» » Механизмы пластической деформации сплавов
14.01.2016

Действие внешних сил приводит к деформации тела, т.е. к изменению его размеров и формы. Деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле — пластической (остаточной). При пластической деформации атомы смешаются скольжением (сдвигом) и двойникованием. Скольжение происходит по плоскостям и в направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, в результате чего сопротивление сдвигу будет наименьшим. Двойникование — это такое смешение части кристаллита, при котором она занимает зеркально-симметричное положение по отношению к исходной несмещенной части.
Описание механизма любого типа пластической деформации сводится к описанию природы действующих дислокационных источников и условий распространения дислокаций (вплоть до выхода их на внешнюю поверхность образцов), обеспечивающих экспериментально наблюдаемое изменение размеров и формы (пластическую деформацию).
Специфика пластической деформации двойникованием состоит в том, что, в отличие от сдвиговой пластической деформации, образование двойников деформации происходит в результате более быстрого действия двойникующих дислокаций. Деформация двойникованием обычно развивается в сплавах с низкой энергией дефекта упаковки. Работа деформации при двойниковании определяется энергией дефекта упаковки, поэтому двойникование — менее энергоемкий процесс, чем деформация скольжением. Отличительная особенность деформации двойникованием — высокая скорость деформации при низких температурах, что повышает роль этого механизма деформации в условиях высокоскоростного нагружения и низких температур.
По мере развития пластической деформации и приближения величины и плотности дислокаций к критическим значениям вместе с ростом прочности уменьшается запас пластичности. При достижении упомянутыми характеристиками критических значений в металле возникают трещины, которые приводят к разрушению. Таким образом, упруго-пластическая деформация при достижении высоких напряжений может завершиться разрушением металла. Процесс разрушения состоит из нескольких стадий: зарождение микротрещин, образование макротрещин, распространение макротрещины по всему сечению металла.
В общем случае различают вязкое и хрупкое разрушения. Вязкое разрушение происходит срезом под действием касательных напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен волокнистый (матовый) излом детали или образца. Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом.
Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушениях происходит путем скопления дислокаций перед границами зерен или другими препятствиями (неметаллические включения, карбидные частицы, межфазовые границы и др.), что приводит к концентрации напряжений. При анализе микроструктуры различают транскристаллитное (по телу зерна) и интеркристаллитное (по границам зерен) разрушение. В условиях эксплуатации конструкций и машин разрушение металла может быть не только вязким или хрупким, но и смешанным — вязко-хрупким.
Таким образом, металл, подвергнутый пластической деформации (наклепанный металл), обычно имеет более высокую прочность, но менее пластичен, склонен к хрупкому разрушению. Установлено, что при наклепе изменяются и другие свойства металла. В частности, уменьшаются плотность, теплопроводность и электрическая проводимость.
Наклеп используется для поверхностного упрочнения деталей, повышения износостойкости, предотвращения усталостного разрушения.
Сверхпластическая деформация. Понятие «сверхпластичность» было введено академиком А.А. Бочваром для описания необычного поведения сплава цинка с алюминием при деформации. Спектр материалов и условий, при которых может осуществляться сверхпластическая деформация, достаточно широк — это металлы, керамики, композиты, нанокристаллические материалы.
Установлено, что самые разнообразные сплавы, например титановые, алюминиевые, магниевые, медные, никелевые, углеродистые и легированные стали и даже чугуны, если в них тем или иным способом получить ультрамелкозернистую структуру с размером равноосного зерна менее 10 мкм, при определенных (повышенных) температурах и сравнительно низких скоростях деформации становятся сверхпластичными, Относительное удлинение таких сплавов при растяжении в сверхпластичном состоянии составляет сотни и даже тысячи процентов, а напряжение течения — всего лишь несколько мегапаскалей.
Суть явления сверхпластичности заключается в том, что имеет место очень большая деформация без разрушения (δ≥1000%), при этом в процессе деформации не наблюдается упрочнения и проявляется высокая скоростная чувствительность как напряжения течения, так и относительного удлинения.
