Феноменология и реология СПД

Несмотря на большой объем исследований, выполненных к настоящему времени металловедами, физиками и др. специалистами, механизм сверхпластичности надежно не установлен [9]. Поэтому общие характеристики СПД сейчас могут дать только существующие феноменологические модели на основе совокупности внешних признаков явления:

  • - повышенная чувствительность напряжения течения материала к
  • ( da/a

изменению скорости деформации: угп = ~j~j~J;

- крайне незначительная величина деформационного упрочнения:

  • - аномально высокий для данного сплава ресурс деформационной способности (6=102... 103%);
  • - напряжение течения материала в состоянии сверхпластичности (10°...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~0, что характерно для состояния структурной сверхпластичности:

Таким образом, показатель m определяется как тангенс угла наклона кривой а(?) в двойных логарифмических координатах (рис.5).

Для материалов в состоянии сверхпластичности кривая имеет S- образную форму, а зависимость показателя m 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.

Кривая сверхпластичности и схема её условного разделения

Рис.5. Кривая сверхпластичности и схема её условного разделения

на три участка:

I - т < 0,3; II - 0,3 <т <т тах.; III- т < 0,3

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

Это представляет серьёзное неудобство при математическом моделировании процессов объемной и листовой сверхпластической формовки, отличающихся нестационарностью и большой неравномерностью скоростей деформации по объему деформируемой заготовки.

Для устранения этого недостатка О.М. Смирновом была разработана модель упруго-вязко-пластической среды, предложенная для описания реологического поведения СПМ и ПМ в широком диапазоне скоростей деформации [4]. Одним из вариантов упрощения этой модели является модель SP-среды, в которой набор упруговязких элементов заменяется элементом с нелинейной вязкостью. Схема моделей этой среды приведена на рис.б.

Реологическая модель с учетом (а) и без учета (б) упругой деформации

Рис.б. Реологическая модель с учетом (а) и без учета (б) упругой деформации

Обширный экспериментальный материал, в том числе и результаты прямых структурных исследований, показывают, что не существует какоголибо 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.

Доказательством действия зернограничного скольжения при СПД является ослабление или даже потеря исходной кристаллографической текстуры. Вместе с тем известно, что в ряде случаев кристаллографическая текстура после СПД не только не исчезает, но и обогащается новыми компонентами. Это доказывает, что природа сверхпластичности достаточно сложна и не исчерпывается действием одного механизма - зернограничным скольжением.

Роль того или иного механизма СПД определяется задаваемыми извне скоростями деформирования и параметрами материала (размер зерна, коэффициенты диффузии и др.).

В табл.З приведена классификация металлических материалов по типу структуры [4], приближенная оценкой по среднему размеру зерна, для описания их типичного реологического состояния в процессе деформации при повышенных температурах. Несмотря на достаточно условный характер разбиения по типам структур и температурно-скоростных режимов, она позволяет ориентироваться в вопросах выбора реологических моделей.

Таблица 3

Классификация металлических материалов по типу структуры

Тип структуры материала

Средний размер зерна, мкм

Температурный

интервал

деформации

Диапазон

скоростей

деформации,

с11

Типичное

реологическое

состояние

Монокристалл

Размер

монокристалла

(0,5 ...0,9) Тпл

101... 101

Пластическое

Крупнозернистый

> 1000

(0,5 ...0,9) Т„„

101... ю1

Пластическое

Среднезернистый

100... 1000

(0,5 ...0,9) Тпл

101... ю2

Вязкопластическое

Мелкозернистый

10... 100

(0,5 ...0,8) Т„„

101... ю2

Вязкопластическое

Ультрамел козерннстый

1... 10

(0,5 ...0,8) Т„„

10'6... 103

Сверхпластическое

Субмелкозернистый

ОД ... 1

(0,5 ...0,9) Тпл

10'3... ю1

Сверхпластическое

Нанокристаллический

0,01... 0,1

(0,9... 0,99)

101... ю2

Сверхпластическое

Объемноаморфный

-

(0,6 ...0,8) Т„„

ю2... ю5

Вязкое

Влияние скорости деформации на показатель m и напряжение течения а сводится к следующему (см. рис.5). В I - м скоростном интервале зернограничное скольжение (ЗГС) развито сравнительно слабо, показатель т мал и напряжение течения а 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 II-й скоростной интервал, в котором наиболее крут наклон S- образной кривой, и основным механизмом становится ЗГС. Скорость деформации, при которой ЗГС максимально развито, соответствует максимуму т и является в этом смысле оптимальной.

Структурные особенности температурно-скоростных режимов деформации металлических материалов в зависимости от их реологического состояния и структуры.

Интервал //характеризуется развитым зернограничным скольжением, сопровождающимися интенсивными смещениями и разворотами структурных составляющих сплава друг относительно друга без значительных изменений исходной равноосной формы зерен и сменой соседних зерен при деформации (рис. 7).

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

В III- м интервале диаграммы (см. рис.5) преобладает внутризерен- ное скольжение, являющееся основным механизмом обычной пластической деформации металлов и сплавов.

Макромеханизм деформации сверхпластического материала

Рис.7. Макромеханизм деформации сверхпластического материала

Необходимо отметить, что четких границ между тремя скоростными

интервалами СПД не существует. Особенно это касается границ между I и II интервалами.

В литературе, как правило, приводятся данные, полученные при испытаниях сверхпластичных материалов на растяжение (табл.4).

Однако при переходе от растяжения к осадке и выдавливанию, более характерным для процессов объемной штамповки, напряжение течения заметно увеличивается, область структурной сверхпластической деформации смещается в сторону более высоких скоростей (с 10-3-^10-4 с1 - при растяжении до 10-1-ь101 с'1 и выше - при выдавливании), приближающихся к скоростному диапазону серийных гидравлических прессов [11]. Одновременно увеличивается и коэффициент скоростного упрочнения m с 0,2-Ю,3- при растяжении до 0,55-Ю,б- при выдавливании.

Таблица 4

Характеристики сверхпластического состояния для некоторых металлов и сплавов

Основа

сплава

Марка

сплава

Средний

размер

зерна

Теш °С

?

сСП'

-1

с

^sen^

МПа

т

$тах>

%

А1

АЦ5К5

2,0

550

10‘2

4,0

0,60

1000

В96Ц

5,0

465

10'3

5,0

0,60

850

1420

5,5

450

4х10'4

5,0

0,55

700

AM гб

9,5

420

бхЮ'6

5,0

0,45

410

Fe

ВНЦ48

2,5

950

10'3

25,0

0,47

600

03X26H6T

2,0

780

4х10'3

80,0

0,50

280

Mg

MA8

15,0

400

2х10'3

9,0

0,42

300

MA15

15,0

450

2х10'3

11,0

0,45

320

MA21

15,0

450

8,ЗхЮ'3

2,0

0,55

475

Ni

ЖС6КП

5,5

1100

1,7хЮ'3

5,0

0,50

650

ЖС6К

7,5

1125

5х10'3

5,0

0,40

420

Ti

ВТЗ-1

7,5

870

ЗхЮ'3

5,0

0,52

2000

ВТбс

1,5

900

10'3

10,0

0,52

1800

ВТ9

2,0

950

2,7х10"3

29,0

0,60

1800

ВТ14

1,2

870

5х10'3

5,0

0,70

2000

Zu02

Y-TZP

0,3

1550

8,ЗхЮ'3

9,0

0,50

800

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >