陶瓷材料的超塑性（全文5篇）

第一篇：陶瓷材料的超塑性

陶瓷材料的超塑性

刘文娣

齐鲁工业大学 材料科学与工程学院 材工10-2班 山东济南 250353 摘要：虽然陶瓷材料在本质上是一种脆性材料；然而研究已表明细晶陶瓷材料具有超塑性，在高温下能产生很大的拉伸形变。陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。通过对超塑性晶界滑移微观机理的解释，了解超塑性产生的原因，进而分析一下陶瓷材料的形变特征参数，最后简单介绍纳米陶瓷材料，及陶瓷材料超塑性的发展前景。

关键词： 陶瓷材料；超塑性；晶界滑移；相变超塑性；陶瓷应用

引言：陶瓷材料由于具有优良的性能,如高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨、比重小等,因而得到越来越广泛的应用,尤其适合用于在高温、摩擦和腐蚀介质的场合取代金属部件。

陶瓷很容易获得细晶结构，而且结构比较稳定，即使在较高的温度时晶粒长大也不是很明显，这显示了陶瓷具有超塑性变形的潜力，但陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性变形，实现超塑性形变要比金属材料困难得多。

陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。陶瓷的超塑性要求1.试验温度应达到材料熔化温度的一半以上；2晶粒尺寸要很小，通常应小于<1μm；3.能稳定保持细晶结构，没有或只有轻微的晶粒生长;4晶粒具有等轴粒状，以利于晶界滑移的发生；5.能抑制空洞的产生和连接以及晶界分离。

一．陶瓷材料超塑性介绍

1.1 超塑性的分类

细晶超塑性：晶粒尺寸通常小于10微米；变形温度T>0.5Tm,并在变形过程中保持恒定应变速率较低。

相变超塑性：并不要求具有超细晶粒组织，而是在一定的温度和应力条件下，经过多次循环相变或同素异构转变而获得大延伸率。1.2 陶瓷材料超塑性变形的结构特征

晶界滑动是人们普遍接受的变形机制，从晶界的组织结构出发，可以将晶界滑动分为三种类型：第一，界面结构使晶界上的原子比在晶格内的扩散快得多，这种类型的界面一般来说是大角度晶界；第二种类型，晶界间存在少量液相，如果晶相在液相中有一点溶解度，就可以增强晶间的扩散作用；第三种类型，主要 是小角度晶界，推测是晶间位错而产生的超塑性，它具有最大的变形速率，在工艺技术上最有意义。

对于受扩散控制的形变过程，高温超塑性形变的特征方程可表达为：

bpAGb()D

kTdG.n式中：为应变速率;A为常数;G为剪切模量;b为伯氏矢量;k为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;d为晶粒大小;p为晶粒尺寸指数;为应力;n为应力指数;D为扩散系数。DD0exp(Q/RT)，其中

D0.为频率因子;Q为激活能;R为气体常数;n，p和Q是描写形变过程的特征参数。

在温度和晶粒尺寸不变的条件下，方程还可进一步简化为: A或B

式中B为常数，m=l/n，称为应变速率敏感性因子。通常当m>0.3(或n3)时，由于流动局部化和颈缩受到有效的抑制，材料才能产生明显的超塑性.。

晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做滑移。滑移是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的。晶体形变后，表面出现一些条纹，在显微镜下可以看到这些条纹组成一些滑移带，.n.m 至于多晶陶瓷，其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。所以多晶材料更不容易产生滑移。

1.20滑移时存在一位错宽度

1.3 滑移机制

晶体中已滑移的部分和未滑移部分的分界线是以位错作为表征的。但这种分界并不是有一个鲜明的界线，实际上是一过渡区域，这个过渡区域称为位错的宽度，如图1.2所示。位错之所以有一定宽度，是两种能量平衡的结果。从界面能来看，位错宽度越窄界面能越小，但弹性畸变能很高。反之，位错宽度增加，将集中的弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子面上，使每个原子列偏离其平衡位置较小，这样，单位体积内的弹性畸变能减小了。位错宽度是影响位错是否容易运动的重要参数。位错宽度越大，位错就越易运动。1.4 陶瓷材料的形变特征参数

应力指数n，含有玻璃相时一般为2以下.粗晶粒的n=1，属于纯扩散蠕变，是受晶格扩散控制的晶界滑移。n=2时的晶界滑移，是受界面反应控制的扩散；无玻璃相时为3左右；当晶粒尺寸由0.2微米增加到1.5微米时，应力指数由2.6减为1.6.高温下的晶粒生长引起应变硬化，含有玻璃相时使流动应力下降，强化了超塑性流动，最大变形量增加，形变温度下降。

活化能涉及到变形机理和离子的扩散过程，一般为500-600KJ/mol。随着晶 3 粒尺寸的增加而下降，例如当及晶粒尺寸有0.3增加到1.33微米时，活化能由580降低为500 KJ/mol.。

在高温超塑性变形过程中，由于晶界滑移在晶界处产生应力集中，当应力集中超过临界值时，空洞就成核。空洞主要在应力集中最严重的三晶交汇处成核，随应变的增大而长大，并沿着晶界发展，部分空洞连结在一起形成裂纹，成为断裂的起源，降低了材料的力学性能。空洞的产生意味着扩散过程来不及松弛晶界滑移所产生的局部应力集中，限制了断裂前的最大变形量。

在受压条件下，晶间脆性的影响不能得到有效的反映，晶间空洞和晶界分离或裂纹受到一定程度的压抑，故所表现出的塑性形变不能严格地体现真正的超塑性行为，只能说明具有高的延展性。严格地说，按传统习惯把超塑性限定为材料具有异常大的拉伸延展性。但是过去有许多试验是在受压条件下进行，而且也应用压缩成形，如锻造、挤压等的超塑性加工，故从实际出发，应把异常大的压缩延展性也认为是超塑性.二．纳米陶瓷的结构与超塑性

纳米陶瓷的显微结构特征是，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是处于纳米量级的水平。超塑性要求晶粒细小，纳米材料完全符合这一要求，预计纳米陶瓷应该具有很好的超塑性。纳米材料的晶界层所占的体积分数可能接近于晶粒的体积，晶界便具有举足轻重的作用，许多界相的结合时不对称和松散的，容易在外力作用下产生相对位移。纳米陶瓷在高温下具有类似于金属的超塑性。扩散系数比普通材料提高了3个数量级，晶粒尺寸降低了3个数量级，扩散蠕变速率高出1012倍。因此，在较低的温度下，纳米陶瓷材料因其高的扩散蠕变速率可对外力作出迅速反应，造成晶界方向的平移，从而出现超塑性。纳米氧化锆陶瓷在1250下，施加不太大的力就约有400%的形变。

三．陶瓷材料超塑性的发展前景

超塑性陶瓷材料的未来应用既取决于它在变形过程中是否成功，也取决于在长期使用中有没有过早破坏的可能性。迄今为止，已经报道过Al2O3。ZrO2和Al2O3-ZrO2陶瓷的热锻造；把Y-TZP烧结坯料锻至净形和完全致密化，挤压加工Y-TZP，扩散连接Y-TZP/ Al2O3复合材料。

通过对陶瓷材料超塑性的研究，进而可在一些领域如航天等高新技术领域取代金属或金属合金，推动陶瓷材料更广泛的应用。

文献：杨斌 张小珍 《Al2O3陶瓷及其复合材料的超塑性研究》 《中国陶瓷工业》2006年4月 第13卷第2期

胡士廉 《陶瓷材料的超塑性研究》 中国科学院上海冶金研究所 材料物理与化学博士论文 2000年

叶建东 陈楷 《陶瓷材料的超塑性》 《无机材料学报》 1998年03期

期刊论文：《陶瓷材料超塑性研究进展》 第18卷第4期 无机材料学报

第二篇：超塑性成形的发展状况

超塑性成形的发展状况

摘要：金属材料的超塑性是指金属在特定条件下，具有更大的塑性。本文主要介绍了超塑性成形的主要发展历程，超塑性成形的主要应用，非金属材料的超塑性研究和国内外的发展现状。关键词：超塑性 金属材料 成形

一、绪论

近年来，高温合金和钦合金的使用不断增加，尤其是在宇航飞行器及其发动机生产中。这些合金的特点是:流变杭力高，可塑性低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成木高昂。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达80%左右，如采用超塑性成形方法，就能改变锻件肥头大耳的落后状况。

