4.3. Сверхпластичность металлов и сплавов

Под сверхпластичностью понимают способность металла к значительной пластической деформации (δ = 10²-10³ %) в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию (10⁰ -10¹ МПа). Существуют следующие разновидности сверхиластичности.

1. Структурная, которая проявляется при температурах > 0,5 Т_пл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации (10^-5-10^-1 с^-1).

2. Субкритическая (сверхпластичность превращения), наблю­дающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, поли­морфных.

Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластич­ности.

Сверхпластичность 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 σ к изменению скорости деформации ε: σ = kε^т, где k – коэффициент, зависящий от струк­туры и условий испытания; т – показатель скоростной чувстви­тельности напряжения течения.

Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел m = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации m < 0,2, а в условиях сверхпластической деформации m > 0,3 (обычно 0,4-0,7).

Когда при сверх пластической деформации начинается образо­вание шейки, в этом участке образца возрастает е и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению о, 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 1:1; 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 циклоалюминие­вый сплав ЦА22 (22 % А1), титановые α+β-сплавы, двухфазные α+γ'-сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав, состоя­щий из α-раствора и дисперсных частиц Al₃Zr, 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.