超塑性一詞迄今尚無統(tǒng)一的嚴(yán)格科學(xué)定義。通常指金屬在某一溫度范圍內(nèi)和低應(yīng)變速率條件下,在單向拉伸應(yīng)力作用下能獲得很大伸長率的能力。
GB/T 8541-1997 把超塑性定義為:金屬在特定的組織、溫度條件和變形速率下變形 時,塑性比常態(tài)提高幾倍到幾百倍(如有的伸長率8》1000%), 而變形抗力降低到常態(tài)的幾分之一甚至幾十分之一的異乎尋常的性質(zhì)。超塑性有細(xì)晶超塑性(又稱恒溫超塑性)和相變超塑性。
外,還有其他超塑性。實(shí)現(xiàn)細(xì)晶超塑性需要均勻等軸細(xì)晶材料,適當(dāng)?shù)臏囟群瓦m當(dāng)應(yīng)變速
率。實(shí)現(xiàn)相變超塑性不需要細(xì)晶組織,只要在一定載荷下施以通過相變點(diǎn)的溫度循環(huán),就可以獲得大延伸率。這種效應(yīng)既可以在高溫有擴(kuò)散的轉(zhuǎn)變時出現(xiàn),也可在無擴(kuò)散馬氏體轉(zhuǎn)變時出現(xiàn)。例如對低碳鋼或低合金鋼施加一定載荷并在A1 或A2溫度上反復(fù)加熱冷卻,每次循環(huán)發(fā)生一次a-y轉(zhuǎn)變得到二次跳躍式均勻伸長。第三類超塑性指其他途徑獲得的超塑性,例如在消除應(yīng)力退火過程中應(yīng)力作用下得到的超塑性,異向膨脹材料加熱時出現(xiàn)的超塑性等。它們和相變超塑性統(tǒng)稱為動態(tài)超塑性。劉期次在保遞近幾十年細(xì)晶組織超塑性發(fā)展很快,在航空航天鍛造領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。金屬超塑性是金屬在某種特定狀態(tài)下所表現(xiàn)出的極高塑性的現(xiàn)象,其中所謂特定狀態(tài)是指均勻等軸細(xì)晶、適當(dāng)?shù)臏囟群瓦m當(dāng)?shù)膽?yīng)變速率。對于大多數(shù)金屬與合金,通常的概念是:細(xì)晶范圍應(yīng)為10pm~20um以下,適當(dāng)?shù)臏囟龋ɑ蚍Q超塑性溫度)一般等于該材料熔點(diǎn)(絕對溫度)的0. 6倍~0. 7倍,適當(dāng)?shù)膽?yīng)變速率(或稱為超塑性應(yīng)變速率)應(yīng)在10-s一1~10~s~左右。針對某種具體材料,其超塑性溫度和超塑性應(yīng)變速率與當(dāng)時組織的狀態(tài)和晶粒尺寸密切相關(guān)。通常用材料單向拉伸試驗(yàn)的伸長率8作為材料塑性的指標(biāo),所謂極高的塑性指超塑性延伸率是普通狀態(tài)下延伸率的幾倍、甚至幾百倍。超塑性變形的另一個特征是,因其特殊的變形機(jī)理,金屬超塑性變形的流動應(yīng)力低于普通熱塑性變形的流動應(yīng)力。
超塑性成形就是在材料超塑性狀態(tài)下進(jìn)行金屬成形,超塑性成形的條件是:工件材料是均勻等軸細(xì)晶材料,成形過程中工件溫度保持均勻恒定并等于工件材料的超塑性溫度,工件各點(diǎn)的應(yīng)變速率應(yīng)盡量保持均勻恒定并等于工件材料的超塑性應(yīng)變速率。為達(dá)到等軸細(xì)晶條件,需要對坯料進(jìn)行晶粒細(xì)化預(yù)處理;為了達(dá)到溫度條件,工件和模具要同時加熱保持等溫。因?yàn)楣ぜ冃蔚牟痪鶆蛐?,要求工件各點(diǎn)的應(yīng)變速率應(yīng)保持均勻恒定并等于工件材料的超塑性應(yīng)變速率是不現(xiàn)實(shí)的,只能要求工件各點(diǎn)的應(yīng)變速率盡量接近材料的超塑性應(yīng)變速率。由于工件與模具接觸區(qū)(亦稱死區(qū))應(yīng)變速率極低且不可改變,因此只能限制工件的最高應(yīng)變速率不能超過某一數(shù)值范圍。事實(shí)上,在普通金屬成形過程中,工件的最高應(yīng)變速率早已超出材料超塑性的應(yīng)變速率范圍(10-*s7~10~3s), 例如錘鍛時最大應(yīng)變速率可達(dá)到幾十甚至幾百。因此超塑成形比普通成形的速度低很多,因而要根據(jù)此特點(diǎn)選擇合適的成形設(shè)備。
超塑性成形分為板料超塑成形和體積超塑成形,前者多以氣體脹形為主要變形方式,控制氣體壓力即可控制工件應(yīng)變速率;超塑性鍛造是超塑性體積成形的主要內(nèi)容,采用壓力機(jī)的滑塊速度控制工件的應(yīng)變速率。由于工件各部位材料處于或接近超塑性狀態(tài),所以材料具有最好的成形性能,因此超塑性成形可以一次成形出普通成形工藝需要多道工序才能成形或者根本不能成形的復(fù)雜形狀零件。超塑性鍛造因其優(yōu)良的成形性能可以大大減少加工余量實(shí)現(xiàn)近凈成形。超塑性成形已成為高技術(shù)領(lǐng)域難變形材料的主要成形方法。