3. Основные особенности атомного механизма сверхпластичности

Выяснение атомного механизма сверхпластичности яв­ляется необходимым условием обоснованного выбора оптимальных технологических режимов сверхпластичес­кой деформации, состава сплавов и их исходного струк­турного и фазового состояния. Выяснение механизма процесса принципиально важно также для физики пла­стичности вообще.

На представления об этом механизме процесса нало­жило вначале отпечаток то обстоятельство, что сверх­пластичность была впервые обнаружена и относительно длительное время изучалась только на двухфазных спла­вах. Однако позднее, как было отмечено, сверхпластич­ность была обнаружена и на однофазных сплавах, и да­же на чистых металлах.

Пластическое течение в условиях повышенных тем­ператур и малых скоростей в соответствии с существу­ющими представлениями, рассмотренными в гл. III и IX, может включать в себя в общем случае следующие ме­ханизмы: дислокационные — скольжение и переполза­ние, диффузионный направленный массоперенос (диф­фузионную ползучесть) и скольжение соседних зерен друг относительно друга (зернограничное скольжение).

Перечислим факты, которые необходимо учитывать при анализе возможной роли каждого из этих механиз­мов: 1) сверхпластичность проявляется чаще всего в ультрамелкозернистом состоянии, причем не только в двухфазных сплавах, но даже в чистых металлах. Од­нако на двухфазных сплавах, как правило, удается до­биться более высокой пластичности; 2) процесс проте­кает с малой скоростью; 3) напряжение течения в усло­виях сверхпластичности (интервал II): а) необычно резко чувствительно к скорости деформации, причем зави­симость и соответственно величины т носит экстремальный характер; б) уменьшается с уменьшени­ем величины зерна); 4) в процессе сверхпластичного течения, несмотря на очень большую степень дефор­мации, зерна остаются равноосными или слегка вытяги­ваются в направлении деформации, плотность дислокаций в зернах почти не изменяется, дислокационные скоп­ления, в том числе у границ зерен, не возникают, соот­ветственно упрочнение материала очень мало. В отли­чие от этого деформация в скоростном интервале III сопровождается увеличением плотности дислокаций и упрочнением.

5. Наличие текстуры в исходном состоянии влияет на величину σ, но особенно на удлинение δ, %. Последнее становится анизотропным. Кроме того, характер тексту­ры в процессе пластического течения изменяется.

Механизмом диффузионной ползучести нельзя объяснить скоростную зависимость параметра т. Роль диф­фузионной ползучести должна возрастать с уменьшением скорости деформации. Поэтому пластичность и параметр т должны были бы монотонно расти с уменьшением ско­рости деформации, тогда как в действительности эти ха­рактеристики с уменьшением , пройдя через максимум, начинают снижаться.

Скорость деформации , основанная на классичес­кой модели диффузионной ползучести с учетом данных Набарро — Херринга, выражается так:

где — атомный объем; и — коэффициенты объемной и граничной диффузии; δ — ширина границы зерна; d — размер зерна; п-—эмпирическая постоянная.

Однако скорость деформации, рассчитанная на осно­вании теории диффузионной ползучести; оказывается для очень многих случаев на один — два порядка мень­ше, чем наблюдаемая экспериментально.

Наконец, диффузионная ползучесть не в состоянии объяснить текстурные изменения.

Большинство данных свидетельствует о том, что важ­нейшую роль в оптимальных условиях сверхпластично­сти (интервал II) играет зернограничное скольжение.

А. А. Бочвар уже в первых публикациях (1945— 1946 гг.) высказал предположение о том, что сверхпла-стичнбе течение должно включать два процесса: а) межзеренное перемещение [позднее этот процесс был наз­ван зернограничным скольжением (ЗГС)]; б) залечи­вание микронесплошностей -(субмикропор), возникающих по границам зерен в процессе зернограничного скольжения. Позднее этот процесс, обеспечивающий це­лостность материала и приспособление поверхностей гра­ничащих кристаллитов и осуществляемый диффузион­ным массопереносом в поле напряжений (диффузион­ной ползучестью), был назван аккомодационным.

В двухфазных сплавах, по мнению А. А. Бочвара, диффузионный массоперенос реализуется «растворноосадительным» механизмом (растворением пригранич­ных объемов зерен одной фазы в приграничных объе­мах соседних зерен второй фазы, диффузией через объ­ем зерен этой второй фазы и осаждением на других зернах первой фазы), в однофазных сплавах (чистых ме­таллах) — рекристаллизационным ростом за счет на­правленного движения вакансий.

Позднее эти предположения были подтверждены экс­периментально, а представления об атомном механизме ЗГС развиты в работах ряда авторов, среди которых сле­дует выделить Эшби и Вералла.

Рис. 296. Смещение царапин, предварительно нанесенных на полированную поверхность образца в результате сверхпластического течения

Роль процессов, протекающих на границах зерен, усиливается тем, что ультрамелкозернистость является важнейшим условием проявления сверхпластичности. Эта роль должна возрастать с повышением температуры.

Факт зернограничного проскальзывания подтверж­ден экспериментально металлографическими наблюде­ниями многих авторов. Об этом свидетельствует, в част­ности, то, что царапины, нанесенные на предварительно отполированную поверхность образцов и проходящие до деформации как прямые линии через несколько зерен, после сверхпластического течения оказываются состоя­щими из отдельных отрезков, прямых в пределах от­дельных зерен, но наклонно смещенных друг относительно друга при переходе от одного зерна к другому (рис. 296).

С использованием просвечивающей электронной мик­роскопии толстых фольг установлены взаимные смеще­ния и развороты соседних зерен и даже смена зерен-со­седей.

Рис. 297. Модель сверхпластической деформации Эшби и Вералла

Полуколичественные оценки показали, что максимум деформации, обусловленный ЗГС, наблюдается в том же интервале скоростей деформации, в котором наблюдается и максимум параметра т, и составляет до 60—70% от общей деформации образца. Эшби и Вералл предло­жили модель сверхпластической деформации, в которой определяющая роль принадлежит зернограничному скольжению, согласуемому с параллельно протекающей диффузионной аккомодацией. Схема модели показана на рис. 297, на котором приведено положение четырех зерен в начальном (рис. 297, а), промежуточном (рис. 297,б—г) и конечном (рис. 297,д) состояниях.

В процессе деформации зерна отходят друг от друга (см. зерна 3 и 4)*. Соседние зерна перемещаются не па­раллельно, а по перпендикулярным траекториям (зерна 1 и 2 перемещаются перпендикулярно направлению перемещения зерен 3 и 4) и вращаются при передвижении. Важной особенностью является то, что течение материа­ла происходит неравномерно.

Переход зерен из начального в конечное положение включает в себя процессы: а) ЗГС — зерна передвига­ются сдвигом друг относительно друга в плоскости гра­ницы. Этот сдвиг значительно больше, чем в модели диффузионной ползучести; б) диффузионный перенос по нормали к границе объемной и граничной диффузией. Пути диффузии, как видно из схемы на рис. 297, г, не­велики (примерно 0,3d), а смещаемый объем составля­ет примерно ≤25% объема зерна; в) изменение вели­чины поверхности зерна — площадь межзеренных гра­ниц увеличивается при переходе в промежуточное состояние.

Это и обеспечивает увеличение скорoсти течения при­мерно на порядок по сравнению с равномерным течени­ем по механизму диффузионной ползучести.

Выражение для скорости течения по модели Эшби и Верталла имеет вид

(208)

где — зернограничная энергия.

Механизмом, конкурирующим с рассмотренным по мнению Эшби и Вералла, является дислокационная пол­зучесть, включающая консервативное скольжение и пе­реползание дислокаций.

Скорость течения дислокационной ползучестью выражается так:

(208)

где — энергия активации дислокационной ползучести. Итоговая скорость течения может быть выражена суммой .

На рис. 298 приведены результаты расчета нормали­зованного напряжения σ/G и показателя скоростного уп­рочнения т от скорости деформации для свинца по за­висимостям (208) и (209). Кроме того, показан вклад разных механизмов течения в зависимости от скорости деформации.

На рис. 299 приведены результаты оценки вклада разных механизмов деформации, выполненные И. И. Новиковым и В. К Портным для сплава Zn+22% A1 при разных скоростях растяжения.

Эти данные дают основание считать, что в оптималь­ных условиях сверхпластического течения (интервал II) основной вклад в суммарную деформацию вносит ЗГС, согласованное с диффузионной аккомодацией. При меньших скоростях деформа­ции (интервал I) возра­стает роль диффузионной ползучести, при больших скоростях (интервалIII) — дислокационная ползучесть.

Рис. 298. Расчетная зависимость нор­мализованного напряжения σ/G и па­раметра т от скорости деформации при θ=0,5 и величине зерна а=1 мкм (по Эшби и Вераллу):

1 — преобладает диффузионная ползу­честь; 2 — вклад двух механизмов; 3 — преобладает дислокационная ползу­честь; 4 — вклад дислокационной пол­зучести; 5 — m_max=0,9); 6 — пороговое напряжение

Рис. 299. Вклад разных механиз­мов деформации в растяжение сплава Zn + 22 % А1 (δ = 20%) при разных скоростях растяжения:

1— зернограничное скольжение; 2— диффузионная ползучесть; 3—внут-ризеренное дислокационное сколь­жение

С увеличением размера зерна (в пределе 0,5— Юмкм), с понижением температуры и увеличением ско­рости деформации возрастает вклад дислокационной ползучести.