Сверхпластичность и сверхпластичные материалы

(Сверхпластичность – способность металла к значительной равномерной деформации без деформационного упрочнения (наклепа).

Напряжение, необходимое для движения дислокаций, обратно пропорционально среднему расстоянию между дислокациями (среднее расстояние равно ) – σ ~ . Следовательно σ ~ . Допустим, что в ходе пластической деформации какой-либо участок длины образца уменьшил площадь своего сечения в большей степени, чем соседний. Так как сечение в шейке уменьшилось сильнее, чем в соседней части, значит в этом месте материал испытал большую деформацию, плотность дислокаций возросла на большую величину. Участок с шейкой более наклепан, чем соседний, который может деформироваться при меньшем напряжении. Поэтому процесс деформации в области шейки приостанавливается, а при дальнейшем растяжении площади сечений в разных участках выравниваются (наклеп обеспечивает устойчивость процесса «пластического течения» материала). Однако способность материала к наклепу в ходе пластической деформации исчерпывается. Каждая новая «порция» деформации требует все меньшего прироста напряжения, угол наклона линии диаграммы к оси ε становится все меньше и меньше. В кристаллических телах плотность дислокаций приближается к предельному значению ρ = 10¹³ см^-2. При такой плотности дислокаций среднее расстояние между ними всего в 10 раз больше межатомного расстояния в решетке. Здесь уже теряет смысл понятие кристаллической решетки. Перенаклепанный материал больше похож на аморфное тело, сближение дислокаций способствует образованию разрывов.

Аморфные вещества способны к огромным равномерным деформациям, процесс течения устойчив, наклеп отсутствует. При взаимном смещении слоев газа или жидкости возникает сила сопротивления, обусловленная вязкостью этих веществ и пропорциональная скорости смещения этих слоев. Зависимость сопротивления деформации аморфных и кристаллических металлов:

,

где σ – внешнее напряжение, вызывающее течение образца; K – коэффициент пропорциональности; m – показатель скоростной чувствительности (мера чувствительности сопротивления деформации к изменению скорости деформации; у металлов показатель гораздо меньше 1 (10^-2), т.е. напряжение, вызывающее течение, почти не зависит от скорости деформирования. У смолы и нагретого стекла показатель близок или равен 1.).

Чем выше показатель m, тем больше требуемый прирост σ, и при достаточно высоких значениях m уже становится легче вовлечь в процесс течения другие участки с большей площадью сечения. Шейка переходит на соседний участок длины образца и т.д. Шейка «бегает» вдоль оси образца. Если показатель m имеет величину не меньше 0,3 шейка нигде не может остановится. Происходит «выглаживания» образца по всей длине. (При образовании шейки скорость деформации материала в ней увеличивается. Данный участок берет на себя всю обязанность увеличения длины образца. Только он один!)

Условия сверхпластичности

1) Металл или сплав должен иметь мелкие зерна – не более 10 мкм в поперечнике;

2) Температура деформации должна быть достаточно высокой – не ниже 0,5T_пл;

3) Скорость деформации должна обычно находится в пределах 10^-6÷10^-3 процентов в секунду.

В отличие от обычной пластической деформации при сверхпластическом течении зерна не вытягиваются в направлении действия напряжений, а остаются «круглыми». При этом они могут менять своих соседей, так что, в конечном счете, число зерен (а не их размер!) в поперечном сечении образца уменьшается, а в направлении оси – увеличивается. Зерна на самом деле имеют форму многогранников и при их взаимных перемещениях и поворотах около границ должны образовываться зазоры. Эти поры являются очагами разрушения, из них вырастают трещины, способные разорвать образец. Залечивание зерен может быть обеспечено как обычной дислокационной деформацией, так и диффузионным массопереносом.