2. Влияние условий деформации, микроструктуры и состава на сверхпластичность и основные параметры процесса

СКОРОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ. Наиболее характерным признаком сверхпластичности сплава (точнее такого его состояния) является отличительный вид зависимости па­раметра т от скорости деформации .

Схематично такая зависимость для сплава в состоя­нии, склонном к сверхпластичности (кривая /) и не склонном к сверхпластичности (2), показана на рис. 292.

Зависимость для сверхпластичного состояния имеет вид кривой с максимумом, для обычного состояния — зависимость линейная.

В связи с таким видом зависимости т — ε удобно кри­вую разбить на III скоростных интервала. Сверхпластич­ность проявляется в интервале скоростей деформации вблизи максимума кривой (интервал II). Как правило, это соответствует значениям т, лежащим в интервале 0,3—0,8, и скоростям деформации 10^-4 — 10^-1 с^-1.

При скоростях деформации меньше (интервал I) и больше (интервал III) указанных величин значение т и склонность к сверхпластичности уменьшаются, а при m<0,3 материал перестает быть сверхпластичным.

Положение интервала II по шкале скоростей зависит от ряда факторов, из которых важнейшим является ве­личина зерна (см. дальше). Существенна также темпе­ратура деформации.

Менее однозначно и необычно ведет себя зависимость напряжения σ от , отражающая зависимость напряже­ния течения от скорости деформации.

Надежно установлено, что в состоянии сверхпластич­ности величина а мала. Она составляет несколько единиц МПа и даже доли единицы. Большинство авторов отмечают, что после деформации в интервале II упроч­нения материала не происходит. Предел текучести σ_0.2 материала после деформации в режиме сверхпластично­сти практически не изменяется и равен исходному зна­чению.

В отличие от этого деформация в интервале III ско­ростей деформации приводит к заметному упрочнению материала.

Рис. 292. Зависимость параметра т от скорости деформации:

1— ультрамелкозернистый сплав в состоянии, склонном к сверхпла­стичности; 2 — крупнозернистый сплав в состоянии, не склонном к сверхпластичности

Рис. 293. Влияние температуры де­формации на форму и положение кривых σ—ε сверхпластичного спла­ва Al+ 33 % Си (диаметр зерна ра­вен 7 мкм)

Связь между скоростью деформации и удлинением δ, %, проявляется через корреляционную связь между т и δ. Из данных, приведенных на рис. 291, видно, что сверхпластичность не сопровождается скачкообразным изменением δ, но связь между т и δ существует. В пер­вом приближении она имеет вид

Однако известно и много исключений, не укладыва­ющихся в эту зависимость и еще не имеющих надежно­го объяснения.

ТЕМПЕРАТУРА ДЕФОРМАЦИИ Т_Д Изменение температуры деформации резко влияет на форму и по­ложение кривой . При повышении температуры кривая смещается в сторону более высоких скоростей деформаций и меньших напряжений. На рис. 293 это показано на примере сверхпластичного сплава Al+33% Сu. На кривых для разных температур нанесены также соответствующие значения параметра т. Видно, что для сверхпластичных состояний значение т резко растет по мере повышения температуры. Так, если при 443 К (0,35 от Т_пл) m=0,10, то при 793 К (0,7 от Т_пл) m = 0,63. В отличие от этого при горячей деформации обычных (не в состоянии сверхпластичности) металлов и сплавов m увеличивается от примерно 0,02 при Т_Д = 0,4 Т_пл до примерно 0,20 при Т_Д Т_пл.

Вместе с тем вплоть до температур, близких к 0,4 Т_пл, параметр m не превышает 0,3. Это означает, что сверхпластическое поведение всегда наступает при тем­пературах выше 0,4—0,5 Т_пл, т. е. должно носить ха­рактер высокотемпературного процесса.

Связь между параметрами Т_Д σ и может быть, как и в случае ползучести, описана с помощью уравнения Аррениуса. С учетом того, что параметр m является температурно зависимой величиной, эта зависимость имеет вид

(206)

(207)

В этих зависимостях Q представляет собой эффек­тивную энергию активации процесса. Ее анализ может дать полезную информацию о механизме процесса сверх­пластического течения.

Так, по данным многих авторов, значения энергии ак­тивации Q для интервала II скоростей деформации близ­ки к значениям энергии активации граничной диффузии, а для интервала III — объемной диффузии.

Однако необходимо учитывать, что к трактовке фи­зического смысла найденных из эксперимента значений Q следует подходить с большой осторожностью. Сверх­пластичность — сложное явление, связанное с одновре­менным протеканием нескольких элементарных процес­сов, удельная роль которых зависит от многих факторов. Поэтому Q представляет собой эффективную энергию активации процесса, она характеризует температурную зависимость скорости его протекания. Значения Q находят из наклона прямой, построенной в координатах при постоянной , если пользуются зависимостью (206), или из наклона прямой в координатах при постоянном напряжении σ, если пользуются зависимостью (207).

