Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Прочие arrow Деформация в условиях сверхпластичности — инновационная технология обработки металлов давлением

Виды структурной сверхпластичности

Новые конструкционные материалы (сплавы, полученные с использованием методов порошковой металлургии, аморфные и интерметаллид- ные сплавы, конструкционные керамики и др.), а также традиционные металлы и сплавы с ультрамелкозернистой и наноструктурами (например, после интенсивной пластической деформации), часто проявляют эффект СПД в таких температурно-скоростных условиях, которые существенно отличаются от обычных параметров СПД для промышленных сплавов.

Это привело к тому, что СПД стали подразделять на несколько видов по значению гомологической температуры деформации - — (рис.8): низко-

^пл

температурную, обычную микрозеренную и высокотемпературную. При этом низкотемпературная и обычная микрозеренная СПД происходят, когда сплав находится в твердом состоянии, а высокотемпературная - в твердожидком состоянии из-за наличия на межзеренных границах небольшого количества жидкой фазы, образовавшейся в результате частичного плавления сплава [12].

Виды структурной сверхпластичности [12]

Рис.8. Виды структурной сверхпластичности [12]

Наибольший практический интерес с точки зрения обработки давлением представляет низкотемпературная СПД, осуществление которой стало возможным при деформации заготовок с ультрамелкозернистой (<0,5 —1,0) и нанокристаллической (< ЮОнм) структурами, получаемыми методами интенсивной пластической деформации (ИПД) [13].

Исследования, проведенные Р.З.Валиевым с сотрудниками [13], показали, что использование равноканального углового прессования (вид ИПД) промышленных алюминиевых сплавов 1420 и 1421 не только значительно понижает температуру сверхпластического течения, но и также приводит к высокоскоростной сверхпластичности. Так, максимальное удлинение до разрушения 1620% наблюдали в алюминиевом сплаве 1420 (размер зерна менее 100 нм) при температуре 400°С и начальной скорости деформации более 10'2 с1. В алюминиевом сплаве 1421 при той же температуре также была выявлена высокоскоростная сверхпластичность с удлинением до разрушения 1500 % при скорости деформации 10'1 с'1. Коэффициент скоростной чувствительности напряжения течения для сплава 1420 составил m = 0.45, что свидетельствует о том, что СПД НК и УМЗ - материалов происходит преимущественно в результате зернограничного скольжения.

В монографии [13] приведены результаты исследований СПД классического двухфазного сверхпластического сплава Zn- 22%А1, демонстрирующего при оптимальных температурно-скоростных условиях деформации (температура 250°С, скорость деформации 10'3 с'1) удлинение при испытаниях на растяжение около 2000%. Сверхпластичность в этом сплаве достигается при размере зерен 1-5 мкм. Этот сплав после равноканального углового прессования имел размер зерен структуры около 0,5 мкм и продемонстрировал высокие сверхпластические свойства ( б =1540%) при высокой скорости СПД 3,3-Ю'1 с'1.

Г.А. Салищев с соавторами [14] для получения УМЗ структуры в заготовках из труднодеформируемых сплавов предложили использовать так называемую мультиосевую деформацию всесторонней ковкой при температурах Т< ТреКр..

Дальнейшее развитие этот метод получил при проведении всесторонней ковки в изотермических условиях в специальном блоке . Сообщается, что деформация в таких условиях заготовок из титанового (а+(3)- сплава ВТб с исходным размером (3- зерен 230 мкм проводилась при температуре 650°С и скорости деформации ~10'3с1. В результате в заготовке сформировалась равномерная УМЗ структура со средним размером зерен 0,6 мкм.

УМЗ структура позволила при последующей изотермической деформации поковок лопаток ГТД снизить температуру штамповки от 920°С (серийная технология) до 700°С, т.е. более, чем на 200°С, что существенно улучшило работоспособность, экономичность и условия эксплуатации изотермических блоков. Штамповку осуществляли на серийном гидравлическом прессе усилием 16 МН со степенью деформации 88% при средней скорости деформации ~ 10'V1. При этом полученные поковки лопаток обеспечили улучшение прочностных и усталостных характеристик конечного изделия и сохранение в допустимых пределах пластичности и трещи- ностойкости.

Таким образом, в случае ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов важными моментами являются проявление сверхпластичности при температурах существенно ниже, чем это наблюдается в микрокристаллических сплавах, а также возможность реализации сверхпластичности при высоких скоростях деформации.

Природа этих эффектов состоит в том, что неравновесные состояния границ в наноструктурных материалах, приводя к ускорению динамических процессов на границах, могут привести к существенному уменьшению температуры СПД. Более того, границы зерен, содержащие захваченные решеточные дислокации, могут непосредственно облегчать зернограничное скольжение [13].

Вывод из приведенных рассуждений вполне однозначен: природа СПД связана с температурно-скоростными режимами структурной неустойчивости деформируемого материала [9], и сверхпластичность реализуется независимо от типа сплава при сосуществовании кристаллической и квазиаморфной (аморфной) фаз.

Это подтверждается теорией структурных превращений, в соответствии с которой при сверхпластичности имеет место неустойчивое состояние границ. При этом возникает «квазижидкое вязкое» или аморфное состояние границ, играющее роль своеобразной смазки, облегчающей зернограничное скольжение. Таким образом утверждается [9], что сверхпластичность происходит в условиях неравновесной динамической структуры и реализуется как некоторое состояние деформируемого материала в иерархии состояний при меняющихся температурных и кинематических условиях.

Итак, благодаря обнаружению сверхпластичности в ультрамелко- зернистых и нанокристаллических сплавах при относительно низких температурах и высоких скоростях деформации, стало реальным и экономически возможным практическое использование СПД широкой группы промышленных сплавов.

Как отмечалось выше, для осуществления обычной СПД (см. рис. 5) необходимо предварительное измельчение структуры заготовок. Подробный анализ способов получения ультрамелкозернистой структуры промышленных сплавов приведены в монографии О.А. Кайбышева [8] .

В работе особое внимание уделяется методам изменения микроструктуры металлов, которые просты и достаточно универсальны, т.е. применимы к широкому классу металлов и сплавов. Причем речь идет не о демонстрационных опытах получения УМЗ структур на лабораторных образцах, а о промышленных методах, позволяющих изготавливать мелкозернистые полуфабрикаты различного ассортимента, которые могут найти широкое применение в промышленности.

Отмечается, что к настоящему времени наметились два основных направления, реализация которых позволяет получать полуфабрикаты с необходимой для сверхпластичности УМЗ микроструктурой:

  • а) разработка и использование СП сплавов, в которых мелкозернистая структура получается за счет регулирования их химического и фазового состава с целью наиболее легкого получения УМЗ микроструктуры;
  • б) изыскание способов и режимов предварительной обработки, обеспечивающей получение ультрамелкого зерна в существующих промышленных сплавах практически любого состава.

Эти направления дополняют друг друга, но второй путь более перспективен, поскольку подбор материалов для деталей машин и конструкций производят, как правило, исходя из требований к их эксплуатационным характеристикам, а не из возможности реализации в них эффекта СП. Второй путь обеспечивает более быстрое использование СП в промышленности. Отсюда понятна необходимость разработки легко осуществляемых способов получения СП полуфабрикатов промышленных сплавов.

Способы измельчения микроструктуры полуфабрикатов можно подразделить на три группы. Прежде всего, это металлургические способы, основанные на варьировании условий кристаллизации. Другая группа способов связана с использованием термообработки, в частности рекри- сталлизационного отжига, термоциклирования, горячей пластической деформации, либо термомеханической обработки. Наконец, специальная группа способов, включающая порошковую металлургию, пакетную прокатку, элетролитическое послойное осаждение. Однако использование специальных методов получения УМЗ структуры оправдано только в тех случаях, когда невозможно получить требуемую структуру другими способами, поскольку промышленная реализация их сложна и трудоемка.

В настоящее время у специалистов все больший интерес вызывает механическое поведение сплавов при высоких гомологических температурах, близких к температуре их солидуса.

Исследованиями установлено, что многие сплавы, например, алюминиевые сплавы, переходя в твердожидкое состояние при высоких гомологических температурах (0,8 - 0,95) , частично оплавляясь, не охрупчива- ются, а проявляют аномально высокую пластичность - высокотемпературную структурную сверхпластичность (ВССП) при высоких скоростях деформации (10~3 - 102 с_1) [12] (см. рис.5).

Предполагается, что это явление обусловлено наличием тонкого слоя (около 30 нм) жидкой фазы на межфазных и межкристаллитных границах и в тройных стыках зерен. Это снижает концентрацию локальных напряжений при развитии зернограничного и внутризеренного дислокационного скольжения. В результате СПД образца, находящегося в твердожидком состоянии, приобретает черты, характерные для вязкого (ньютоновского) течения материала.

Исследователи [12] связывают это с тем, что вязкая жидкая фаза, находящаяся на локальных участках межзеренных и межфазных границ, представляет собой своеобразную вязкую «смазку». Ее наличие позволяет зернам более легко скользить друг относительно друга и существенно снижает концентрацию локальных напряжений, возникающих в ходе ЗГС на трудных для скольжения участках межзеренных и межфазных границ.

Однако этот перспективный для ряда сплавов процесс ВСПП пока не вышел из лабораторий на стадии промышленного опробования и внедрения.

Из рассмотренных методов подготовки УМЗ структуры следует, что необходимо разрабатывать более простые и экономичные способы перевода металлов и сплавов в сверхпластичное состояние для повышения эффективности применения СПД. Одним из таких способов считается использование динамической сверхпластичности [9].

Динамическая сверхпластичность, в отличие от структурной, проявляется у металлов и сплавов с неподготовленной структурой (деформированной или даже литой). Формирование УМЗ равноосной структуры, необходимой для реализации зернограничного скольжения, характерного для СПД, происходит в процессе нагрева и последующей деформации.

Эффект динамической сверхпластичности обусловлен существенными необратимыми структурными изменениями, в результате действия которых исходное крупное зерно сначала в заготовке измельчается, а затем, в конце цикла деформации, структура, становясь ультрамелкозернистой, обеспечивает условия СПД. Это существенно облегчает процессы штамповки полуфабрикатов сложной конфигурации с тонкими ребрами и полотнами из труднодеформируемых и малопластичных сплавов.

Такой эффект наблюдался при деформации поковок из алюминиевых [9], титановых, жаропрочных никелевых[11] и др. сплавов.

зо

Для осуществления динамической сверхпластичности, т.е. реализации возможности управления размером зерен в процессе деформации, необходима, прежде всего, оптимизация температурно-скоростных условий деформирования, также учет истории деформации.

Обобщая изложенное, можно утверждать, что использование эффекта СПД - уникального свойства многих металлических материалов - создает предпосылки применения технологических режимов обработки с пониженным сопротивлением деформированию, с высоким качеством конечного продукта, и с меньшими энергозатратами.

В среднем использование эффекта сверхпластичности при обработке давлением позволяет увеличить коэффициент использования металла (КИМ) с 0,12 - 0,25 до 0,7 - 0,85, снизить трудоемкость на 30 - 40%, энергозатраты - в 2 - 4 раза, технологическую себестоимость - на 20 - 30% [9].

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы