Развитие пористости при сверхпластической деформации латуни

Важной особенностью развития сверхпластической деформации двухфазных латуней является образование и интенсивное развитие пор. Порообразование ранее было отмечено у многих сверхпластичных материалов [137, 139, 141, 172-178]. Медные сплавы и, в частности, двухфазные латуни [137, 141, 179], отличаются повышенной склонностью к развитию пористости при растяжении в условиях структурной сверхпластичности.

Испытания плоских образцов с размерами рабочей части 14x6x1 мм и средним размером частиц фаз 2,9±0,1 мкм проводили при температурах 500, 550, 600 и 650 °С со скоростями растяжения 1, 6, 30 и 100 мм/мин. Образцы растягивали до заданной степени деформации, не доводя до их разрыва. Количественный металлографический анализ показал, что с увеличением степени деформации при всех выбранных скоростях деформации и температуре 600 °С в рабочей зоне разрывных образцов наблюдается увеличение числа пор и их размера (рис. 7.27, 7.28).

Зависимость числа пор в единице площади поперечного сечения (АО от степени деформации (е) при 600 °С и разных скоростях растяжения (мм/мин)

Рис. 7.27. Зависимость числа пор в единице площади поперечного сечения (АО от степени деформации (е) при 600 °С и разных скоростях растяжения (мм/мин):

1- 1; 2-6; 3-30; 4- 100

На рисунке 7.27 представлена зависимость числа пор на единице площади поперечного сечения образца от степени деформации при разных скоростях растяжения при температуре 600 °С, которая соответствует наилучшему сочетанию показателей сверхпластичности. С увеличением степени деформации количество пор возрастает при всех выбранных скоростях растяжения от 1 до 100 мм/мин. До растяжения образцов пор в них не наблюдалось. Количество пор с увеличением степени деформации нарастает тем интенсивнее, чем больше скорость растяжения в скоростном интервале сверхпластичного поведения сплава (1—30 мм/мин). Так, например, количество пор, приходящихся на 1 мм2, возрастает при скорости растяжения 1 мм/мин до 500, а при скорости 30 мм/мин — до 1300 при степени деформации -360 %. При увеличении скорости растяжения с 30 до 100 мм/мин, когда значительно снижается относительное удлинение (с 430 до 130 %) и образец разрушается после образования шейки, на стадии равномерной деформации пор образуется намного меньше, чем при скорости растяжения 30 мм/мин.

Зависимость среднего диаметра пор (d) и среднего размера частиц фаз (d^, пунктир) от степени деформации (е) при 600 °С и разных скоростях растяжения (мм/мин)

Рис. 7.28. Зависимость среднего диаметра пор (dn) и среднего размера частиц фаз (d^, пунктир) от степени деформации (е) при 600 °С и разных скоростях растяжения (мм/мин):

1- 1; 2 — 6; 7 — 30; 4— 100

С увеличением степени деформации средний диаметр пор также возрастает (рис. 7.28), причем скорость растяжения влияет на размер пор противоположно влиянию ее на число пор, а именно: интенсивность укрупнения пор тем больше, чем меньше скорость растяжения. Так, по достижении деформации -360 % при скорости растяжения 30 мм/мин средний диаметр пор равен 2,1 мкм, а при 1 мм/мин — 8,3 мкм. Аналогичная закономерность наблюдается и для размера частиц фаз (рис. 7.28): чем меньше скорость растяжения, тем крупнее частицы фаз при одинаковых степенях деформации.

При гидростатическом взвешивании рабочей части растянутых образцов было обнаружено, что плотность их уменьшается, что обусловлено развитием пористости. Плотность головок образцов оставалась неизменной. Объемную долю пор оценивали по формуле: у = (р0 — — ре) 100 %/ро, где р0 — исходная плотность образцов, ре — плотность рабочей части образцов после растяжения до заданной степени деформации 8. Объемная доля пор при температуре 600 °С, рассчитанная по изменению плотности, с увеличением степени деформации возрастает,

Зависимость объемной доли пор (у) и изменения плотности (Ар) от степени деформации (?) при 600 °С и разных скоростях растяжения (мм/мин)

Рис. 7.29. Зависимость объемной доли пор (у) и изменения плотности (Ар) от степени деформации (?) при 600 °С и разных скоростях растяжения (мм/мин):

1 — I; 2 — 6; 3 — 30; 4— 100

причем тем интенсивнее, чем меньше скорость растяжения (рис. 7.29). Плотность образцов, растянутых со скоростью 100 мм/мин, практически неизменна, а при растяжении со скоростью 1 мм/мин и деформации 430 % плотность уменьшилась на 0,20 г/см3, т.е. поры занимали ~2 % объема рабочей части образца. Таким образом, изменение объемной доли пор с увеличением степени деформации при разных скоростях растяжения коррелирует с изменением среднего диаметра пор.

Увеличение объемной доли пор при сверхпластической деформации является результатом укрупнения пор и увеличения их числа. Размер пор и их количество по-разному реагируют на изменение скорости деформации. Если средний диаметр пор с понижением скорости растяжения увеличивается более интенсивно при увеличении степени деформации, по аналогии со средним размером частиц фаз (рис. 7.28), то количество пор в объеме рабочей зоны разрывного образца, напротив, более интенсивно растет при больших скоростях растяжения в скоростном интервале проявления сверхпластичности (рис. 7.27). Естественно, что для разных сверхпластичных сплавов интенсивность укрупнения пор и увеличения их числа будет различной. Поэтому развитие порообразования или объемной доли пор при сверхпластической деформации для одних материалов будет коррелировать с изменением среднего размера пор, как например, для исследуемой латуни, а также для сверхпластичной стали [173, 180], а для других материалов, например, для сплава Ni—49 % Сг [172, 139] и алюминиевой бронзы [175] — с изменением количества пор в объеме рабочей части разрывного образца. Этим можно, по-видимому, объяснить обнаруженные разными исследователями противоположные зависимости объемной доли пор от скорости деформации.

Для исследования зависимости порообразования от температуры испытания была выбрана скорость деформирования 1 мм/мин, при которой у латуни Л59 в интервале температур 500—650 °С наблюдается высокое относительное удлинение. При всех температурах в интервале 500—650 °С с увеличением степени деформации растут количество пор, их размер и объемная доля (рис. 7.30—7.34).

Развитие пористости в сплаве Л59 после сверхпластической деформации при 550 °С с увеличением степени деформации (%)

Рис. 7.30. Развитие пористости в сплаве Л59 после сверхпластической деформации при 550 °С с увеличением степени деформации (%): а - 31; б - 130; в - 300; г - 510. Увел. 200x1,5

Зависимость числа пор в единице площади поперченного сечения (N) от степени деформации (е) при скорости растяжения 1 мм/мин и разных температурах (°С)

Рис. 7.31. Зависимость числа пор в единице площади поперченного сечения (N) от степени деформации (е) при скорости растяжения 1 мм/мин и разных температурах (°С):

1 - 500; 2 - 550; 3 - 600; 4- 650

При уменьшении температуры сверхпластической деформации от 650 до 500 °С рост количества пор на единице площади поперечного сечения шлифа при растяжении происходит более интенсивно (рис. 7.31). Так, с увеличением степени деформации от 100 до 350 % количество пор на 1 мм2 при температуре 650 °С изменяется от 100 до 300, а при температуре 500 °С — от 400 до 2800 пор, соответственно.

Влияние температуры на средний размер пор противоположно ее влиянию на их количество. С увеличением степени деформации сплава Л59 поры растут по аналогии с укрупнением частиц фаз тем интенсивнее, чем выше температура испытания в температурном диапазоне сверхпластического течения (рис. 7.32).

Следовательно, размер пор при понижении температуры и фиксированной степени деформации будет уменьшаться, а их количество в объеме разрывного образца — возрастать.

Зависимость среднего диаметра пор (d) и среднего размера частиц фаз (d^, пунктир) от степени деформации (е) при скорости растяжения 1 мм/мин и разных температурах (°С)

Рис. 7.32. Зависимость среднего диаметра пор (du) и среднего размера частиц фаз (d^, пунктир) от степени деформации (е) при скорости растяжения 1 мм/мин и разных температурах (°С):

I - 500; 2 - 550; 3 - 600; 4 - 650

На рис. 7.33 представлена зависимость изменения плотности латуни и, соответственно, объемной доли пор после сверхпластического растяжения от степени деформации для исследуемых температур. Снижение плотности в результате развития пористости является общей тенденцией для всех температур проявления сверхпластичности сплава Л59. Интенсивное зарождение пор с уменьшением температуры испытания (рис. 7.31, 7.34) определяет более интенсивное развитие объемной доли пор и, следовательно, более резкое уменьшение плотности материала. Различие в изменении плотности и, соответственно, объемной доли пор для разных температур сверхпластической деформации отчетливо наблюдается при степенях деформации, превышающих 100 % (рис. 7.33). Объемная доля пор в материале после сверхпластической деформации примерно на 350 % при температурах 650, 600, 550 и 500 °С составила, соответственно, 1,5; 2; 5 и 8 %.

Зависимость объемной доли пор (у) и изменения плотности (—Ар) от степени деформации (е) при скорости растяжения 1 мм/мин и разных температурах (°С)

Рис. 7.33. Зависимость объемной доли пор (у) и изменения плотности (—Ар) от степени деформации (е) при скорости растяжения 1 мм/мин и разных температурах (°С):

1 - 500; 2 - 550; 3 - 600; 4 - 650

Важно выяснить, является ли зарождение и развитие пор результатом только деформации или это сопутствующий растяжению процесс, обусловленный испарением цинка при достаточно высоких гомологических температурах (~0,7 Тш) под воздействием растягивающих напряжений. Известно, что испарение цинка может приводить к образованию микропор в латунях [181, 182]. Например, в работе [182] исследовали процесс порообразования в латуни в интервале 500—850 °С в условиях вакуума (-10—4 торр) и растягивающих напряжений. Следует отметить, что даже после испарения при 600 °С в течение 5 часов [182] степень порообразования в сплаве была суще-

Развитие пористости в сплаве Л59 после сверхпластической деформации (е~300 %) со скоростью растяжения 1 мм/мин при разных температурах (°С)

Рис. 7.34. Развитие пористости в сплаве Л59 после сверхпластической деформации (е~300 %) со скоростью растяжения 1 мм/мин при разных температурах (°С):

а - 500; б - 550; в - 600; г - 650. Увел. 200x1,5

ственно ниже, чем наблюдаемая после сверхпластического растяжения (рис. 7.35). Известно также [183], что диффузионный механизм образования пор, легко реализуемый при высоких температурах, при удалении из сплава летучего компонента может привести к относительному пересыщению вакансиями ДО-1—10-2. Такое пересыщение не может обеспечить обнаруженную в настоящей работе объемную долю пор после растяжения латуни Л 59 во всем температурно-скоростном интервале сверхпластической деформации. Наконец, самое главное — плотность недеформируемой части разрывных образцов (головок), находящихся в процессе растяжения при температуре деформации под действием растягивающих напряжений, не изменялась после сверхпластического течения. Это указывает на то, что пористость является следствием именно сверхпластического течения и непосредственно связана с механизмами деформации, действующими в условиях структурной сверхпластичности.

Поперечное сечение образца латуни Л59 в месте разрыва после сверхпластической деформации при 550 °С со скоростью растяжения 1 мм/мин

Рис. 7.35. Поперечное сечение образца латуни Л59 в месте разрыва после сверхпластической деформации при 550 °С со скоростью растяжения 1 мм/мин.

Увел. 160

Не случайно около 90 % всех пор наблюдали на межфазных ос/р- границах и в тройных стыках и около 10 % — на границах ос/ос.

Рассмотренные закономерности развития пористости при сверхпластической деформации латуни Л 59 имеют много общего с известными закономерностями порообразования во время ползучести [184, 185], при которой, в частности, с повышением температуры число пор уменьшается, а их размер возрастает. Поэтому представляют интерес трактовки механизмов деформации, обусловливающих появление пор и контролирующих их развитие в условиях ползучести.

В настоящее время общепризнанным является механизм образования зародышей микрополостей, учитывающий взаимодействие внутризеренного скольжения и проскальзывания по границам зерен. Согласно этому механизму, схема которого показана на рисунке 7.36, скольжение вызывает появление ступеньки на границе зерна. В дальнейшем при определенной ориентировке ступеньки зернограничное скольжение приводит к раскрытию полости, которая может стать зародышем будущей микропоры [185]. МакЛин, в частности, показал [186], что малые выступы высотой всего в четыре межатомных расстояния могут явиться устойчивыми зародышами микропор. При этом требуется некоторая критическая скорость проскальзывания, ниже которой полости могут не увеличиваться, а залечиваться благодаря диффузии по границам зерен.

Необходимость проскальзывания по границам зерен для образования на них пор была экспериментально показана в работе [187] при исследовании деформации бикристаллов меди. Что касается ускоряющего влияния предварительной пластической деформации при комнатной температуре на образование пор при последующей высокотемпературной деформации, то этот факт объясняется тем, что скольжение при комнатной температуре создает зародыш полостей, а проскальзывание при высоких температурах реализует их.

Схема образования зародыша микропоры [185]

Рис. 7.36. Схема образования зародыша микропоры [185]

Экспериментальных данных, касающихся непосредственного изучения роста микропор на границах зерен, очень мало. В настоящее время одним из наиболее распространенных является представление о диффузионной природе процесса роста пор. В связи с этим возникает вопрос, откуда берутся вакансии, за счет которых происходит рост микропор? Доказательством того, что в условиях ползучести имеется избыток вакансий, является ускорение диффузии и процессов, контролируемых диффузией. Например, хорошо известно, что полигонизация при ползучести происходит быстрее и полнее, чем при раздельной деформации и нагреве [188]. Концентрация вакансий при ползучести может оказаться в 10—15 раз больше равновесной. Такой концентрации недостаточно для флуктуационного зарождения пор, но вполне достаточно для их роста [185].

Среди исследователей порообразования в условиях ползучести имеются сторонники и другой модели, в которой пора рассматривается как сдвиговая трещина, которая растет с помощью межзеренного скольжения [184, 189—191]. В частности, Эванс [191] установил, что имеется корреляция между величиной проскальзывания и размерами пор. В работе [184] он же показал, что зернограничное проскальзывание, вызывая раскрытие полости, не может развиваться без одновременного роста пор. По мнению В.М. Розенберга, противоречие между предлагаемыми в литературе моделями является кажущимся и может быть устранено с помощью объяснения, согласно которому поры растут с помощью диффузии вакансий, а их источником является проскальзывание [185].

Очевидно, как и при ползучести, причиной зарождения пор при сверхпластической деформации двухфазной латуни Л59 является зернограничное скольжение. Этой точки зрения придерживается большинство исследователей явления структурной сверхпластичности [141, 174—177, 192, 193]. В работе [174] была установлена прямая связь между действующим при сверхпластической деформации зернограничным скольжением и зарождением пор. Дополнительным доказательством роли проскальзывания в порообразовании при сверхпластической деформации латуни Л59 служит тот факт, что при скорости растяжения 100 мм/мин, когда образец разрушается после формирования ярко выраженной шейки и относительное удлинение становится сравнительно небольшим, пор на стадии равномерной не- сверхпластической деформации значительно меньше, чем при сверхпластической деформации со скоростью 30 мм/мин (рис. 7.27). Это можно объяснить менее интенсивным развитием зернограничного проскальзывания и увеличением внутризеренной деформации при скорости 100 мм/мин, по сравнению со скоростью 30 мм/мин. Преимущественное образование пор на межфазных a/p-границах можно предположительно объяснить более интенсивным проскальзыванием на этих границах, что было экспериментально установлено, в частности для сплава Zn—22 % А1 [194].

Каков конкретный микромеханизм зарождения поры на границе, для нашего обсуждения не столь важно. Главное подчеркнуть, что число пор должно быть тем больше, чем интенсивнее зернограничное скольжение.

Рост пор при сверхпластической деформации, возможно, происходит как диффузионным путем, так и в результате раскрытия полости при зернограничном скольжении. Принимая это, можно объяснить все полученные закономерности развития пористости. Рост числа и размера пор с увеличением степени сверхпластической деформации при всех температурах обусловлен развитием зернограничного скольжения. Увеличение размера пор с уменьшением скорости растяжения при заданной степени деформации и постоянной температуре (рис. 7.28) можно объяснить большим временем деформирования и, соответственно, большим развитием диффузионных процессов роста пор.

Увеличение размера пор и одновременное уменьшение их числа с повышением температуры деформации (рис. 7.31, 7.32) на первый взгляд кажется противоречивым и непонятным. Но это кажущееся противоречие снимается, если учесть роль миграции границ зерен в развитии пористости [185]. Во время сверхпластической деформации, как известно, ускоренно, по сравнению со статическими условиями, растут частицы фаз (рис. 7.22), а, следовательно, более активно протекает миграция их границ. Одновременно с миграцией границ при деформации проходит зернограничное скольжение, как было экспериментально установлено на сплаве Zn—22 % А1 [194]. Если зернограничное скольжение приводит к зарождению поры, то интенсивная миграция границ способствует залечиванию пор путем отрыва движущейся границы от зародыша [185]. Таким образом, миграция границ препятствует порообразованию. С повышением температуры сверхпластической деформации более интенсивная миграция границ (рис. 7.32) приводит к уменьшению числа пор (рис. 7.31). Это согласуется с тем, что при температуре 600 °С, когда межфазная поверхность максимальна и вклад зернограничного скольжения в сверхпластическую деформацию латуни Л 59, по-видимому, особенно велик, не наблюдается максимума пористости. В то же время оставшиеся стабильные для данных температурных условий деформации поры развиваются и с повышением температуры сверхпластической деформации растут быстрее (рис. 7.32).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >