Особенности сверхпластической деформации

В 1945 г. советские ученые акад. А.А. Бочвар и З.А. Свидерская обнаружили странное поведение литых сплавов цинка с 15-20% алюминия. При растяжении образцов из этих сплавов относительное удлинение достигало 450%, что было совершенно необычно для литого материала.

А.А. Бочвар был первым, кто понял, что этот факт указывает на существование нового явления, названного им «сверхпластичностью». Этот термин стал международным «superplasticity». Кроме того, он первым указал на то, что при сверхпластической деформации (СПД) должен протекать ещё один процесс, который был назван им «залечивания» очагов разрушения при течении металла.

Таким образом, в работах А.А. Бочвара в 40-ые годы XX века было открыто явление сверхпластичности (СПД), введено само это понятие, сформулированы основные требования к структуре двухфазных сверхпластичных сплавов и выдвинута гипотеза о механизме СПД, которая была подтверждена результатами последующих исследований.

Так, например, А.А. Бочвар предположил, что наиболее благоприятные условия сверхпластической деформации двухфазных сплавов будут, если фазы примерно равнопрочные, а их объемное отношение составляет 1:1, что было подтверждено при последующих исследованиях сверхпластичности двухфазных (а+р) - титановых сплавов. У большинства двухфазных титановых сплавов это соотношение объемов фаз наблюдается при температурах Ддеф) на 40-500С ниже температуры полиморфного превращения (t„.n) (табл.1.).

ю

Показатели сверхпластической деформации некоторых титановых

сплавов.

Таблица 1

Сплав

Температура

деформации . ог

1деф/

Температура полиморфного превращения, t °С

Скорость СПД, с 1

m

ВТЗ-1

925

975

1.5-гЮ’3

0,6

ВТ6

900

945

2,0-ьЮ"3

0,52

ВТ9

950

990

1,7-гЮ"3

0,58

ВТ18

965

1000

1,2-ьЮ"3

0,53

ВТ22

840

885

4,0-ьЮ"4

0,55

Установлено, что признаки сверхпластичности существуют практически у всех сплавов и могут проявляться в определенных условиях, среди которых принципиальное значение имеют структурное состояние деформируемого металла, температура и скорость деформации.

По структурному признаку принято различать две разновидности сверхпластичности: 1) «структурную» сверхпластичность, проявляющуюся у металлов и сплавов с особо мелким (сверхмелким) зерном (d< 10 мкм), и 2) «фазовую» сверхпластичность полиморфных металлов и сплавов, проявляющуюся при деформировании их в процессе фазовых превращений, при этом исходный размер зерен не имеет значения.

Температурный интервал существования структурной сверхпластичности находится в интервале: tpeKp.- tn„. Температура СПД должна поддерживаться постоянной в объеме деформируемого металла в течение всего процесса штамповки (изотермические условия).

Скорость деформации должна быть достаточно малой, чтобы успевала протекать рекристаллизация обработки и достаточно высокой, чтобы в условиях повышенной температуры не происходило активный рост зерен вследствие собирательной рекристаллизации. Скоростной интервал СПД (е = 10-2 -г-10-4, с-1) находится между скоростями высокотемпературной ползучести и традиционных процессов ОМД.

Состояние сверхпластичности можно определить совокупностью признаков:

  • - повышенная чувствительность напряжения течения материала к
  • ( - изменению скорости деформации:! т = -jf > 0.3 I;
  • - крайне незначительная величина деформационного упрочнения:
  • - аномально высокий для данного сплава ресурс деформационной способности (б=102ч-103 %);
  • - напряжение течения материала в состоянии сверхпластичности (1004-101 МПа) в несколько раз меньше предела текучести, характеризующего пластическое состояние данного материала.

Задача определения условий существования сверхпластичности сводится к экспериментальному определению температурно-скоростных режимов деформирования и структурного состояния исследуемого материала, при которых он проявляет максимальную чувствительность напряжения течения к скорости деформации (способность к скоростному упрочнению).

Для описания структурной сверхпластичности чаще всего используют эмпирическое уравнение:

Из этого выражения следуют показатели, определяющие показатели деформационного(п) и скоростного(т) упрочнения. При п ~ О, что характерно для состояния структурной сверхпластичности:

Таким образом, показатель m определяется как тангенс угла наклона кривой сг(?)в двойных логарифмических координатах (рис.4).

Кривая сверхпластичности и схема её условного разделения на три участка

Рис.4. Кривая сверхпластичности и схема её условного разделения на три участка:

Для материалов в состоянии сверхпластичности кривая имеет S- образную форму, а зависимость показателя т от скорости деформации описывается кривой с максимумом, положение которого на оси ? соответствует точке перегиба S- образной кривой. С увеличением температуры точка перегиба смещается в сторону больших скоростей деформации.

Таким образом, показатель m не является реологической постоянной материала, так как существенно зависит от температурно-скоростных условий режимов деформирования.

Обширный экспериментальный материал, в том числе и результаты прямых структурных исследований, показывают, что не существует какого- либо особого, ранее неизвестного атомного механизма деформации кристаллического тела, свойственного только сверхпластическому деформированию.

Каждый из возможных механизмов - зернограничное скольжение, диффузионный массоперенос и внутризеренное дислокационное скольжение вносит свой вклад в общую деформацию при СПД. Кроме того, любой из них может одновременно выполнять и чисто аккомодационную роль, обеспечивая взаимную подстройку соседних зерен. Роль того или иного механизма СПД определяется задаваемыми извне скоростями деформирования и параметрами материала (размер зерна, коэффициенты диффузии и др.).

