» » Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов
28.01.2015

На рис. 1 показаны гильза, полученная обратным прессованием, и узорчатый сосуд, изготовленный из нее за одну операцию методом газовой вытяжки под действием сжатого воздуха давлением 2,1 Mн/м2 (21 атм). Материалом гильзы являлся сплав 78% Zn+22% Al с размером зерна примерно 0,5 мкм. Использование такой технологии стало возможным, благодаря сверхпластичным свойствам этого сплава со сверхмелким зерном. В статье рассмотрено применение сплавов со сверхмелкозернистой структурой, обладающих сверхпластичными свойствами, в технологии указанного типа.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Интерес к явлению сверхпластичности непрерывно растет (рис. 2). Однако в США до 1962 года не было опубликовано ни одной работы по данному вопросу. Исследования проводились лишь в Англии, ГДР и СССР. Впервые явление, которое теперь называют «сверхпластичностью», наблюдал в 1934 году в Англии Пирсон. Он обнаружил, что эвтектический сплав Bi—Sn с мелкозернистой структурой может вытягиваться при испытаниях на растяжение до необычно высоких значений удлинения (2000%). В то время казалось, что работа Пирсона не найдет никаких технологических приложений. Столь необычное явление в то время рассматривалось лишь в Качестве доказательства гипотезы аморфности металлов. Позднее, в 1945 г., Зауэрвальд в ГДР сообщил о высокой пластичности при растяжении ряда сплавов Al—Zn и запатентовал несколько составов таких сплавов. В это же время или, возможно, несколько ранее советские исследователи Бочвар и Свидерская также отметили способность сплавов Al—Zn значительно удлиняться при растяжении. Их работа и работы других советских исследователей были изложены Андервудом в его обзоре. В 1964 г. в США появилась первая оригинальная работа по этому вопросу. В ней Бэкофен, Тэрнер и Эвери подтвердили свое предположение о том, что необычная способность сверхпластичных сплавов вытягиваться при растяжении является следствием высокой чувствительности напряжения течения этих сплавов к скорости деформации. Их статья явилась основанием для новых исследований в этой области, в результате которых выяснилась зозможность практического использования явления сверхпластичности в технологических операциях, подобных операции изготовления сосуда, показанного на рис. 1.
В статье рассмотрена сущность явления сверхпластичности, дан обзор последних экспериментов, выполненных Томсеном, Холтом и Бэкофеном по технологии формоизменения материалов в сверх-пластичном состоянии.
Два характерных признака сверхпластичности делают особенно целесообразным использование этого явления при обработке металлов давлением. Первый из них заключается в способности сверхпластичных сплавов значительно удлиняться при растяжении, второй — в их способности течь под действием низкого постоянного напряжения, без деформационного упрочнения. Бэкофен при изучении деформационной способности сплавов установил, что значительные удлинения при сверхпластической деформации обусловлены упрочнением, чувствительным к скорости деформации.
Упрочнение, чувствительное к скорости деформации

Термин «упрочнение, чувствительное к скорости деформации» означает зависимость напряжения течения материала от скорости его деформирования. Действительно, напряжение течения сплава, деформирующегося сверхпластично, сильно зависит от скорости и слабо — от степени деформации. Зависимость эта обычно выражается уравнением:
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

где σ — напряжение течение;
ε — логарифмическая скорость деформации;
К и m — параметры материала.
Параметр от называется показателем чувствительности напряжения течения к скорости деформации. Существует другое, но эквивалентное получаемому из уравнения (1), определение параметра m:
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Материал, значение m которого равно единице, называется ньютоновязким. Для сверхпластичных сплавов значения показателя m. находятся в пределах от 1 до 0,3, тогда как для обычных металлов эти значения, как правило, не превышают 0,3.
Согласно Бэкофену и др., уравнение (1) может быть использовано в качестве основы при объяснении способности сверхпластичных сплавов значительно удлиняться при растяжении. Рассмотрим локальное сечение неравномерно растягивающегося образца. Пусть А — площадь поперечного сечения образца, a F — приложенное к нему растягивающее усилие.
Тогда
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Подставляя в уравнение (1) и преобразуя, получим:
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Из равенства (4) следует, что площадь каждого поперечного сечения растягиваемого образца уменьшается со скоростью, пропорциональной множителю A1-1/m, который является обратной функцией А при m≤1 и не зависит от А при m=1. К тому же, множитель A1-1/m становится все более слабой функцией А по мере увеличения значений показателя m. Таким образом, при значениях m≤1 поперечное сечение малой площади уменьшается быстрее сечения большей площади, тогда как при больших значениях показателя m этот эффект значительно слабее. Следовательно, при высоких значениях показателя m сопротивление материала возникновению шейки возрастает и становятся возможными большие удлинения.
Это доказательство может быть более строгим, если проинтегрировать уравнение (4) при начальном условии, что поперечное сечение разрывного образца равномерно по всей длине, кроме одного сечения с отклонением от равномерности, выражаемом параметром δ и равном приблизительно единице, и при конечном условии, что разрушение образца происходит посредством разрыва в сечении с наименьшей площадью. В результате получим:
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

где εm — суммарная деформация;
ε0 — деформация при m=0.
Подобное же выражение было получено Эвери и Стюартом. На рис. 3 в координатах «удлинение — показатель m» представлен график уравнения (5) при ε0=0,4 и δ=0,99 в сравнении с экспериментальными данными, взятыми из работы Ли и Бэкофена. Ясно видна сильная зависимость удлинения от величины показателя от. Отметим, что удлинение в 200% и выше возможно при значениях m≥0,3.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Микроструктура

Чтобы практически использовать такие высокие удлинения, необходимо понимать и контролировать условия, при которых они достигаются. При континуальном, феноменологическом рассмотрении процесса деформации выявляется связь удлинения с показателем от, который, в свою очередь, связан с микроструктурой и изменениями температуры и скорости деформации посредством соотношений «структура—свойства». Далее рассмотрен характер этой связи.
Для понимания явления сверхпластичности важен и полезен ретроспективный взгляд на него, однако структурные соотношения значительно легче установить при более детальном рассмотрении.
Показатель m сверхпластичных сплавов имеет высокие значения, хотя и меньшие, чем у ньютоновязких материалов, но иногда приближающиеся к ним, и этот важный факт указывает на то, что на микроскопическом уровне должен действовать механизм деформации, близкий к ньютоновскому течению. В литературе рассмотрены такие возможные процессы: скольжение по границам зерен, дислокационный сдвиг и диффузионное течение. He вступая здесь в дискуссию о том, какой именно вязкий процесс имеет место в действительности, отметим, однако, что большинство экспериментальных результатов можно вполне удовлетворительно объяснить на основе модели диффузионного течения, которой мы и будем придерживаться.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Более того, имеется значительное количество доказательств справедливости идеи диффузионного течения. Свидетельством этого служит фотография на рис. 4, взятая из работы. На рис. 4 показаны характерные особенности процесса диффузионного течения. Наводо-роженные образцы сплава Mg+6% Zn+0,5% Zr растягивали со скоростью 2*10в-3 мин-1 при 450° С. Атомы магния при этом мигрировали от границ зерен, ориентированных перпендикулярно оси растяжения к границам, располагавшимся вдоль направления растяжения. Такое направленное перемещение атомов магния приводит к образованию зон, свободных от выделений, и обеспечивает приращение образца в направлении растяжения. Выделения гидридов в этом сплаве играли роль металлографических индикаторов диффузионного течения.
Вязкость поликристаллического тела, процесс деформации которого контролируется механизмом диффузионного течения, определяется следующим образом:
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Первое выражение характеризует вязкость материала, в котором перенос атомов осуществляется сквозь матрицу (механизм Набарро—Херринга), второе — когда перенос атомов происходит по границам зерен (механизм Кобла). Процесс диффузионного течения можно представить модельно в виде некоторого амортизатора (рис. 5,а). В этом случае зависимость log σ=f(log ε) является линейной, с коэффициентом пропорциональности К и параметром m, равными единице. Из уравнений (6) следует, что для проявления сверхпластичности необходимо мелкое зерно и высокая температура, поскольку они уменьшают вязкость и сдвигают кривую log σ=f(log ε) в сторону больших скоростей деформации.
Показатель m реальных сплавов не равен единице, поэтому диффузионное течение не может быть единственным механизмом, контролирующим процесс сверхпластической деформации. Из геометрических соображений ясно, что при деформации поликристаллического материала диффузионное течение должно сопровождаться скольжением по границам зерен, поэтому сопротивление скольжению по границам должно действовать параллельно с диффузионным течением. Модель такого процесса представлена на рис. 6, б; добавлен элемент с низкой чувствительностью к скорости деформации, например, с m=0,2. Теперь кривая выгнута вверх и показатель m. возрастает с увеличением скорости деформации. Элемент с низкой чувствительностью напряжения к скорости деформации, действующий параллельно с амортизатором, преобразует ньютоновское вязкое поведение материала в поведение типа Бингхэма.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Наконец, модель процесса сверхпластической деформации можно дополнить последовательным включением сдвигового механизма также с низким значением показателя m (например, с m=0,2), который снижал бы значения показателя m составной модели при высоких скоростях деформации. В результате функция logσ=f(logε) становится сигмоидальной, а кривая m=f(ε) приобретает максимум при некоторых промежуточных скоростях деформации (рис. 5,в). С уменьшением размера зерна вся кривая logσ=f(logε) и максимум функции m=f(ε) смещаются в сторону больших скоростей (пунктирные линии). На рис. 6 и 7 сравниваются экспериментальные кривые logσ=f(logε) и m=f(ε) для образцов сплава 78% Zn+22% Al с разной величиной зерна, получающейся при отжигах различной продолжительности.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Таким образом, при микроструктурном анализе выявляются пять практически важных моментов:
1. Величина показателя m понижается при превышении скорости деформации некоторого определенного значения, при этом сплавы становятся уже не сверхпластичными.
2. С уменьшением размера зерна этот порог смещается в сторону больших скоростей деформации.
3. Для реализации высоких значений показателя m сопротивление скольжению по границам зерен должно быть низким, в противном случае эффект Бингхэма будет маскировать процесс, подчиняющийся закону Ньютона.
4. Температура деформации должна быть как можно более высокой. Это требование зачастую противоречит пункту 2.
5. Факторы, отмеченные в пунктах 1—4, приводят к повышению либо показателя m, либо скорости деформации, при которой достигается его максимальное значение и в итоге снижают напряжение течения сплавов.
Требования, предъявляемые к микроструктуре сплавов

На основании изложенного можем сформулировать требования к микроструктуре сплавов со сверхпластичными свойствами. Прежде всего они должны быть чрезвычайно мелкозернистыми и способными сохранять такую структуру при высоких температурах. Во-вторых, такие сплавы должны быть многофазными — в этом случае стабильность размера зерна обеспечивается относительно низкой подвижностью межфазных границ.
Все сверхпластичные сплавы можно разделить на три группы:
I группа — эвтектические и эвтектоидные сплавы (Al—Zn, Al—Cu);
II группа — порошковые материалы (MgZ/C-60);
III группа — сплавы с термомеханической обработкой (Fe—Ni—Cr; сталь 1340; Sn+5% Bi).
Сплавы первого типа обладают тонкой структурой непосредственно в результате фазового превращения. Характерным примером таких сплавов может служить эвтектоидный сплав Al—Zn: закалка из однофазной области (с температур выше 275° С) дает равноосную двухфазную структуру с величиной зерна приблизительно 0,5 мкм (рис. 8). Однако структура эвтектических и эвтектоидных сплавов в литом состоянии или после фазового превращения обычно не равноосна и потому они не сверхпластичны. Так, литые эвтектики Al—Cu и Pb—Sn не сверхпластичны, а после горячей деформации, разбивающей пластинчатость и создающей тонкую равноосную структуру, сплавы становятся такими. Холт и Бэкофен объясняют отсутствие сверхпластичности у сплавов с литой или пластинчатой структурой высоким сопротивлением скольжению по границам зерен.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Сплавы второго типа (см. табл. 1), получаемые методом порошковой металлургии, могут оказаться совершенно жесткими из-за высокого сопротивления скольжению по границам. Рейни, например; установил, что порошковый сплав Mg+0,7% Zr с величиной зерна 2,8 мкм при температуре испытания 270° С оказался не сверхпластичным; показатель m был меньше 0,2. С другой стороны, показатель m порошкового сплава Mg+6% Zn+0,5% Zr с размером зерна 5 мкм при 270°С достигал значения 0,47. По-видимому, частицы окислов блокируют границы зерен порошковых сплавов и обусловливают тем самым высокое сопротивление скольжению по таким границам, но с другой стороны эти частицы способствуют стабилизации размера зерна.
Разработка новых сплавов со сверхпластичными свойствами требует слишком больших усилий и много времени, поэтому необходимо прежде всего тщательно исследовать известные сплавы с такими свойствами. В таблице представлен достаточно широкий, но не полный перечень таких сплавов — сюда не включены, например, легкоплавкие сплавы, такие как эвтектический сплав Pb—Sn.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

В последнем столбце этой таблицы дано значение скорости деформации сплавов, при которой показатель m=0,3 и выше которой он становится меньше 0,3. Сделано это для того, чтобы отметить, что определяющим, практически важным фактором сверхпластического формоизменения является скорость деформации. При значениях m=0,3 можно ожидать удлинения в 200% (рис. 3), поэтому значения скоростей деформации, приведенные в таблице, есть значения, при превышении которых достигаемые удлинения будут ≤200% и эти скорости следует рассматривать как верхний предел скорости процесса обработки листового материала, при котором используются его сверхпластичные свойства. Следовательно, скорость, с которой можно вести формирование изделий из листового материала, ограничена определенными пределами. В качестве примера рассмотрим сосуд, изображенный на рис. 1. Степень деформации в месте наибольшего диаметра составляет 160%. Сосуд получен из сплава 78% Zn+22% Al, поэтому (см. табл.) максимальная скорость деформации, которую можно использовать в этом случае, равна приблизительно 50 мин-1) следовательно минимальное время формоизменения составит 1,6/50=0,03 мин, т. е. за 1 мин можно получить около 30 изделий. Как видно из таблицы, скорость формоизменения других сплавов должна быть соответственно меньше.
Формирование изделий

В рассматриваемой технологии кроме пластичности и скорости деформирования важны и другие моменты: равномерность толщины стенки изделия и точность его профиля. Для оценки этих факторов рассмотрим несколько экспериментов, выполненных Томсеном, Холтом и Бэкофеном.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

В одной из серий экспериментов из листа сплава 78% Zn+22% Al при различных температурах и, следовательно, разных значениях показателя m, давлением воздуха выпрессовывалась полусфера (рис. 9). Напряженное состояние поверхности листа при такой деформации лежит между сбалансированным двухосным и плосконапряженным, так что локальное утонение не вызывало опасений. Тем не менее, из-за самой геометрии изделия лист утоняется неравномерно: уменьшение толщины максимально в вершине и равно нулю в месте закрепления. Именно на эту неравномерность следует обращать серьезное внимание при технологических операциях рассматриваемого типа. Данные, приведенные на рис. 10, иллюстрируют влияние величины показателя m на степень этой неравномерности. На этом рисунке уменьшение толщины сферы на полюсе представлено в зависимости от степени деформации вдоль меридиана. Можно видеть, что повышение значения m способствует более равномерному утонению листа. Холт развил математический аппарат, позволяющий заранее рассчитать распределение толщины листа в каждой точке изделия. При изготовлении изделий часто встречающихся форм увеличение показателя m будет, вероятно, также способствовать достижению большей равномерности толщины стенок изделия.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Для быстрого воспроизведения деталей формы или рельефа изделия в технологических операциях с использованием сжатого воздуха требуются давления, превышающие давление общего формирования изделия. Обусловлено это преимущественно необходимостью воспроизведения деталей рельефа, имеющих малый радиус кривизны.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

В другой серии экспериментов Томсена и др. давление воздуха действовало с одной стороны закрепленного листа сплава 78% Zn+22% Al и под его действием металл заполнял V-образные, с углом в 90°, желоба матрицы (рис. 11). Радиус листа в каждом желобе является функцией давления, времени и толщины листа. Данные, приведенные на рис. 12, дают представление о давлениях и интервале толщин листа, необходимых для получения радиусов определенной кривизны в одном желобе. Более подробные результаты и их анализ можно найти в работах. При детализации формы изделия важным свойством материала является низкое напряжение течения сверхпластичного сплава.
Формирование изделий из листов сверхпластичных мелкозернистых сплавов

Заключение

В большинстве случаев для получения готового изделия необходимо его общее формирование, а также детализация формы. И то и другое может быть выполнено за один прием, но при двух значениях давления: низком— для общего формоизменения и высоком — для детализации формы изделия. Томсен, Холт и Бэкофен показали, что время изготовления изделий типа сосуда, представленного на рис. 1, при умеренных [<3,5 Мн/м2 (35 атм)] давлениях может быть порядка нескольких секунд. Это справедливо для сплава 78% Zn+22% Al, но должно быть верно и для любого другого сплава, который имел бы такие же значения показателя m при одинаково высоких скоростях деформации и такой же низкий уровень напряжения течения, как и указанный сплав. Достигнутый уровень понимания механизмов процесса сверхпластической деформации позволяет получать сплавы с такими свойствами.
Конечно, получать готовые изделия в течение нескольких секунд весьма заманчиво и хотя скорости формоизменения сверхпластичных сплавов, достигнутые к настоящему моменту, много меньше скоростей известных технологических процессов обработки металлов давлением, преимущества деформирования материалов с использованием их сверхпластичных свойств за счет уменьшения числа операций должны скомпенсировать этот недостаток. Томсен и др. обсуждают эти преимущества более подробно.