金属塑性变形的基本方式

超塑性合金

你读过尼古拉·奥斯特洛夫斯基的著作《钢铁是怎样炼成的》吗？它并非为我们介绍炼化钢铁的过程，而是怎样成为钢铁一样的人。那为什么用钢铁来形容英雄一般的人呢？因为它坚硬刚强。这也是一般金属的性格。可是世界上还有一种和面团一样柔软的金属——超塑性合金。

我们之所以使用金属，是因为它们具有较高的强度和刚度，能在外力的作用下不变形、不断裂，经久耐用。看看东方明珠电视塔巍然屹立在黄浦江边，瞧瞧大吊车把成吨的钢铁轻轻抓起来，想想万吨远洋巨轮经受了台风的考验胜利归航……。从使用角度来说，人们要求金属强而硬，这样可以减轻构件的自重，节省材料，延长寿命。

在制作这些金属制品时，有一种常用的制造方法叫作“压力加工”，即在外力作用下使金属产生塑性变形，以获得具有一定形状和尺寸的毛坯或零件。像起重机的吊钩、机器的主轴、轿车的外壳等都是用这种方法生产的。为了适合于压力加工，就要求金属塑性好，容易变形，这样可以做成复杂的形状，变形时较省力，消耗的能量也较少。

人们头脑中出现了一种理想的金属：在制造过程中要能像面团一样柔软，制成后使用时又要求坚固耐用。去哪里寻找这种软硬结合的金属呢？这种金属到底存不存在呢？答案是肯定的，它就是超塑性合金。

要想了解什么是超塑性合金，须先介绍一下“塑性”的含义。所谓塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。塑性常用伸长率（单位长度的伸长量）来衡量。例如，原来长度为100毫米的金属材料，拉断后再接起来的长度为120毫米，则该材料的伸长率为20%。对普通的金属材料来说，黑色金属的伸长率不超过40%，有色金属不超过60%，即使在高温时也达不到100%。而超塑性合金的伸长率可达1000%～2000%，个别的可高达6000%。迄今为止，对超塑性合金尚没有严格确切的定义，目前一般是指在一定温度和变形速度的条件下，在断裂前具有异常大伸长率（对黑色金属来说大于100%，对有色金属来说大于200%）的合金。1920年，德国科学家罗森汉在研究锌铝铜合金时，在温度为250℃的条件下，以非常缓慢的变形速度对其进行拉伸，发现了这种材料具有超塑性的奇异现象，伸长率竟可达1000%。1945年苏联科学家包奇瓦尔等提出了“超塑性”的概念。到目前为止，人们至少已发现了170多种超塑性合金，如锌合金、铝合金、钛合金、镍基耐热合金、铁基合金等。

金属的超塑性只是在一定的条件下才可以实现的，在通常情况下体现不出来，否则我们也无法得到我们理想中的金属。根据金属材料的结构和变形条件（温度、应力），可将超塑性合金大致划分为两大类：微晶超塑性合金和相变超塑性合金。微晶超塑性合金产生超塑性的条件是：变形温度要高，变形速度要低，材料的晶体结构应为微细晶粒；相变超塑性合金虽不具有微细晶粒，但它在加热到一定的温度时，其内部结构会发生变化。纯铁、碳钢、铸铁及合金钢等都属于相变超塑性合金。例如，含碳量1．3%的碳钢，在650℃～900℃变形，便获得了500%的伸长率。铸铁一向被认为属于脆性材料，是无法锻造的，但当它变成超塑性铸铁后，在600℃～800℃变形后，也可获得很大的伸长率。

接下来，我们去看看超塑性合金在现实生活中，为我们带来的便利：

1、超塑性合金适合于各种形状复杂的零件及薄壁零件的成形。例如钛合金，它具有强度高、密度小、耐蚀性好等优点，是目前航天器、飞机、导弹等设备的重要结构材料，但它属于难加工的材料，用普通的压力加工方法难以生产出形状复杂的零件。人造卫星的球形燃料箱，厚度只有0．7～1．5毫米，只有采用超塑性加工法才能成形。又如，用钛合金制造飞机隔架，若采用普通锻造法，对每个隔架来说，需要先锻成158．8千克的毛坯，再进行机械加工，而用超塑性模锻，只需227千克材料即可锻出，每个隔架能节省材料136．1千克材料。B－1喷气式飞机的舱门、尾舱、骨架，原用100个零件组装而成，现用超塑性加工，可一次成形，这使尾舱架的重量减轻了33%，成本降低了55%。

2、由于超塑性合金表现出优异的塑性，故一次变形就可达到极大的变形量。以前要用几次“深冲”工序加工才能形成的中空杯状零件，现在只要一次就能完成。以前进行拉拔加工时都要将坯料通过拉拔模孔成形，现在可采用无模拉拔方法。将受拉的线材一部分置于加热用的感应线圈中，在超塑性温度下，一边移动感应线圈加热，一边拉拔，被拉长的部分随即喷气冷却，这样将感应线圈从线材的一端移动到另一端，就完成了全部的拉拔过程。依靠调节拉拔速度和线圈移动速度，就可以获得各种截面尺寸。

3、超塑性合金的变形抗力非常小，通常只有一般金属的几分之一，甚至几十分之一，因此大大减小了成形压力。同时，它还减少了工序，精简了设备，节约了能源。例如，锌铝合金（含铝22%）采用通常的冲压成形方法需要40～50兆帕的压力，而利用超塑性加工只需要0．1～0．2兆帕的压力，它可以用1～2个大气压（1个大气压合101．325千帕）的压缩气体进行吹塑成形。