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塑性成型基本原理第七節(jié)超塑性上節(jié)主要內(nèi)容回顧(1)影響金屬塑性的因素?(2)提高金屬塑性的途徑?包套鐓粗用摔子拔長(zhǎng)上節(jié)主要內(nèi)容補(bǔ)充基于紅外熱像技術(shù)的金屬材料疲勞性能研究方法第二章金屬塑性成型的物理基礎(chǔ)思考(1)超塑性變形的宏觀特征(2)超塑性的力學(xué)特征和組織特征(3)應(yīng)變敏感性指數(shù)(m)物理意義2.5金屬的超塑性Ti3Al合金加載溫度920℃,變形速度5×10-5/s,應(yīng)力35MPa奇特的塑性變形現(xiàn)象1920年德國(guó)人(一)超塑性的概念與特征1945年,前蘇聯(lián)包赤伐爾(包奇瓦爾)針對(duì)這一現(xiàn)象,正式提出“超塑性”術(shù)語(yǔ)。1928年,英國(guó)物理學(xué)家森金斯:凡金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认伦兊孟褴浱且粯尤彳?,其?yīng)變速度為每秒10毫米時(shí)產(chǎn)生300%以上的延伸率。
金屬和合金具有超常的均勻變形能力,其延伸率可達(dá)到百分之幾百、甚至百分之幾千。1.概念
(1)大延伸:拉伸試驗(yàn),Zn-22%Al,250℃
,5mm/min,延伸率3120%(變形穩(wěn)定性極好);(2)小應(yīng)力:Zn-22%Al——
Ti-6Al-4V——
GCr15——
(3)無(wú)縮頸:截面均勻變形、縮小,在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象,截面收縮率100%;2MPa30MPa2.超塑性變形宏觀特征銅的應(yīng)力-應(yīng)變曲線頸縮無(wú)頸縮
(1)大延伸:拉伸試驗(yàn),Zn-22%Al,250℃
,5mm/min,延伸率3120%;(2)小應(yīng)力:Zn-22%Al——
Ti-6Al-4V——
GCr15——
(3)無(wú)縮頸:截面均勻變形、縮小,在宏觀上無(wú)縮頸現(xiàn)象,截面收縮率100%;(4)易成型:無(wú)加工硬化現(xiàn)象,流動(dòng)性和填充性好。2MPa30MPa2.超塑性變形的特征
(1)延伸率δ(有色金屬200%,黑色金屬100%,脆性金屬超過(guò)原來(lái)幾倍);
(2)晶界滑移引起的應(yīng)變占總應(yīng)變的30%以上;(3)應(yīng)變速率敏感性系數(shù)m≥
。3.如何判斷是否呈現(xiàn)超塑性(二)超塑性的種類1.恒溫超塑性(第一類超塑性)特點(diǎn):晶粒超細(xì)化(μm),等軸化組織熱穩(wěn)定性一定溫度范圍()一定變形速率()鈦合金和鋁合金晶粒幾十微米機(jī)制:晶粒移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)10-4~10-1m/s2.相變超塑性(變溫/第二類/動(dòng)態(tài))
組織特點(diǎn):相變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變控制因素:溫度幅度溫度循環(huán)率
機(jī)制:靠同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變誘發(fā)材料的高塑性,在應(yīng)力作用下每次相變將得到一次跳躍式均勻變形,在相變溫度附近的多次熱循環(huán)即可累積得到大的變形量3.其它超塑性
短暫超塑性相變誘發(fā)超塑性高應(yīng)變率超塑性電致超塑性碳鋼和軸承鋼的延伸率與溫度循環(huán)次數(shù)n之間的關(guān)系(試驗(yàn)溫度幅度:538-816度定負(fù)荷:)球墨鑄鐵相變超塑性與溫度循環(huán)的關(guān)系(試驗(yàn)溫度:700-800度,循環(huán)速度:5度/分,定負(fù)荷:1--12MPa,2--8MPa)低碳鋼應(yīng)力—應(yīng)變曲線超塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(三)超塑性的力學(xué)和組織特征1.變形力學(xué)特征由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),超塑性變形表現(xiàn)對(duì)變形速率極其敏感。
為1,牛頓黏性流動(dòng)公式,
K是黏性系數(shù);為,普通金屬;為,超塑性材料。
真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力;決定與實(shí)驗(yàn)條件的材料常數(shù);應(yīng)變速率;應(yīng)變速率敏感指數(shù)。應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m是什么?真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的S曲線,123真實(shí)流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間關(guān)系的S曲線,Al-Mg共晶合金(變形溫度:350℃,晶粒直徑:μm)體積不變:m值的物理意義
越大,隨著增大而急劇增大反映了抑制局部出現(xiàn)縮頸的能力均勻變形第二相晶粒能阻礙母相晶粒的長(zhǎng)大,而母相也阻礙第二相的長(zhǎng)大。變形過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大的速度要慢,充分的熱變形持續(xù)時(shí)間。2.組織特征晶粒極細(xì)等軸晶(1)(m)(2)雙相(共析或共晶)熱穩(wěn)定性(3)(1)高溫超塑性鋁合金超塑性細(xì)晶鋁合金m(473℃)(2)低溫超塑性細(xì)晶鋁合金m(194℃)攪拌摩擦焊(FSW)原理攪拌摩擦加工鋁合金超塑性(1)高溫超塑性細(xì)晶鋁合金m(473℃)(2)低溫超塑性細(xì)晶鋁合金m(194℃)金屬間化合物Ni3Al超塑性組織變化超塑性變形機(jī)理(細(xì)晶超塑性)
“主要是晶界滑動(dòng)、擴(kuò)散蠕變、動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用”
晶界滑動(dòng)、擴(kuò)散蠕變模型(四)超塑性變形機(jī)理體積擴(kuò)散線晶界擴(kuò)散線變形溫度(五)影響細(xì)晶超塑性的因素溫度對(duì)-和m-曲線影響示意圖Zn-22%Al合金的延伸率和m值與變形溫度的關(guān)系m流變應(yīng)力低超塑性變形區(qū)域?qū)扢峰值增加延伸率提高晶粒尺寸和形狀的影響d<10微米流變應(yīng)力低超塑性變形區(qū)域?qū)抦峰值增加Al-Cu共晶合金520度時(shí)晶粒尺寸對(duì)流動(dòng)應(yīng)力即m值的影響應(yīng)變速率的影響=10-4~10-1min-1兩相組織的影響
兩相分布愈均勻,兩相的體積比愈接近于1,熱穩(wěn)定性愈好組織變化(六)超塑性變形時(shí)組織變化和性能影響晶粒:顯微組織:產(chǎn)生空洞:晶粒沒有被拉長(zhǎng),仍保持等軸晶狀態(tài),晶粒度部分長(zhǎng)大;幾乎沒有位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu),織構(gòu)不發(fā)達(dá);由于晶界的滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及晶?;剞D(zhuǎn),在晶界或相界處形成空隙和裂紋,僅存在于試樣的表面。力學(xué)性能影響
不產(chǎn)生各向異性,具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能(細(xì)小等軸晶粒、無(wú)織構(gòu))
沒有殘余應(yīng)力(溫度穩(wěn)定、變形緩慢、不存在彈性畸變能)
產(chǎn)生加工軟化現(xiàn)象(Zn-Al共析合金,硬度隨著壓縮率增加而降低)
具有微細(xì)雙相混合組織,較高的抗疲勞強(qiáng)度(高鉻高鎳超塑性不銹鋼)(七)超塑性的應(yīng)用1.無(wú)模拉伸2.氣脹成形3.壓焊加工SPF應(yīng)用實(shí)例美國(guó)機(jī)種采用SPF、SPF/DB構(gòu)件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益引自-北京航空工程制造研究所歐洲機(jī)種采用SPF、SPF/DB構(gòu)件的應(yīng)用情況引自-北京航空工程制造研究所(1)滑移和孿生的異同點(diǎn)?(2)多晶體的變形特點(diǎn)?(3)什么是加工硬化現(xiàn)象?(4)冷加工對(duì)組織和性能的影響?(1)熱加工對(duì)金屬組織、性能影響?(2)冷、熱加工的區(qū)別?(3)冷加工流線與熱加工流線區(qū)別?(4)板材經(jīng)熱加工后均為各向同性?(5)敘述晶粒隨著溫
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