金冷成形和機(jī)加工難的缺點，促進(jìn)了鈦合金整體構(gòu)件的使用（如圖3），相對常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)具用足夠的疲勞強(qiáng)度、良好的塑性和斷裂韌性。英國、美國是世界上開展SPF/ DB 技術(shù)研究及應(yīng)用較早的國家，目前已建立了專業(yè)化生產(chǎn)廠，如英國TKR 公司、羅羅公司、Superform 公司和美國RTI公司等都具有很強(qiáng)的鈦合金SPF/ DB 結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)能力。另外，法國、德國、俄羅斯以及日本對鈦合金SPF/ DB 技術(shù)也進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用，具備了較強(qiáng)的鈦合金SPF/ DB 結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)能力。國外SPF/ DB 鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用廣泛（見圖4），如民機(jī)A300、A310/ 320的前緣縫翼收放機(jī)構(gòu)外罩，減重10%，A330、A340機(jī)翼檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動機(jī)構(gòu)等采用SPF/DB結(jié)構(gòu)，減重46 %，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，A380飛機(jī)吊艙艙門結(jié)構(gòu)采用了SPF/DB工藝。國內(nèi)開展鈦合金SPF/DB研究已多年，已逐漸用于主承力結(jié)構(gòu)，取得了一定的減重效果和經(jīng)濟(jì)效益，圖5為某飛機(jī)TC4鈦合金SPF/DB腹鰭結(jié)構(gòu)，已通過了全尺寸靜力試驗考核，結(jié)果證明滿足設(shè)計要求，成本降低16％，減重11％，但國內(nèi)還未開展該技術(shù)在民機(jī)上的應(yīng)用。

SPF/DB在國外已比較廣泛的應(yīng)用于軍民用飛機(jī)，顯示出巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但在國內(nèi)還處于應(yīng)用初期，沒有充分發(fā)揮這一技術(shù)的優(yōu)勢。針對民用飛機(jī)使用要求、主要結(jié)構(gòu)特點等，要實現(xiàn)該技術(shù)的工程化成熟應(yīng)用，需要盡快開展以下研究工作：

（1）SPF／DB結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，目前，SPF/ DB 技術(shù)多用于層板結(jié)構(gòu)，這種板結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度方面存在不足。因此，應(yīng)大力發(fā)展體積成形與擴(kuò)散連接結(jié)合的新型SPF/ DB 構(gòu)件。

（2）SPF/ DB制造控制技術(shù)，包括成形過程組織演變和變形機(jī)制，工藝過程控制與加工過程自動化，結(jié)構(gòu)完整性及應(yīng)力與變形控制，實現(xiàn)組織與性能匹配。（3）SPF/ DB質(zhì)量評估與檢測技術(shù)，建立設(shè)計用性能數(shù)據(jù)庫，研制低成本檢測技術(shù)，提高檢測精度，制定質(zhì)量控制程序和檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

（4）SPF/ DB結(jié)構(gòu)靜力與疲勞考核驗證，以適航標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)進(jìn)行符合性驗證，確保民用飛機(jī)安全可靠使用。

5，高性能鈦合金盤件的研究現(xiàn)狀：

對于航空航天用發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤、渦輪盤等轉(zhuǎn)動部件，不僅要求具有良好的高溫?zé)釓?qiáng)性，還要求在高溫條件下有優(yōu)良的抗疲勞性能和長期使用的可靠性。因此，制備高性能鈦合金，要綜合考慮合金成分、熱加工工藝、組織與性能及可加工性等因素。只有制備潔凈度高、成分和組織均勻的鑄錠，并在先進(jìn)渦輪盤鍛壓技術(shù)和熱處理工藝的配合下，才能保證鈦合金盤件流線形態(tài)的完整性、盤件組織的均勻性和性能的高可靠性。目前制備高性能盤件的主要方法有超塑性等溫鍛造成形工藝和粉末冶金熱等靜壓成形兩種，這兩種方法各有特點。

粉末冶金鈦合金盤件在熱處理時，盤件內(nèi)部存在溫度梯度，會產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力對盤件保持完整性和機(jī)加工性能的影響很大，當(dāng)局部殘余應(yīng)力足夠大時，盤件就可能開裂。而小的殘余應(yīng)力，也會影響盤件的加工性能，如加工變形等。因此，粉末冶金鈦合金盤件的熱處理工藝極為關(guān)鍵。對于大規(guī)格高性能鈦合金盤件，由于鈦合金導(dǎo)熱率低，盤件規(guī)格較大，不同部位存在較大的溫度梯度，容易造成組織和性能的不均勻性，則主要采用等溫超塑成形的方法。

超塑性等溫鍛造是利用鈦合金在高溫及低應(yīng)變速率下材料具有異常好的塑性及變形抗力低的特點發(fā)展起來的一種鍛造方式。通常采用近盧或準(zhǔn)盧熱模鍛造兩種鍛造方式。這種新工藝能獲得尺寸精確度高、組織均勻、性能穩(wěn)定、形狀復(fù)雜的高精度鍛件，而且可用小噸位的液壓機(jī)鍛造大型鍛件，來提高材料的利用率和減少切削加工量。等溫鍛造有以下特征：①在整個鍛造過程中，鍛模與鍛件始終保持在同一加工溫度；②鍛造速度很慢，應(yīng)變速率很??；③為防止氧化，鍛模與鍛件有時需置于真空或惰性氣體環(huán)境中。等溫鍛造可通過控制加工溫度、應(yīng)變率、變形程度等來控制微觀組織，以實現(xiàn)組織優(yōu)化的目標(biāo)。結(jié)合優(yōu)化的調(diào)質(zhì)熱處理制度，使鈦合金的組織和性能滿足不同零部件的應(yīng)用需求“。等溫鍛造的薄壁鈦鍛件具有良好的拉伸強(qiáng)度和綜合性能，是用于宇航加工中最經(jīng)濟(jì)且簡易的成形方法。

參考文獻(xiàn)

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第四篇：塑性成形實驗報告

金屬塑性成形原理實驗報告

實驗項目：Ansys軟件分析平面問題和軸對稱問題

材料參數(shù)：彈性模量E=210Gpa 泊松比：u=0.33 屈服強(qiáng)度σ

摩擦系數(shù)v=0.26

尺寸：15×25(mm)

s=350Mpa

實驗步驟：

1、建模

1）問題的類型：設(shè)置單元類型、屬性

(1).設(shè)置計算類型。ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK(2).選擇單元類型。執(zhí)行ANSYS Main Menu→Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select（Solid # Quad 4node 42）

→OK

2）材料模型

執(zhí)行Main Menu→Preprocessor →Material Props →Material Models →

Structural →Linear →Inelastic，在EX框中輸入2.1e5，在PRXY框中輸入0.3，選擇OK并關(guān)閉對話框。

3）建立幾何形狀

選擇Main Menu→Preprocessor →modeling →create→areas，如圖所示：

4）劃分網(wǎng)格

Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→Volumes Mesh→Tet→Mapped,.采用

Mapped網(wǎng)格劃分單元。

執(zhí)行Main Menu-Preprocessor-Meshing-Mesh-Volume-Mapped：

5）建立接觸

2、施加邊界條件并求解

執(zhí)行Main Menu-Solution-Apply-Structural-Displacement，拾取目標(biāo)平面等，單擊OK按鈕。然后出現(xiàn)如圖窗口，選擇“UY”，再單擊OK按鈕。加載荷后結(jié)果：

1）定義求解參數(shù)

2）求解

執(zhí)行Main Menu-Solution-Solve-Current LS，彈出一個提示框。執(zhí)行file-close，單擊OK按鈕求解運(yùn)算。

3、結(jié)果處理 1）讀入結(jié)果數(shù)據(jù)

2）查看結(jié)果

軸對稱問題：

平面應(yīng)變問題

平面應(yīng)力問題

結(jié)論：同一種材料，外形尺寸不變時，在不同的受力狀態(tài)下，應(yīng)力分布是不同的，且受到的最大應(yīng)力也不一樣。

第五篇：彈塑性力學(xué)總結(jié)(精華)

（一）彈塑性力學(xué)緒論：

1、定義：是固體力學(xué)的一個重要分支學(xué)科，是研究可變形固體受到外荷載或溫度變化等因素的影響而發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移及其分布規(guī)律的一門科學(xué)，是研究固體在受載過程中產(chǎn)生的彈性變形和塑性變形階段這兩個緊密相連的變形階段力學(xué)響應(yīng)的一門科學(xué)。

2、研究對象：也是固體，是不受幾何尺寸與形態(tài)限制的能適應(yīng)各種工程技術(shù)問題需求的物體。

3、分析問題的基本思路：受力分析及靜力平衡條件(力的分析)；變形分析及幾何相容條件

(幾何分析)；力與變形間的本構(gòu)關(guān)系(物理分析)。

4、研究問題的基本方法：以受力物體內(nèi)某一點（單元體）為研究對象→單元體的受力—應(yīng)力理論；單元體的變形——變形幾何理論；單元體受力與變形間的關(guān)系——本構(gòu)理論；（特點：

1、涉及數(shù)學(xué)理論較復(fù)雜，并以其理論與解法的嚴(yán)密性和普遍適用性為特點；彈塑性力學(xué)的工程解答一般認(rèn)為是精確的；可對初等力學(xué)理論解答的精確度和可靠進(jìn)行度量。）

5、基本假設(shè)：物理假設(shè):（連續(xù)性假設(shè)：假定物質(zhì)充滿了物體所占有的全部空間，不留下任何空隙；均勻性與各向同性的假設(shè)：假定物體內(nèi)部各處，以及每一點處各個方向上的物理性質(zhì)相同。力學(xué)模型的簡化假設(shè)：（A）完全彈性假設(shè) ；（B）彈塑性假設(shè)）。幾何假設(shè)——小變形條件（假定物體在受力以后，體內(nèi)的位移和變形是微小的，即體內(nèi)各點位移都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物體的原始尺寸，而且應(yīng)變(包括線應(yīng)變與角應(yīng)變)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。在彈塑性體產(chǎn)生變形后建立平衡方程時，可以不考慮因變形而引起的力作用線方向的改變；在研究問題的過程中可以略去相關(guān)的二次及二次以上的高階微量；從而使得平衡條件與幾何變形條件線性化。）

6、解題方法（1）靜力平衡條件分析；（2）幾何變形協(xié)調(diào)條件分析；（3）物理條件分析。從而獲得三類基本方程，聯(lián)立求解，再滿足具體問題的邊界條件，即可使靜不定問題得到解決

7、應(yīng)力的概念: 受力物體內(nèi)某點某截面上內(nèi)力的分布集度?=limFn?A?A?O?dFndA??n?=limFn?A?A?O?dFndA??nt。正應(yīng)力?，剪應(yīng)力?，必須指明兩點：是哪

xx一點的應(yīng)力；是該點哪個微截面的應(yīng)力。

7、應(yīng)力的表示及符號規(guī)則：?xx、?xy、???x：第一個字母表明該應(yīng)力作用截面的外法線方向同哪一個坐標(biāo)軸相平行，第二個字母表明該應(yīng)力的指向同哪個坐標(biāo)軸相平行。

8、三維空間應(yīng)力圓：