软硬兼备的超塑性金属

软硬兼备的超塑性金属

日常生活及各工业部门中金属与合金的使用无处不在。稍加留意，就会发现许多笨重、结构简单、精度不高、强度要求也不高的机器和设备的零部件是用铁铸成的，比如许多机器的底座；一些机械零件是由金属毛坯切削加工而成，如螺钉、螺母及齿轮等；而另外一些容器和工具是由金属板件冲压或锻造，再加上必要的焊接、铆接等工序而制成。从这些机械零部件的材料和加工方法中，大家会注意到金属的可塑性不同，铝的塑性显然要大于铸铁。一般，铸铁脆性很大，受到冲击很容易碎裂，不可能用锻压的方法成型，我们就讲铸铁的塑性小。

金属的塑性是指金属永久变形而不破坏的能力。塑性大小标志着材料储备变形能量的大小，同种材料塑性愈大使用愈安全；标志着金属在压力加工过程中变形的能力，塑性愈大愈易制成结构复杂的零件；同时，塑性也标志着材料的冶金质量，塑性愈好表示材料所含的杂质愈少，纯度愈高。如果以延伸率（一定的拉伸条件下，材料伸长的长度与原长度的比值）表示塑性的大小，黑色金属（铁及其合金）不超过40%，有色金属（铁以外的金属及合金）一般也不超过60%，即使是塑性较大的贵金属，如金、银、铂也不超过80%。过去人们从材料的提纯、冶炼、锻造、热处理等的各个环节中设法改善金属的塑性，但许多年来这些常规的冶金学方法对塑性的提高收效甚微。

那么，金属和合金究竟能否像塑料和玻璃一样，采用真空成型、气压成型的方法，在很低的压力下轻易地制成结构复杂的零件呢？能否像软糖或者艺术家手中的橡皮泥一样随意塑造成所需要的结构和形状，同时仍保留金属的特性呢？答案是肯定的。

金属和金属合金在特定的组织结构和变形温度、速度条件下，可以呈现异常高的塑性，延伸率可达百分之几百，甚至百分之一千或二千以上，变形的抗力很小，这种现象称为超塑性。

1934年美国学者皮尔森对Sn－37%Ph和Bi－44%Sn共晶合金的挤压材料进行慢速拉伸试验时，获得了19．00%以上的延伸率，成了一根均匀的细丝。由于第二次世界大战和当时塑性加工技术不够发达，未引起人们的足够重视。战后，前苏联和西德对Zn－Al系合金进行了一系列的研究。前苏联的科学家用Zn－Al共析合金在高温拉伸试验中得到了异常高的延伸率，并应用了“超塑性”这一名词，他们发现许多有色金属的合金都具有超塑性。

20世纪60年代以后，金属超塑性的研究和应用得到了迅速的发展。1968年英国的一家汽车公司和一家锌公司联合，用Zn－Al超塑性合金采用塑料成型的工艺制成整体小汽车外壳而轰动一时；1970年美国T．H．托马斯等人使用外径为20．3毫米、壁厚1．02毫米的Zn、22%Al共析合金管在265℃及2兆帕的气压下，吹制成具有凸肚及精细花纹的花瓶，说明超塑性合金适用于制作形状复杂的精密零件。

早期金属超塑性的研究，局限于Al－Cu共晶合金、Zn－Al共析合金等低熔点有色金属，这些材料是在晶粒微细情况下才表现出超塑性；随着研究的深入，发现其他合金包括粗晶粒合金、黑色金属等在一定条件下，通过同素异形转变、周期性的相变、再结晶过程等，都可以得到很高的延伸率。目前超塑性金属及合金已发展到200种以上，许多品种已在航空航天及民用工业中获得应用。

钛合金、镁合金是性能优异的宇航结构材料，质轻而强度大，但缺点是难于加工。美国的一家公司首次用超塑成型制造钛通风管。常规制造方法需要45套模具，而超塑成型仅需4个单模，工时降低89%，模具材料减少97%。B－1轰炸机发动机短舱的中央钛隔框原有8个零件、96个铆钉，需要4个成型模具、一个装配夹具；采用超塑成型仅一个整体零件，无需铆钉，只需一个超塑成型模具，无需装配夹具，使成本大幅降低。国内也已成功地造出了带有密排轴向叶片（间距1．8毫米，叶片最薄处仅0．3毫米）的钛合金涡轮盘以及没有焊缝的整体钛合金高压球罐，使生产效率提高几十倍到二百倍，成本降低到原来成本的1／8～1／10。

在航空航天工业中已得到应用的还有其他种类的超塑合金。如美国用7475铝合金超塑成型制造T－39前机身隔框，用超塑成型工艺制成B－1B轰炸机襟翼翼肋和机身构件。英国应用8090铝锂合金超塑成型工艺制成鹰式战斗机起落架舱门，此外还发展了不锈钢超塑材料IN744合金、镍合金IN100等。

超塑合金的压力加工，属于一种黏性或半黏性的加工，对形状复杂或变形量很大的零件都可以一次直接成型。其优点是，可承受很大的变形而不破坏；易于成型，成型时不但金属的抗力小，而且流动性和充型性好；成型产品表面精度高、质量好，不存在由于硬化引起回弹而导致的成型零件的变形问题，零件尺寸稳定。如著名的Zn－22%Al合金在超塑状态下很软，被人形象地称之为“金属饴”。此外，与常规的成型方法相比，超塑成型生产周期短，所需设备吨位小，从而可以延长模具的使用寿命。

当然，超塑成型也还存在缺点和问题。如目前生产率还低，超塑成型过程中出现空洞而影响零件使用性能等。此外，现在还未能设计出用于超塑成型的大型专门设备，而且超塑性变形理论尚不完善，这些都需要现在和未来的科学工作者进一步探索和解决。