2.9. Сверхпластичность

Явление сверхпластичности характеризуется резким (на один-два порядка) увеличением удлинения при испытании на растяже­ние при значительном (иногда более чем на два порядка) умень­шении сопротивления деформированию по сравнению со значе­ниями, характерными для обычных условий деформирования.

Особенностью деформирования при линейном растяжении в состоянии сверхпластичности является резкое увеличение рав­номерной (без образования шейки) деформации.

Впервые такой необычный процесс деформирования был от­мечен в работах Розенхейма, А. А. Бочвара и др.. В настоящее время это явление изучается достаточно интенсивно, а деформи­рование в состоянии сверхпластичности начинает получать про­мышленное применение.

Было установлено, что явление сверхпластичности чаще наблюдается у эвтектических и эвтектоидных сплавов, таких, как сплавы олова со свинцом и висмутом, сплавы 78% цинка и 22%о алюминия и т. п. В несколько меньшей степени явление сверхпластичности проявляется при определенных условиях в сплавах и металлах, имеющих полиморфные превращения (пере­ход феррита в аустенит, аустенита в мартенсит и т. п.), таких, как железо, сплавы железа с никелем, марганцем, хромом. Также было установлено, что возможность возникновения сверхпластич­ности зависит от размеров зерен и температурно-скоростных усло­вий деформирования.

Для возникновения сверхпластичности желательно, чтобы зерна были равноосными, а размеры их были порядка 1—2 мкм (размеры зерен в обычных деформируемых металлах порядка 10—100 мкм).

В экспериментах было установлено, что при сверхпластич­ности относительное удлинение при линейном растяжении, пре­вышающее даже ЮООУо, не приводит к заметному изменению микроструктуры. Это свидетельствует о том, что механизм пла­стической деформации при сверхпластичности существенно отли­чается от механизма обычной пластической деформации (скольже­ние и двойникование).

Исследования показали, что в явлении сверхпластичности определяющую роль играют процессы, протекающие вблизи меж­фазовых или межзеренных границ, а пластическая деформация осуществляется главным образом путем межкристаллитной де­формации, а также вакансионной и дислокационной ползучестью. Для реализации такого механизма пластической деформации необходимо увеличение потенциальной энергии поликристалла за счет энергии пограничных участков зерен (с уменьшением размеров зерен увеличивается их суммарная поверхность) и энергии дефектов строения зерен (дислокаций, вакансий и т. п.).

Раздробление зерен может осуществляться холодной пласти­ческой деформацией со степенями деформации, превышающими 50%. При таких деформациях существенно развиваются меж-зеренные границы как по протяженности, так и по уровню потен­циальной энергии пограничных участков вследствие скопления дислокаций у границ зерен. Кроме того, указанная холодная деформация увеличивает фрагментацию зерен путем образования блоков мозаики и увеличения степени их разориентировки (на­копление дислокаций по границам блоков мозаики).

Увеличение потенциальной энергии межзеренных прослоек и уменьшение размеров зерен в сочетании с увеличением подвиж­ности атомов в результате нагрева приводят к облегчению межкри-сталлитной деформации (мелкие округлые зерна как бы находятся в массе сравнительно толстых межзеренных прослоек, имеющих аморфное строение, что облегчает их относительное проскальзы­вание и перекатывание в условиях течения подобного течению вязкой жидкости с твердыми вкраплениями).

В то же время вызванное значительной холодной деформацией увеличение поврежденности строения самих зерен облегчает протекание в них диффузионных процессов, характерных для явления ползучести, приводящих к такому изменению формы зерен, которое облегчает межкристаллитную деформацию.

Облегчению межкристаллитной деформации способствует также увеличение подвижности границ в многофазных сплавах при определенных повышенных температурах (образование «псевдо­жидкой» фазы вследствие того, что зародыши новой фазы появ­ляются главным образом у границ зерен, имеющих повышенный энергетический потенциал, и практически увеличивают толщину межзеренных прослоек).

Температуры, соответствующие наиболее яркому проявлению сверхплаетичности, обычно близки к температурам фазовых пере­ходов (полиморфные превращения или плавление).

Для сохранения мелкозернистого строения с повышенной потенциальной энергией при нагреве до температур, дающих максимальный эффект сверхпластичности, скорость нагрева должна быть весьма большой (200—300° С/с). При больших ско­ростях нагрева рекристаллизация (особенно собирательная) не успевает происходить и строение металла, созданное холодной деформацией, остается практически неизменным.

Кроме температуры и строения сплава на эффект сверхпластич­ности существенное влияние оказывает скорость деформации. Считается, что оптимальной скоростью деформации для проявле­ния эффекта сверхпластичности является такая, при которой скорости процессов упрочнения и разупрочнения одинаковые.

Типовая зависимость предельной деформации и сопротивления деформации от скорости деформации при сверхпластичности при­ведена на рис. 2.10 [5]. Как видно из рис. 2.10, а, наибольшая деформация имеет место при определенной оптимальной скорости деформации е₀. При больших скоростях деформации наблюдается уменьшение предельной деформации вследствие упрочнения ме­талла (подавляются процессы, способствующие сверхпластич­ности, и, в частности, диффузия). При меньших скоростях дефор­мации доминируют процессы разупрочнения, уменьшающие по­тенциальную энергию строения металла (уменьшается количество дислокаций при рекристаллизации и т. п.), а также способству­ющие появлению собирательной рекристаллизации, увеличива­ющей размеры зерен и, следовательно, затрудняющей межзеренное проскальзывание. Все это приводит также к уменьшению пре­дельной деформации, к уменьшению эффекта сверхпластичности.

Как видно из рис. 2.10, б, в области оптимальной скорости деформации е₀ наблюдается наибольшее влияние изменения скорости деформации на величину сопротивления деформирова­нию (daIds имеет максимальную величину). Именно этим и объяс­няется резкое увеличение равномерной деформации при линейном растяжении в условиях сверхпластичности.

В обычных условиях равномерная деформация (до образования шейки) определяется упрочнением, при котором увеличение де­формации в зарождающейся шейке блокируется интенсивным упрочнением, и деформация развивается в других участках об­разца (блуждающая шейка).

В состоянии сверхпластичности происходит также блокирова­ние развития деформаций в участке зарождающейся шейки, но в этом случае блокирование происходит вследствие резкого роста сопротивления деформации при увеличении скорости деформации.

Как известно, интенсивность упрочнения убывает по мере увеличения деформации, и это приводит к ограничению величины равномерной деформации в обычных условиях испытания на растяжение.

В условиях сверхпластичности зависимость напряжения теку­чести от скорости деформации почти не зависит от величины де­формации, и это приводит к резкому увеличению равномерной

. (мудйнвтявд яттмтштшяшв* -««.«««дав™?:

Рис. 2.11

деформации (увеличению этапа деформирования с блуждающей шейкой).

Как было отмечено ранее, в условиях сверхпластичности сопротивление деформации на два-три порядка меньше, чем в обыч­ных условиях деформирования. Это открывает новые возможности штамповки, когда для деформирования тонкостенных листовых и трубчатых заготовок оказывается достаточно атмосферного давления (вакуумная штамповка). Штамповка труднодеформи-руемых и толстостенных заготовок может осуществляться гидро­статическим давлением.

В качестве примера возможностей штамповки листового ме­талла в состоянии сверхпластичности на рис. 2.11 [132] показана деталь, отштампованная формовкой в матрицу гидростатическим давлением из сплава 63% олова и 37% свинца при комнатной температуре и при скорости деформации порядка Ю^-3—10"* с"¹. Состояние сверхпластичности может использоваться при штам­повке монолитных объемных деталей и при штамповке из трудно-деформируемых малопластичных материалов.