钛合金m值与超塑关系研究

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1、 毕业设计（论文）题 目:钛合金值与超塑性关系研究学 院: 航空制造与工程学院专业名称： 材料成型及控制工程毕业设计(论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料.对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 。.。指导教师签名： 日 期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设

2、计（论文)的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计（论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: .。学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月

3、 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文.涉密论文按学校规定处理.作者签名：日期: 年 月 日导师签名： 日期：年 月 日 毕业设计(论文）任务书I、毕业设计（论文）题目:钛合金m值与超塑性关系研究II、毕 业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求:原始资料：国家基金（）申报书基于最大m值法的钛合金等温超塑成形机制研究本课题旨在针对钛合金开

4、展m值与超塑性之间关系的研究。要求编制计算机控制程序，进行高温拉伸试验，并进行实验数据处理与分析。主要工作如下:（1）查阅相关资料；（2）翻译外文资料一篇；()撰写开题报告; （4)采用语言编制计算机控制程序；（5）值与超塑性之间关系的拉伸试验；(6)实验数据处理与分析； （7)m值与延伸率关系式的建立；(）撰写毕业设计论文。III、毕 业设计(论文）工作内容及完成时间:1. 搜集相关资料，阅读并翻译外文文献 3。4-8 1周2。撰写开题报告 34。1 2周3 采用B语言编制计算机控制程序 4。44。 1周4 最大m值法超塑性拉伸试验 4。114。22 2周5。 最佳变形速率超塑性拉伸试验 4

5、。2-513 周. 实验数据处理与金相显微分析 5.166。3 周7。 撰写毕业论文 6.66。1 2周。 答辩准备及毕业答辩 6。176。24 1周 、主 要参考资料:1 宋玉泉， 程永春， 刘术梅。 超塑拉伸变形应变速率敏感性指数的力学解析. 机械工程学报,20,3（3):52王高潮,曹春晓，董洪波，等. TC1合金最大m值超塑变形机理研究。航空学报，2009，30(2）：57赵晓宾，王高潮，曹春晓, 等. T1钛合金的最大m值超塑性变形研究，航空材料学报, 208，2（）：584 Gpta K K， Mee J L. riefHistory of the egnningf te Fnit

6、eElement ehodJ。 neraionlornal or uerial MethosinEngieeing， 16,（9)：371-3774R。Z。Valev，R。Kslamgaiev,I。Seeoa upeplasticityinantructure mrials: wchallengesJ。 Material Sciene anEineerng ，2007，43：2航空制造工程 学院 塑性成形与模具 专业 70116 班学生（签名）: 日期：自 21 年 3 月 14 日至 211 年 月 24 日指导教师（签名): 助理指导教师（并指出所负责的部分）：研究生马超负责指导程序编制和

7、拉伸试验等。 塑性工程 系(室） 主任（签名): 董洪波 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部

8、分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名: 日期：导师签名: 日期：56 / 67钛合金m值与超塑性关系研究 学生姓名：喻淼真 班级：011 指导老师：王高潮摘要:钛合金是极其重要的轻质结构材料，它具有良好的高温性能、高的比强度和优异的抗腐蚀性能,超塑性成形具有成形压力低、变形大和能获得精确的外形尺寸等优点,开展钛合金的超塑性研究不仅可以解决钛合金加工过程中的一些难题,而且可以降低零件的制造成本，扩大钛合金的使用范围,因此具有非常重要的现实意义。本课题在钛合金的最大m值（应变速率敏感性指数，以下简称值）超塑性研究、钛合金高效超塑性研究的基础

9、上，提出了钛合金设定m值的变形理论，探索钛合金在超塑性变形过程中m值与延伸率的关系，进而有可能为最大值超塑变形机理寻找答案，也可以将m值作为工艺参数来控制高速区的应变速率从而达到提高成形效率的目的。在Visual Basic环境下编写了设定m值的超塑性拉伸控制系统的程序,该控制系统能很好地实现对拉伸机的控制、实验过程中的数据采集、分析和处理，并具有绘制实时监控曲线等功能.最后,将各子程序整合后，形成了一套完整、实用的超塑性研究方法.在试验前首先利用TC合金做高温拉伸试验设定m值为0。来验证设定m值的超塑性拉伸控制系统的程序的正确性,结果表明是可行的,随后，本文对T6合金的超塑性进行了研究，最后

10、,对TC6钛合金设定m值的超塑变形方法进行了系统的研究.研究了m值，并对变形过程中的m值与时间、m值与延伸率的关系以及变形后的显微组织进行了研究。研究结果表明:(）设定m值实验控制系统能对变形时的过程进行监控，能对实验过程中的数据进行自动采集、显示、分析和处理，并可根据需要绘制实时监控曲线。不仅提高了工作效率和测试精度，而且大大简化了钛合金的基础研究工作 。 （）采用设定m值的方法进行拉伸试验,结果表明:从设定值为03和。以及用T1试验时设定m值为0.4时拉伸试验结果数据处理出的m值与时间曲线关系来看，瞬时m值总是在设定m值范围内很小的波动,这再一次证明了钛合金设定m值的变形方法的可行性与设定

11、值的超塑性拉伸控制系统的程序的正确性,再从值与延伸率的关系曲线来看，m值从0.3到0。5的延伸率在不断上升,这也应证了值越大，延伸率越大，超塑性越好的观点,但在值设定为.7的拉伸试验结果出现了反常现象，无论拉伸时间还是延伸率都不如设定m值为0.5的，在用TC设定m值为0.7时拉伸的实验数据分析中发现瞬时m值并不能调到0.7附近，最大的为062,这说明了在应变速率与m值关系中，最大值还达不到0.7，致使拉伸出的数据与理论不相符,为了得到值与延伸率的关系式还需要进行大量的实验，从而为最大m值超塑变形机理寻找答案.（3）在变形的过程中，变形量对TC6合金的显微组织有显著影响。变形量越大晶粒长大越明显

12、,在变形的过程中发生了动态再结晶使晶粒呈现等轴化。关键词： 应变速率敏感性指数值 设定m值法 延伸率 控制系统 C6合金 指导老师签名： he retiosi stuybeween m val d Suprpastcity in Titanm lo Studt nam:Yiaozen lass： 7116 upervi:ag GaochoAbstrct： Titanum aloy i a very importat lighteight uctura materials, ithas od igtemperaure formanc， igh specifctrenth adxclet crrn

13、 esistane ithsuperplasticormig, te frce o fomican rduce, te si ofdformion can icrease, ndprcision prtca bepued， so uding on sperpasticity o tiaium alos not nly a olve some of h titamaoy rocesin problems, but alo can educe he nuactuig cts ofcoponent o xpand teuseof titium alys， it h very iortan pacta

14、l sinificnce。 Th thery o methdtosetm value uperlaicityDformation s basd on t Maxim m (train rte sensitiityndex， herafterrferrdt m vaues） and HigfficiencSupepasticit uperscity mehod, o eploemvle and theelatonship eenelonaton t in heprcesf urpatic deformaion nthetitanum ally ,Thn h maximu mvle possble

15、 fo the speplsti efraion mechansmto fdte ansr,you can also take vaes as parmetesto conrol he hig srain ra rgionomed so as to mpve efficincyoe subprogrmsre cmpiled a debugged under Visul ascenvrnent fotecntollng sysem ofset m ale Suerasticty， th rogam cod fulilttaskof cntrollng t drwin mcine， acir， a

16、nalyzin an processng dta gnra dring heexprment， canee daw eal time pervisin cure,ths comlee, effecive meoosprltic rsearch as omedater the sbprogras ee ntegrated. Before he et, first usedi the C1 al， thehig temertu tesiltestsetm ale of 。4 t eto validate the alu of ensilesuperplasicityprocss control s

17、stem auac,hersul sowtha i i feasble。ubsequently, the superplastc dformtion behai o TC6 lloyh ben udie。Fal, Sysac stud onet value Sueplastict Deformaton inTC alo。 tdy the m value， And m ues inte eormairocess dtime, mvalue and hereationsh beween eloaio at mcrosruture after deforatin were uie,Th result

18、s how tha:1) St m value o the periental controsstem can miorte process fdeformion, t the xprimeal daainhe pce uomti cqiton, disply， anayi n rocessi， nd reltime montoingecessa drawur. No onlyimprove te ffiicy an ecion， ut aso grely simplifes th basic eseach of titnium llo。2) Tensil tet aptigth metho

19、o set m vale perpasticity Defmon. Teslts ho tat: Fro thesetmvaluef。3 a 05 n hetes se ith a TC11 value 0。4whth ensil t resul f a data pocesng cuof mvaue andtim rlatios， Immedaem vue salaysi h set m valu luctuaithi a small， Thi had again proven the titnu aloyestihe the le theditotiomthodfasbilty th to

20、etablsh the malue te speplastic etc cntrol sytemsproceduecucy， Again fo themvalue and the eogatin rati rlatina curv loea valu ro 0. to0 lngatio ratio srsig uncesingly， Th shuld alspve the m valuto b bgger， the tretch time wasoner， ogatinaibigger pepltiity better iewoit， was pllng tes esl presnt he a

21、omay in the m valu hytsisegardlss of the sth t ohe longato atiwee nferior ht establishesthemvlue i.5， In the empirial atu analysswchwhen use 6 o estabis he vae is 0。 stretes disover thatth iediat mvlue nn moo 0 eary,Temxmumis 062,his indicated in te strinspeed and he mvletions,he biggest malue could

22、 t hae achieved 0.7， hecs stretches tedt nhe toy o nottally, o oaintherelaion of mvalue etwen wt longain ,The mototh exprimes ne t e, Thuthe maximum m vlue of speplaic dforatinechaism o fnd he anwr (3） Dfmation have gficanteffec on the micstrcure， he deformatonis geatr the rain gw more oviou。The yna

23、mcrerystlliaton curred during th dformationmdee granbeam equae.Keyords : StainRate Sensitvi （m value) method to set vale Elogatinrai CntrolliSye 6 itanim lo Sinaueo Supervisor: 目 录1 绪论1。1引言11.2选题依据、目的和意义21。 文献综述3.31钛合金的特点1。 钛合金的分类43。3 钛合金的应用51.3。4超塑性的概念及分类1.5 超塑性的本构方程71.3。应变速率敏感性指数值的研究91.3.7 钛合金的超塑性

24、1.8 钛合金超塑性的变形机理119 钛合金超塑性国内外研究发展状况15.4 研究内容152 试验材料与试验方法2。1 引言6.2 试验材料16。3拉伸试样制备182。 试验设备18.4.1 电子万能拉伸试验机1。4.2 玻璃防护氧化剂和水石墨润滑剂202.5 设定m值的超塑性研究方法202.5. 设定m值的超塑性方法的基本原理与思路222。52超塑性试验方案32.6 显微组织观察233设定值法的超塑性实验控制系统31 引言43.2 实验控制系统简介2.2。 控制系统研制的意义及设计思路242.2硬件工作原理及实现方法5.2. 控制软件开发环境253。4动态链接库26.。5 软件实现的功能73

25、 控制程序的开发7。3。1 开发流程27。3.2 实验方法的集成2933。 窗体的设计3.3。4 软件的调试及打包3034 定m值方法程序设计303。4.1 核心程序设计3534。2工作界面363.4.3 关键语句分析393.5 实时监控曲线4136试验数据处理软件简介414 拉伸试验结果及分析4.1 引言24。 超塑性试验结果444。3 设定m值的方法试验结果分析与讨论6 显微组织的分析48结论参考文献1致谢21绪论1.1引言钛合金具有密度小、比强度高、低温热导率低以及膨胀系数小等特点，是理想的低温结构材料。另外，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有

26、抗磨性差,生产工艺复杂。钛的工业化生产是948年开始的.航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨。近年来，随着我国国民经济的持续、快速的发展，对钛材的需求量也迅速增加.钛合金作为轻质高温材料在航空航天制造中的重要作用愈来愈引人注目，而钛合金在热加工的过程中,由于它的热加工温度范围很窄且不容易控制，造成了在一般的情况下,热加工用模具和工件之间有一个非常大的温度梯度，使得工件迅速冷却,显著提高了材料的变形抗力，特别是将钛合金制成像飞机结构件那样形状复杂的零件,成品率很低.因此钛合金的热加工困难,而且制造成本也比较高，从而阻碍了钛合金的推广

27、应用。随着航空航天工业的不断发展，对钛合金的使用与制造也提出了更高的要求。而超塑性成形则对提高钛合金成品率十分有效。近年来，采用超塑性成形工艺（SPF)制备出综合性能良好的钛合金，也就成为热门研究方向之一。一些超塑性钛合金正以其优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。为了提高材料的超速性能，通用的手段是进一步细化晶粒，而繁琐的细晶工艺影响了该技术的推广应用，所以在该课题中通过分析基于最大m值超塑性拉伸试验变形过程中的应变速率应变变化轨迹,在基于m值的高效超塑变形技术基础上,将m值设为某一个常数,就

28、可以分别在高速区或低速区进行超塑性变形的拉伸试验，从而可以研究m值与超塑性之间的关系。这样就可以检验“m值越大超塑性越好”这一既被认可又有争议的观点。进而有可能为最大值超塑变形机理寻找答案，也可以将值作为工艺参数来控制高速区的应变速率从而达到提高成形效率的目的。在本文中，将会从本课题的研究依据、目的和意义，试验材料与试验方法，试验控制系统，试验结果与分析等方面详细阐述该课题，从而为实际生产提供可靠工艺参数。1.2选题依据、目的和意义钛及其合金作为理想的金属结构材料，它具有比强度高和耐腐蚀性能好的显著优点，这使钛合金不仅能在极其恶劣的大气条件下使用,而且能耐强化学试剂的腐蚀,所以它特别适合于飞机

29、和航天器的材料设计需要。在上个世纪五十年代初期,美国就成功地在飞机上使用了钛,从而开拓了钛在航空工业中应用的广阔道路。现在,钛及其合金已经在世界各地得到了广泛应用,在航空工业中主要是用来制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等;在航天工业中,钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件34。从二十世纪二十年代起,人们认识到一些材料在不发生颈缩的前提下能承受巨大的拉伸应变,从此人们开始科学地研究“超塑性这一基本材料现象。随着航空、航天和精密仪表制造领域的发展,也逐渐引起世界各地相关领域对超塑性技术应用和研究的重视。我国对超

30、塑性的研究始于上个世纪七十年代,虽然相对于一些发达国家来说起步较晚,但距今也有三十多年的历史了。在这段时间内,国内许多高校和科研机构对超塑性成形进行了相关研究.钛合金超塑性产品也在航空、航天、仪表、电子、轻工、机械和铁道等工业部门得到了有效的应用:例如我国已经锻造出了带有密排轴向叶片的钛合金涡轮盘和没有焊缝的整体钛合金高压球罐,使生产率提高几十倍到二百倍，成本降低到原有成本的1/81/10,但是我国的超塑性应用和国外的批量商品化生产也还存在着一定的差距。在基于值的高效超塑变形技术基础上，提出了将值设为某一个常数,就可以分别在高速区或低速区进行超塑性变形的拉伸试验,从而可以研究m值与超塑性之间的

31、关系。这样就可以检验“m值越大超塑性越好”这一既被认可又有争议的观点。进而有可能为最大m值超塑变形机理寻找答案，也可以将m值作为工艺参数来控制高速区的应变速率从而达到提高成形效率的目的。图11 塑性变形区域图同时也完善了钛合金超塑成形体系,从而为实际生产提供可靠工艺参数。13 文献综述1.1 钛合金的特点早在179年，英国受人尊敬的矿物学家和化学家William Mcreor就发现了钛元素的存在.令人遗憾的是钛元素与氧、氮、碳、氢等元素有极强的亲和力,并且在高温下与绝大多数耐火材料都能发生反应，所以地壳中一些具有高钛含量的矿石就很少被发现,也从未发现过纯钛.金属钛的提取工艺非常的复杂和困难，因

32、此钛非常昂贵,大约经历了一百多年,人们才先后发明了金属钛的提取方法,如钠热法、碘化法等.钛合金最突出的特点是它的高比强度和优异的耐腐蚀性能,而且钛合金同时具有较好的低温性能和优良的耐热性，所以钛合金能在较宽的温度范围内使用，应用面积广。在工业应用中,只要选材得当,采用钛合金材料可以明显地提高工作效率,带来显著的经济效益。钛合金不易被氧化，在海水中它的腐蚀率能和白金媲美-7。13。2 钛合金的分类。 按其退火组织钛合金一般分为型，型及+型三大类。型钛合金在常温下不能保留高温的体心立方相，因此应全部为单相组织。型钛合金组织稳定、耐蚀、易焊接、韧性及塑性好。室温强度低于型钛合金和+型钛合金.但高温(

33、00600）强度比型及+型钛合金要好.型钛合金是单相合金，故不能热处理强化。型钛合金为稳定的退火组织及稳定的区淬火组织,均为单相组织。这种组织的晶粒尺寸一般比等轴或+组织粗大.型钛合金具有较高的强度、优良的冲压性,但耐热性差、抗氧化性能低,当温度超过00时，合金很容易受大气杂质气体的污染。它的生产工艺复杂,且性能不太稳定，因而限制了它的应用。+型钛合金在平衡状态下由+两相组成,两相比例取决于合金成分，特别是稳定化元素的含量.国产型钛合金中的相含量大约在5%范围内.+型钛合金有等轴+组织和双态+组织,它兼有型钛合金和型钛合金两者的优点：强度高、塑性好、耐热性高、耐腐蚀性和冷、热加工性及低温性能都

34、很好,并可以通过淬火和时效强化,是钛合金中应用最广泛的合金89。2。 按性能分类,则钛合金可分为低强钛合金、中强钛合金、高强钛合金、低温钛合金、铸造钛合金及粉末冶金钛合金等。3。钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼,钛钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。1。33 钛合金的应用钛合金的优异性能使它成为航空航天应用的主体。在航空航天领域,钛合金常被应用于铝合金、高强度钢或镍基超合金的质量、强度、抗蚀性和高温稳定性等综合性能不能满足的航空产品中。例如飞机蒙皮材料，当马赫数超过2.时,飞机的表面温度高于20,此时传统的铝蒙皮就不适用，需要钛合金来取

35、代。在170年美国研制的F14高速战斗机,马赫数为2.3,机身上的中央翼盒原用钢制，而改用钛合金后，其重量减轻了百分之四十。因此高速飞机上的机身隔框、发动机舱、起落架框轴和某些受力件等零部件都已改用钛合金制造。钛及其合金优良的耐腐性性能,使它目前也广泛的应用于化学工业、加工业和发电工业中.在化学工艺工程中，钛用于制造容器、混合器、泵体、交换柱罐、热交换器、导管、搅拌器和反应器等化学仪器。钛合金除了抗蚀性外,与高强钢相比，钛还具有高强度和低密度的特点,因此它不仅适合于制作各类舰艇船舶，而且也是制造海水淡化装置和电力工业上冷却器的最佳材料。如用于海水淡化装置和海滨电站用的钛管冷凝器，以及钻井装置和

36、供给船上的冷却水管、供水管、海水提升管和压载水管系都采用钛材料制造而成。另外钛及其合金在汽车工业、建筑工业、医学乃至信息技术中也有广泛的应用10 TC钛合金介绍：实验使用的是TC(T-Al-。5Cr2。5M0。5Fe0。3Si,附表）。T6钛合金含有稳定元素Al、同晶型稳定元素和共析型稳定元素r、和Si,稳定系数,相变点在9090之间。该合金的使用状态一般为退火状态，也可以进行适当的强化热处理.TC6钛合金具有较高的室温强度，而且在0以下有良好的热强性能，是一种新型两相热强钛合金,除具有普通钛合金比强度高、抗腐蚀性好等优点外，它还具有良好的塑性和冲击韧性。组织上属+型合金，在长期加热条件下，因

37、发生共析分解会使合金脆化,为此加入2.5o，以延缓共析分解,改善热稳定性。TC6是一种具有复杂显微组织结构的两相钛合金。拥有密度低、强度高、耐腐蚀等优点,但其材料成本昂贵,难以进行锻造加工成形。普通退火状态TC钛合金在0/5000h以下具有良好的组织和性能稳定性，不同温度瞬时拉伸、蠕变、持久等高温性能与双重退火和等温退火状态相当。经普通退火处理的C钛合金半成品可以满足飞机结构件的使用温度（300以下)要求。T6钛合金主要用来制造航空发动机的压气机盘和叶片等零件，能在400以下长时间工作6000h以上和在40工作2000h以下。该合金还可作为中强度合金用来制造飞机的隔框、接头等承力结构件及不同用

38、途的紧固件。生产的半成品主要有棒材、锻件及模锻件等。1。3。 超塑性的概念及分类超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。但至今还没有从物理本质上的确切定义。有的以拉伸试验的延伸率来定义,认为200即为超塑性；有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为m0.3，即为超塑性；还有的认为抗颈缩能力大,即为超塑性11。超塑性的产生和材料的内在条件有关,例如材料的化学成分、晶体结构、显微组织(包括晶粒大小、形状及分布等)以及是否具有固态相变(包括同素异晶转变，有序-无序转变及固溶脱溶变化等）能力等。在内在条件满足一定要求的情况下再给予一定的外在变形条件即会产生超塑性.按照实现

39、超塑性条件的不同（如组织、温度、应力状态等），超塑性常被分为以下几种12:。 恒温超塑性或第一类超塑性。这类超塑性也可以根据材料的组织形态特点被称为微细晶粒超塑性。其特点是要求材料具有微细且等轴的晶粒组织，在一定的温度区间(T0。m，s和Tm分别为超塑变形和材料熔点温度的绝对温度)和一定的变形速度条件下（应变速率为10-41-1/s之间)呈现超塑性。大多数超塑性是属于这种类型。所谓微细的晶粒尺寸,是要求晶粒尺寸大多为纳米级，范围在。5之间。因为细的晶粒有利于塑性的发展,对于钛合金来说，晶粒尺寸达到几十微米时也有可能获得良好的超塑性能。但是对于一些合金来说,即使具有微细的原始组织，但是在一定的温

40、度范围内进行超塑性变形时,如果金属的热稳定性能较差的话,在超塑性变形的过程中晶粒会迅速长大,也不能获得较好的超塑性变形。2。 相变超塑性或第二类超塑性,这类超塑性也被称作变态超塑性和转变超塑性。其特点是它并不要求材料具有超细的原始晶粒组织,而是在一定的温度和一定的负荷情况下，通过多次的循环相变或同素异形转变来获得大的延伸率。例如碳素钢和低合金钢，给予一定的负荷，并与相变点温度上下一定温度范围内反复的加热和冷却,每一次循环发生（）和（)两次转变,可以得到二次条约式的均匀延伸。.Oelsclel等人13用ASI108，1045,195，5210等钢种做了实验，结果表明延伸率都可以达到500%以上。

41、这种超塑性的变形特点是在变形的初始时刻每一次循环的变形量（N)比较小,而循环达到一定的次数之后每一次循环的变形量逐渐加大，直到断裂可以获得较大的变形。对于有相变的金属材料，在扩散相变的过程中不仅能获得很大的塑性,而且在淬火的过程中由于发生了奥氏体向马氏体的转变，即无扩散的脆性转变过程(）中，也能获得一定程度的塑性。同样，淬火后有大量的残余奥氏体的组织，通过回火过程，发生了残余奥氏体向马氏体单向转变过程，也可以获得非常高的塑性。另外,如果在马氏体开始转变点(Ms）以上的一定温度区间进行加工变形，能够促使奥氏体向马氏体的逐渐转变，在这个转变的过程中也能获得异常高的延伸率，但是塑性大小与转变量的多少

42、，变形温度及变形速度密切相关。这也就是所谓的“转变诱发塑性.即“TIP”现象.如F-合金,FenC等合金都具有这种特性。 3。 其它超塑性或第三类超塑性，这种超塑性是在消除应力退火的过程中在应力作用下所得到的超塑性.例如Al%Si合金及l4%u合金在溶解度曲线上下施以循环加热就可以得到超塑性14， ohn等人对此进行了试验，结果表明一些具有异向性热膨胀的材料如U，Zr等，加热时会有超塑性,这种超塑性称为异向超塑性。有人把-U在有负荷及照射下的变形也称为超塑性.球墨铸铁及灰铸铁经特殊处理也可以得到超塑性。也有人把上述第三类超塑性称为动态超塑性或环境超塑性5.13 超塑性的本构方程在超塑性变形的过

43、程中，其力学特征主要是由它的变形特征所决定，但是超塑性变形时的力学特性现在还没有一个简单的方程可以概括.目前较常用的就是Backen所提出的可以描述超塑性流动特性的方程(称为超塑性本构方程),这种方程反应了在稳定状态下变形时流动应力与应变速率之间的关系,如公式(11)所示: （1-1)式中为流动应力；为应变速率；K为材料系数,其值取决于材料的成分、结构以及试验的温度；为流动应力对应变速率敏感性指数，是材料超塑性能的暗重要特征,它反映了材料在拉伸变形过程中的抵抗缩颈发展的能力，其值等于应力（)应变速率()对数曲线的斜率，一般超塑性材料的m值在0。9之间,多数在04。8之间1。1。3.6 应变速率

44、敏感性指数m值的研究应变速率敏感性指数m值表示了应变速率发生变化时，流动应力所作出的相应的变化程度.在超塑性变形本构方程中m值表达了应变速率硬化的作用，m值越大，这种效应也就越明显。m值在超塑性变形中是个举足轻重的参数.Backoe17 对此进行了详细的研究,并最先说明了高值与超塑性之间的关系。另外rt1对稳定的塑性流动条件进行过研究，他指出当m=时；属于非应变速率敏感材料,当m=时，属于牛顿流体而呈粘滞性；当m1时，材料的性质介于两者之间19。应变速率敏感性指数值是超塑性的一个重要参数,因而如何既准确又方便地对m值进行测量,一直是超塑性工作者十分关心的事情。m值的测定方法有很多，最早的方法是

