книги из ГПНТБ / Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением

73

По внутреннему состоянию металла различают два предельных 39, 58] вида сверхпластичности. Первый вид связан с наличием фазовых превращений и одновременно с неравновесной структурой 39]. Второй вид сверхпластичности обусловлен очень мелким зер­ ном (обычно менее 4 мкм) и стабильной структурой.

Зерно должно быть равноосным, причем скорость роста зерна в температурной области сверхпластичности должна быть меньше скорости деформации. К мелкому зерну предъявляются также тре­ бования достаточной прочности его связей, чтобы обеспечить про­ цесс скольжения по границам зерен. Отсюда вытекают два способа достижения состояния сверхпластичности: 1) деформирование ме­ талла с метастабильной структурой'в процессе протекания фазового превращения (сверхпластичность превращения) и 2) деформирова­ ние мелкозернистого металла (микрозеренная сверхпластичность).

Эксперименты показывают, что промышленное использование состояния сверхпластичности превращения маловероятно по чисто техническим причинам: трудно обеспечить поддержание с требуемой точностью циклического температурного режима и постоянства скорости деформации, соответствующих проявлению сверхпластич­ ности превращения. Для практического применения сверхпластич­ ности удобнее иметь дело с постоянной температурой деформации [66].

Наблюдаются и другие виды аномальных явлений текучести, которые связаны с обоими названными видами: например,' сверх­ пластичность во время рекристаллизации металлов, в процессе кристаллографических превращений кварца, различных окислов и карбидов, при деформации нестабилизированных аустенитных сталей марки 18-8. Каждому из указанных двух основных видов сверхпластичного состояния соответствуют специфические условия проведения процесса деформирования, выполнение которых в той или иной степени, совместно или раздельно, способствует переходу материала в состояние аномально высокой текучести. Главными из этих специфических условий в настоящее время считают следующие:

°К). Это условие обязательно для материалов, обладающих межзеренным видом сверхпластичности. Для металлов, обладающих сверхпластичностью превращения, возможно достижение сверх­ пластичного состояния при более низких температурах. Так, для железоникелевых сплавов обнаружено явление сверхпластичности при термоциклировании с постоянной нагрузкой в области аустенит­ но-мартенситного превращения при температуре более (0,1—0,3) Тпл.

2. Весьма низкие значения скорости деформирования и дефор­ мации. Так, например, при одноосном растяжении алюминиево­ медного сплава (33% меди) для достижения сверхпластичного тече­ ния, при прочих равных условиях, скорость деформации должна находиться в пределах1

1ДО- с-< к = -%■ = 4 = -f < 4.10- с-

73

рование) либо при циклически меняющейся нагрузке и постоянной температуре. Этот способ используется в основном только для ме­ таллов, имеющих фазовое превращение и стабильную термодинами­ чески равновесную структуру. Сюда относятся также металлы с гек­ сагональной решеткой и анизотропным коэффициентом линейного расширения. В работе Г. А. Малыгина и В. А. Лихачева указывается

на свойство металлов с некубиче­

структуры, температуры деформи­ рования и скорости деформации. Зависимость напряжения течения crs

от скорости деформации е обычно для обоих видов сверхпластичности записывается так:

as = К&т.

Показатель т называется коэффициентом чувствительности к ско­ рости деформирования [58]. По мнению X. П. Штюве [69], вели­ чина т выражается через напряжение течения и скорость дефор­ мации

т = d log old log e.

Кривые, зависимости a = f (e) для различных размеров зерна имеют характер, представленный на рис. 19.

Уменьшение размера зерен приводит к смещению области сверх­ пластичности в сторону больших скоростей деформации. Если

построить зависимость т = f (е), то из нее следует, что величины т, необходимые для наступления сверхпластичности, должны быть более 0,33—0,35. Величина т идеально вязкого тела равна единице, а обычного пластичного — менее 0,2; для сверхпластичного состоя­ ния теоретически т — 0,5-ъ0,8, на практике сверхпластичности наблюдается при т > 0,3,

74

Указанная градация состояния материала по значению вели­ чины т вытекает из основных положений механики устойчивой деформации, которые подробно изложены в работе [67] и в кон­ спективном виде приводятся ниже.

Равномерная деформация при растяжении сохраняется до мо­ мента, пока течение устойчиво. Граница потери устойчивости тече­ ния есть начало возникновения шейки (геометрическая неустой­ чивость). Возникновение шейки прямо не зависит от температуры, но факторы, контролирующие это явление, с ней тесно связаны.

Рис. 20. Зависимость показателя т в выражении а = ев'" от скорости деформации и величины зерна [67]: а — общий вид; б — сплав Sn—Pb.

/ — зерно размером 1 мк; 2 — зерно размером 4,5 мк.

ционному упрочнению. Соответствующая этому моменту степень максимальной деформации етах определяется из выражения а = = K 'EN и равна приблизительно 36% (так как показатель деформа­ ционного упрочнения N ^ 0,3). Следовательно, для сохранения устойчивой деформации при дальнейшем растяжении материал нужно отжечь, так как он не способен к деформационному упроч­ нению, — равномерно деформировать его нельзя.

При температуре, равной 0,5Т'ПЛ и более (что соответствует для большинства металлических материалов равновесию между упроч­ нением и разупрочнением), определяющим фактором становится скорость

а = К'BNè,m-

Принимая величину N постоянной, Россард теоретически пока­ зал, что если т ^ 0,5, течение устойчиво при испытаниях с постоян­ ной скоростью деформирования, а при т ^ 0,33 устойчивость может бытьдостигнута при испытаниях с постоянной скоростью деформа­ ции. Эти теоретические выводы нашли подтверждение на практике.

Из рис. 20 видно, что с увеличением размера зерен величина пг уменьшается, максимум кривой т = f (е) смещается в сторону низких скоростей деформации, а увеличение е = б находится в пря­ мой зависимости от показателя, т (рис. 21).

75

Температура, при которой наблюдается явление сверхпластич­ ности на мелкозернистых металлах, не имеющих фазовых превра­ щений, составляет 0,5—0,7 температуры плавления. Для;сверх­ пластичности превращения максимальное т и наибольшая дефор­ мация наблюдаются при температуре, близкой к точке эвтектического или эвтектоидного превращения Тп (рис. 22, заштрихованная об­ ласть).

Для получения больших деформаций методом циклического -де­ формирования [67 ] образец (с термодинамической стабильной струк­ турой) нагружают путем при­ ложения небольшого усилия и подвергают [циклическим на-

гревам и охлаждениям в пределах температур фазового превраще­ ния. При этом моменты прямого и обратного фазовых превраще­ ний сопровождаются определенной пластической деформацией. За каждый'термоцикл с нагружением в отличие от ненагруженного об­ разца происходит удлинение образца, которое вызывается меньшим сжатием при образовании одной из фаз и большим удлинением во время образования другой фазы (рис. 23). Если построить зависи­ мость суммарного удлинения 8Ц за цикл от прилагаемой нагрузки при Гц — const, то для заданного значения напряжения опр по­ лучается линейная зависимость (рис. 24):

бц = а + Ьа.

* Такая линейная зависимость является общей для опытов с ме­ таллами, обладающими, сверхпластичностью превращений, причем не только при нагружении растяжением, но также и сжатием, и кручением.

На явление сверхпластичности оказывает влияние изменение температурного интервала (о = const). Если поддерживать постоян­ ным нижний предел термоцикла Гт1п и изменять температуру в большую сторону к Ггаах, то сверхпластичность превращения на-

76

ступит лишь после того, как Ттах превзойдет температуру фазового превращения Г 2 (рис. 25, а ). Если поддерживать, постоянным верх­ ний 'предел термоцикла Tmax и определять суммарное удлинение за цикл бц в зависимости от уменьшения температуры Tmln, то

максимальное удлинение за цикл обнаруживается после перехода через температуру фазовогопревращения Т г (рис. 25, б ).

