Эволюция структуры и особенности разрушения

из "Сверхпластичность промышленных сплавов "

Изучение структурных изменений при СПД имеет два аспекта с одной стороны, позволяет судить об особенностях процесса СПД, с другой стороны — прогнозировать свойства материалов после СПД. К настоящему времени выполнено большое количество работ, посвященных исследованию микроструктуры, дислокационной структуры, текстурообразования, деформационного рельефа и пористости на различных металлах и сплавах в СП состоянии. Рассмотрим основные результаты, позволяющйе. представить состояние проблемы. [c.26]
Микроструктура. Один из наиболее важных результатов — установление сохранения равноосности зерен после СПД [1—3]. Зерна даже после удлинения образцов на сотни процентов в области наибольшей скоростной чувствительности напряжения течения остаются приблизительно равноосными. Этот результат подтвержден практически на всех СП материалах. Вместе с тем в сплавах с исходной металлографической текстурой обычно наблюдается ее уменьшение при деформации. Возможны два варианта объяснения сохранения равноосной формы зерен. Согласно первому, происходит вытягивание зерен при деформации, но оно снимается миграцией границ [58]. По второму, зерна остаются равноосными вследствие необычного их перемещения, при котором они перераспределяются как целые со сменой соседей (см. 2.1.1). Очевидно, оба процесса могут иметь место в ходе СП течения. [c.26]
Равноосность зерен сохраняется не только при деформировании в области П, но и при изменении скорости деформации. Однако значительное увеличение е обычно приводит к вытянутости зерен и иногда к измельчению, что связано с выходом материала из СП состояния. В работах [58, 59] обнаружено появление вытянутости зерен и при деформации с малыми скоростями. Этот эффект наиболее заметен при деформировании сплавов с г. п. решеткой, а его природа, очевидно, обусловлена особенностями действующих механизмов в области I [60]. [c.26]
Показано [2, 59, 62], что и в двухфазном сплаве Zn—22 % Ai— и в сплавах, близких по структуре к однофазным, —Zn—0,4 % А1, Sn 5 % Bi и др., величина дополнительного роста зерен за счет деформации увеличиваются при повышении степени и уменьшении скорости деформации (рис. 4), в то же время скорость роста зерен М /х непрерывно возрастает с увеличением е. [c.27]
Дислокационная структура. Многочисленные результаты электронно-микроскопических исследований дислокационной структуры тонких фольг из образцов после СПД [1—3] показали, что характерным является отсутствие в СП материалах субструктуры даже после больших удлинений. Зерна, как правило, вообще свободны от дислокаций. Лишь в сплавах, содержащих дисперсные частицы вторых фаз, удается наблюдать отдельные дислокации (рис. 5,а, б), а согласно работам [1, 59, 64—67] —и единичные дислокационные стенки, число которых несколько увеличивается с повышением скорости деформации. [c.28]
Такие картины типичны для материалов после деформации в областях I и П. При высоких скоростях деформации (область П1), когда наблюдается снижение характеристик СП, происходит резкое увеличение плотности дислокаций в структуре, во многих зернах можно обнаружить сплетение дислокаций и субграницы (рнс. 5,в). [c.28]
Необходимо отметить, что отсутствие развитой субструктуры после СПД не является доказательством малой активности дислокаций, поскольку возможно их быстрое исчезновение в процессе деформирования, разгрузки и медленного охлаждения с температуры деформации образцов (см. 2.1.2). [c.28]
Особо следует отметить отдельные сообщения о наблюдении дефектов в границах зерен после СПД [1, 41, 68, 69] (рис. 6). В работе [68] замечено, что в магниевом Сплаве МА8 плотность дефектов возрастает с повышением скорости деформации, и сделан вывод о том, что они являются захваченными границами решеточными дислокациями. Однако во многих материалах границы зерен свободны от дефектов, что обусловлено их ускоренной релаксацией при высоких температурах (см. 2.2.2). [c.28]
Текстуры. Изучение текстур представляет интерес и для регулирования свойств СП материалов, и для исследования действующих механизмов деформации. Чаще всего исходный материал имеет текстуру, возникающую при его предварительной обработке, используемой для перевода сплавов в СП состояние. Еще в первых исследованиях текстурных изменений [2, 3] установлено, что с увеличением степени деформации исходная текстура заметно размывается, причем наиболее сильно при скоростях, отвечающих области П, что иногда приводит к полностью бестекстурному состоянию. Такое размытие текстуры обычно объясняют хаотичным разворотом зерен при их относительных перемещениях как целых. В то же время систематические исследования [2, 3] показали, что наряду с размытием текстуры часто наблюдается образование новых максимумов на полюсных фигурах и сохранение интенсивности исходных. Эти данные важны для исследования внутризеренного скольжения в условиях СП и подробно рассмотрены в разд. 2. [c.28]
Еще один важный результат топографических исследований — аблюдение образования деформационных зон вблизи границ зерен (Л на рис. 7,6). Этот структурный феномен представляет большой интерес, поскольку образующиеся зоны несут важную информацию о действующих механизмах деформации. Впервые внимание на такие зоны обращено Бэкофеном с сотр. [72, 73]. Позднее их наблюдали на самых разных СП материалах [2, б, 74— 76 и др.]. [c.32]
При изучении деформационных зон методом реплик во многих из них часто можно обнаружить специфический полосчатый рельеф, поэтому в литературе их часто называют полосчатыми зонами. Однако это определение не совсем верно, поскольку полосчатость связана с качеством подготовки поверхности образца перед деформацией и часто может отсутствовать [6], Как свидетельствуют исследования, ширина зон увеличивается с повышением степени деформации, но уменьшается при снижении скорости растяжения. Тщательные исследования деформационных зон на двухфазном сплаве Zn—22 % AI [6, 77, 78], показали, что зоны образуются преимущественно на межфазных границах и наклонены к поверхности образца в основном под углом 10—20°, причем средний угол уменьшается при понижении скорости деформации. [c.32]
Вопрос о природе наблюдаемых деформационных зон сложен. В работах Бэкофена высказано предположение, что эти зоны являются следствием диффузионной ползучести. В более поздних исследованиях [74, 75] сделан вывод, что зоны выявляются за счет ЗГП, когда обнажаются внутренние поверхности границ. Однако образование новых поверхностей может происходить и вследствие диффузионного массопереноса [б, 79], поэтому более справедливым представляется рассмотрение образования деформационных зон как результата ЗГП и диффузии. Кроме того, в их формировании, очевидно, участвует и миграция границ зерен, особенно в однофазных материалах [2, 60], что, например, видно из рис. 7,6. Именно со сложным характером образования деформационных зон связано, вероятно, исключительно разнообразное их проявление, выявляемое при топографических исследованиях. [c.32]
Порообразование. Повышенная пористость — важный структурный эффект, наблюдаемый после СПД. Первоначально она была обнаружена на медных сплавах, но к настоящему времени выявлена в широком круге материалов [80—82]. Оказалось, что, как и при ползучести, особенно склонны к порообразованию сплавы на основе меди, железа, алюминия, никеля и магния, в которых поры можно обнаружить уже после СПД на относительно небольшие степени деформации (50—100 %). В цинковых сплавах поры обычно наблюдаются только после больших деформаций [83]. В сплавах титана, свинца, циркония образование заметной пористости, как правило, не обнаружено. Кроме того, на развитие пористости оказывает влияние схема деформации — плотность пор после осадки намного меньше, чем после растяжения при идентичных температурно-скоростных условиях испытаний. [c.32]
В настоящее время нет прямых данных о зародышах пор, но полезными здесь могут быть феноменологические наблюдения порообразования. Как показывают многочисленные исследования, самые малые поры всегда возникают на границах зерен. Установлено, что в латунях поры преимуш,ественно зарождаются на межфазных границах, на которых также наблюдали наибольшее проскальзывание [81, 82]. Поры часто обнаруживаются вблизи выделений, причем увеличение частиц приводит к повышению пористости [85]. В работе [86] на основе прямых наблюдений в высоковольтном микроскопе предложена модель образования пор, основанная на том, что зародыши пор возникают вследствие концентрации напряжений при блокировании ЗГП частицами. В то же время авторы работы [87, 88] полагают, что зародыши пор могут существовать еще до деформации вследствие нарушения сцепления на границах выделение — матрица. [c.33]
