【摘要】超塑性的概念及发展状况；实现超塑性的一般途径；概括总结超塑性在金属材料塑性加工工程中的应用，包括超塑性挤压成形，模锻成形，气胀成形，超塑性拉深等；总结超塑性在材料加工中的优势及不足。
【关键词】超塑性；金属材料；塑性加工
0.引言
在20世纪20年代初人们就发现了金属和合金的超塑性现象，即在拉伸条件下材料表现出异常高的伸长率（δ100%）而不产生颈缩与断裂的现象。由于金属在超塑性状态下具有高塑性、易成形、少硬化和良好的扩散结合性能，使其成为现代成形领域中一个很有发展前景的研究和应用分支。超塑性的实现，要求材料具有微细而稳定的等轴晶粒组织，即所谓晶粒的微细化、等轴化及稳定化。超塑性变形温度通常在0.5Tm-TmK（Tm为材料的熔点）范围内，应变速率一般为10-5-10-1/s。随着航空、航天和精密仪表的发展，对超塑性技术的研究和应用逐日引起国际和国内相关领域的重视。下面，是几种超塑性的应用：
1.超塑性挤压成形工艺
超塑性挤压成形的工艺大致为：1）设计超塑性挤压件，使其形状符合工艺要求；2）检验材料，确认其是否适用于超塑成形；3）计算毛坯尺寸，满足加工前后体积不变原则；4）制坯，通过锯切、车削、剪切等方法加工到规定尺寸；5）加热毛坯；6）对毛坯进行润滑，增加流动均匀性；7）在超塑性温度（一般在200-900℃）下合模加压，成形后脱模；8）对成形件进行清理与表面处理。
例如，对于络筒机张力盘，材料为HPb59-1黄铜，若采用机加工，车到中间退刀时留有未切削部分需要钳工修整，过程繁琐，生产率低。若用超塑性挤压成形，选用棒料毛坯，尺寸?38×9，为减少毛坯的保温时间和装模过程中的温度下降，先将毛坯在附设的电炉内加热至760℃ 10℃，保温10-15min装入模具，在超塑性状态下成形，成形温度为500℃，成形力约为300kN，液压机压下速度16mm/min，保压1.5-2min。实践证明，在超塑性状态下，HPb59-1黄铜的成形力只有冷加工的1/6-1/5，生产效率提高了几倍至十几倍，并节约了材料，提高了组织性能。
2.超塑性模锻成形工艺
超塑性模锻成形的工艺大致为：先将合金在接近再结晶温度下进行热变形（挤压、轧制或锻造）以获得超细的晶粒组织；然后再超塑性温度下，在预热的模具中模锻成所需的形状；最后对锻件进行热处理，以恢复合金的高强度状态。需注意，与常规模锻相比，超塑性模锻成形速度较低，温度较高，在800℃以上，最好采用可调速慢速液压机和耐高温模具材料。
例如，对飞机发动机的钛合金（TC11）压气机盘（直径为520mm）进行超塑性等温锻造加工。为了确定适宜的成形温度、速度、润滑剂，进行了超塑性拉伸和压缩试验，结果显示，初始应变速率在8×10-4-2×10-3/s范围内，供应态TC11在较宽温度范围内具有良好的超塑性，其中在900℃时伸长率为960%-1020%，m值接近0.9；在875-940℃范围内伸长率均高于600%。超塑压缩状态下的流变应力较拉伸状态有所增大，在压下量为24.2%-29.3%范围内，采用RH11润滑剂，变形后式样不呈鼓形，说明润滑效果良好。
3.超塑性气胀成形工艺
超塑性气胀成形类似于塑料的吹塑成形，其基本原理是：将被加热至超塑温度的金属板材夹紧在模具上，并在其一侧形成一个封闭的空间，在气体压力下使板材产生超塑性变形，并逐步贴合在模具型腔表面，形成与模具型面相同的零件。超塑气胀成形过程一般包括以下步骤：备料，模具和板坯的预热，压紧密封，充气成形，卸压放气，开模取件，切边，强化，表面处理等。
例如，MB8镁合金仪表零件的超塑气胀成形。MB8镁合金板材晶粒度为6.7μm，最佳超塑性条件为T=400℃、ε0=1.11×10-3/s、δmax=312%。模具如图所示，材料采用Q235钢。成型时，先将模具与板材加热到超塑性变形温度（400℃），保压5-10min，然后用0.5MPa的压力吹塑成形10min左右，再将压缩空气压力提高到0.9MPa，保压10min，使零件圆角处充满。值得注意的是，当初始吹塑压力过高（>0.8MPa）及模具圆角半径R太小时，R处容易吹裂，为此，该工艺中初始成形压力降至0.5MPa，圆角半径增大至2-2.5mm。对成形后零件横截面壁厚检测表明，R处厚度为0.985mm，最后充满部位R1的厚度为0.946mm，其他部分厚度为1.086mm，壁厚不均性为12.9%，材料的变薄率36.9%。完全满足使用要求。
4.超塑性拉深
超塑性拉深的成形方式与冷拉深基本相同，区别是超塑性拉深时坯料处于超塑性状态，坯料塑性提高，抗力下降，法兰圈起皱的情况得到很大改善。实现超塑性拉深的方法以差温拉深为主。差温拉深的原理是使毛坯的凸缘部分处在超塑性温度下变形，而对与凸模接触部分（筒壁部分）的材料进行冷却，使其接近于常温状态，强度较高，从而大大改善超塑性材料的拉深性能。由于拉深过程中凸缘与筒壁间有巨大的温度差，所以称之为“差温拉深”。
例如，前苏联学者研究了12Cr18Ni10Ti的超塑性拉深，该材料超塑性温度为780-850℃，凸缘的平均应变速率10-2-10-1/s。我国马龙翔教授等研究了Zn-22Al合金的超塑性拉深，材料厚度为1.15mm，凸模直径30mm，拉深坯料的最大直径为220mm，凸缘变形温度为250℃，凸模的行程速度100mm/min，凸缘平均应变速率为10-2/s，得到的拉深制品高度约为制品直径的10倍，其拉深比大于6.6，所得制品厚度较为均匀，不均匀系数为9.7%。
当然，超塑性在金属材料塑性加工中的应用还有无模拉拔、以超塑性成形为主的复合加工工艺、脆性材料的超塑性加工等，在这里不再一一介绍。
5.结语
超塑性应用技术作为崭露头脚的材料加工新技术，有着传统加工技术不可比拟的优势：其成形力小，可以降低成形设备吨位，节约能源；充型能力强，可成形出复杂形状的工件；可将多道次的塑性成形改为一次成形，提高了材料利用率；同时，成形后金属组织性能也显著改善，晶粒细小，残余应力小，不会产生裂纹和加工硬化。然而，上述优点是在比较理想的超塑性状态下才能充分展现的，实际上超塑性成形技术也存在着不足或局限性：其实，生产中易于实现超塑性的材料目前还不是很多，其次，组织超塑性要求材料具有微细的等轴晶粒组织，因此成形前一般需进行组织超细化预处理，工艺繁琐；另外，超塑成形的速度也比常规塑性加工慢，生产效率较低。
综上所述，超塑性在金属塑性加工中的应用已取得了很大成就，但同时也存在一些亟待解决和攻克的问题。所以说，目前超塑性的应用技术还存在着非常广阔的研发和应用前景。
【参考文献】
[1]Woodford D A.Strain-Rate Sensitivity as Measure of Ductility.ASM Trans Quart，1969，62：291.
[2]Mabuchi M et al，On accommodation helper mechanism for superplasticity in metal matrix composites，Acta Mater.
[3]文九巴，杨蕴林等.超塑性应用技术.北京：机械工业出版社，2005，1.
[4]洪慎章等.超塑性模锻工艺的应用及发展.锻压技术，2000，25（5）：10.