Влияние скорости деформации на показатель m и напряжение течения а сводится к следующему. В/-ом скоростном интервале зернограничное скольжение (ЗГС) развито сравнительно слабо, показатель m мал и напряжение течения о слабо растет с увеличением скорости деформации ?. В этом интервале основным механизмом деформации является диффузионная ползучесть.

По мере увеличения скорости на большем числе границ зерен включается механизм ЗГС, растет показатель т, обусловливая переход во //-ой скоростной интервал, в котором наиболее крут наклон S- образной кривой, и основным механизмом становится ЗГС. Скорость деформации, при которой ЗГС максимально развито, соответствует максимуму m и является в этом смысле оптимальной.

При дальнейшем увеличении скорости деформации во II- ом интервале уменьшается действие диффузионной ползучести и ЗГС, что приводит к уменьшению и показателя т.

В III- ем интервале преобладает внутризеренное скольжение, являющееся основным механизмом обычной пластической деформации металлов и сплавов.

Необходимо отметить, что четких границ между тремя скоростными интервалами СПД не существует. Особенно это касается границ между / и II интервалами.

В литературе, как правило, приводятся данные, полученные при испытаниях сверхпластичных материалов на растяжение. Однако при переходе от растяжения к сжатию и выдавливанию, более характерном для процессов объемной штамповки, напряжение течения заметно увеличивается, а область сверхпластической деформации смещается в сторону более высоких скоростей (с 1СГ3ч-10"4- при растяжении до Ю'Чю0- при выдавливании), приближающихся к скоростному диапазону серийных гидравлических прессов. Одновременно увеличивается и коэффициент скоростного упрочнения m с 0,2Ю,3- при растяжении до 0,55-Ю,6- при выдавливании.

Ряд особенностей, характеризующих металлы в состоянии сверхпластичности, а именно большая деформационная способность, малое напряжение течения, слабое влияние СПД на микроструктуру, высокая релаксационная способность обеспечивают возможность значительного повышения эффективности процессов ОМД и качества поковок. С другой стороны малые скорости деформации, необходимость использования изотермических блоков существенно усложняют и удорожают подготовку производства, снижают производительность технологических процессов и в результате ограничивают использование СПД в ОМД.

Поэтому новые технологические процессы с использованием СПД не предназначены для замены существующих процессов штамповки, но могут существенно дополнить и расширить их возможности.

Так, например, возможны комбинированные процессы на базе резкого перехода от СПД к обычной деформации и обратно. Наиболее простым является создание состояния сверхпластичности в результате резкого снижения скорости деформации до 10'2ч-10'3 с"1 при размере зерна металла менее 5...8 мкм. Другой возможностью является двухстадийная деформация, когда на первой стадии при обычной скорости деформации методом ковки и штамповки происходит дробление исходной структуры ( размер зерна 10...100 мкм) заготовки до мелкозернистой с размером зерна

5.. .8 мкм. На второй заключительной стадии скорость деформации снижается до значений, обеспечивающих СПД. Первая стадия процесса должна вестись при сравнительно низкой температуре, чем снижается скорость собирательной рекристаллизации, а вторая стадия при более высокой температуре (0,5...0.6) ТПЛ.К, но при существенно меньшей скорости деформации.

Примером практической реализации такого подхода может служить процесс штамповки точных поковок сложной формы (колес с ободом и ступицей) наружным диаметром ЮОч-380 мм и толщиной полотна

1.6.. .10.3 мм из титанового сплава типа ВТ6 (основа Ti-6% AI-6% Sn) при температуре 900ч-980°С на гидравлических прессах усилием 9 и 27МН (рис.5) [2].

Примеры поковок из сплава ВТ6, отштампованных в режиме сверхпластичности

Рис.5. Примеры поковок из сплава ВТ6, отштампованных в режиме сверхпластичности

Штампы, отлитые из никелевого сплава типа ЖС 6, разогреваются индукционными нагревателями до температуры штамповки в течение 4-10 часов в зависимости от их массы. Процесс штамповки происходит при скорости деформирования в конце штамповки =0,04 мм/с. Эта скорость устанавливается естественным образом, как результат сопротивления штампуемого металла усилию деформирования при ручном управлении гидропрессом, сводящимся к поддержанию заданного усилия. Процесс штамповки длится 3-5 минут.

Опыт штамповки точных поковок изотермическим деформированием и в режиме сверхпластичности позволил исследователям сделать следующий вывод.

Для достижения существенного технико-экономического эффекта, включающего уменьшение металлоемкости и энергоемкости технологического процесса штамповки, использования менее мощных прессов, не всегда необходимо стремиться к достижению температурно-скоростных оптимальных условий сверхпластичности, соответствующих максимальным значениям коэффициента т. Успешная штамповка ряда поковок из алюминиевых и магниевых сплавов в режимах, соответствующих минимальному уровню сверхпластичности (т=0,3-Ю,4) означает возможность осуществлять штамповку при повышенных скоростях, равных номинальным скоростям рабочего хода серийных гидропрессов, а также в более широком температурном интервале. Это позволяет существенно упростить конструкцию изотермических блоков и снизить их стоимость.

Известно, что при штамповке существенное влияние на снижение неравномерности деформации, и особенно при изотермической штамповке и в условиях сверхпластичности, оказывают контактные условия или условия трения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >