[科普中国]-超塑性合金-

介绍

金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1928年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。

最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。

60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。特别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工却获得了成功。到了70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。

超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有10～15个牌号，它们的延伸率在200～2000%之间。如铝锌共晶合金为1000%，铝铜共晶合金为1150%，纯铝高达6000%，碳和不锈钢在150～800%之间，钛合金在450～1000%之间。

在通常情况下，金属的延伸率不超过90%，而超塑性材料的最大延伸率可高达1000%～2 000%，个别的达到6000%。金属只有在特定条件下才显示出超塑性。在一定的变形温度范围内进行低速加工时可能出现超塑性。产生超塑性的合金，晶粒一般为微细晶粒，这种超塑性叫作微晶超塑性。有些金属受热达到某个温度区域时，会出现一些异常的变化，若使这种金属在内部结构发生变化的温度范围上下波动，同时又对金属施力，就会使金属呈现相变超塑性。

超塑性合金的化学成分与性能（1）常用的模具用非铁超塑合金化学成分见表1。

表1几种模具用非铁超塑合金的化学成分1

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（2）常用的模具用超塑合金的力学性能见表2。

表2几种模具用超塑合金的力学性能

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超塑性成形工艺的类型超塑性成形工艺主要包括了气胀成形和体积成形两类。

超塑性气胀成形

超塑性气胀成形是用气体的压力使板坯料（也有管坯料或其他形状坯料）成形为壳型件，如仪表壳、抛物面天线、球形容器、美术浮雕等。美国Superform公司在超塑性气胀成形及其应用方面达到了较高水平，常年批量生产超塑性气胀成形的壳型零件，其整个生产过程都实现了计算机控制，成形的零件在航空、航天、火车、汽车、建筑等行业都得到应用。

超塑性体积成形

超塑性体积成形包括不同的方式（例如锻模、挤压模等），主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低，流动性好等特点。一般情况下，超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料、对于应变速率及温度有更严格的要求。俄罗斯超塑性研究所首创的回转等温超塑性成形的工艺和设备在成形某些轴对称零件时具有其他工艺不可比拟的优越性。这种方法利用自由运动的辊压轮对坯料施加载荷使其变形，使整体变形变为局部变形，降低了载荷，扩大了超塑性工艺的应用范围。采用这样的方法成形出了钛合金、镍基高温合金的大型盘件以及汽车轮毂等用其他工艺难于成形的零件。

实现超塑性的主要条件金属超塑性有组织超塑性和相变超塑性两种。

1）组织超塑性。组织超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率，这时合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒（直径5μm以下），这种超塑性称为超细晶粒超塑性。非铁金属超塑合金是属于组织超塑性。组织超细化是组织超塑性的关键。超塑合金要经过超塑处理，在超塑成形后要进行强化处理以延长模具的使用寿命。非铁金属超塑合金的缺点是制成的模具工作零件强度较低。超塑合金作为模具材料的主要用途是做型腔模的型腔。

2）相变超塑性。有一些钢，在一定的温度下组织中的相发生转变，在相变点附近加工也能完成超塑性，称为相变超塑性。产生超塑性的相变过程，无论是扩散性的或者是非扩散性具有可逆性的，都可以在外部低的应力作用下，通过温度循环而使金属的延伸率或变形量受积累而增高到甚至惊人的程度。因此，纯金属的同素异构转变、合金或钢中的珠光体相变，贝氏体相变以及具有可逆性的马氏体相变等都可以通过温度循环产生超塑性。2

应用情况超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来，用以对付难变形的合金。而这时所需的压力很小，只相当于正常压力加工时的几分之一到几十分之一，从而节省了能源和设备。使用超塑性加工制造零件的另一优点是可以一次成型，省掉了机械加工、铆焊等工序，达到节约原材料和降低成本的目的。在模压超塑性合金薄板时，只需要具备一种阴模或阳模即可，节省一半模具费用。超塑性加工的缺点是加工时间较长，由普通热模锻的几秒增至几分钟。

超塑性的铅合金已经商品化，如英国的Supral 100（A—6Cu—0.4Zr）和加拿大的Alcan 08050（AL—5Ca—5Zn）。铝板可在300～600℃时利用超塑性成型为复杂形状，所用模具费用降低至普通压力加工模具费用的十分之一，因此它具有和薄钢板、铝压铸件及塑料模压件相竞争的能力。

据推测，最近超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等

现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有10～15个牌号，它们的延伸率在200～2000%之间。如铝锌共晶合金为1000%，铝铜共晶合金为1150%，纯铝高达6000%，碳和不锈钢在150～800%之间，钛合金在450～1000%之间。3