После определенного количества циклов теплосмен получают большую суммарную деформацию (рис. 26) как для металлов с фа-

а)

зовым превращением, так и для металлов, имеющих очень мелкое зерно. Однако в последнем случае отсутствует ярко выраженная зависимость напряжения течения (сопротивления деформированию) от скорости деформации и величины зерна. ^

Для сверхпластичности превращения существует такой крити­ ческий интервал температур, превышение которого уже не приводит к снижению прочности, а вызывает некоторое ее повышение. Это

77

обусловлено тем, что температура испытания превышает температуру фазового превращения; явление увеличения прочности называют «инверсией» прочности. Наибольшие значения коэффициента чув­

которые несколько ниже температуры начала фазового превращения. Доказательства о возможности практического получения высо­ ких показателей пластичности при ползучести под облучением дают эксперименты, проведенные Никольсом [68] на сплаве циркалои. При температуре около 0,3Гпл в интервале напряжений между пределами текучести облученного и необлученного металла наблю­ дается сверхпластичность в условиях ползучести под действием нейтронного облучения. Предполагается, что механизм, контроли­ рующий деформацию в этом состоянии, представляет собой явление ускоренного восхождения дислокаций при облучении металла, состоящего из скоплений дислокаций вблизи препятствий, возник­ ших при нейтронном облучении. Многоплановость и сложность механизма „ползучести при воздействии нейтронного облучения также подтверждается и другими данными, полученными этим

автором.

О ПИСАНИ Е ФЕНО М ЕНОЛОГИЧЕСКО ГО ПОВЕДЕНИЯ С В Е Р Х П Л А С Т И Ч Н Ы Х МАТЕРИАЛОВ

Деформацию при сверхпластичности, характеризуемую Р. Ко­ том и Ф. Вайсом как ползучесть с высокой скоростью при напря­ жениях ниже предела текучести, можно описать известным урав­ нением второй стадии ползучести:

Для описания поведения сверхпластичных металлов можно использовать коэффициент чувствительности сопротивления дефор­ мации к изменению скорости деформации.

Установлено, что при растяжении в условиях сверхпластичного течения локальное уменьшение поперечного сечения отсутствует в том случае, если усилие, необходимое для продолжения деформа­ ции, оказывается в ослабленном сечении выше, чем в соседнем не­ ослабленном. Действительно, пусть при одноосном растяжении в момент времени і = t0 образец имеет равномерную по всей своей длине площадь поперечного сечения F0, за исключением небольшого участка, имеющего утолщение площадью F0 + ÖF0. Напряженное состояние будем рассматривать как линейное, действием радиальных составляющих напряжений пренебрегаем вследствие их малости, деформацией в зоне утолщения тоже можно пренебречь по сравне­ нию с деформацией остальной части. Тогда, учитывая, что изменения объема не происходит:

78

<

можно записать скорость деформации в равномерной зоне равной

Так как сила, действующая на образец, имеет одну и ту же ве­ личину по всей длине, ослабление за счет сокращения поперечного

- получим выражение

(8)

которое называют условием устойчивой равномерной (без образова­ ния шейки) деформации образца при растяжении.

Следовательно, в силу условия (8) шейка не будет развиваться, если величина ба/бе или в дифференциальном виде da/d& будет стремиться к бесконечности. Другими словами, металл будет на­ ходиться в состоянии сверхпластичного течения, когда приложенное внешнее усилие вызывает в образце высокие внутренние напряже­ ния, не зависящие от приложенной силы.

В то же время, если принять коэффициент чувствительности т постоянным, то для утолщенной зоны закон поведения (1) полу­

Из выражения (11) следует, что при m < 1 должна возникать шейка, которая при этих условиях будет развиваться со ско-

79

щению или замедлению развития шейки способствует не только увеличение напряжения в зоне шейки у сверхпластичных металлов, но и сама нестабильность процесса деформирования, когда скорость утонения образца становится наибольшей в наиболее узком сечении.

Другими словами, отсутствие шейки объясняется тем, что при растяжении образца в точке зарождения шейки возрастает местная скорость деформации, что приводит к упрочнению металла в этом месте и форсированному росту напряжений. Вследствие этого де­ формация переместится к местам с меньшей прочностью, и толщина этого участка станет равной толщине других участков образца. Частичное вязкое поведение сверхпластичных металлов не задержи­ вает момент возникновения неравномерности деформации при растя­ жении, но замедляет скорость ее развития. Если металл деформи­

Из этого выражения, пренебрегая неравномерностью деформации по длине и учитывая условие (2) — постоянство объема при дефор­

или

Отношение bF/F называют, мерой неоднородности или степенью развития шейки. Если допустить, что развитие шейки про­ исходит на два порядка быстрее, чем равномерной деформации, т. е. bF/F — 1006E0/F 0, то выражение (9) можно использовать для расчета'относительного удлинения по данному значению т. В этом случае максимальное удлинение епіах будет выражаться [58]:

Если деформация происходит при постоянной температуре и неизменной структуре металла, то в дополнение к выражениям (8) и (10) напряжение течения можно выразить так:

(17)

где в = f {г, е).

80

\

Из выражений (8), (10) и (17) следует, что растяжение образца целесообразно подразделять на три участка. Первый участок — участок равномерного удлинения, который заканчивается, когда da/de = er. На этом участке все случайные колебания деформации выравниваются вследствие упрочнения металла. Третий участок—■ образование шейки. Здесь на небольшом участке образца концен­ трируется весь процесс деформации, а остальная часть образца остается жесткой. Второй участок — участок, на котором возможны конечные колебания степени деформации без образования шейки

иразрыва. Этот участок и называется областью сверхпластичности.

Вэтой области образец деформируется неоднородно, возникают колебания деформации, которые, однако, выравниваются,.так как

напряжение течения находится в определенной зависимости (1) от скорости деформации и вследствие этого шейка не образуется. Величина колебаний, которые, таким образом, еще могут вырав­ ниваться, прямо пропорциональна

При малых значениях rn = (0,05ч-0,3) область сверхпластич­ ности практически незаметна. Но ее можно обнаружить по колеба­ ниям толщины образца, которые наблюдаются после равномерного удлинения перед максимальной нагрузкой и образованием шейки. Вызванное колебаниями деформации дополнительное удлинение составляет в этих случаях всего несколько процентов.

Из выражений (8), (10 и (17) вытекает, что имеются две возмож­ ности предотвращения образования шейки. У обычных металлов при холодном деформировании происходит упрочнение; однако кривизна на диаграмме растяжения daldz быстро уменьшается с уве­ личением степени деформации. В результате у обычных металлов равномерная деформация редко превышает 50%, вслед за чем насту­ пает ускоренное развитие шейки, заканчивающееся разрушением. Второй член в уравнении (17) для обычных металлов мал, так как зависимость напряжения течения от скорости деформации весьма незначительна.

Сильное возрастание напряжения . текучести с увеличением

скорости деформации (да/де > 0) наблюдается у металлов в сверх­ пластичном состоянии. Если при расФяжении образца на какомлибо участке его длины начинает образовываться поперечное суже­ ние, то пластическая деформация концентрируется на этом участке и, следовательно, уменьшается длина равномерно пластически деформируемой области по сравнению с той, которая была до мо­ мента появления шейки. При этом скорость деформации в области шейки резко возрастает. В состоянии сверхпластичности зависимость напряжения течения от степени деформации проявляется весьма

слабо (да/де —>0). Поэтому в противоположность холодной дефор­ мации с упрочнением стабилизирующая роль да/де сохраняется и