Сверхпластичность промышленных сплавов

Кайбышев О. А.

Металлургия, 1984 г.

Одним из важнейших свойств металлических материалов является пластичность — способность под действием внешних механических напряжений изменять форму без разрушения. Это свойство широко используют в технологии, в частности на нем основаны методыобработкиметаллов давлением.

Длительное время в металловедении существовало мнение, что пластичность определяется фазовым и химическим составомсплавов и ею не удается управлять в широких пределах. Обычно однофазные сплавы оказывались более пластичными, чем многофазные. На этих представлениях базируется разделение металлов на пластичные и малопластичные и соответственно классификациясплавов по виду диаграммсостояния на деформируемые и литейные.

А. А. Бочвар обнаружил и впервые исследовал резкое увеличение пластичности в. двухфазных цинк-алюминиевых сплавах. Он понял, что речь идет о существовании нового явления, названного им сверхпластичностью. Наличие этих аномалий на сплавах других систем было подтверждено в работах А. А. Преснякова.

В результате исследований, выполненных в последние годы, представления о природе пластичностиметаллов и сплавов претерпели коренное изменение. Оказалось, что пластичность металлических поликристаллических материалов можно увеличить в десятки и даже сотни раз путем их перевода в сверхпластичное состояние. Существующее разделение сплавов на пластичные и малопластичные условно; оно характеризует лишь свойствасплавов при традиционных условиях испытания. В сверхпластичном состоянии литейные сплавы, например чугуны, могут быть не менее, а даже более пластичными, чем деформируемые сплавы — стали .

К сверхпластичности, если под этим термином понимать способность металлических материалов к аномально высокому удлинению, можно отнести широкий круг явлений. Однако наиболее характерными являются две группы: структурная сверхпластичность, наблюдаемая в ультрамелкозернистых материалах, а также сверхпластичность, обусловленная воздействием на металлические материалы внешней среды, при развитии фазовых превращений в процессе деформации, радиации, термоциклирования. Наибольший интерес представляет первая группа явлений, поскольку она позволяет рассматривать сверхпластичность как универсальное состояние металлических материалов, наблюдающееся при определенной микроструктуре, температуре и скорости деформации. В настоящей книге рассмотрена только структурная сверхпластичность. Показана возможность перевода в сверхпластичное состояние наиболее широко используемых в технике сплавов, в том числе таких малопластичных в обычных условиях, как жаропрочные сплавы на основе титана и никеля.

Основные характерные признаки сверхпластического течения: резкое увеличение ресурсов пластичности — относительное удлинение достигает сотен и тысяч процентов; заметное снижение усилийдеформации и практически отсутствие деформационного  упрочнения впроцессе пластического течения, резкая зависимость напряжения течения от скорости деформации.

Нетрудно представить, что эти особенности сверхпластического состояния благоприятны для формообразования изделий. Однако для использования этого явления в технологии необходимо решить ряд вопросов. Как получить состояниесверхпластичности  в конкретных промышленных сплавах? Как повлияет обработка всверхпластичном состоянии на служебные характеристики промышленных сплавов, не ухудшит ли она их? Каковы оптимальные температурно-скоростные условияобработкисплавов в сверхпластичном состоянии?

Для многих промышленных сплавов уже сейчас можно сформулировать ответы на поставленные вопросы, для других - пока нет, но в любом случае можно наметить линию подхода к решению задачи.

В монографии подробно рассмотрены факторы, влияющие на проявление сверхпластичности в металлических материалах, механизмы деформации, обусловливающие сверхпластическое течение.

Есть два пути получения в сплавах ультрамелкозернистой микроструктуры, необходимой для перевода в сверхпластичное состояние: разработка и использование сплавов, в которых необходимая структура легко достигается путем регулирования их химического и фазового состава, и изыскание предварительной обработки, обеспечивающей получение мелкого зерна в сплавах практически любого состава. Между этими подходами нет противоречия, скорее, они дополняют друг друга. Однако второй путь более реален, поскольку подбор материалов для конкретных изделий производится, как правило, с учетом требований к эксплуатационным характеристикам материала, а не их технологичности, хотя последний фактор также учитывается. Отсюда ясно, что надо разрабатывать легко реализуемые в промышленностиспособы получения полуфабрикатов из обычных сплавов, способных к сверхпластическому течению.

Систематические исследования большой группы промышленных сплавов позволили установить, что, используя особенности предварительной горячей и холодной деформации, фазовые и структурныепревращения при нагреве и охлаждении сплавов, можно предложить легко реализуемые способы получения ультра мелкозернистой микроструктуры во многих промышленных сплавах.

Выполненные в последние годы исследования показали, что обработка промышленных сплавов в сверхпластичном состоянии вбольшинстве случаев не ухудшает, а улучшает комплекс механически  свойств промышленных сплавов. Так, у ряда сплавов после обработки в сверхпластичном состоянии наблюдается  увеличение прочностныхсвойств и пластичности при комнатной  температуре. После обработки в сверхпластичном состояниирезко снижается  анизотропия механических свойств, что особенно существенно для металлов и сплавов с гексагональной решеткой, заметно повышается ударная вязкость и усталостная прочность.

Обработка в сверхпластичном состоянии позволяет радикально улучшить свойства ряда сплавов и может быть рекомендована как специальная деформационно-термическая обработка. Так, обработкасплавов Mg—Liв сверхпластичном состоянии не только повышает комплекс механических свойств, но и позволяет стабилизировать их во времени (отсутствие стабильности свойств — основной недостаток сплавов этой системы).

Повышение механических свойств промышленных сплавов после обработки в сверхпластичном состоянии обусловлено изменениями структуры. Дело в том, что сверхпластичное состояние позволяет избежать органического недостатка обычных видов деформации. При штамповке изделий, особенно сложной конфигурации, степеньдеформации на различных участках заготовки различна и определяется ее конфигурацией. Неоднородность деформацииприводит к неоднородности микроструктуры и, как следствие, к неоднородности механических свойств материала, которые не устраняются, а в ряде случаев даже усиливаются при последующей термической обработке.

В условиях сверхпластического течениямикроструктураматериала слабо зависит от степени деформации, а также активизируются диффузионные процессы, что способствует получению состояния с высокой структурной и химической однородностью. Кроме того, отсутствие накопления дислокаций при сверхпластическом течении, наличие ультрамелкозернистой  микроструктуры способствуют увеличению пластичности и ударной вязкости при комнатной и более низких температурах. Из этого можно сделать заключение, что условия сверхпластического течения целесообразно использовать не только для увеличения ресурса пластичности промышленных сплавов, но и для контролируемого изменения их структуры и эксплуатационных свойств.