45、由Backoen提出的，以突跃式改变拉伸速度的方法来进行测定和计算，即拉伸速度突变法(亦称Bco 法)，另外还有最大载荷法、反外推载荷法、变速瞬时载荷法、斜率法、硬度法等。现对常用的m值的测量方法其进行简单的介绍。1. 拉伸速度突变法(ackfen法） 这种方法的原理如图1所示。首先以速度V对试样进行拉伸，等到试样变形稳定后，迅速将拉伸速度突变至V2，并在点求出对应于速度V2的即时载荷FA,延长V1曲线(如图中虚线所示）求出相当于 A 点应变量的 B 点的即时载荷F，通过公式（1-)即可算出m值.m (12）此m值所对应的应变速率为初始拉伸应变速率,拉伸速度突变的范围为V2=（2.2.5)1.

46、图1-2 测m值的载荷-时间示意图2。 最大载荷法最大载荷法是在速度突变法的基础上发展出来的，根据图11中测量对应V2和V1的最大载荷A和C，求出相应的应力A、C和应变速率，根据公式(1-）即可求出m值： m= （3)3. 反外推载荷法在速度突变法的基础上同时也发展出了反外推法，这种方法又分为增速法与减速法两种计算方法。增速法是当速度由V1增至V2后（如图1）,将 线与F 线延长（图中虚线)交于E点，并按公式（1-4）求出值： m= (4）减速法是速度由V2降至V1 时(如图1-1），将DB线与 线延长（图中虚线）交于E点，然后按公式(15）计算m值: m= （15）。 斜率法20-21斜率法

47、的测量主要采用恒速度的方法对试样进行拉伸，首先通过恒速度的方法将一系列试样拉伸至稳定变形，并作出每一试样的真实应力应变曲线(图1-3（） )，然后根据等应变的原则,在均匀变形部分作一条直线(图13（a) 中虚线），以此直线与每一试样曲线交点处的应力值及应变速率值，作出曲线，如图1（b）所示,曲线的斜率即为m值。图-3斜率法求m值的示意图13。7 钛合金的超塑性人们开始钛合金超塑性的研究已经有几十年的历史了，研究的合金包括型、型以及+型钛合金，也包括金属基复合材料、金属间化合物等，研究的领域涉及到钛合金超塑性的成形机理、成形条件、以及钛合金模具材料和加工方法等各个方面.钛合金极易实现超塑性,大多

48、数钛合金，特别是具有双相组织的+型钛合金不需要经过任何的特殊处理,都可以实现超塑性。正是因为钛合金优异的超塑性能，而使得钛合金在航空航天工业，汽车工业以及化学工业中有着举足轻重的作用,钛合金超塑性的研究也逐渐成为钛合金研究的热门方向之一。表1-1列出了部分钛合金的成形温度、应变速率、m值和伸长率等超塑性特性22-23。表1-1 部分钛合金的超塑性特性类型 合金 T/ /1 /C。P。TiMI834I67Ti55Ti5A.5SnT8l6MoV80950850920100940.0-41.3103343。302。104131040.430。1154007341020+4Mo2Sn05Si5AlMo

49、4Cr2Sn2ZNbT6Al2n4Zn2M9000942.3103。14.104500107Ti1o55S4.2ZrTiC3AlTi15Mo72805803。3103.3043。31040。30。4518010450从表1中可以看出,型钛合金的超塑性最好,而型和型钛合金的超塑性相对较差.因为+型钛合金存在着和两个相,晶粒本身就细小，并且在广阔的温度范围内两相能长期存在，这就在超塑性加工的过程中,两相相互制约起到了抑制晶粒长大的作用,有利于超塑性变形.此外，+型两相合金在超塑性变形温度下长时间拉伸时，未变形晶粒会出现部分等轴化，变形部分的晶粒会明显的等轴化,在拉伸试验中除了会在断口附近的缩颈区出

50、现空洞外,其他区域均不会出现空洞,这些都为良好的超塑性变形提供了条件。但型钛合金中不存在有助于提高超塑性的相,型钛合金中由于不存在相，相晶粒也会迅速长大，所以超塑性较差。.3。8 钛合金超塑性的变形机理超塑性变形在变形过程中往往发生与常规材料不同的组织结构上的变化,这是因为超塑性的变形机理不同于常规的塑性变形.目前，大量的文献报道中指出超塑性变形的主要方式是晶界滑动，晶界滑动所造成的几何不匹配被某一协调过程所消除。晶界滑动不是超塑变形的速率控制因素，协调变形机制控制着超塑性变形的速率24。超塑性协调变形的机制主要分为两大类:一类是扩散协调变形，由于扩散协调的晶界滑动导致晶粒的重新排列并提出了应