金属材料的超塑性是指金属在特定条件(晶粒细化.极低的变形速度及等温变形)下，具有更大的塑性。如低碳钢拉伸时延伸率只有30~40%，塑性好的有色金属也只有60~70%，但超塑性状态。一般认为塑性差的金属延伸率在100~200%范围内，塑性好的金属延伸率在500~2000%范围内。

要使超塑性出现，必须满足某些必要条件。首先必须使金属具有0.25-2.5μm的极细晶粒，即必须小于一般晶粒大小的十分之一。其次，当温度达金属熔点一半以上时，具有一般晶粒金属的晶粒便开始长大，而这时细晶粒金属的晶粒保持稳定。因此，超塑性除要求有极细的晶粒度外，还必须具有高的延伸率和低的屈服应力，并以低的变形速率在高于熔点一半的温度下进行加工。

二、超塑性成形的发展

早在1920年，德国W.Rosenhain等人将冷轧后的Zn-Al-Cu三元共晶合金的铝板慢速弯曲的时候，发现这种脆性材料被弯成180°而未出现裂纹，它和普通晶体材料大不相同。他们推断这种负荷速度有密切依赖关系的异常现象，可能是由于加工产生了非晶质。1934年，英国C.E.pearson初次对共晶合金的异常弯曲进行了详细研究。这种合金的挤压材料很脆，容易破裂，可是C.E.pearson将其缓慢拉伸，得到了伸长率为2000%的试样。很奇怪的是这种慢速大延伸的金属，在落地实验中呈脆性断裂，这是一个更大的发现，在当时虽然引起了一部分人的强烈反响，但在第二次世界大战的却被搁置了。

第二次世界大战后，前苏联科学家对金属的异常延伸现象进行了系统研究，用Zn-Al共析合金在高温拉伸试验中得到异常的伸长率，并应用于“超塑性”这个词汇。1962年，美国E.E.Underwood发表了一篇评论解说性文章，从冶金学的角度分析了实现超塑性成形的可能性、条件及基本原理。人们评价这篇文章是超塑性研究的总结。从此超塑性研究引起了人们越来越多的重视。

三、超塑性成形的应用

由于金属及合金在超塑性状态具有异常好的塑性和极低的流动应力，对成形加工极为有利。对于形状极为复杂或变形量很大的零件，都可以一次成形。从已报导的成形已有多种形式，如板料成形，管材成形，无模拉丝，吹塑成形和各种挤压，模锻等。利用这种异常的塑性，有些原来很多零件拚合成的部件，现在可以用超塑性成形一次加工出来，减轻了零件的重量，节约大量加工工时。具体应用介绍如下:

1、板料深冲

锌铝合金等超塑性板料，在法兰部分加热，并在外围加油压，一次能拉出非常深的容器。如果在冲头下部和拉伸好的筒部采用冷却装置，深冲比H/dp=11是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分时深冲系数不变。超塑性成形件最大特点是没有各向异性，拉伸的杯形件没有制耳。

2.板料吹塑成形(气压成形)这是在超塑性材料的延伸率高和变形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的启发而发展起来的新工艺。用于Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr和钛合金的超塑性板料成形。利用凹模或凸模上的形状，把板料和模具加热到预定的温度，用压缩空气的压力，使压紧的板料涨开贴紧在凹模或凸模上，以获得所需形状的薄板工件。目前能加工的板料厚度为0.4~4毫米。根据工件要求在它的表面上或在内腔内有清晰的形状和花纹，选用凹模内或凸模上成形。

3.挤压和模锻

近年来高温合金和钛合金的应用不断增加，尤其是国防工业生产中。这些合金的特点是:流变抗力高，可塑性极低，具有不均匀变形所引起机械性能各向异性的敏感性，难于机械加工及成本昂高。如采用普通热变形锻造时，机械加工的金属损耗达80%左右，而机械加工的性能是很差的，所以往往不能满足零件所需的机械性能。但是采用超塑性模锻方法，就能改变过去肥头大耳的落后的锻造工艺。

四、应用举例

美国军工材料-机械研究中心用超塑性模锻法成功地制成了直升飞机用的Ti-6AL-4V钛合金风扇叶轮。该叶轮直径为34Omm。叶片厚度为4mm，模具材料采用MAR一M200镍基铸造高温合金，毛坯加热温度为950℃，模具温度为870℃，平均单位压力为11.9kg/mm2，超塑性模锻件重10kg，而普通模锻件重24kg。加工后成品叶轮净重4.8kg。

五、超塑性成形的发展现状

超塑性成形的主要研究前沿是“先进材料的超塑性开发”。所谓先进材料是指金属基复合材料、金属化合物、陶瓷等，由于他们具有某些优异的性能（例如强度、高温性能等），所以可以得到很大的发展。然而这些材料却有其共同的不足之处-难于加工成型，因此开发这些材料的超塑性具有重要意义。近年来其中一些材料的超塑性已经达到很高的指标，然而这些材料的超塑性应用上有一定的距离。

超塑性成型的历史尚短，仍属于新兴工艺，对各种材料的各种成型工艺过程，还在不断地实验、比较、淘汰、选择、发展和完善、从目前的发展趋势上来看，有下述几点值得注意。

1.成型大型金属结构及相关成型设备。采用超塑胀形工艺来成型大型金属结构具有显著的技术经济效益。这一类金属结构在美国的B-1型飞机和F14A、F15、F18飞机以及英国的直升飞机上获得应用，其中最大的构件是B-1机的发动机舱门，平面尺寸达到2790*1520cm。与这种成型工艺相适应设备研究也在发展，这种设备与通用液压机有很大的区别，对于整个成型过程采用自动控制。目前，美国已推出系列机型，英国、日本也有使用的报道。

2.陶瓷材料与复合材料的超塑性。国际上，陶瓷材料的超塑性研究有很大进展。日本物质和材料研究机构最近开发成功一种具有超塑性的新型陶瓷。这种陶瓷在高温下能够像金属一样被拉长，可以用来制造形状复杂的机械零件。这种新陶瓷是把钴、铝和尖金石三种材料在一起用一般方法烧制出来的。实验结果表明，1cm的材料片在1650℃的高温下，其应变速度1s可拉长1cm，是一般陶瓷的大约100倍。它可以像金属一样，进行轧制和锻造，制造发动机和涡轮机零件等产品。

我国的陶瓷材料超塑性研究也列入了863高技术研究规划之列。此外，以金属超塑性材料为基体的复合材料的研究也在进行中，从制备（包括材料设计）、性能测试、成型实验等诸多方面发展。比如，在金属基超塑性材料中加入SiC纤维形成的超塑性材料，可以达到超塑性气压胀形的要求。

六、超塑性的发展方向

世界上超塑性的研究已开展了四十年，70年代形成了“超塑热”，现在也有不少的专家教授在从事超塑性研究。然而，迄今为止超塑性技术尚未发挥其应有的作用。其主要原因在于研究的范围在不断拓展，但纵深性不够，很多研究工作还停留在理论和试验室，由于在理论上尚未吃透、工程上缺乏经验，超塑技术在工程上的应用受到阻碍。超塑技术想在关键承力结构件上得以应用，必须进行艰苦细致的工作，在关键环节上进行纵深研究。

1.先进稳定的工艺研究

超塑性成形是一种新工艺，它的特点是，可以利用小吨位设备进行具有大变形量的复杂零件的成形。然而这种工艺也有缺点，主要是成形速度慢。工程应用中应注意发挥超塑成形技术的优越之处，专门成形其它塑性工艺难以甚至不能成形的重要零件，这样就显示出了超塑工艺的先进性。另外超塑性成形与传统成形方法相比，生产环境较为复杂，生产过程中不可控因素较多，加上生产经验积累不足，导致生产工艺的不稳定性。因此，须针对典型超塑部件，重点突破关键工艺，并对已有的工艺应进行完善和稳定化，这是产业化的基础。

2.辅助环节的研究

抓住每一工艺环节，包括辅助环节。超塑性成形工艺本身包括材料的加热―入模预热―加压成形―出模―校形―热处理等环节，这仅仅是成形工艺的主线，模具的设计、制造、加热、维护、润滑剂的选择与使用，成形设备的设计、使用、维护及改进等，也都直接关系到超塑性成形工艺的成败。实际上，我国在超塑领域与发达国家的差距更多的体现在模具、成形设备等辅助环节上，其原因在于基础工业的相对落后，导致在模具设计的先进性、成形设备的智能化等方面满足不了超塑成形所需条件，成为超塑技术发展的瓶颈。

3.工艺的智能控制研究

现在一些大的超塑成形研究公司如美国的SUPERFORM公司已经对超塑成形全程计算机机控制，只要事先输入数据，成形设备就可以自动按时准确的进行加温―加压―充气―放气等动作，工人只用放入坯料，取出好的零件。这种超塑性成形的零件成品率高，一致性好，更体现出超塑成形工艺的先进性。在工艺的智能控制研究方面，在硬件(自动化超塑成形设备)及软件(优化准确的工艺流程和参数)上都有很大欠缺，可研究的空间很大。

4.产品质量、成本控制研究

超塑成形产品要想真正得以应用尤其是在航天器关键结构件上得以应用,必须进行产品质量、成本控制研究。现在的很多技术发展都是基于这个原则进行的，比如目前很热的钛合金渗氢技术，以获得低温(700℃左右)超塑性，可以大幅度降低成本，更重要的是可防止晶粒长大，提高最终材料性能，保障产品质量。另外，超塑成形中的材料性能变化、变薄率的研究等都应给予高度的关注。国外工业发达国家的超塑成形技术已发展到成熟的工程应用阶段，很多航天、航空公司都有自己的超塑研究、生产部门，形成规模效益，并互相竞争，加速技术发展。而我国目前仅有少数单位能生产合格超塑产品，并且技术还相当落后。

所以在超塑领域不断拓宽的同时，更需对关键技术、关键产品进行纵深研究，“变热点为亮点，以宽度换深度”，培养几个具有自己技术特色的研究、生产单位。对于技术相对落后且有巨大背景需求的研究单位，应采取“以背景换技术，用需求促发展”的战略，与拥有先进技术的公司、学校合作，以提升自身的研发能力，迅速发展壮大自己，在超塑成形领域占有一席之地。

参考文献

[1]万美珍.超塑性成形的应用和材料[J].1997,(09).[2]洪慎章．金属超塑性成形的应用概况[J]．机械制造，1982，（01）.[3]曹毅杰.超塑性成形研究动态[J].机械研究,1994.（4）.[4]赵晓宾，王高潮，曹春晓．TC11钛合金的最大m值的超塑性变形研究[J].航空材料学报，2008，28(2)：5-8.[5]张志清.TC6钛合金的超塑性研究．硕士学位论文，西北工业大学，2002.[6]王旭．国外钛合金超塑性成形应用现状及发展趋势[J]．航天工艺，1989，(4)：20-25.[7]文九巴，杨蕴林，杨永顺等．超塑性应用技术[M].北京：机械工业出版社,2005:3-5.[8]曾立英，赵永庆，李丹柯等．超塑性钛合金的研究进展[J]．金属热处理，2005，30(5):8-33.[9] 施连杰，刘延山，许晓静．钢的超塑性与超塑性成形[J]．金属热处理，2005，[10] 张永昌.高温合金和钛合金的超塑性模锻现状和发展[J].锻压技术.1979(01).

第三篇：超塑性钛合金在航空航天领域的应用

石河子大学机械电气工程学院 机械工程材料•新型材料课题论文

课题论文题目： 超塑性合金在航空航天领域的应用

姓 名： 刘萍

学 号： 2011509291 院系专业班级： 机械电气工程学院11机制

（二）班 联 系 电 话： *** 指 导 教 师： 魏敏 填 表 日 期： 2012年12月8号

《机械工程材料》课程组 2012年11月26日

超塑性钛合金在航空航天领域的应用

摘要：钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能，在航空航天、舰艇、化工等领域得到日益广泛的应用。阐述了航空航天用钛合金盘件的研究现状，重点介绍了高性能钛合金盘件的制备工艺，包括粉末冶金热等静压成形和超塑性等温锻造成形。分析了钛合金盘件在航空航天领域的应用现状，并探讨了航天航空用钛合金盘件的发展趋势。

关键词：钛合金；超塑性；超塑性成形；扩散连接

1，超塑性合金的定义：

超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982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。根据金属材料的结构和变形条件(温度、应力)，可超塑性合金大致划分为微晶超塑性合金，相变超塑性合金2大类。由于钛合金在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用。

2，钛合金的结构特点：

钛合金的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化性和抗腐蚀性，而且密度较小，因此是理想的航天和航空材料。当前世界上研究较多的钛合金有TiAl、Ti3Al等。然而，这些材料的室温塑性和韧性一般较差；加工性能较差。在其主要优点不受很大损失的前提下，改善其塑性、韧性及加工性。而实现这些目标的主要措施是添加合金元素以形成塑性较好的第二相，超塑性钛合金的实现一般还需要通过一定的形变热处理以得到等轴细晶显微组织。近年来的研究结果已经表明，钛合金可以获得很高的超塑性水平——Ti3Al合金的伸长率超过1000%；TiAl合金的伸长率达470%。发展起来的超塑成形技术，改善了钛合金难以成形的状况，因而充分发挥了钛合金的优势。超塑性钛合金正以它们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。

3，超塑性成形工艺：

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，如仪差壳、抛物面天线、球型容器、美术浮雕等。气胀成形又包括了Female和Male两种方式，分别由图1和图2表示。Female成形法的特点是简单易行，但是其零件的先帖模和最后贴模部分具有较大的壁厚差。Male成形方式可以得到均匀壁厚的壳型件，尤其对于形状复杂的零件更具有优越性。

超塑性气胀成形与扩散连接的复合工艺（SPF／DB）在航空工业上的应用取得重要进展，特别是钛合金飞机结构件的SPF／DB成形提高了飞机的结构强度，减少了飞机重量，对航空工业的发展起到重要作用。

超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等），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。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。他们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。

4，超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）：

超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）是航空领域多年来重点发展和应用的一种近无余量先进成形技术。通过在一次加热、加压过程中成型整体构件，不需要中间处理，能有效减轻结构重量和提高材料利用率，可为设计提供更大的自由度，具有广阔的应用前景。

基本原理是：利用金属及合金的超塑性和扩散焊无界面的一体化特点，在材料超塑温度和扩散焊温度相近时，采用吹胀或模锻法在一次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接两道工序，从而制造高精度复杂的大型整体构件。该技术具有以下特点：

（1）成形压力低/变形大而不破坏（2）外形尺寸精确，无残余应力和回弹效应（3）节省装备，缩短制造周期

（4）改善结构性能，提高结构完整性，延长机体寿命（5）降低制造成本，减轻结构重量

从以上特点分析，SPF/DB简化了零件制造过程和装配过程，减少了零件（标准件）和工装数量，消除大量连接孔，避免了连接裂纹及疲劳问题，有利于提高结构耐久性和可靠性，尤其适合于加工复杂形状的零件，如飞机机翼、机身框架、发动机叶片等。对于钛合金，SPF/DB解决了钛合金冷成形和机加工难的缺点，促进了钛合金整体构件的使用（如图3），相对常规金属结构，夹层结构具用足够的疲劳强度、良好的塑性和断裂韧性。英国、美国是世界上开展SPF/ DB 技术研究及应用较早的国家，目前已建立了专业化生产厂，如英国TKR 公司、罗罗公司、Superform 公司和美国RTI公司等都具有很强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。另外，法国、德国、俄罗斯以及日本对钛合金SPF/ DB 技术也进行了大量研究和应用，具备了较强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。国外SPF/ DB 钛合金结构件在飞机上的应用广泛（见图4），如民机A300、A310/ 320的前缘缝翼收放机构外罩，减重10%，A330、A340机翼检修口盖、驾驶舱顶盖、缝缘传动机构等采用SPF/DB结构，减重46 %，技术经济效益显著。此外，A380飞机吊舱舱门结构采用了SPF/DB工艺。国内开展钛合金SPF/DB研究已多年，已逐渐用于主承力结构，取得了一定的减重效果和经济效益，图5为某飞机TC4钛合金SPF/DB腹鳍结构，已通过了全尺寸静力试验考核，结果证明满足设计要求，成本降低16％，减重11％，但国内还未开展该技术在民机上的应用。

SPF/DB在国外已比较广泛的应用于军民用飞机，显示出巨大的技术经济效益，但在国内还处于应用初期，没有充分发挥这一技术的优势。针对民用飞机使用要求、主要结构特点等，要实现该技术的工程化成熟应用，需要尽快开展以下研究工作：

（1）SPF／DB结构设计技术，目前，SPF/ DB 技术多用于层板结构，这种板结构在强度方面存在不足。因此，应大力发展体积成形与扩散连接结合的新型SPF/ DB 构件。

（2）SPF/ DB制造控制技术，包括成形过程组织演变和变形机制，工艺过程控制与加工过程自动化，结构完整性及应力与变形控制，实现组织与性能匹配。（3）SPF/ DB质量评估与检测技术，建立设计用性能数据库，研制低成本检测技术，提高检测精度，制定质量控制程序和检验标准。

（4）SPF/ DB结构静力与疲劳考核验证，以适航标准为依据进行符合性验证，确保民用飞机安全可靠使用。

5，高性能钛合金盘件的研究现状：

对于航空航天用发动机压气机盘、涡轮盘等转动部件，不仅要求具有良好的高温热强性，还要求在高温条件下有优良的抗疲劳性能和长期使用的可靠性。因此，制备高性能钛合金，要综合考虑合金成分、热加工工艺、组织与性能及可加工性等因素。只有制备洁净度高、成分和组织均匀的铸锭，并在先进涡轮盘锻压技术和热处理工艺的配合下，才能保证钛合金盘件流线形态的完整性、盘件组织的均匀性和性能的高可靠性。目前制备高性能盘件的主要方法有超塑性等温锻造成形工艺和粉末冶金热等静压成形两种，这两种方法各有特点。

粉末冶金钛合金盘件在热处理时，盘件内部存在温度梯度，会产生较大的残余热应力。这些残余应力对盘件保持完整性和机加工性能的影响很大，当局部残余应力足够大时，盘件就可能开裂。而小的残余应力，也会影响盘件的加工性能，如加工变形等。因此，粉末冶金钛合金盘件的热处理工艺极为关键。对于大规格高性能钛合金盘件，由于钛合金导热率低，盘件规格较大，不同部位存在较大的温度梯度，容易造成组织和性能的不均匀性，则主要采用等温超塑成形的方法。

超塑性等温锻造是利用钛合金在高温及低应变速率下材料具有异常好的塑性及变形抗力低的特点发展起来的一种锻造方式。通常采用近卢或准卢热模锻造两种锻造方式。这种新工艺能获得尺寸精确度高、组织均匀、性能稳定、形状复杂的高精度锻件，而且可用小吨位的液压机锻造大型锻件，来提高材料的利用率和减少切削加工量。等温锻造有以下特征：①在整个锻造过程中，锻模与锻件始终保持在同一加工温度；②锻造速度很慢，应变速率很小；③为防止氧化，锻模与锻件有时需置于真空或惰性气体环境中。等温锻造可通过控制加工温度、应变率、变形程度等来控制微观组织，以实现组织优化的目标。结合优化的调质热处理制度，使钛合金的组织和性能满足不同零部件的应用需求“。等温锻造的薄壁钛锻件具有良好的拉伸强度和综合性能，是用于宇航加工中最经济且简易的成形方法。

参考文献

[1] 刘树桓.英国超塑成形扩散连接技术的现状及特点.航空制造工程, 1994 [2] 王向民等.钛合金SPF/DB技术在航空工业中的应用.钛工业进展, 1998, No1 [3] 白秉哲等.美国超塑成形技术及应用.航天技术与民品, 1999, No1 [4] 超塑成形/扩散焊接组合工艺数值模拟初探.南京航空航天大学学报, 1999, Vol31, No3 [5 ] 李曙光等.国外先进制造技术与装备应用现状分析.航天制造技术, 2004,Vol6,No3 [6] 李志强等.超塑成形/扩散连接技术的应用与发展现状.航空制造技术, 2004, No11 [7] 于卫新等.材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用.材料导报, 2009, Vol23,No6

第四篇：塑性成形实验报告

金属塑性成形原理实验报告

实验项目：Ansys软件分析平面问题和轴对称问题

材料参数：弹性模量E=210Gpa 泊松比：u=0.33 屈服强度σ

摩擦系数v=0.26

尺寸：15×25(mm)

s=350Mpa

实验步骤：

1、建模

1）问题的类型：设置单元类型、属性

(1).设置计算类型。ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK(2).选择单元类型。执行ANSYS Main Menu→Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select（Solid # Quad 4node 42）

→OK

2）材料模型

执行Main Menu→Preprocessor →Material Props →Material Models →

Structural →Linear →Inelastic，在EX框中输入2.1e5，在PRXY框中输入0.3，选择OK并关闭对话框。

3）建立几何形状

选择Main Menu→Preprocessor →modeling →create→areas，如图所示：

4）划分网格

Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→Volumes Mesh→Tet→Mapped,.采用

Mapped网格划分单元。

执行Main Menu-Preprocessor-Meshing-Mesh-Volume-Mapped：

5）建立接触

2、施加边界条件并求解

执行Main Menu-Solution-Apply-Structural-Displacement，拾取目标平面等，单击OK按钮。然后出现如图窗口，选择“UY”，再单击OK按钮。加载荷后结果：

1）定义求解参数

2）求解

执行Main Menu-Solution-Solve-Current LS，弹出一个提示框。执行file-close，单击OK按钮求解运算。

3、结果处理 1）读入结果数据

2）查看结果

轴对称问题：

平面应变问题

平面应力问题

结论：同一种材料，外形尺寸不变时，在不同的受力状态下，应力分布是不同的，且受到的最大应力也不一样。

第五篇：弹塑性力学总结(精华)

（一）弹塑性力学绪论：

1、定义：是固体力学的一个重要分支学科，是研究可变形固体受到外荷载或温度变化等因素的影响而发生的应力、应变和位移及其分布规律的一门科学，是研究固体在受载过程中产生的弹性变形和塑性变形阶段这两个紧密相连的变形阶段力学响应的一门科学。

2、研究对象：也是固体，是不受几何尺寸与形态限制的能适应各种工程技术问题需求的物体。

3、分析问题的基本思路：受力分析及静力平衡条件(力的分析)；变形分析及几何相容条件

(几何分析)；力与变形间的本构关系(物理分析)。

4、研究问题的基本方法：以受力物体内某一点（单元体）为研究对象→单元体的受力—应力理论；单元体的变形——变形几何理论；单元体受力与变形间的关系——本构理论；（特点：

1、涉及数学理论较复杂，并以其理论与解法的严密性和普遍适用性为特点；弹塑性力学的工程解答一般认为是精确的；可对初等力学理论解答的精确度和可靠进行度量。）

5、基本假设：物理假设:（连续性假设：假定物质充满了物体所占有的全部空间，不留下任何空隙；均匀性与各向同性的假设：假定物体内部各处，以及每一点处各个方向上的物理性质相同。力学模型的简化假设：（A）完全弹性假设 ；（B）弹塑性假设）。几何假设——小变形条件（假定物体在受力以后，体内的位移和变形是微小的，即体内各点位移都远远小于物体的原始尺寸，而且应变(包括线应变与角应变)均远远小于1。在弹塑性体产生变形后建立平衡方程时，可以不考虑因变形而引起的力作用线方向的改变；在研究问题的过程中可以略去相关的二次及二次以上的高阶微量；从而使得平衡条件与几何变形条件线性化。）

6、解题方法（1）静力平衡条件分析；（2）几何变形协调条件分析；（3）物理条件分析。从而获得三类基本方程，联立求解，再满足具体问题的边界条件，即可使静不定问题得到解决

7、应力的概念: 受力物体内某点某截面上内力的分布集度=limFnAAOdFndAn=limFnAAOdFndAnt。正应力，剪应力，必须指明两点：是哪

xx一点的应力；是该点哪个微截面的应力。

7、应力的表示及符号规则：xx、xy、x：第一个字母表明该应力作用截面的外法线方向同哪一个坐标轴相平行，第二个字母表明该应力的指向同哪个坐标轴相平行。

8、三维空间应力圆：