材料成形原理

1、西華大學(xué)材料成型原理課程鋁基復(fù)合材料超塑性文獻(xiàn)綜述2015級(jí)材料科學(xué)與工程-趙祥目 錄123概念及總述鋁基復(fù)合材料的超塑性特點(diǎn)鋁基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀概念及總述超塑性超塑性：是指材料在一定的內(nèi)部條件（如晶粒形狀、尺寸和相變等）和外部條件（如溫度、應(yīng)變速率等）下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力及異常高的流變性能的現(xiàn)象 。鋁基復(fù)合材鋁基復(fù)合材料料：以鋁為基體加入其它金屬或非金屬元素來(lái)增強(qiáng)性能所制備的材料超超塑性變形特點(diǎn)塑性變形特點(diǎn)（1）非常大的延伸率，一般 200%，最大可達(dá) 5000%以上。（2）變形抗力小，無(wú)或少加工硬化，易變形。（3）很強(qiáng)的抗縮頸能力，可發(fā)生很大變形而無(wú)明顯的局部縮頸。（4）對(duì)應(yīng)變速率非

2、常敏感，m 值一般大于 0.3。（5）對(duì)晶粒尺寸、狀態(tài)敏感，一般要求微細(xì)晶粒。超塑性的發(fā)展歷程超塑性的發(fā)展歷程超塑性現(xiàn)象從發(fā)現(xiàn)到深入研究經(jīng)歷了幾十年的時(shí)間，自上世紀(jì) 70 年代以來(lái)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家包括美、英、法、日以及前蘇聯(lián)等競(jìng)相研究金屬超塑性技術(shù)，掀起了超塑性應(yīng)用技術(shù)及理論研究的熱潮，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有超塑性的金屬材料已達(dá) 200 多種以上，特別是近年來(lái)，由于陶瓷及其復(fù)合材料超塑性研究取得了突破性的進(jìn)展，超塑性研究范圍從金屬材料擴(kuò)展到了非金屬領(lǐng)域.1960年,美國(guó)的David發(fā)現(xiàn)Ai一33%Cu共晶合金在500 C時(shí)可得到200%的延伸率,是最早實(shí)現(xiàn)超塑性的鋁合金。而后其他一些共晶合金,如Al

3、一Si,Al一Cu一Mg等 合金在一定的條件下也獲得了超塑性70年代日本的松木等和英國(guó)Stowell等開(kāi)發(fā)出了主要的超塑Ai一Cu系鋁合金,促進(jìn)了超塑性鋁合金的發(fā)展,并已投入應(yīng)用。近十幾年來(lái),鋁合金的超塑性研究有了新的進(jìn)展,主要的鋁合金系列有:純鋁、AI一Ca、Al一Cu、Al一Cu一Mg一Zr、AI一Ca一Mg、Al-Mg(一X)(XMn、Cu、51、Zr、Sc等)、Al一Zn一Mg(一Zr)、AI一Li(-Zr)。其中,一些新型的鋁合金,通過(guò)添加稀土元素或者Sc、Zr、Ti等過(guò)渡族元素,大大提高了合金的超塑性。如Al一Mg一Li-Zr、Al一Zn一Mg一Zr等合金不但能在一定條件下呈現(xiàn)較高

4、的超塑性,而且具有較好的綜合力學(xué)性能。Al一Zn一Mg合金是鋁基超塑性合金的工業(yè)常規(guī)材料,在航空工業(yè)中應(yīng)用較多。在該合金中添加稀土元素或者過(guò)渡族元素Zr,細(xì)化了顯微組織,提高了合金的超塑性,其中最大的延伸率可達(dá)1014%。01420(Ai一Mg-Li一Zr)合金是一種中強(qiáng)超輕合金,具有較好的抗腐蝕性能和優(yōu)良的焊接性能,按照常規(guī)的形變熱處理細(xì)化晶粒的方法,可以獲得950 的延伸率,m值達(dá)到0.78,是目前01420合金最佳的超塑性能.Ai一Ca一Zn是一種新型的Ai基超塑性合金,它比重輕、抗腐蝕能力強(qiáng),作為一種中等強(qiáng)度的鋁合金,已開(kāi)始應(yīng)用于軍事或民用工業(yè)中。另外,在粉末冶金鋁合金和鋁基復(fù)合材料中

5、超塑性的發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步推動(dòng)了超塑成型技術(shù)的發(fā)展。 超塑性變形影響因素超塑性是材料在特定條件下表現(xiàn)出來(lái)的一種綜合機(jī)械性能，其影響因素有很多，下面就其主要的集中因素進(jìn)行分析 （1）應(yīng)變速率的影響應(yīng)變速率的影響 應(yīng)變速率對(duì)流動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變率敏感系數(shù)m有顯著影響，m 值較小，應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化緩慢， m 值大，應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化劇烈，在此范圍內(nèi)的材料變形具有很高的應(yīng)變速率敏感性，且超塑性好，是實(shí)現(xiàn)超塑性變形的最佳應(yīng)變速率范圍 （2）變形溫度的影響變形溫度的影響 （a）隨著溫度升高，流動(dòng)應(yīng)力普遍下降，曲線(xiàn)也向高應(yīng)變速率方向移動(dòng)；（b）隨著溫度升高，m 值增大，曲線(xiàn)峰值向高應(yīng)變速率方向移（c）當(dāng)應(yīng)變速率很高時(shí)

6、，m 值對(duì)溫度的敏感性減弱 （3）晶粒大小及形態(tài)晶粒大小及形態(tài) 超塑性變形大多要求材料具有微細(xì)晶粒，一般情況晶粒尺寸不超過(guò)15m，晶粒大小對(duì)超塑性變形的影響很大鋁基復(fù)合材料的超塑性特點(diǎn) 在金屬及金屬基復(fù)合材料中，以鋁合金、鎂合金、鈦合金最為活躍，其主要的研究工作包括塑性變形力學(xué)行為、變形過(guò)程中的組織演變，變形機(jī)制等；超塑性鋁合金加工后整體精度高、成品率好，因此具有良好的塑性、加工型和低溫性能，因此鋁合金復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、電子等方面。 北京航空航天材料研究所對(duì)成分相近的01420合金（Mg-Al-Li系）與LF6合金(5A06,鋁鎂系防銹鋁)進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)01420基體上

7、彌散分布有大量的p相(Mg:Alg)、LIMgAI:和小顆粒ZrA13相;LF6合金析出質(zhì)點(diǎn)主要為大顆粒的p相(MgZA13)、MnAI。和小顆粒ZrAI。相。可見(jiàn),Al一Mg合金中加入Li后,不但改變了過(guò)時(shí)效處理后析出相的成分,并且使析出質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量大大增加,為合金再結(jié)晶時(shí)晶粒的細(xì)化和穩(wěn)定化提供了有利的組織條件合金超塑變形是晶內(nèi)位錯(cuò)協(xié)調(diào)的晶界滑移機(jī)制,合金晶粒越細(xì),晶界滑移越容易進(jìn)行,合金變形所需要的外加應(yīng)力也就越低。 試驗(yàn)中采用的實(shí)驗(yàn)方法為用合金鑄錠在氬氣的保護(hù)下熔鑄，鑄錠經(jīng)均勻化處理后，熱軋得到厚度為10mm的板材，在經(jīng)過(guò)如下的形變與熱處理(a)固溶處理:475又2h水冷淬火,(b)過(guò)時(shí)效

8、處理:300又24h空冷;(c)溫軋:在300將時(shí)效后合金軋成厚度1.5mm的板材;(d)再結(jié)晶處理:01420合金超塑拉伸前進(jìn)行510，30min的再結(jié)晶處理;LF6合金溫軋?jiān)嚇又苯颖?0min后拉伸 鋁基復(fù)合材料超塑性的發(fā)展現(xiàn)狀總的來(lái)說(shuō)：近年來(lái)，各國(guó)研究人員相繼開(kāi)發(fā)出了很多具有高應(yīng)變速率超塑性的鋁基復(fù)合材料，其中由 Si3N4、SiC 增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料得到了很大的發(fā)展。Si3N4增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高應(yīng)變速率超塑性增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高應(yīng)變速率超塑性 Imai 等7.8研究了 -Si3N4晶須增強(qiáng)鋁鎂合金復(fù)合材料的高應(yīng)變速率超塑性，并分析了鎂元素對(duì)于該材料高應(yīng)變速率超塑性的影響在溫度為 6

9、30640、應(yīng)變速率為 0.1s-1時(shí)，-Si3N4增強(qiáng)復(fù)合材料的基體晶粒尺寸小于 2m，應(yīng)變速率敏感指數(shù) m 值為 0.47，延伸率達(dá)到 200%。隨鎂含量的增加，復(fù)合材料的熔點(diǎn)降低，獲得最大延伸率的超塑性變形溫度也隨之降低SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高應(yīng)變速率超塑性增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高應(yīng)變速率超塑性 許曉靜等人成功地制備了具有高應(yīng)變速率超塑性的 -SiC 晶須增強(qiáng) LY12 復(fù)合材料。該復(fù)合材料晶粒約為 2m。在溫度為 530、初始應(yīng)變速率為 0.11s-1時(shí)，延伸率達(dá) 350%，應(yīng)變速率敏感系數(shù) m 值為 0.35。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行差熱分析（DSC）表明，微量液相是鋁基復(fù)合材料獲得高應(yīng)變速率

10、超塑性的必要條件。在 620630、初始應(yīng)變速率 0.01s-10.1s-1的條件下，-SiC 晶須增強(qiáng)純鋁基復(fù)合材料也具有高應(yīng)變速率超塑性，延伸率達(dá)到 220%380%。文獻(xiàn)12研究了 Al-16Si-5Fe-1Cu-0.5Mg-0.9Zr 鋁合金為基體的 5wt.%SiC 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的高應(yīng)變速率超塑性。在 783K、應(yīng)變速率 0.14s-1時(shí)，該復(fù)合材料的延伸率達(dá)到270%。復(fù)合材料與基體合金相比延伸率較低。分析認(rèn)為，這是由于復(fù)合材料中增強(qiáng)相顆粒在增強(qiáng)相/基體界面脫離所造成的較大密度的孔洞所致許曉靜等采用高溫拉伸、透射電鏡、X 射線(xiàn)衍射儀、差示掃描量熱計(jì)和超塑性經(jīng)典理論，對(duì)低壓浸滲、

11、小擠壓和熱軋制備的 SiC 晶須增強(qiáng) 2024Al基復(fù)合材料超塑性的力學(xué)行為和變形機(jī)制進(jìn)行了研究。研究表明：復(fù)合材料的晶粒細(xì)小，尺寸約為 1m；在溫度為 788K、初始應(yīng)變速率為 3.310-3s-1的拉伸條件下，超塑伸長(zhǎng)率為 370%；DSC 曲線(xiàn)上有一小的初期熔化吸熱峰，其溫度相應(yīng)于偏晶反應(yīng)的溫度 785K，反應(yīng)如式(1-4)所示。超塑性變形的主導(dǎo)機(jī)制為傳統(tǒng)的晶界擴(kuò)散機(jī)制和量液相共同控制的晶界（界面）滑動(dòng)。 Al + Al2 Cu + Cu 4Mg 5Si4 Alx液相+ M g 2Si (1)許曉靜等人還對(duì)攪拌鑄造、小擠壓、熱軋和冷軋制備的 15%SiCP/LD2鋁基復(fù)合材料的超塑性進(jìn)行了研究。研究表明：在溫度為 833K、初始應(yīng)變速率為 8.910-4s-1的拉伸變形條件下，其伸長(zhǎng)率為 250%；適量液相對(duì)該復(fù)合材料的超塑性具有關(guān)鍵作用鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用研究鋁合金超塑性的目的在于利用其成形零件或結(jié)構(gòu)件,特別是成形難加工的材料和復(fù)雜形狀的零部件,如曲面、浮凸、刻字等,可大大降低成本并提高構(gòu)件的使用性能。國(guó)外將金屬超塑性成形技術(shù)用于生產(chǎn),特別是用于航空、航天等結(jié)構(gòu)件。由于超塑合金在出現(xiàn)超塑性現(xiàn)象時(shí),其塑性極好,變形能力很強(qiáng),因此可以制造出形狀復(fù)雜的工件。超塑性合金的變形抗力低,因此可以采用低廉、新型或超輕的