СХЕМА ДЕФОРМАЦИИ. Весьма важным для прак­тики фактом является то, что сверхпластичность нечув­ствительна к способу деформации. Опыты, выполненные на сплавах одного состава, деформированных в условиях растяжения, сжатия и кручения, дали идентичные ре­зультаты. Но это справедливо лишь для полностью нетекстурованного материала.

Рис. 294. Влияние размера и формы зерен на эффект сверхпластичности (па­раметр m) сплавов:

a — эвтектоидный сплав Zn—Al (1 — размер зерна 0,5 мкм; 2 — 0,8; 3 — 11; 4—1,8); б — эвтектический сплав РЬ—Sn (I — равноосные зерна; II — пла­стинчатые зерна). Цифры на кривых — удлинение, %

Отмечается лишь, что условия высокого гидростати­ческого давления, затрудняющие образование трещин, должны благоприятствовать сверхпластичности и, веро­ятно, снижать температуру начала ее проявления.

ВЕЛИЧИНА ЗЕРЕН, ТЕКСТУРА, ФАЗОВЫЙ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ. Уже в первых исследованиях сверхпластичности было установлено, что обязательным условием ее проявления является ультрамелкозернис­тость структуры. Размеры кристаллитов должны быть меньше 10 мкм, притом чем меньше, тем лучше. Имен­но мелкозернистость ответственна за необычно резкую чувствительность напряжения деформации σ сверхпластичных материалов к скорости деформации . Не менее важную роль играет и форма зерен. Пластинчатая фор­ма зерен даже при сохранении малости размеров сни­мает эффект сверхпластичности. Резкое влияние этих двух факторов иллюстрируют зависимости, приведенные на рис. 294. Увеличение размера зерен от 0,5 до 1,8 мкм смещает область высоких значений т (интервал II) к ско­ростям деформации, на три по­рядка меньшим. Если же час­тицы размером примерно 2,5 мкм вместо равноосной имели пластинчатую форму, то сверхпластичный сплав, имеющий при равноосной фор­ме зерен удлинение примерно 1500%, становится обычным с максимальным удлинением около 70%. Такое резко отри­цательное влияние пластинча­той формы, видимо, связано с тем, что она облегчает форми­рование трещин уже на на­чальных стадиях процесса те­чения металла, что и приводит к потере сверхпластичности. Следует отметить, что вли­яние размера зерна d на на­пряжение сверхпластическо­го течения σ_сп противоположно влиянию на предел текучести в условиях обычной деформации и имеет вид

где а — коэффициент, близкий к единице; вместо по зависимости Холла — Петча (см. гл. V).

Рис. 295. Влияние температуры деформации на напряжение сверхпластического течения об­разцов сплава Zn + 22 % Аl с величиной зерна 1,1 (1), 2,5 (2) и 4,5 мкм (3). Х.Р — хрупкое разрушение

Это различие очень хорошо видно из данных о влия­нии температуры деформации на σ_сп образцов класси­ческого сплава Zn+22% Al с разной величиной зерна — от 1,1 до 4,5 мкм (рис. 295). Ниже 0,4 Т_лл величина а_сп тем больше, чем меньше размер зерна, выше 0,4 T_пл — чем больше размер зерна. Температура, при которой из­меняется характер зависимости , является тем­пературой перехода в сверхпластичное состояние.

Первые результаты по сверхпластичности были полу­чены на эвтектоидных и эвтектических двухфазных спла­вах. В результате длительное время полагали, что на­личие двух фаз является также одним из условий сверх-. пластичности.

Однако позднее сверхпластичность была обнаруже­на не только на двухфазных сплавах, но и на однофаз­ных и даже на чистых металлах, хотя в последнем слу­чае величина δ была заметно ниже, чем в эвтектических сплавах, но заметно выше, чем в условиях обычной де­формации.

Особенностью двухфазных сплавов является то, что наряду с малоугловыми и болыпеугловыми границами зерен в пределах данной фазы в них имеются и границы между разными фазами — так называемые межфазные границы, которые являются барьерами для роста зерен в пределах данной фазы за счет друг друга, т. е. тормо­зят рекристаллизацию.

Отсюда следует, что основная роль частиц вторых фаз сводится к тому, что они препятствуют росту зерен в процессе сверхпластического течения, т. е. обеспечива­ют стабильное сохранение ультрамелкозернистости ос­новной фазы.

Ясно, что такую роль могут играть только частицы таких фаз, которые сами являются термически высоко­стабильными и не склонными к коагуляции при темпе­ратуре деформации. Это значит, что температура плавления второй фазы не может быть ниже ос­новы.

Важное значение для двухфазных сплавов имеют форма зерен обеих фаз и их распределение. Зерна каж­дой из фаз должны быть по форме близки к равноос­ным и равномерно распределенными. Как показал впер­вые А. А. Бочвар, чтобы обеспечить максимальное удли­нение, обе фазы должны занимать примерно равные объемы. В этом случае число граничащих между собой зерен одной и той же фазы будет минимальным и, следо­вательно, условия для роста зерен путем рекристаллиза­ции будут наименее благоприятными (см. гл. VII).

Такой подход хорошо объясняет, почему на чистых металлах и однофазных сплавах не удается добиться такой высокой сверхпластичности, как в двухфазных. Это, видимо, связано с тем, что в отсутствие стабилиза­торов размер зерна при длительных высокотемператур- ных операциях сверхпластической деформации укрупня­ется путем рекристаллизации. Результаты экспериментов подтверждают это. Но, видимо, сводить роль частиц вто­рой фазы только к роли стабилизатора микроструктуры тоже нельзя. На двухфазных сплавах железа, сплавах А1—Si и т. д. было установлено, что, несмотря на сохра­нение мелкозернистости и высокие значения параметра т, образцы разрушались после растяжения на 200— 300%. Причиной этого оказались трещины, образую­щиеся на межфазных границах. Особенностью частиц вторых фаз в этих сплавах была их неодинаковая пла­стичность.

Таким образом, частицы второй фазы, кроме собст­венной устойчивости против коагуляции, необходимой для выполнения роли стабилизатора, должны еще обла­дать высокой пластичностью, близкой к пластичности основной фазы.

В атомном механизме сверхпластичности важную роль, видимо, играет скольжение по межфазным грани­цам. Поэтому при большом количестве второй фазы должны иметь существенное значение структура меж­фазных границ и скорость диффузии по этим границам по сравнению с межзеренными внутрифазовыми грани­цами.

Роль легирующих примесей, входящих в твердый рас­твор, изучена мало. В большинстве своем двойные спла­вы, в которых обнаружена сверхпластичность, содержат элементы с близкой температурой плавления и диффу­зионными характеристиками. Но имеется и много исклю­чений из такой закономерности.

По этим же данным чистота исходных материалов не оказывает какого-либо заметного влияния на сверхпла­стичность.

Вопрос об анизотропии сверхпластичности, о связи ее с текстурой матрицы, а также об изменении этой тек­стуры при сверхпластической деформации, несмотря на его значение для понимания механизма процесса, иссле­дован недостаточно.

На предварительно прокатанных сплавах Zn+0,4% Al, Sn+38% Pb, а также алюминиевой бронзе установлено, что образцы, вырезанные под разными уг­лами к направлению прокатки, отличаются по величине параметра т и максимальному удлинению. Степень различия зависит от скорости деформации и максимальна в том интервале, в котором максимален коэффици­ент т.

О. А. Кайбышевым на образцах сплава Zn+22% A1, предварительно прокатанных по разным режимам, было установлено, что у прокатанных, но не текстурованных образцов (текстура снималась динамической рекристал-. лизацией) анизотропия σ и δ отсутствует. В текстурован­ных образцах σ также не зависит от направления, но меньше по абсолютной величине, чем у нетекстурованных. Резко анизотропной стала пластичность δ, %. В направлении прокатки δ возросло от 950 до 1200%. Под углом 45° оно составило 1000%, а под 90° только 730%.

Наиболее существенным и, видимо, достоверным представляется следующий факт, установленный рядом авторов: при сверхпластической деформации с оптималь­ными скоростями, соответствующими максимуму т и б (т.е. скоростному интервалу II, см. рис. 292), обнару­живается ослабление (А1+33% Си, СuА1₂) исходной тек­стуры.

В отличие от этого при деформации с большими ско­ростями (интервал III)' в некоторых случаях обнаруже­но усиление текстурованности образцов.

Практическое значение имеют и следующие факты. Эффект сверхпластичности в прокатанном (текстурованном) сплаве наблюдается в более широком интервале скоростей деформации. Даже при =3,6-10° с^-1, т.е. при скорости, близкой к скорости обычной деформации, относительное удлинение составляет 150%.

Кроме того, снижение напряжения течения σ в текстурованном материале столь заметно, что даже может перекрыть влияние размера зерна. Так, в прокатанном сплаве с размером зерна d=1 мкм величина σ оказыва­ется меньше, чем в закаленном (нетекстурованном) сплаве с d=0,5 мкм.