Сверхпластичность металлов и сплавов
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)Тпл. (Тпл – температура плавления металла). При Т < 0,7Тпл диффузионная подвижность зерен невелика для сверхпластичности. При Т > 0,85Тпл 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 5·10 5 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.
Сверхпластичность металлов и сплавов
Под сверхпластичностью понимают способность металла к значительной пластической деформации в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию Существуют следующие разновидности сверхпластичности.
1. Структурная, которая проявляется при температурах в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации
2. Субкритическая (сверхпластичность превращения), наблюдающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных.
Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности.
Сверх пластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в определенных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением.
Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности.
Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации.
При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается.
Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чувствительностью напряжения течения а к изменению скорости деформации , где — коэффициент, зависящий от структуры и условий испытания; — показатель скоростной чувствительности напряжения течения.
Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации а в условиях сверхпластической деформации (обычно
Когда при сверхпластической деформации начинается образование шейки, в этом участке образца возрастает и из-за высокого значения увеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяжении образца.
Структурная сверхпластическая деформация протекает главным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в определенной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение.
Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала — это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации.
Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз в этом случае имеет место максимальное развитие межфазовой поверхности, что обеспечивает взаимное торможение роста зерен фаз; 2) использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен. В настоящее время для обработки в состоянии сверхпластичности чаще используют цинкоалюминиевый
сплав титановые а -сплавы, двухфазные а -сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав, состоящий из а-раствора и дисперсных частиц и некоторые другие.
Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.
СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ
СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ – свойство некоторых металлов и сплавов мелкозернистой структуры в определенном диапазоне температур сильно деформироваться (деформации до 1000% и более) без разрушения или трещинообразования под действием относительно малых нагрузок.
Когда раскаленный, бело-желтый кусок стали, постепенно темнея под ударами молота, изменяет свою форму, превращаясь в деталь сложной конфигурации или в изысканное произведение кузнечного искусства, мы сталкиваемся с явлением сверхпластичности в том виде, который был открыт человеком в незапамятные времена. Казалось бы, очень высокая температура процесса ковки все объясняет – горячая сталь размягчается и течет. Но оказывается, не все так просто. Если в стали содержится достаточное (но очень небольшое) количество серы, то раскаленная заготовка под ударом молота раскалывается на куски, как холодное стекло (это явление называется «красноломкостью»).
Явление сверхпластичности было открыто в 1860-х прошлого века французским ученым Треска (Tresca), проводившим опыты со свинцом.
Изучение сверхпластичности началось в 20 в., когда было обнаружено, что мелкозернистый сплав Zn-Cu-Al под нагрузкой ведет себя необычно: при весьма малом напряжении образец тянется, как будто он сделан из разогретой смолы.
Затем была открыта сверхпластичность сплавов Pb-Sn и Bi-Sn. Образец из сплава Bi-Sn при растяжении удлиняется на 1950%, т.е. в 20 раз (рис. 1).
При этом обнаружились следующие важные особенности процесса: в литых образцах эффект не наблюдается – требовалась горячая прокатка для уменьшения зерен, т.е. кристалликов, из которых состоит сплав; зерна должны иметь равноосную, т.е. близкую к сферической форму; форма и размеры зерен (1–10 мкм) не изменяются после огромной (2000%) деформации; пластическое течение происходит при очень малых напряжениях, если скорость деформации мала, но напряжения очень сильно зависят от скорости течения. Дело обстояло так, как если бы сплав состоял из маленьких шариков, обильно смазанных и поэтому очень подвижных, причем шарики перемещаются друг относительно друга, не деформируясь – деформации происходят в смазке. Если эта смазка имеет неньютоновскую вязкость, это приводит к сильной зависимости напряжения от скорости, которая и наблюдается в эксперименте. Исторически зернограничное скольжение было первым механизмом, предложенным для объяснения сверхпластичности, и этот механизм, по-видимому, остается наиболее убедительным и в настоящее время, позволяя объяснить и очень большие деформации, и сохранение структуры материала. Но принятие этого механизма – только первый шаг; межзеренная среда отнюдь не является вязкой жидкостью – это кристаллическое вещество, и понять, как это оно пластически деформируется без упрочнения и образования трещин совсем не просто. Нужно понять, как и почему напряжение зависит от величины зерна, почему так велико влияние скорости и как зависит процесс от температуры. Дело в том, что для развития процесса сверхпластичности температура оказывается одним из важнейших факторов – можно сказать, что сверхпластичность наблюдается, когда температура материала выше, чем 0,5 Тпл. (Тпл. – температура плавления, по Кельвину). Известные сплавы, проявляющие свойство сверхпластичности, в зависимости от температуры деформации естественно делятся на три класса:
Сплавы, проявляющие сверхпластичность при комнатной температуре – легкоплавкие сплавы; типичный представитель – эвтектический сплав Pb-Sn; они используются как материалы для экспериментальных исследований.
Среднеплавкие сплавы; сверхпластичность наблюдается при температуре 200–500° С; очень важны как конструкционные материалы, имеют хорошие прочностные свойства при комнатной температуре; типичный представитель – сплав Zn-22%Al (фирменное название – «престал»).
Тугоплавкие сплавы, сверхпластичность при температурах свыше 500° С – стали, так называемые жаропрочные сплавы, а также сплавы, содержащие титан (пример – Ti-6%, Al-4%, V). Эти сплавы играют важнейшую роль в авиационной и космической технике, как материал деталей газовых реактивных двигателей, в том числе турбин. Жаропрочные сплавы при нормальной температуре обычно очень твердые и хрупкие, их механическая обработка оказывается очень сложной и дорогой. Горячая штамповка без использования сверхпластичности также не является простым делом – обычно приходится использовать несколько матриц для последовательного изменения формы заготовки. Обнаружение и использование эффекта серхпластичности в жаропрочных сплавах позволяет внедрить простые технологии, когда, при очень сложной форме, изделие получается за одну операцию и не требует дальнейшей обработки.
Можно сказать, что явление сверхпластичности открыло огромные возможности в технологии и огромное поле деятельности в изучении сущности явления и построения его теории – и механической, и физической.
В свое время (1934 г.) английский ученый Д. Пирсон обнаружил у некоторых легкоплавких цветных металлов в некоторых условиях способность значительно деформироваться. На рис. 49 приведена фотография, ставшая теперь классической, из работы Пирсона, где показан свернутый в спираль образец, который удлинился при растяжении в 20 раз. В 1945 г. советский ученый А. А. Бочвар обнаружил огромную пластичность у сплава и высказал предположение, что если создать определенные условия, то большинство сплавов можно продеформировать на значительную величину, назвав это явление «сверхпластично-стью».
В общем случае сверхпластичностью следует назвать способность металла к значительной равномерной деформации без деформационного упрочнения (наклепа).
Рис. 49. Образец растянут в условиях сверхпластнчности на 2000 %
Действительно, почему нельзя продеформировать образец, например, растяжением как угодно много. Во-первых, потому что в процессе деформации металл наклепывается (размножение дислокаций) и теряет способность пластически деформироваться, во-вторых, например при температуре выше температуры рекристаллизации образуется шейка (локальная деформация) и происходит разделение образца, правда, при местной деформации
Различают несколько видов сверхпластичности;
а) мелкозеренная сверхпластичность (рис. 50, а) проявляется при повышенных температурах, не ниже чем при очень мелком зерне размером в диаметре менее 3—5 мкм и при малой скорости деформирования . В этом случае не наблюдается сдвиговой деформации, при которой, как известно, металл наклепывается, а зерна как бы перекатываются, меняются своими соседями (подобно пересыпанию картошки из одного мешка в другой) причем зерна не изменяют форму. Конечно, описан типичный, идеализированный случай мелкозеренной сверхпластичности. В действительности часто наблюдается слабое упрочнение и небольшое изменение формы зерен. Если бы этого не было, то деформация при сверхпластичности была бы бесконечной величины;
б) субкритическая сверхпластичность (рис. 50, б). Имеет место при температурах вблизи (ниже) температуры фазовых превращений и при определенной исходной структуре. Причина повышенной
при этом «пластичности» результат явления тредпревращения». Показано, что при нагревании перед фазовым превращением или плавлением происходят значительные изменения свойств, без изменения структуры, например, модуль нормальной упругости снижается в 2—3 раза;
в) мартенситная сверхпластичность (рис. 50, в); при так называемом мартенситном (сдвиговом, бездиффузионном) превращении наблюдается повышенная пластичность (см. ниже);
г) рекристаллизационная сверхпластичность. Выше температуры рекристаллизации упрочнение не возникает (так называемая динамическая рекристаллизация), но степень деформации ограничивается развивающейся деструкцией (порообразованием) и локализацией деформации.
Рис. 60. Виды сверхпластнчности; сплошные линии — ожидаемая пластичность; штриховые — сверхпластичность: а — мелкоэеренная; б — субкрнтнческая; в — мартенситная
Однако, если лишь незначительно превзойти температуру рекристаллизации и деформировать медленно, то образования шейки и пор не наблюдается равно как и деформационного упрочнения; поэтому в этих условиях возможна значительная деформация.
В дальнейшем с использованием сверхпластичности мы познакомимся при рассмотрении некоторых спларов.
Состояние сверхпластичности характеризуется рядом признаков:
- крайне незначительное деформационное упрочнение;
- аномально высокий ресурс деформационной способности;
- напряжение течения материала в несколько раз меньше предела текучести, характеризующего пластическое состояние данного материала;
- повышенная чувствительность напряжения течения материала к изменению скорости деформации.
Сверх пластичный материал относят к классу сложных вязкопластичных сред.
Признаки сверхпластичности проявляются при определенных условиях, среди которых принципиальное значение имеют структурное состояние деформируемого материала, температура и скорость деформации.
По структурному признаку различают:
- сверхпластичность у металлов и сплавов со сверхмелким зерном d≤1,2*10в-6 мм (у обычного зерна d = 2,5*10в-4 мм);
- сверхпластичность полиморфных металлов и сплавов, проявляющуюся при деформировании в процессе фазовых превращений. При этом исходный размер зерен не имеет значения, но!, должны идти постоянные изменения фазового состава и структуры материала в процессе деформации.
По второму признаку сверхпластичность некоторых сплавов может быть обеспечена за счет процессов деформации после термической обработки с целью перевода структуры в метастабильное состояние. Это явление открыто российским металловедом А.А. Бочваром.
Сплав 80% цинка + 20% алюминия, закаленный при температуре свыше 300°С, с концентрацией, близкой к эвтектоидной, при пластической деформации обнаруживает падение прочности при температуре 300°С до 2,0-2,5 Н/мм2 и увеличение пластичности по удлинению до 650%, что объясняется эвтектоидными превращениями, идущими при пластической деформации.
Чем больший объем занимают метастабильные структуры, тем больше сверхпластичность, которая также зависит от скорости деформирования.
Эвтектика - структура, состоящая из механической смеси двух или более твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава.
Метастабильные структуры - структуры, обладающие ограниченной устойчивостью и переходящие под влиянием внешних воздействий в другие болев устойчивые состояния.
Признаки сверхпластичности металла при растяжении:
- не образуется шейка;
- происходит разупрочнение;
- все происходит при комнатной или пониженной температуре (нет окисления, повышенная прочность. ).
Сверхпластичность обнаружена для сплава медь-алюминий при 550-660°С, для латуни Л-52 при 450-550°С, наблюдается в двухфазных сплавах, если они имеют мелкие равноосные зерна (1-4 мкм).
Сверхпластичность следует объяснять фазовыми превращениями, вызванными пластической деформацией.
Эффект сверхлластичности известен для сталей с 20% содержанием марганца и добавками кобальта и ванадия при γ-α-превращениях, если о а 100 Н/мм2, а также сталей с содержанием 30% никеля при 70°С при γ-α-превращениях.
Было высказано предположение, что снижение прочности вызвано действием внутренних напряжений второго рода (в зернах) от разности удельных объемов фаз, участвующих в превращениях,
Известно, что при циклических изменениях температуры таких сталей в диапазоне 870-930°С происходи нарастание деформации при очень низких напряжениях (1,0 Н/мм-1). Это явление может быть использовано для разработки новых технологических процессов.
Аналогичный эффект повышения пластичности обнаружен и при деформации углеродистых марок стали (0,15-0,9% углерода), подшипниковых марок стали (1,0-1,5% хрома), когда удлинение происходит без образования шейки при напряжениях ниже предела текучести и достигает 500% В хромисто-никелевых сталях (26% хрома + 6,5% никеля) при температуре 980°С удлинение достигает 600%, что позволяет прокатывать листы толщиной 0,5 мм из 10-тонных заготовок (слитков).
Недостатком сверхпластичности следует считать низкую скорость деформации.
Пример использования явления сверхпластичности: вакуумно-газовая штамповка листов,
Таким образом, сверх пластичность обусловлена фазовыми превращениями, которые ослабляют межатомные связи, снижают предел текучести и до конца фазовых превращений не позволяют развиваться деформационному упрочнению и, главное, связанному с ним увеличению числа дислокаций То есть в основе сверхпластичности лежит эффект разупрочнения.
Мелкое зерно + фазовые превращения (температура) + внешнее напряжение + рекристаллизация (но при низких температурах — помогает снять наклеп - протолкнуть дислокации (булат).
Одним из способов предотвращения роста зерен является смешивание металла с другим веществом (с углеродом). Результат -сверхвысокоуглеродистые стали (содержание углерода -1,5%). Такого содержания углерода достаточно для создания разветвленной сетки цементита, которая распространяется по всей металлической заготовке и препятствует росту зерен. Ho такая сталь хрупкая.
Любые современные строения, инсталляции, малые архитектурные формы в большинстве основаны на металлоконструкциях. Это не всегда относится к беседкам, МАФам и другим.
Благодаря инновационным технологиям появилась возможность резать и обрабатывать металл с высокой точностью и намного проще, быстрее.
Металлические изделия и крепеж должны отличаться высокой прочностью, устойчивостью. Ведь многие из них постоянно контактируют с последствиями проливных дождей, перепадов.
Контейнерные перевозки считаются одним из недорогих видов транспортирования. Но сегодня контейнера используются не только для транспортировки грузов.
На рынке металла никогда не было отмечено падение спроса. Металлопрокат, имея огромный ассортимент, всегда остается востребованным материалом. Там где спрос, там.
Часто люди, которые только начинают свой бизнес, связанный с приемкой металла, могут отмечать, что цены на металлолом не стабильны. Это действительно так, и странного в.
Современная металлургическая промышленность производит огромное количество проката. Наиболее востребованный - лист нержавеющий купить, который выгоднее всего на сайте.
Зависимость от альтернативной энергетики ощущается человеком сильней с каждым днем. Для начала скажем об энергетике в общем. Она охватывает выработку, передачу, сбыт.
Читайте также: