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摘要：

人們在制造機械零件及各類制品時，有兩個較為普遍的要求，第一是希望制品耐磨耐用、支持力強；第二是希望制造過程簡單容易、省時省力。這兩者往往是相互矛盾的，硬而強的東西制造起來往往工序繁多、費時費力。例如要將金屬材料如鋁、銅、鋼鐵軋制成管、棒、板、帶等材料，就需幾千噸以至幾萬噸的壓力機，幾千千瓦至上萬千瓦的軋機，愈是強度大硬度高的材料，生產起來就愈費勁，這些設備笨重龐大，能耗高得驚人。一些形狀復雜精度要求高的零件還需車、銑、刨、磨等很多道工序的機械加工，又進一步耗能，而且造成大量廢料，這些機床大都很復雜昂貴。人們在研究和選擇金屬材料時，首先就是從上述兩方面考慮，第一是它的強度、硬度，這是從使用角度考慮，第二是它的塑性、柔軟性，這是從制造角度考慮。

 所謂塑性，是指金屬在外力作用下能穩定地發生永久變形而不破壞完整性的能力，表征的數據為延伸率（符號為δ，單位為百分數）。金屬的柔軟性反映金屬的軟硬程度，它用變形抗力（符號為б，單位為Mpa）的大小來衡量。塑性大的材料可通過變形加工成各種適用型材，加工時所需功率大小則與其變形抗力有關。例如普通鑄鐵由于它的塑性很低，延伸率不足1%，只能鑄造，不能進行軋制、擠壓、拉伸，所以它不能以型材供應。鋼的延伸率要大很多，例如常用的A3鋼的延伸率在20%以上，不論軋制、擠壓、拉伸均可，但它并不柔軟，其變形抗力在900℃的高溫下仍在200Mpa之上，因此一般軋鋼機的動力裝置均在幾千千瓦以上。為了提高金屬的塑性，人們從材料的冶煉、提純、變形加工到熱處理等各個環節進行了研究改進，但所得成效有限，黑色金屬的延伸率一般不大于40%，有色金屬（如銅、鋅、鋁）一般不大于60%，而變形抗力則居高不下，未有什么進展。超塑合金的出現，呈現了一個飛躍，它既有一般金屬所具有的強度和硬度，又在一定條件下具有超乎常規金屬的塑性，延伸率為普通金屬的10倍至100倍，最高的可達5000%以上，在拉伸試驗機上拉到盡頭還不斷。

超塑現象的研究最早出現在1920年，德國人羅申漢對冷軋后的A1-Zn-Cn三元共晶合金的鋁板彎曲時，出現了塑性異常高的現象。其后，英國、蘇聯等國的學者都對其進行了研究。二戰 后，蘇聯著名的金屬學家包赤瓦爾對此進行了系統的研究，用ZnA1共析合金在高溫拉伸試驗中得到了異常大的延伸率，并首次應用了“超塑性”這個詞匯，1964年美國學者貝克芬對超塑性力學特性進行了分析研究，提出了變形應力б與應變速率ε的關系方程式б=kεm式中k為與材料有關的常數，m為應變速率敏感性指數，它與材料有關，是評價金屬超塑性的一個指標，并提出了測定材料m值的方法，奠定了超塑性的力學基礎。

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，經過一定的處理后其結晶應是等軸、球形、細晶粒組織，晶粒尺寸一般不大于10μm（1μm=10-3mm）即d≤10μm，愈細愈好。這些材料原是指為實現超塑性而專門研制的合金，如鋅合金中的Zn-22%A1、Zn-5%A1，鋁合金中的A1-6%Cu-Zr合金。隨著對超塑性特點認識的深化及實現超塑性工藝的進步，有些現有牌號的工業合金通過一定的工藝處理也可實現超塑性。如鈦合金中的Ti-6A1-4V、銅合金中的黃銅、不銹鋼中的IN744，軸承鋼GCr-15、過共析鋼T12、低合金結構鋼30CrMnSiA等，這些常規金屬材料經過一定的工藝處理，在指定的工藝條件下也具有超塑性。

我國從上世紀七十年代開始進行超塑技術的研究，在超塑性機理及在鋅合金、鋁合金、鈦合金、銅合金領域的開發研制方面均取得了成果，并有不少成果用之于生產實際。例如紡織工業中落紗機用的槽筒形狀復雜而不規則，國內用塑膠生產，壽命很短而且其磨擦靜電作用影響紗線質量，國外用鑄鋁、鑄鐵或不銹鋼制作，工序多、重量大、價格高。我國研制成功用Zn-5%A1合金超塑成形，形狀精確、壁薄質輕、工序簡便，價格很低，在紡織工業獲得廣泛應用，取代了進口產品。通訊衛星地面接收站的拋物面體，曲面形狀精度要求很高，用板材冷沖壓不但沖壓力要很大，而且由于材料反彈，制品與模具形狀不一，要求多次矯正修改才能接近理論值：采用超塑成型，壓力大大減小，制品與模具形面非常接近誤差很小，一次成型，效果很好。人造衛星上使用的鈦合金燃料箱為中空球體，壁厚0.75-1.5mm，采用常規方法幾乎無法成形，采用超塑成形，很順利制成。

近年來隨著技術的進步，超塑技術向更深更高的層次發展，金屬、復合材料、陶瓷材料和金屬間互化物近年來在高新技術領域獲得了特別的青睞，因為它們普遍的有重量輕、強度大、耐高溫、抗磨損等一系列優點，但它們也有一個共同的特點，即很難加工，冷熱加工都很難，這使它們的推廣應用受到了限制。1984年獲得了在鋁基合金中加入硅碳化物晶須增強體的細晶復合材料，在10-1S-1的高應變速率下得到延伸率達300%的超塑性。1986年出現的細晶粒（0.3μm）釔穩定四方晶氧化鋯（YTZP）在1450℃的高溫下其延伸率達到了120%—800%。此后研究工作迅速向其它材料領域如氧化鋁、磷灰石、硅氧化物、鐵碳化物等發展。1987年對金屬互化物如鈦鋁化物、鎳硅化物的研究也獲得了可觀的超塑性，這就為這些難加工材料的成型獲得了一條捷徑，可一次超塑成型為成品，避免了很多困難的加工工序，為其應用發展大開方便之門。