СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ

СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ – свойство некоторых металлов и сплавов мелкозернистой структуры в определенном диапазоне температур сильно деформироваться (деформации до 1000% и более) без разрушения или трещинообразования под действием относительно малых нагрузок.

Когда раскаленный, бело-желтый кусок стали, постепенно темнея под ударами молота, изменяет свою форму, превращаясь в деталь сложной конфигурации или в изысканное произведение кузнечного искусства, мы сталкиваемся с явлением сверхпластичности в том виде, который был открыт человеком в незапамятные времена. Казалось бы, очень высокая температура процесса ковки все объясняет – горячая сталь размягчается и течет. Но оказывается, не все так просто. Если в стали содержится достаточное (но очень небольшое) количество серы, то раскаленная заготовка под ударом молота раскалывается на куски, как холодное стекло (это явление называется «красноломкостью»).

Явление сверхпластичности было открыто в 1860-х прошлого века французским ученым Треска (Tresca), проводившим опыты со свинцом.

Изучение сверхпластичности началось в 20 в., когда было обнаружено, что мелкозернистый сплав Zn-Cu-Al под нагрузкой ведет себя необычно: при весьма малом напряжении образец тянется, как будто он сделан из разогретой смолы.

Затем была открыта сверхпластичность сплавов Pb-Sn и Bi-Sn. Образец из сплава Bi-Sn при растяжении удлиняется на 1950%, т.е. в 20 раз (рис. 1).

При этом обнаружились следующие важные особенности процесса: в литых образцах эффект не наблюдается – требовалась горячая прокатка для уменьшения зерен, т.е. кристалликов, из которых состоит сплав; зерна должны иметь равноосную, т.е. близкую к сферической форму; форма и размеры зерен (1–10 мкм) не изменяются после огромной (2000%) деформации; пластическое течение происходит при очень малых напряжениях, если скорость деформации мала, но напряжения очень сильно зависят от скорости течения. Дело обстояло так, как если бы сплав состоял из маленьких шариков, обильно смазанных и поэтому очень подвижных, причем шарики перемещаются друг относительно друга, не деформируясь – деформации происходят в смазке. Если эта смазка имеет неньютоновскую вязкость, это приводит к сильной зависимости напряжения от скорости, которая и наблюдается в эксперименте. Исторически зернограничное скольжение было первым механизмом, предложенным для объяснения сверхпластичности, и этот механизм, по-видимому, остается наиболее убедительным и в настоящее время, позволяя объяснить и очень большие деформации, и сохранение структуры материала. Но принятие этого механизма – только первый шаг; межзеренная среда отнюдь не является вязкой жидкостью – это кристаллическое вещество, и понять, как это оно пластически деформируется без упрочнения и образования трещин совсем не просто. Нужно понять, как и почему напряжение зависит от величины зерна, почему так велико влияние скорости и как зависит процесс от температуры. Дело в том, что для развития процесса сверхпластичности температура оказывается одним из важнейших факторов – можно сказать, что сверхпластичность наблюдается, когда температура материала выше, чем 0,5 Тпл. (Тпл. – температура плавления, по Кельвину). Известные сплавы, проявляющие свойство сверхпластичности, в зависимости от температуры деформации естественно делятся на три класса:

Сплавы, проявляющие сверхпластичность при комнатной температуре – легкоплавкие сплавы; типичный представитель – эвтектический сплав Pb-Sn; они используются как материалы для экспериментальных исследований.

Среднеплавкие сплавы; сверхпластичность наблюдается при температуре 200–500° С; очень важны как конструкционные материалы, имеют хорошие прочностные свойства при комнатной температуре; типичный представитель – сплав Zn-22%Al (фирменное название – «престал»).

Тугоплавкие сплавы, сверхпластичность при температурах свыше 500° С – стали, так называемые жаропрочные сплавы, а также сплавы, содержащие титан (пример – Ti-6%, Al-4%, V). Эти сплавы играют важнейшую роль в авиационной и космической технике, как материал деталей газовых реактивных двигателей, в том числе турбин. Жаропрочные сплавы при нормальной температуре обычно очень твердые и хрупкие, их механическая обработка оказывается очень сложной и дорогой. Горячая штамповка без использования сверхпластичности также не является простым делом – обычно приходится использовать несколько матриц для последовательного изменения формы заготовки. Обнаружение и использование эффекта серхпластичности в жаропрочных сплавах позволяет внедрить простые технологии, когда, при очень сложной форме, изделие получается за одну операцию и не требует дальнейшей обработки.

Можно сказать, что явление сверхпластичности открыло огромные возможности в технологии и огромное поле деятельности в изучении сущности явления и построения его теории – и механической, и физической.

Владимир Кузнецов