超塑性

超塑性材料力学领域的一个概念

超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。超塑性的特点有大延伸率，无缩颈，小应力，易成形。超塑性成形工艺在航天、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。

定义

从历史上看，没有普遍接受的超塑性定义。过去有人把伸长率大于100%，应变速率敏感性指数大于0.33定义为超塑性。在1991年日本大阪先进材料超塑性国际会议上提出如下超塑性定义：超塑性指多晶材料以各向同性方式表现出很高的拉断伸长率的能力。2009年美国Langdon教授在大阪定义的基础上给出了新的超塑性定义：超塑性指多晶材料以各向同性方式表现出很高的拉断伸长率的能力。测量的超塑性伸长率通常至少400%以上以及测量的应变速率敏感性接近0.5。同时把伸长率100%~300%和应变速率敏感性0.33的黏性滑移蠕变定义为准超塑性或类超塑性。不少英文文献报道，超塑性是指材料在一定的组织条件下和一定的温度和应变速率条件下表现出无明显缩颈的异常高的塑性的能力。通常，晶粒尺寸小于10μm。变形温度T≥0.5Tm，Tm为熔点。应变速率为。

历史

超塑性的历史也许可以追溯到公元前2200年的青铜器时代。Geckinli推算早在青铜器时期土耳其使用的含As 10%（质量分数）的青铜就是超塑态的。这是因为这些材料是双相合金，在手工热锻的过程中产生了超塑性所需要的稳定的细晶组织，从而得到各种复杂形状的锻件。

不仅如此，Wadsworth和Sherby等发现从公元前300年到19世纪一直使用的大马士革刀，其成分与现代超高碳钢十分相似，而后者最近才发现超塑性。

上述情况是人们对超塑性现象出现的推测。真正在文献中报道大延伸现象的足1912年美国物理实验拿(NPL)科学家Bengough发表的论文，他认为“某种特殊的黄铜像玻璃一样拉到一个细点，获得了极大的伸长率”。考察他的原始工作发现，他描述了α+β黄铜在700℃表现出了163%,的最大伸长率。1934年英国的Pearso在挤压态Bi-Sn合金中获得了1950%的伸长率。Pearson被西方学者认为是超塑性的创始人。1945 年苏联的Baocvar和Sviderskaya在研究论文中把这种大延伸现象定义为“超塑性”，论文发表后被1945年的美国化学文摘（Chemical Abstract）收录，从此，超塑性这一名词沿用至今。

实现条件

许多材料，包括在通常的变形条件一F非常脆的金属间化合物及陶瓷材料在一定条件下也能表现出超塑性。实际上，所有的材料在某些特定的显微组织，温度及变形速率条件下都可以呈现出超塑性，只是对某些材料而言，发生超塑性的条件限制在一个很窄的温度和应变速率范围内，在通常情况下难以满足而已，对大量里的超塑性事例的分析表明，为了使材料获得超塑性，通常应满足以下3个条件:

(1)变形在不低于0.5Tm（Tm为材料的熔点）的温度下进行。

(2)加载应变速率低。一般在的范围。

(3)材料具有等轴状细小晶粒(10μm以下)的微观组织，且晶粒尺寸比较稳定，在变形过程，不显著长大。

应该指出，上述产生超塑性的条件并非是绝对的。例如，Mg-8%Li合金在应变速率下得到了延伸率为116%的室温超塑性。显然，材料的室温超塑性或高应变率超塑性对超塑性加工成型有更大的工程意义。

分类

按照实现超塑性的条件（组织、温度、应力状态等）分类，主要可分为3类超塑性：组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。

(1)组织超塑性

在实际生产中应用最广泛的是组织超塑性，又称为细晶超塑性或恒温超塑性。产生组织超塑性通常需要具备3个条件：

①要求材料具有均匀的、细小的等轴晶粒，产晶粒尺寸通常小于10μm，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓稳定性好；

②要求变形温度T>0.5Tm，（Tm为材料熔点温度，以热力学温度表示），并且在变形时温度保持恒定；

③应变速率低（），要比材料常规拉伸试验时的应变速率至少低一个数量级。

组织超塑性对应变速率和变形温度很敏感，此类材料只有在一定的应变速率和变形温度范围内才能表现出最好的超塑性。

(2)相变超塑性

相变超塑性又称为动态超塑性或环境超塑性，是指材料在变动频繁的温度环境下受到应力作用时，经过多次循环相变或同素异形转变而得到很大的延伸率。其必要条件是应具有固态相变的特性，且在外载荷作用下，通过相变温度下循环加热与冷却诱发产生反复的组织结构变化，使金属原子发生剧烈运动而呈现超塑性。相变超塑性不要求材料具有微细等轴晶粒，但要求变形温度频繁变化，这会给生产带来困难，因此在应用上受到限制。对相变超塑性的研究较少，理论还不够成熟。

(3)其他超塑性

近年来发现普通非超塑性材料在一定条件下快速变形时，也能显示出超塑性。这种金属材料在一定条件下出现短时间的细而稳定的等轴晶粒组织并显示出超塑性的现象，称为短暂超塑性或者临时超塑性。此外还有一些材料在消除应力退火过程中，在应力作用下也可以得到超塑性。

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