Большое относительное удлинение может быть достигнуто только при отсутствии локализации деформации, сопровождающейся пластичным разрушением, и отсутствии концентрации нагрузки, ведущей к росту трещины и хрупкому разрушению.
В промышленных металлических материалах, используя обработку давлением и термообработку, можно получать ультрамелкое зерно размером 1—10 мкм, тогда как обычно размер зерна составляет десятки и сотни микрометров.
Металлические материалы, переведенные в сверхпластичное состояние, напоминают разогретые смолы и горячее стекло, поскольку необычно высокие удлинения достигаются при очень малых приложенных нагрузках. После охлаждения сверхпластичного сплава до комнатной температуры у него восстанавливаются обычные для металлических материалов механические свойства,
Факторами, способствующими проявлению сверхпластичности широкого круга материалов, являются размер зерен, структура границ зерен, стабильность микроструктуры, температурно-скоростные условия деформации.
При обычной деформации пластичного металлического материала разрушение наступает из-за развития локализации деформации в шейке разрывного образца. Главное отличие сверх пластической деформации от обычной — высокое сопротивление локализации деформации, т.е. высокая устойчивость течения, благодаря чему величина относительного удлинения может достигать сотен и даже тысяч процентов.
Напряжение течения определяют по формуле
Механизмы пластической деформации сплавов

где е — истинная скорость деформации (е = dL/dт*1/L) c-1; L — длина образца в заданный момент деформации; t — время; В — коэффициент, зависящий от условий испытаний и структуры сплава; m — показатель чувствительности напряжения течения к скорости деформации. Показатель m определяют по углу наклона касательной к кривой σ:
Механизмы пластической деформации сплавов

Для вязкого (ньютоновского) течения, которое наблюдается у разогретой смолы и расплавленного стекла, показатель m = 1. При обычной пластической деформации металлов и сплавов m ≥ 0,3, а наиболее типичное его значение для сверхпластичного материала 0,5.
Когда в образце начинается локализация деформации, на участке локализации возрастает скорость деформации и при высоком значении показателя m происходит сильное локальное увеличение напряжения течения. Приложенное напряжение в области локализации деформации оказывается меньше требуемого для развития шейки, поэтому здесь течение прекращается, концентрируясь в другой части образца. Этот процесс повторяется в разных участках образца, приводя к образованию размытых шеек. Образец в целом деформируется более равномерно (квазиравномерно).
Учитывая это, сверхпластичностью можно назвать способность металлических тел квазиравномерно деформироваться с высокой скоростной чувствительностью напряжения течения (при m ≥ 0,3). При растяжении сверхпластичного образца нагрузка, быстро достигая максимума, плавно снижается на протяжении всего процесса сверхпластической деформации. Это обусловлено непрерывным плавным уменьшением площади сечения рабочей части образца вплоть до разрушения. Напряжение σ, соответствующее максимуму нагрузки, называют напряжением течения. Его определяют в широком интервале скоростей, различающихся на несколько порядков (от 10в-5 до 10в-1 с-1).
Сверхпластичный материал характеризуется S-образной кривой зависимости напряжения течения σ от скорости деформации е, построенной в логарифмических координатах (рис. 1.16). На этой кривой выделяют три скоростных интервала, различающихся углами наклона кривой σ к оси абсцисс и, соответственно, значениями показателя m (интервалы I, II, III).
Механизмы пластической деформации сплавов

Область максимальных значений показателя m (область сверхпластичности), соответствующая, по определению m, наиболее сильной зависимости напряжения течения от скорости деформации, наблюдается в промежуточном скоростном интервале.
Относительное удлинение δ с ростом скорости деформации проходит через максимум, который, как и максимум показателя m, находится в одном скоростном интервале.
Понятие «сверхпластичный материал» условно. Строго говоря, речь идет о сверхпластичном состоянии данного материала, так как сверхпластичность проявляется только при определенной структуре и в определенных условиях испытаний. Например, сплав с устойчивой пластинчатой структурой не проявляет никаких признаков сверхпластичности. Тот же сплав с ультрамелким и обязательно равноосным зерном при нагреве переходит в сверхпластичное состояние.
