Лекция 2. Сверхпластичные материалы

 

Пан

2.1 Состояние сверхпластичности материалов

2.2 Обработка давлением в состоянии сверхпластичности

2.3 Изотермическое деформирование материалов

 

Состояние сверхпластичности

 

Для многих металлов и сплавов, имеющих, как правило, мелкозернистую структуру, а также целого ряда новых материалов существуют такие температурно-скоростные и силовые режимы деформации, при которых эти материалы становятся сверхпластичными.

Сверхпластичность – это состояние деформируемого материала с особой структурой, появляющееся при высокой гомологической температуре и характеризующееся способностью материала к аномально большим деформациям без нарушения сплошности под влиянием напряжений, величина которых очень низка и сильно зависит от скорости деформации и структуры материала [4, 7].

Таким образом, необходимы 3 условия для перевода материалов в сверхпластичное состояние [4, 6, 8]:

1. Особая структура – это ультрамелкое равноосное зерно с размером не более 25 мкм. Такая структура обеспечивает при температуре сверхпластичности иной механизм деформации – межзеренное скольжение.

2. Оптимальная температура Т = (0,7…0,85) Т _пл. (Т _пл – температура плавления металла). При Т < 0,7 Т _пл диффузионная подвижность зерен невелика для сверхпластичности. При Т > 0,85 Т _пл происходит интенсивный рост зерен, что приводит к исчезновению сверхпластичности в материале.

3. Оптимальная скорость деформации . Она должна быть достаточно малой для полного прохождения диффузионных процессов и достаточно высокая, чтобы в условиях высоких температур предотвратить рост зерна. Признаки состояния сверхпластичности [4, 7]:

1. Повышенная чувствительность напряжения течения к изменению скорости деформации, то есть повышенная склонность к скоростному упрочнению. Скоростная чувствительность напряжения течения к скорости деформации определяется коэффициентом . Коэффициент m опреде-ляется как тангенс угла наклона кривой к оси в логарифмической системе координат (рис.2.1).

2. Большой ресурс деформационной способности. Квазиравномерная деформация достигает сотен и тысяч процентов [4] и реализуется по принципу «бегающей шейки» [6, 7].

 

Рисунок 2.1 – Расчетные значения кривых для материалов:

1- Mg – 6Zn – 0,6Zr; 2 – Zn – 22Al

 

3. Напряжения сверхпластического течения в несколько раз меньше, чем предел текучести материалов при пластической деформации.

Соотношение между напряжением и скоростью сверхпластической деформации чаще всего описывают уравнением в предположении, что структура материала не меняется, а деформационное упрочнение отсутствует. Коэффициенты уравнения для большинства материалов – табличные.

Данные о сверхпластичности новых материалов приведены в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1 – Виды и параметры сверхпластичных материалов [1]

Виды сверхпластичных материалов	Размер зерна, мкм	mmax	ξопт, с^-1	Структурная единица массопереноса
Поликристаллические металлические материалы: - ультрамелкозернистые сплавы - сверхмелкозернистые сплавы - нанокристаллические сплавы	1,0…10,0   0,1…1,0   0,01…0,1	0,4…0,6   0,5…0,7   0,6…0,8	10^-5…10^-3   10^-3…10^-1 10^-1…10^0	зерно
Аморфные сплавы	нет зерен	1,0	> 10^0(до 10^5)	атом
Керамики	0,1…1,0	0,5…0,7	10^-5…10^-4	зерно
Композиты: - металлическая матрица - керамическая матрица	0,1…10,0 0,1…1,0	≥ 0,5 0,5…0,7	10^-4…10^-1 10^-5…10^-4	зерно
Интерметаллиды	1,0…20,0	0,5…0,7	10^-4…10^-3	зерно
Полимофные металлы и сплавы	не влияет	1,0	Пропорциональна скорости превращения	атом

 

Структурная сверхпластичность керамических материалов [1, 2]. Сверхпластическая керамика – это поликристаллический керамический материал со стабильным субмикронным зерном, проявляющий сверхпластичность при определенных температурно-скоростных условиях деформации в течение технически приемлемого времени.

Существуют два типа сверхпластической керамики: однофазные материалы и композиты (см. главу 6).

Принципиальное различие сверхпластической деформации металлов и керамики заключается в требуемом размере структурных составляющих материала. Для керамики размер зерен должен быть 0,1…1,0 мкм, то есть на порядок меньше, чем для большинства сверхпластичных металлов. Получение керамических заготовок для последующей сверхпластической деформации осуществляется из нанокристаллических порошков высокотемпературной консолидацией.

Существенное различие имеется и в поведении металлов и керамики при разрушении, поскольку максимальное удлинение в металлах наблюдает-ся при промежуточных скоростях сверхпластической деформации, тогда как у керамик максимальное удлинение имеет тенденцию проявляться при самых низких скоростях деформации, что связано с разным характером порообразования. При сверхпластической деформации в керамиках порообразование наиболее сильно проявляется при более высоких скоростях деформации, а в металлах, наоборот, при самых низких.

В табл. 2.2 представлены основные показатели сверхпластичности некоторых керамик.

 

Таблица 2.2 – Основные показатели сверхпластической деформации керамики с субмикронной структурой при растяжении

Материал	Температура деформации, К	Размер зерна, мкм	ξопт, с^-1	δmax, %
3Y – TZP		0,3	4,8•10^-5
3Y – TZP		0,3	8,3•10^-5
(Y – TZP) – 5 %SiO2		0,26	1•10^-4
Ca10(PO4)6(OH)2		0,64	1,4•10^-4

 

Сверхпластичность аморфных сплавов [1,5]. Большая группа аморфных сплавов, отличающаяся малой скоростью аморфизации, образуют особый вид стеклообразующим систем, называемых металлическими стеклами. Эти материалы имеют отличные механические, магнитные и антикоррозионные свойства, однако чрезвычайно хрупки. Вместе с этим, в переохлажденном жидком состоянии они ведут себя как сверхпластичные материалы.

Некоторые из таких материалов можно получать в виде объемных аморфных заготовок. В переохлажденном жидком состоянии они показывают очень низкую вязкость и отличную деформируемость, что можно использовать для штамповки изделий сложной формы. В этом смысле объемные аморфные заготовки можно вполне рассматривать в качестве нового типа конструкционных материалов.

При оценке способности аморфных сплавов к сверхпластической деформации необходимо учитывать две особенности, а именно: способность к стеклообразованию и устойчивость аморфного состояния. Первая из них характеризуется, в основном, критической скоростью охлаждения расплава и относительной температурой стеклования , где - абсолютная температура стеклования, - абсолютная температура плавления. Устойчивость аморфного состояния можно оценить с помощью критерия

 

,

 

где - абсолютная температура кристаллизации.

Созданы металлические стекла с высокой способностью к стеклообразованию, широким температурным диапазоном переохлажденного жидкого состояния и высокой устойчивостью аморфного состояния. Эти параметры металлических стекол в отдельных случаях достигают значений, характерных для обычных неметаллических стекол.

Металлические стекла при температурах выше температуры стеклования находятся в переохлажденном жидком состоянии, которое является внутренне равновесным, но метастабильным по отношению к процессу кристаллизации. В этом состоянии они демонстрируют линейно-вязкое течение (m = 1,0) в широком интервале скоростей деформации. Это приводит к весьма высокой деформационной способности таких материалов. Удлинение порядка 20000 % было получено при растяжении образцов из аморфного сплава La₅₅Al₂₅Ni₂₀ при 473 К с очень высокой скоростью деформации 5·10⁵ с^-1.

При температурах ниже металлическое стекло представляет собой метастабильный неравновесный материал. В процессе нагрева металлическое стекло релаксирует в направлении конфигурации с более низкой энергией. Вблизи температуры оно резко размягчается, его вязкость уменьшается на несколько порядков в очень узком интервале температур. Последующий нагрев приводит к кристаллизации, вызывающей увеличение вязкости пропорционально объемной доле твердых кристаллических частиц.