Рост пор при СПД, как и при ползучести, может осуществлять-ся двумя способами [89, 90] за счет диффузии вакансий и деформационным путем, например вследствие раскрытия зародышей пор в результате проскальзывания по границам. В первом случае поры должны быть округлой формы, во втором — с острыми углами. Характерное изменение формы и распределения пор с увеличением скорости деформации (см. рис. 8) — появление вытянутости, стро-чечность часто связывают с уменьшенном роли диффузии и увеличением роли деформационного роста пор [82]. Возможна и иная точка зрения. Как показано в работе [91], форма пор должна зависеть от соотношения скоростей диффузионных потоков по поверхности поры и по границам зерен. Если скорость зернограничных потоков будет ниже, чем по поверхности поры, она будет иметь равноосную форму если же скорость зернограничных потоков будет выше, чем по поверхности поры, — пора станет вытянутой. Поскольку скорость диффузии по границам при повышении е возрастает (см. 2.2.2), то этот фактор может стать определяющим в изменении формы пор при высоких скоростях деформации. [c.34]
Вопрос о роли пор при СПД до конца не выяснен. Обычно принято считать, что порообразование — сопутствующий и вредный процесс. Вместе с тем при определенном уровне пористости она может быть полезной для СП, поскольку способсрует облегчению-развития ЗГП [32, 33, 92]. Экспериментально показано [92], что-вблизи пор величина проскальзывания существенно увеличивается. Очевидно, этот эффект может играть определяющую роль в проявлении СП у крупнозернистых материалов [33]. Однако в типичных СП материалах (с мелкозернистой структурой) пористость вряд ли играет такую роль. Во-первых, на начальном этапе деформации поры наблюдаются относительно редко. Во-вторых, с увеличением деформации, когда происходит повышение пористости, не обнаруживается увеличение ЗГП. Наконец, при изменении схемы нагружения, в частности при осадке образцов, наблюдается значительно меньшая пористость, но показатели пластичности не ухудшаются. [c.34]
Таким образом, при растяжении мелкозернистых СП материалов пористость, скорее всего, не играет заметной положительной роли. В то же время ее накопление в процессе деформирования значительно ускоряет разрушение материалов. [c.34]
Разрушение. К, сожалению, несмотря на важность проблемы, существует мало информации о разрушении СП материалов. В целом у СП сплавов могут наблюдаться два типа разрушения. Некоторые материалы, например эвтектонд Zn—А1, титановые сплавы, обычно деформируются с образованием значительной шейки и утоняются почти до точечного сечения. Однако многие материалы разрушаются хрупко — без заметной шейки (рис. 9), при этом с увеличением скорости деформации повышается склонность к образованию шейки. [c.34]
СКОЛЬКИХ зерен. В то же время неясно, какова роль пор в процессе разрушения. [c.35]
Ряд исследователей [6, 81] полагают, что образование трещин и разрушение происходят в результате слияния пор. Вместе с тем увеличение пристости. может приводить к изменению механизма СПД [93], что должно отразиться на характере напряжения течения сплавов. В этой связи представляет интерес зависимость а—е с учетом истинной площади сечения, для чего из общей площади образца нужно вычесть площадь, занятую порами. Такой анализ, выполненный в работе [82], показал, что в области степеней деформации, непосредственно предшествующих разрушению, можно наблюдать нехарактерное для СП течения заметное деформационное упрочнение материала (рис. 10), что свидетельствует об изменении характера деформации в этих условиях. Эти данные подтверждают предположение о смене деформационных процессов, типичных для СПД тости в образцах. [c.35]

Вернуться к основной статье

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...