Файл: Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением.pdf

Из выражений (8), (10) и (17) следует, что растяжение образца целесообразно подразделять на три участка. Первый участок — участок равномерного удлинения, который заканчивается, когда da/de = er. На этом участке все случайные колебания деформации выравниваются вследствие упрочнения металла. Третий участок—■ образование шейки. Здесь на небольшом участке образца концен­ трируется весь процесс деформации, а остальная часть образца остается жесткой. Второй участок — участок, на котором возможны конечные колебания степени деформации без образования шейки

иразрыва. Этот участок и называется областью сверхпластичности.

Вэтой области образец деформируется неоднородно, возникают колебания деформации, которые, однако, выравниваются,.так как

напряжение течения находится в определенной зависимости (1) от скорости деформации и вследствие этого шейка не образуется. Величина колебаний, которые, таким образом, еще могут вырав­ ниваться, прямо пропорциональна

При малых значениях rn = (0,05ч-0,3) область сверхпластич­ ности практически незаметна. Но ее можно обнаружить по колеба­ ниям толщины образца, которые наблюдаются после равномерного удлинения перед максимальной нагрузкой и образованием шейки. Вызванное колебаниями деформации дополнительное удлинение составляет в этих случаях всего несколько процентов.

Из выражений (8), (10 и (17) вытекает, что имеются две возмож­ ности предотвращения образования шейки. У обычных металлов при холодном деформировании происходит упрочнение; однако кривизна на диаграмме растяжения daldz быстро уменьшается с уве­ личением степени деформации. В результате у обычных металлов равномерная деформация редко превышает 50%, вслед за чем насту­ пает ускоренное развитие шейки, заканчивающееся разрушением. Второй член в уравнении (17) для обычных металлов мал, так как зависимость напряжения течения от скорости деформации весьма незначительна.

Сильное возрастание напряжения . текучести с увеличением

скорости деформации (да/де > 0) наблюдается у металлов в сверх­ пластичном состоянии. Если при расФяжении образца на какомлибо участке его длины начинает образовываться поперечное суже­ ние, то пластическая деформация концентрируется на этом участке и, следовательно, уменьшается длина равномерно пластически деформируемой области по сравнению с той, которая была до мо­ мента появления шейки. При этом скорость деформации в области шейки резко возрастает. В состоянии сверхпластичности зависимость напряжения течения от степени деформации проявляется весьма

слабо (да/де —>0). Поэтому в противоположность холодной дефор­ мации с упрочнением стабилизирующая роль да/де сохраняется и

при высоких степенях деформации, а до/дг оказывается достаточно большим, чтобы выполнялись условия (8) и (10).

Таким образом, металлы в сверхпластичном состоянии деформи­ руются при растяжении равномерно без образования шейки и по­ следующего разрушения, если значение коэффициента чувствитель­ ности т стремится к единице, что видно из временной зависимости уменьшения поперечного сечения:

Для условия т = 1 из этого выражения следует, что уменьшение поперечного сечения не зависит от абсолютного значения послед­ него, т. е. все сечения уменьшаются равномерно и образования шейки не происходит, если ее не было в исходных образцах.

М ИКРО СКО ПИЧЕСКИ Е П РО Ц ЕССЫ , СВ Я ЗА Н Н Ы Е СО СВЕРХП Л АСТИ Ч Н О СТЬЮ МЕТАЛЛОВ

Вопрос о механизме явления сверхпластнчности до настоящего времени не выяснен и остается дискуссионным. Связь явлений сверхпластичности с высокой температурой, по мнению ряда иссле­ дователей [39, 66 и др. ], свидетельствует в пользу диффузионной подвижности атомов, которая определяется моделью случайного броуновского движения. Однако диффузионный механизм, как, кстати, и другие модели, не в состоянии объяснить все аспекты про­ явления сверхпластичности и, в частности, снижение сопротивления деформации. В случаях, когда имеет место спонтанное течение мате­ риала и под действием небольших напряжений т приобретает экстре­ мальное значение, предлагается [67] использование модели ползу­ чести, усиленной обилием точечных дефектов, но эта модель дает лишь качественную картину явления.

Внастоящее время в работах разных авторов применяют различ­ ные теории к разным видам проявления сверхпластичности, разным методам деформации и даже разным сплавам. Так, например, при деформации мелкозернистых конгломератов трудно установить, ка­ кому из трех механизмов течения отдать предпочтение: миграции вакансий в поле напряжения, скольжению по границам зерен или динамическому возврату.

Вслучае стабильных микроструктур для возникновения сверх­ пластичности необходимо, чтобы, во-первых, величина зерен на­ ходилась в микронной области и не превышала 4 мк (у обычных металлов размер зерна чаще бывает более 12 мк), во-вторых, чтрбы зерна были равноосными, и наконец, скорость роста 'зерен при тем­ пературе деформации должна быть настолько малой, чтобы успе­

82

более 5—6 мк. Однако наличия мелкого зерна еще недостаточно; требуется еще и прочная связь между зернами, чтобы обеспечить скольжение по их границам. Следует отметить необходимость отсут­ ствия по границам зерен хрупких составляющих, причем эвтекти­ ческий или эвтектоидный состав материала не является обязатель­ ным, если мелкое зерно может быть тем или иным методом связано и стабилизировано.

Замечено, что даже после больших степеней деформации в сверх­ пластичном состоянии микроструктура практически не отличается от исходной. Поэтому предполагают, что механизм явления пред­ ставляет собой скольжение по границам зерен, относительная доля которого может составлять более 60% всей деформации. При этом границы зерен рассматриваются как квазивязкий слой, обладающий свойствами вязкой жидкости. Хотя вопрос об определяющем мелко­ зернистую сверхпластнчность механизме остается пока дискуссион­ ным [39, 58], большинство исследователей склонно считать, чтоответственным за это является механизм ползучести с диффузией

по границам зерен. Скорость процесса (е) определяется по формуле

®ZA/(T

где В' — некоторая константа; V — атомный объем;

L — размер зерна;

W — ширина границ зерна; К — постоянная Больцмана;

Dr — коэффициент межзернистой диффузии.

Свыше некоторой критической скорости деформации (зависящей от химического состава металла и размера его зерен) поведение металла будет определяться уравнением второй стадии ползучести, скорость которой регулируется передвижением дислокаций по за­

где Сг, С2, С3— константы, а правая часть есть выражение микро­ скопического описания второй стадии ползучести.

Обычно при высоких температурах и низких скоростях дефор­ мации (на порядок нижеч обычных) относительное скольжение от­ дельных зерен фактически может составить определенную долю деформации. При этом скорость деформации пропорциональна вну­ тренним напряжениям; чем меньше зерно, тем значительнее может быть доля скольжения по границам зерен в общей деформации и тем пластичнее металл. Высокая доля скольжения по границам зерен в;общей деформации должна способствовать тому, что зерна в основ­ ном сохраняют форму, вместо, того чтобы удлиниться пропорцио­ нально удлинению образца, как это происходит при деформации путем перемещения дислокаций. Если исходить из принципа сплош­ ности деформируемого материала, то нужно отметить, что само по себе скольжение по границам не может привести к большим пласти­

ческим деформациям, имеющим место у сверхпластичных металлов, поскольку тогда на углах и краях соседних зерен возникли бы высокие концентрации напряжений, приводящие к внутренним разрывам и увеличению пористости.

При температурах и скоростях деформации, соответствующих сверхпластичному состоянию, происходит не только ползучесть с диффузией по границам зерен, но и другой термически активируе­ мый процесс: ползучесть с диффузией в решетке, которая описы­ вается уравнением Набарро-Герринга [27, 58]:

Если скорость деформации превосходит некоторые критические значения (зависящие от металла и размера зерна), то процесс де­ формирования будет определяться нормальным ходом ползучести, регулируемой переползанием скоплений микродефектов, и подчи­ няться закону

где С4, С6, С6— константы.

Если в процессе деформирования происходит понижение значе­ ния коэффициента объемной диффузии Dv, то ответственным за это является механизм диффузии по границам зерен. Отсюда следует, что межзеренная ползучесть будет превалировать над ползучестью с диффузией в решетке только в том случае, если

т. е. скорость ползучести при диффузии по границам зерен будет больше, чем в случае объемной диффузии.

Диффузионные механизмы, описанные уравнениями (20) и (22), позволяют частично объяснить поведение сверхпластичного металла, типичные характеристики которого приведены на рис. 19, 20 и 22. В самом деле, поскольку скорость деформации пропорциональна напряжению течения, то следовало ожидать, что кривые при низ­

через точку перегиба и снова становятся пологими. Таким образом, сверхпластичные материалы ведут себя как вязкие жидкости только в определенном интервале скоростей деформации. В более широком интервале изменения скоростей деформации сверхпластичное пове­ дение материалов подчиняется механизму, вызванному совместным действием процессов диффузионного скольжения по границам зерен и диффузионной объемной пластичности:

84