Сверхпластичность, проявляющуюся у сплавов с микронным размером зерна, называют микрозеренной (или структурной), в отличие от сверхпластичности, обусловленной фазовыми превращениями во время деформации.
Сильное влияние на характеристики сверхпластичности оказывает изменение размеров зерен в диапазоне 1—10 мкм. С уменьшением размера зерен в этом диапазоне существенно снижается напряжение течения, т.е. сверхпластичный материал ведет себя прямо противоположно обычному материалу, у которого при измельчении зерна предел текучести возрастает. С уменьшением размера зерен сверхпластичного сплава возрастают относительное удлинение и показатель m — чувствительности напряжения течения к скорости деформации. Кроме того, интервал скоростей деформации, соответствующий максимальным значениям показателя m, смещается в сторону более высоких скоростей, что увеличивает производительность обработки материала в сверхпластичном состоянии.
Температура и скорость деформации, приложенное напряжение при сверхпластической деформации близки к соответствующим условиям при испытаниях на ползучесть или совпадают с ними. Поэтому при сверхпластической деформации происходят те же атомарные процессы, что и при классической ползучести. Сверхпластичное состояние отличается лишь особым сочетанием известных механизмов деформации, что обусловлено, главным образом, очень малыми размерами зерен.
При обычной деформации крупнозернистого металла сравнительно небольшое равномерное удлинение образца (десятки процентов) создается в результате вытягивания каждого зерна, средняя деформация которого определяет удлинение всего образца. После горячей деформации зерна могут оказаться равноосными, но это уже результат рекристаллизаций — зарождения новых кристаллов внутри вытягивающихся зерен. Принципиально другая картина наблюдается при сверхпластической деформации: зерна не удлиняются в направлении растяжения или, точнее, такое удлинение ничтожно мало по сравнению с удлинением всего образца. Например, размеры зерен при сверхпластической деформации увеличиваются в длину вдоль оси растяжения на 20—50 %, а весь образец на 1000 %.
В условиях мало изменяющейся формы зерен единственным механизмом деформации, который может дать очень большое удлинение образца при сверхпластической деформации, является сильное взаимное смещение зерен, приводящее к увеличению числа зерен вдоль оси растяжения и к уменьшению их количества в поперечном направлении.
Сильное взаимное смещение зерен, называемое зернограничным скольжением (или проскальзыванием зерен), экспериментально выявлено разными методами, в том числе прямым наблюдением за расположением групп зерен методами металлографии и электронной микроскопии. Пример такого смещения показан на рис. 1.17. Видно, что в результате сверхпластической деформации зерна 1 и 3 удалились одно от другого вдоль оси растяжения образца, а зерна 2 и 4 сблизились в поперечном направлении.
Механизмы пластической деформации сплавов

Смена соседних зерен из-за необычайно сильного их взаимного проскальзывания — важнейшая особенность сверхпластической деформации. При обычной горячей деформации или при ползучести наблюдаются лишь сравнительно небольшие (намного меньше размера зерна) взаимные смешения зерен. Для механизма проскальзывания зерен характерно высокое значение показателя скоростной чувствительности напряжения течения σ. Именно поэтому в скоростном интервале сверхпластической деформации, где наиболее развито взаимное смешение зерен, наблюдаются максимальные значения m.
Взаимные смешения таких зерен приводят к их относительному развороту (это видно на рис. 1.17). Углы разворота зерен при больших деформациях образца могут составлять несколько десятков градусов, что устраняет исходную текстуру и уменьшает анизотропию свойств. Проскальзывание, приводящее к смене соседей зерен и увеличению числа зерен вдоль оси растяжения, обеспечивает получение больших удлинений образца при условии протекания аккомодационных процессов взаимной подстройки формы зерен. В противном случае сильные смешения зерен обязательно привели бы к образованию микропустот по границам зерен и к разрушению образца без достижения больших удлинений.
Наряду со смешением зерен аккомодационными процессами сверхпластичности могут быть также диффузионный массоперекос и внутризеренное дислокационное скольжение. Оба эти процесса развиваются в такой мере, что предотвращают образование межзеренных пустот. Форма каждого зерна изменяется при сверхпластической деформации, но в целом зерна остаются равноосными.
Ультрамелкое, равноосное зерно обеспечивает реализацию главного механизма сверхпластической деформации — сильное взаимное смещение зерен, сопровождаемое сменой соседних зерен. При пластинчатой структуре сплава этот механизм не может действовать, так как исходная вытянутость зерен затрудняет их перестановку в пространстве и взаимные развороты.
Атомарные процессы, происходящие при взаимном смещении зерен и аккомодационном изменении их формы, предотвращающие образование микропустот, в значительной мере протекают в результате диффузии, которая достаточно интенсивна при температурах выше 0,5Тm.
Аккомодационные процессы в большинстве сверхпластичных сплавов не могут полностью исключить образования межзеренных микропустот. Первые микропустоты возникают в отдельных, наименее благоприятных для аккомодационных процессов участках, а затем постепенно появляется все больше микропустот, они увеличиваются в размерах, сливаются и, наконец, приводят к разрушению, Чем крупнее зерно и чем менее оно равноосно, тем быстрее наступает разрушение при сверхпластической деформации. Твердые недеформированные включения в сплаве также способствуют зарождению около них микропустот. Образование пористости при сверхпластической деформации под действием растягивающих напряжений характерно для большинства промышленных сверхпластичных материалов.
В общем случае условия распространения дислокаций определяются их откликом на действие внешней нагрузки, взаимодействием с дальнодействующими упругими полями всего дислокационного ансамбля и с другими разнообразными дефектами кристаллического строения. Эти общепринятые представления при анализе механизма сверхпластичности задают три структурных уровня, определяемые следующими характерными пространственными масштабами: микроуровень — структура задается расстояниями между индивидуальными дислокациями; мезоуровень — масштаб структуры задан средним размером зерен; макроуровень — макроструктура, для которой характерный масштаб задан размерами образца. В условиях обычной пластичности крупнозернистых материалов деформация от микро- до макроуровня описывается моделью Тейлора. В ее основе лежат два положения: деформации всех зерен одинаковы и воспроизводят деформацию образца как целого; совместность деформации обеспечивается наличием в каждом зерне пяти активных систем скольжения, поскольку из шести компонент тензора деформации только пять являются независимыми (условие постоянства объема). Тем самым исследование деформационных механизмов сводится к изучению дислокационной динамики в одном зерне, т.е. к исследованию процессов на нижнем структурном уровне. На более высоких структурных уровнях картина течения с хорошим приближением однородна и является простым повторением закономерностей нижнего структурного уровня.
При сверхпластической деформации зерна не повторяют деформацию образца: удлинение образца на тысячи процентов оставляет зерна практически равноосными, т.е. представления Тейлора не применимы.
В условиях сверхпластической деформации установлено действие трех основных механизмов деформации: зернограничного проскальзывания (ЗГП), внутризеренного дислокационного скольжения (ВДС) и диффузионной ползучести. При этом основной вклад в деформацию вносит ЗГП. Основной вклад в сверхпластическую деформацию вносят процессы на периферии зерен (на границах), а внутризеренные процессы играют аккомодационную роль. Система внутренних поверхностей раздела (границ зерен или межфазных границ) обеспечивает условия для реализации этих процессов. Увеличение удельной площади границ зерен достигается подготовкой структуры с достаточно малым средним размером зерен, а неравновесная структура границ зерен, формирующаяся в процессе сверхпластической деформации, приводит к резкому повышению миграционной подвижности границ.
Наиболее важным фактором, влияющим на эффект сверхпластической деформации, является размер зерен. На примере сплавов без фазовых превращений можно проследить, как осуществляется переход от обычной деформации к сверхпластическому течению по мере измельчения микроструктуры. Так, для сплава Zn—0,4 % Аl при d ≥ 10 мкм зависимость условного предела текучести σ0,2 от размера зерна подчиняется соотношению Холла—Петча, в соответствии с которым σ0,2 - d-1/2. Однако в области d < 10 мкм зависимость предела текучести от размера зерна изменяется и наблюдается его снижение с уменьшением d.
По мере измельчения микроструктуры изменяется и пластичность сплава, Если в крупнозернистом сплаве δ=2 %, то при измельчении зерен от 10 до 1 мкм относительное удлинение возрастает от 25 до 400 %, одновременно появляется характерная зависимость свойств от скорости деформации.
Указанная закономерность является обшей для всех материалов. Например, для нержавеющей стали 12Х18Н10Т с повышением температуры относительное удлинение 5 падает от 50 % при комнатной температуре до 20 % при 800—900 °С. Однако, если измельчить микроструктуру стали до d=2 мкм, 5 увеличивается в десятки раз и при температуре 780 °С достигает 200 %.
Важным фактором, влияющим на максимальное удлинение в условиях сверхпластичности, является стабильность микроструктуры как при выдержке при температуре деформации, так и в процессе самой деформации.
Рекордные удлинения наблюдаются на эвтектических и эвтектондных сплавах с микродуплексной микроструктурой. В этих материалах фазы препятствуют росту зерен каждой из фаз, и создаются наилучшие условия для стабилизации микроструктуры. Напротив, удержать рост зерен сложно в однофазных и особо чистых материалах, где проявление сверхпластичности затруднено из-за нестабильности микроструктуры.
Для промышленного использования эффекта сверхпластичности недостаточно иметь в исходной заготовке ультрамел кое зерно, необходимо еще сохранить малый размер зерна в течение всего периода сверхпластического формообразования. При сверхпластической деформации зерна укрупняются, причем они растут в 2—3 раза быстрее, чем во время отжига при той же температуре. Одной из причин ускоренного роста зерен при сверхпластической деформации является более высокая, чем при отжиге, скорость диффузионных процессов. Кроме того, для мелкозернистой структуры вообще характерна большая склонность к росту зерна из-за уменьшения суммарной энергии межзеренных границ. Поэтому в чистом металле или однофазном сплаве, где нет стопоров для роста зерна, ультрамелкозернистая структура исходного состояния крайне нестабильна. При нагреве до температуры сверхпластической деформации и, тем более, во время деформации зерно вырастает настолько, что становится возможной только обычная деформация, для которой характерно более высокое сопротивление деформированию и значительно меньшее относительное удлинение.
По типу микроструктуры все промышленные сверхпластичные сплавы можно разделить на две группы.
Одна группа — сплавы с матричной структурой, в которых рост зерен основной фазы (матрицы) сдерживается частицами второй фазы, распределенными в матричной фазе, например стареющие алюминиевые сплавы.
Другая группа — сплавы с микродуплексной структурой, у которых зерна двух фаз распределены равномерно в пространстве, а объемное соотношение фаз составляет 50 на 50. У таких сплавов максимально развита поверхность раздела двух фаз с разными типами решетки и химическим составом, поэтому взаимное торможение роста зерен этих фаз максимально. Примером сверхпластичных сплавов с микродуплексной структурой являются (α + β) - титановые сплавы, (α + β) - латуни и (α + γ) - коррозионно-стойкие феррито-аустенитные стали, (γ + γ) - никелевые сплавы.
Можно выделить два типа процессов формирования ультрамелких зерен. Первый (и наиболее универсальный) — рекристаллизация из большого числа центров при наличии эффективных стопоров роста зерен. Большое число мест зарождения ре кристаллизованных зерен создается при прокатке, а стопоры, препятствующие росту зерен, могут формироваться в сплаве как до рекристаллизации, так и одновременно с ней.
Второй процесс формирования ультрамелких зерен — фрагментация (деление) тонких пластин или стержней и сфероидизация фрагментов, Начальный этап здесь — получение любым способом возможно более тонких пластин (стержней). Чем тоньше каждая пластина или стержень, тем меньше формирующиеся из нее равноосные зерна.