51、力门槛值的概念。该模型给出了比较合理的拓扑模型并能够说明许多现象，但是该机理的试验结果与理论计算结果并不符合。这也就说明在超塑性变形的过程中伴随着晶界的滑移不仅仅只有扩散蠕变。在超塑性变形温度下，只要有足够的时间积累的晶界能有利于空位扩散，则扩散蠕变就会成为主要变形机制.另一类是位错运动协调变形，这种模型能够解释不少的试验现象和结果,但有学者认为高温下的晶界强度难以承受大量位错塞积引起的应力集中-6。因此，一般认为在较低的应变速率区,晶界运动主要由扩散蠕变引起，而在高应变速率区是由位错运动控制。. 扩散运动协调的晶界滑动理论4早在193年就发现多晶体的扩散蠕变会导致晶界滑动。当进行扩散蠕变时，

52、晶界滑动可以看作是调节过程，反之,扩散蠕变也对晶界滑动起到调节作用。这种理论认为，晶界滑动是超塑性变形的主要形式,但是晶界滑动是与晶内、晶界扩散同时发生或相互协调进行的,故扩散蠕变过程调节和控制着其应变速率。此理论主要存在着两种模型:1）晶界扩散单独调节的晶界滑动模型这种理论认为，晶界是存在着各种大小不一的坎(台阶),而不是平滑的。在外力的作用下，这些坎分为压缩型的坎（压坎）和张开型的坎(张坎）,如图13所示。在压坎附近,由于受压，空位浓度大大减少，而在张坎附近，空位浓度增加.张坎与压坎之间形成的空位浓度差迫使空位沿着晶界从张坎向压坎扩散，与此同时发生原子从压坎沿着晶界向张坎的扩散流动，以充填

53、或弥合由晶界滑动在张坎所造成的空隙，并在压坎让出空间使晶界滑动得以继续进行。图1- 晶粒在有坎的晶界上滑动时原子扩散示意图2)晶内晶界扩散共同调节的晶界滑动模型这类模型是在193年由.F.Ay和RAvel提出的，如图14所示，是由一组二维的四个六方晶粒组成。在拉伸应力的作用下发生了初态图a过渡到中间态图，最后到终态图c的过程。在此过程中,晶粒之间的相邻关系与晶界取向都发生了变化,并获得了的真应变（按晶粒中心计算）,但晶粒仍保持其等轴性。从初态图a到终态图c的过程中，包含着一系列由晶内和晶界扩散流动所控制的晶界滑动和晶界迁移过程。这个模型的扩散渠道多,路程短，物质的迁移量也少,因而在相同时可以获

54、得更大的应变速率.图- 晶内晶界扩散共同协调晶界滑动模型这种模型认为外加应力所做的功主要是消耗在扩散过程、界面反应、晶界滑动和晶界面积变化四个不可逆的过程中。从图a到图的过程中所需要的能量是由外加应力所提供，这时就需要一个起始应力,即应力门槛值，只有当外加应力大于应力门槛值时,整个过程才能被启动。在从图b到图c的过程中，由于晶界总面积的减少，这时释放出的一部分晶界能被消耗掉了。因此在整个过程中的有效应力。2. 位错运动协调的晶界滑动理论该理论模型中较为著名的是BlHutcison模型，是以图15所示的几个晶粒作为一个组态来考虑。某些会起障碍作用的晶粒存在于滑动晶界的顶端，故应力在该处造成集中，随之会使位错源在障碍晶粒的内部产生。位错源发射出的位错在障碍晶粒内开始运动并塞积在对侧的晶界上,当位错塞积到一定程度后，这时新的位错不能产生，晶界的滑动也会随之停止.如果位错塞积群中一些领先的位错会由于位错的攀移作用沿晶界到达晶界相消点,这时塞积群中的反应力可以得到一定程度的松弛,晶界又会由于位错源再发射新的位错而滑动一小段距离.在高温下，位错攀移是不断进行的，因而由这种机制所产生的晶界滑动也在不断进行。所以位错沿晶界攀移至相消点的速度控制着此种晶界滑动机制所产生的应变速率.