超塑合金 （Superplastic Alloy）

超塑合金 （Superplastic Alloy）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

一、超塑合金現象
塑性，是指金屬在外力作用下，能穩定發生永久變形，而不破壞完整性的能力，可測量的資料為延伸率。在一般情況下，金屬的延伸率不超過90 %，一般的鋁材在室溫下拉伸變形時，伸長值達到30 %~40 %就會斷裂，即使在400 ℃的高溫下，伸長率也只有50 %~100 %。但具有特殊組織的材料，在適當的變形條件下就不會斷裂，伸長率特別大，甚至沒有斷裂縮頸現象，此現象稱為超塑性。合金發生超塑性時的斷後伸長率通常大於100 %，有的甚至可以超過1000 %。最初發現的超塑性合金是鋅與22 %鋁的合金。1920年，德國人羅森漢（N. Rosenhaim）在鋅－鋁－銅三元共晶合金的研究中，發現這種合金經冷軋後具有暫時的高塑性。

二、超塑條件
材料超塑現象的出現是有條件的，既要有材料本身的內在因素，也要有變形時的環境條件。首先材料本身最好是兩相組織的共析或共晶合金，經過一定的處理後其結晶應是等軸、球形、細晶粒組織，晶粒尺寸一般不大於10µm（1µm=10 ^-3mm）即d≤10 µm，愈細愈好。隨著進一步對超塑性特點的了解及超塑性技術的進步，有些現有的工業合金，經過特殊處理也可實現超塑性。

超塑變形的技術主要有二方面：其一為變形溫度，超塑變形一般要求材料的溫度保持在T_c≥0.5T_M，式中：T_c為實現超塑變形的臨界溫度（K），T_M為該材料的熔化溫度（K）。這是一個大致的溫度界限，各個材料的最佳超塑變形溫度，需要經過實驗求得。其二為變形速率，超塑變形的最大特點是它必須在一定的應變速率範圍內進行，各種材料都有各自的應變速率。

三、超塑性合金類別
根據金屬學特徵可將超塑性分為細晶超塑性和相變超塑性兩大類。

1、細晶超塑性：細晶超塑性也稱等溫超塑性，是研究得最早和最多的一類超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具有這一類超塑性的合金。產生細晶超塑性的必要條件是：（1）溫度要高，T_c＝(0.4~0.7)T_M；（2）變形速率要小，低於10^-3 s^-1；（3）材料組織為非常細的等軸晶粒，晶粒直徑＜5 μm。

2、相變超塑性：相變超塑性不要求金屬有超細晶粒組織，但要求金屬有固態相變特性。在一定外力作用下，使金屬或合金在一定相變溫度附近循環加熱和冷卻，經過一定的循環次數以後，就可能誘發產生反復的組織結構變化，使金屬-原子發生劇烈運動而呈現超塑性，從宏觀上獲得很大的伸長率。

現有超塑性合金種類較多，其中很重要的工業用鋁合金就有5種：包含鋅基合金、鋁基合金、鎳合金，超塑性鋼和鈦基合金。

四、超塑性合金的應用：
超塑性合金的研究與開發為金屬結構材料的加工技術和功能材料的發展，開拓了新的前景，受到各國普遍重視，下面介紹典型的應用實例。

1、高變形能力的應用：在溫度和變形速度合適時，利用超塑性合金的極大伸長率，可完成通常壓力加工方法難以完成，或用多道工序才能完成的加工任務。如Zn-22Al合金可加工成“金屬氣球”，即可像氣球一樣易於變形到任何程度。這對於一些形狀複雜的深沖加工，內緣翻邊等工藝的完成有十分重要的意義。

2、固相黏結能力的應用：細晶超塑性合金的晶粒尺寸遠小於普通粗糙金屬表面的微小凸起的尺寸（約10 μm），所以當它與另一金屬盡壓合時，超塑性合金的晶粒可以順利地填充滿微小凸起的空間，使兩種材料間的黏結能力大大提高。利用這一點可軋合多層材料、包覆材料和製造各種複合材料，獲得多種優良性能的材料。這些性能包括結構強度和剛度、減振能力、共振點移動、韌脆轉變溫度、耐蝕及耐熱性等。

3、減振能力的應用：合金在超塑性溫度下具有使振動迅速衰減的性質，因此可將超塑性合金直接製成零件，以滿足不同溫度下的減振需要。

4、其他：利用動態超塑性可將鑄鐵等難加工的材料進行彎曲變形達1200左右。對於鑄鐵等焊接後易開裂的材料，在焊後於超塑性溫度保溫，可消除內應力，防止開裂。超塑性還可以用於高溫苛刻條件下使用的機械、結構件的設計、生產及材料的研製，也可應用於金屬陶瓷和陶瓷材料中。總之，超塑性的開發與利用前景廣闊，超塑性成型工藝將在航太、汽車、車廂製造等部門中廣泛採用。