лировании в пределах температурной амплитуды, включающей интервал температур превращения; при фиксированной температуре вблизи температурного интервала превращения. Таким образом, температура деформируемого материала, так же как и его структура, претерпевает значительные изменения при деформации в режиме сверхпластичности, связанной с фазовым превращением.

Скорость деформации для обеспечения состояния структурной сверхпластичности должна быть, с одной стороны, достаточно малой, чтобы успевали в полном объеме протекать диффузионные процессы, участвующие в деформации, с другой стороны, достаточно высокой, чтобы в условиях повышенных температур не допустить значительного роста зерен. Поэтому оптимальный интервал скоростей деформации, соответствующий структурной сверхпластичности, зависит от исходного размера зерна: для материалов с ультрамелкозернистой структурой (УМЗ) {L. - 1... 10 мкм) он находится в пределах 10 .. 10 - с~, для материалов с субмикронным зерном (СМЗ) (Z.p = 0,1...1 мкм) - 10 -...Ю с~, для материалов с нанокристаллической структурой (НК) (1,р = 10...100нм) - 10 ...10 с , а для аморфных материалов по некоторым данным доходит до 10-...10 с .

Реология сверхпластичных материалов

Вязкое поведение сверхпластичных материалов может быть описано реологической моделью упруговязкопластической среды [35]. Для описания течения этих материалов в неограниченно широком интервале скоростей деформации была принята концепция, согласно которой напряжение течения при скоростях деформации, стремящихся к нулю, асимптотически приближается к значению порогового напряжения (1-й участок кривой сверхпластичности), а при скоростях деформации, стремящихся к бесконечности, асимптотически приближается к значению предела текучести (3-й участок кривой сверхпластичности). Между 1-м и 3-м участками находится 2-й участок, соответствующий собственно сверхпластической деформации. При этом зависимость скорости деформации от напряжения выражается следующим уравнением:

(5.5)

где и Og - переменные значения интенсивностей скоростей деформации и напряжения соответственно; - коэффициент, чувствительный к структуре материала и температуре деформации, - экспонента

1е = e.explCo, - 0,)1

,1 /

где и о - значения интенсивностей скорости деформации и напряжения, соответствующие эквикогезивному состоянию структуры деформируемого материала (при данной температуре эти величины не зависят от размера зерен деформируемого материала, а точка с этими координатами на кривой (а), по-видимому, является верхней границей сверхпластического состояния); S - структурный параметр, определяющий размер и форму зерен.

Из уравнений (5.5) и (5.6) можно получить выражение для коэффициента в следующей форме:

(5.7)

Выражение для сдвиговой вязкости вязкого элемента модели можно получить из уравнения (5.7) с учетом уравнения (5.4) в следующем виде.

1 а.

(5.8)

Разновидности сверхпластичности. Сверхпластичные материалы

Два отмеченных выше типа сверхпластичности (ССП и ФПСП) характеризуются различными структурными и реологическими особенностями в зависимости от вида деформируемого материала, что позволяет говорить о различных видах сверхпластичных материалов (табл. 5.6).

Ниже рассмотрены особенности проявления указанных типов сверхпластичности применительно к наиболее распространенным видам конструкционных материалов.

скорости деформации в уравнении, описывающем вязкий элемент модели (о = К.Л ). Весьма важной особенностью предложенной модели является то, что ее реологические параметры а, о, и не зависят от скорости деформации.

Для учета эволюции структуры материала в процессе сверхпластической деформации в условиях изменяющейся температуры используется следующая форма зависимости скорости деформации от напряжения [37]:

(5.6)

Таблица 5.6. Виды сверхпластичных материалов (СПМ)

Вид СПМ

Поликристаллические

металлические

материалы:

УМЗ сплавы

СМЗ сплавы

НК сплавы

Аморфные сплавы Керамики Композиты:

Метал, матрица

Керам. матрица

Интерметаллиды

Полиморфные металлы и сплавы

Размер зерна, мкм

1,0...10,0 0,1...1,0 0,01...0,1 Нет зерен 0,1...1,0

0,1...10,0 0,1...1,0 1,0...20,0 Не влияет

0,4...0,6 0,5...0,7 0,6...0,8

1,0 0,5...0,7

>0,5 0,5...0,7 0,5...0,7

10 ...10-3 10-3...10- 10-...10 >10 (до 10) 10-...10

10...10- 10-..10 10-... 10-3

Пропорциональна скорости превращения

Структурная единица массопереноса

Зерно Зерно Зерно Атом Зерно

Зерно Зерно Зерно Атом

Тип СП

ССП ССП ССП ССП ССП

ССП ССП ССП ФПСП

Структурная сверхпластичность (ССП)

ССП поликристаллических материалов со средним размером зерен от 1 до 10 мкм является объектом наиболее обширных исследований на протяжении четырех последних десятилетий. Сверхпластичность материалов с субмикронными (0,1...1 мкм) и наноразмерными (10...ЮОнм) зернами стала известной сравнительно недавно. Тем не менее в отношении ССП остается ряд вопросов, вызывающих дискуссии, касающиеся природы этото состояния. Они связаны с выяснением природы и оценкой значений основных реологических параметров модели, а именно, порогового напряжения о, показателя скоростной чувствительности т, параметров эквикогезивного состояния (о и ) и предела текучести о.

Основная концепция, положенная в основу при объяснении природы порогового напряжения, приводит к необходимости допущения существования так называемого подпирающего или внутреннего напряжения, которое, следуя положениям механики вязкопластического течения, представляет собой напряжение равновесия в чувствительном к скорости (времени) материале как предел при стремлении скорости деформации к нулю. Значения порогового напряжения вместе с данными по температурам испытаний и размеру зерен для некоторых ССП сплавов приведены в табл. 5.7.

Таблица 5.7. Значения порогового напряжения оц для некоторых ССП сплавов

Из данных таблицы очевидно, что пороговое напряжение возрастает с уменьшением температуры испытания и размера зерен. За существование порогового напряжения ответственны сегрегации атомов примесей по границам зерен, препятствующие движению дислокаций.

Природа вязкого течения материалов, характерного для ССП, связана с диффузионным массопереносом по границам и вблизи границ зерен, С реологической точки зрения, вязкое течение может быть приписано квазижидкой фазе, располагающейся по границам зерен деформируемого материала. Термодинамический подход позволяет показать возможность формирования квазижидкой фазы по границам зерен мелкозернистых металлов и сплавов в процессе сверхпластической деформации. В представленной выше реологической модели поведение этой фазы моделируется вязким элементом, который, согласно уравнению (5.4), характеризуется сдвиговой вязкостью т) = К~/1>. Значения г, вычисленные по уравнению (5.4) для оптимальных температур сверхпластической деформации ССП материалов, представлены в табл. 5.8.

Таблица 5.8. Значения сдвиговой вязкости некоторых ССП сплавов

Сплав

А1-33% Си А1-33% Си Al-Zn-Mg-Cu (7475) Ti-6%A1-4%V (ВТбс) Ti-6%A1-4%V (I М1318) Fe-l,55%C-l,66%Cr-5,2%Al

(5.9)

где г, - вязкость жидкой фазы по границам зерен; - объемная доля жидкой фазы (/ ; 1). Взяв для сплава Ti-6 % Al-4 % V из табл. 5.7 значение т) и приняв для этого МЗСП сплава со средним размером зерен 1 мкм значение = 1,34-10 -, можно, воспользовавщись уравнением (5.9), легко подсчитать значение ri которое в данном случае окажется равным 12,0 Па-с. Оценка вязкости расплава титана, переохлажденного до 1173 К, с помощью уравнения Аррениуса г\{Т) = щехр{Е/ЯТ) дает т(77 - 3,6- 10 Па-с. Разница между значениями г, и более чем в два порядка показывает, что в данном случае материал границ зерен не может рассматриваться как простая вязкая жидкость. Следуя концепции жидкообразного поведения фаниц зерен, полученную разницу можно объяснить тем, что в данном случае жидкая фаница не

Скорость деформации, с

Ю 10- 10 Скорость деформации, с

Рис 5.34. Влияние скорости деформации на напряжение течения сплава Ti-6%A1-4%V Гпп п тепературе 1173 К и размере зерен, мкм: 1,5 (/), 3,6 (2) 7 0 (3) (а)

и постоянном размере зерна 1,5мкм и температурах, К: 1213 (/), 1173 (2), 1133 (3) (б)

Как видно из таблицы, они группируются в пределах сравнительно узкого интервала, охватывающего два порядка. Как термоактивируемый параметр, сдвиговая вязкость существенно зависит от температуры и размера зерен деформируемого материала. С другой стороны, из анализа ползучести материала, состоящего из двух реологически различных фаз, а именно, твердых зерен, окруженных оболочкой вязкой матрицы [38], результирующая вязкость этого композита tj может быть вычислена с помощью следующего уравнения:

является непрерывной, а чередуется с участками, находящимися в твердом состоянии.

Верхний предел, к которому стремится напряжение течения ССП материалов при высоких скоростях деформации, имеет смысл не чувствительного к скорости деформации предела текучести о, характеризующего не зависящую от времени пластическую деформацию. Его значение может быть получено из экспериментальных данных путем экстраполяции. Параметры эквикогезивного состояния о и могут быть определены по точке пересечения кривых а() ССП сплава, соответствующих различным размерам зерен. Для большинства ССП сплавов

Прещюженная реологическая модель бьша успешно использована для описания поведения ряда ССП сплавов на основе алюминия, титана и железа в процессе деформации, сопровождавшейся изменением структуры и температур. Вычисленные кривые а() показывают хорошую сходимость с экспериментальными данными (рис. 5.34).

Высокоскоростная сверхпластичность (ВССП)

Состояние ВССП в реологическом отношении аналогично состоянию ССП [36]. Основное различие между ними заключается в скоростях деформации. Обычная ССП, как известно, проявляется при скоростях деформации от 10 до 10 - с~. ВССП получена при скоростях деформации до 10 с~ и уже предсказана возможность ВССП при скоростях деформации 10... 10 с . При примерно одном и том же уровне напряжений теченгш, как при ССП, сдвиговая вязкость материала при ВССП на несколько порядков ниже, чем при ССП, за счет увеличения скорости деформации. Наиболее реалистичное объяснение этому, предложенное Хигаши [36], состоит в признании факта существования при высоких температурах изолированной жидкой фазы по фаницам зерен или жидких фаниц зерен как одного из возможных механизмов аккомодации зернофаничного проскальзывания.

Присутствие жидкой фазы на фаницах зерен ВССП сплавов объясняется рядом причин. Одной из них является температура, при которой проявляется ВССП. Для сплавов на основе алюминия, полученных плавлением (IM), механическим легированием (МА), а также композитов с металлической матрицей (ММС), т. е. тех, которые демонстрируют ВССП, температуры деформации находятся в узком интервале от 0,97 Г, ДО Т. Кроме того, заметный адиабатический нафев в результате высоких скоростей деформации и субмикронный размер зерен ВССП спла-