Сверхпластичность

В материаловедении твердый сверхпластичность — это состояние, при котором кристаллический материал деформируется далеко за пределы своего обычного предела разрушения, обычно более чем на 400% во время деформации растяжения. Такое состояние обычно достигается при высокой гомологичной температуре . Примерами сверхпластичных материалов являются некоторые мелкозернистые металлы и керамика. Другие некристаллические материалы (аморфные), такие как кварцевое стекло («расплавленное стекло») и полимеры, также деформируются аналогичным образом, но не называются сверхпластичными, поскольку не являются кристаллическими; скорее, их деформацию часто называют ньютоновской жидкостью . Сверхпластически деформированный материал становится тоньше очень равномерно, а не образует «шею» (локальное сужение), что приводит к разрушению. Также тормозится образование микропустот, что является еще одной причиной ранних переломов. Сверхпластичность не следует путать со сверхэластичностью .

Историческое развитие сверхпластичности

Некоторые свидетельства сверхпластического течения в металлах были обнаружены в некоторых артефактах, например, в сталях Вутца в древней Индии, хотя сверхпластичность была первым научным признанием в двадцатом веке в отчете Бенгоу об удлинении латуни на 163% в 1912 году. Позже, в 1928 году, Дженкинс установил более высокое удлинение на 300% в сплавах Cd-Zn и Pb-Sn. Однако дальше установления нового явления механических свойств материалов эти работы не пошли. До публикации работы Пирсона в 1934 году в эвтектическом сплаве Pb–Sn обнаруживалось значительное удлинение в 1950%. Легко было стать самым обширным отчетом об элонгации в научных исследованиях того времени. В течение более 25 лет после усилий Пирсона в западном мире не было дальнейшего интереса к сверхпластичности. Позже Бочвар и Свидерская продолжили сверхпластичность в Советском Союзе, опубликовав множество публикаций по сплавам Zn–Al. В 1985 году в Уфе, Россия, был создан научно-исследовательский институт, специализирующийся на сверхпластичности, Институт проблем сверхпластичности металлов. Этот институт остался единственным в мире институтом, занимающимся исключительно исследованиями сверхпластичности. Интерес к сверхпластичности возрос в 1982 году, когда в Сан-Диего прошла первая крупная международная конференция «Сверхпластичность в конструкционных материалах» под редакцией Патона и Гамильтона. Оттуда были опубликованы многочисленные исследования со значительными результатами. Сверхпластичность в настоящее время является основой формирования сверхпластической деформации как важнейшего метода применения в аэрокосмической отрасли.

Условия

В металлах и керамике требования к сверхпластичности включают мелкий размер зерен (менее примерно 10 микрометров) и рабочую температуру, которая часто превышает половину абсолютной точки плавления. Несколько исследований обнаружили сверхпластичность крупнозернистых материалов. Однако научное сообщество пришло к выводу, что порог размера зерна в 10 микрометров является предварительным условием активации сверхпластичности. Как правило, рост зерен при высокой температуре и, следовательно, поддержание мелкозернистой структуры при гомологичной температуре является основной проблемой в исследованиях сверхпластичности. Типичная стратегия микроструктуры использует тонкую дисперсию термостабильных частиц, которые закрепляют границы зерен и поддерживают мелкозернистую структуру при высоких температурах и наличии нескольких фаз, необходимых для сверхпластической деформации. Наиболее типичной микроструктурой сплава для сверхпластичности является эвтектическая или эвтектоидная структура, как в сплавах Sn-Pb или сплавов Zn. Те материалы, которые соответствуют этим параметрам, должны по-прежнему иметь чувствительность к скорости деформации (измерение того, как напряжение в материале реагирует на изменения скорости деформации) > 0,3, чтобы считаться сверхпластичными. Идеальная чувствительность к скорости деформации составляет 0,5, что обычно встречается в микродуплексных сплавах.

Механизм

Механизмы сверхпластичности в металлах определяются как зернограничное скольжение (ЗГС). Однако зернограничное скольжение (ЗГС) может привести к концентрации напряжений на тройном стыке или границе зерен твердых фаз. Следовательно, ГБС в материалах с поликристаллической структурой должен сопровождаться другими процессами аккомодации, такими как диффузия или дислокация. Модели диффузии, предложенные Эшби и Вераллом, объясняют постепенное изменение формы зерен для поддержания совместимости между зернами во время деформации. Изменения формы зерен происходят за счет диффузии. Граница зерна мигрирует, образуя равноосную форму с новой ориентацией по сравнению с исходными зернами. Дислокационная модель объясняется тем, что концентрация напряжений из-за ГБС будет ослаблена движением дислокаций в блокирующих зернах. Дислокация накапливается, и подъем позволит выпустить еще одну дислокацию. Дальнейшие детали модели дислокации все еще обсуждаются, некоторые из них предложены моделями Кроссмана и Эшби, Лэнгдона и Гифкинса.

Высокая скорость деформации, сверхпластичность

В общем, сверхпластичность часто возникает при низкой скорости деформации, порядка 10 ⁻⁴ с ⁻¹ , и может быть энергозатратным. Кроме того, длительное воздействие высокой рабочей температуры также ухудшает механические свойства материалов. Существует острая потребность в увеличении скорости деформации при сверхпластической деформации порядка 10. ⁻² с ⁻¹ , называемую сверхпластичностью при высокой скорости деформации (HSRS). Увеличение скорости деформации при сверхпластической деформации обычно достигается за счет уменьшения размера зерна в сверхмелком диапазоне от 100 до менее 500 мкм. Дальнейшее измельчение зерен до нанокристаллической структуры с размером зерен менее 100 нм неэффективно для повышения скорости деформации или улучшения пластичности. Наиболее распространенный процесс измельчения зерна в исследованиях HSRS использует сильную пластическую деформацию (SPD). SPD может обеспечить исключительное измельчение зерна до субмикронного или даже нанометрового диапазона. Среди многих методов ИПД наиболее широко используются два метода: равноканальное угловое прессование (РУП) и кручение под высоким давлением (КВД). Помимо получения сверхмелкого размера зерен, эти методы также обеспечивают высокую долю высокоугловых границ. Эти границы зерен с большим углом являются особым преимуществом для увеличения скорости деформации деформации. Что касается важности обработки зерна для исследования сверхпластичности, ECAP и HPT заняли основные позиции в исследованиях сверхпластичности металлов.

Преимущества сверхпластической формовки

Этот процесс предлагает ряд важных преимуществ как с точки зрения проектирования, так и с аспектов производства. Начнем с того, что существует возможность формовать детали с двойной кривизной и гладкими контурами из одного листа за одну операцию, с исключительной точностью размеров и чистотой поверхности, без какого-либо «пружинного возврата», свойственного методам холодной штамповки . различные толщины листового сплава Поскольку используются инструменты только с одной поверхностью, время выполнения заказа сокращается, а создание прототипов происходит быстро и легко, поскольку на одном и том же инструменте можно тестировать .

Методы формования

В настоящее время используются три метода формования, позволяющие воспользоваться этими преимуществами. Выбор метода зависит от конструкции и критериев производительности, таких как размер, форма и сплава характеристики .

Формирование полости

Заготовка с графитовым покрытием помещается в нагретый гидравлический пресс. Затем используется давление воздуха , чтобы заставить лист плотно прилегать к форме. Вначале заготовка контактирует с полостью матрицы, что затрудняет процесс формования из- за трения на границе раздела заготовка/матрица . Таким образом, контактные площадки делят одиночную выпуклость на ряд выпуклостей, в которых происходит свободный процесс выпучивания. Процедура позволяет изготавливать детали с относительно точными внешними контурами. Этот процесс формовки подходит для изготовления деталей с гладкими, выпуклыми поверхностями.

Формирование пузырьков

Заготовка с графитовым покрытием зажимается на «подносе», в котором находится нагретая охватываемая форма. Давление воздуха заставляет металл плотно прилегать к форме. Разница между этим процессом и процессом формирования охватывающей формы заключается в том, что форма, как уже говорилось, является охватывающей, и металл надавливается на выступающую форму. Для формирования матрицы форма является внутренней, и металл вдавливается в полость. Оснастка состоит из двух напорных камер и ответного пуансона, имеющего линейное перемещение. Как и в технологии формирования полостей, в начале процесса прочно зажатая заготовка раздувается давлением газа.

Вторая фаза процесса включает в себя формирование материала на поверхности пуансона путем приложения давления против предыдущего направления формования. За счет лучшего использования материала, обусловленного условиями процесса, можно использовать заготовки меньшей начальной толщины по сравнению с формовкой с полостью. Таким образом, технология пузырькового формования особенно подходит для деталей с большой глубиной формования.

Формирование диафрагмы

Заготовку с графитовым покрытием помещают в нагретый пресс . Давление воздуха используется для придания металлу формы пузыря перед тем, как охватываемая форма вдавливается в нижнюю часть пузыря, чтобы произвести первоначальное впечатление. Затем давление воздуха используется с другого направления для окончательного формирования металла вокруг охватывающей формы. Этот процесс имеет длительное время цикла, поскольку скорости сверхпластической деформации низкие. Продукт также страдает от плохих характеристик ползучести из-за малого размера зерен, а в некоторых сплавах может наблюдаться кавитационная пористость. Однако текстура поверхности в целом хорошая. Специальные инструменты, штампы и станки стоят дорого. Основным преимуществом этого процесса является то, что с его помощью можно производить большие сложные компоненты за одну операцию. Это может быть полезно для снижения массы и устранения необходимости в сборочных работах, что является особым преимуществом для аэрокосмической продукции. Например, метод формирования диафрагмы (DFM) можно использовать для уменьшения растягивающего напряжения течения, возникающего в конкретного сплава во время матричном композите деформация .

Алюминий и сплавы на его основе

сплавы сверхпластической формовки (SPF) Алюминиевые способны без разрушения растягиваться в несколько раз по сравнению с первоначальным размером при нагревании до температуры от 470 до 520 ° C. Эти разбавленные сплавы, содержащие цирконий , позже известные под торговым названием SUPRAL, подверглись тяжелой холодной обработке с получением листов и динамической кристаллизацией до мелкого стабильного размера зерна, обычно 4–5 мкм, на начальных стадиях горячей деформации. Кроме того, сверхпластическая формовка — это технология обработки чистой формы, которая значительно снижает затраты на изготовление и сборку за счет уменьшения количества деталей и требований к сборке. Ожидалось, что с помощью технологии SPF можно будет достичь 50-процентного снижения производственных затрат для многих узлов самолета, таких как носовой обтекатель и узлы носового ствола. Другие побочные эффекты включают снижение веса, устранение тысяч крепежей, устранение сложных функций и значительное сокращение количества деталей. Прорыв в области сверхпластичных сплавов Al-Cu был сделан Стоуэллом, Уоттсом и Граймсом в 1969 году, когда первый из нескольких разбавленных алюминиевых сплавов (Al-6% Cu-0,5% Zr) стал сверхпластичным благодаря введению относительно высоких количеств циркония в решение с использованием специализированного методы литья и последующую электрообработку для создания чрезвычайно тонких ZrAl ₃ выпадает в осадок.

Товарные сплавы

Некоторые коммерческие сплавы подвергались термомеханической обработке для придания им сверхпластичности. Основные усилия были направлены на сплавы серии Al 7000, сплавы Al-Li, композиты с металлической матрицей на основе Al и механически легированные материалы.

Композиты из алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы и их композиты находят широкое применение в автомобильной промышленности. При комнатной температуре композиты обычно имеют более высокую прочность по сравнению с составляющим их сплавом. При высокой температуре алюминиевый сплав, армированный частицами или усами, такими как SiO ₂ , Si ₃ N ₄ и SiC могут иметь удлинение при растяжении более 700%. Композиты часто изготавливаются методом порошковой металлургии, чтобы обеспечить мелкий размер зерен и хорошую дисперсию армирующих элементов. Размер зерна, обеспечивающий оптимальную сверхпластическую деформацию, обычно составляет 0,5–1 мкм, что меньше, чем требуется для обычной сверхпластичности. Как и в случае с другими сверхпластичными материалами, чувствительность к скорости деформации m превышает 0,3, что указывает на хорошую устойчивость к явлению локального сужения. Некоторые композиты из алюминиевых сплавов, такие как серии 6061 и 2024, продемонстрировали сверхпластичность с высокой скоростью деформации, которая происходит в режиме гораздо более высокой скорости деформации, чем другие сверхпластичные материалы. Это свойство делает композиты из алюминиевых сплавов потенциально подходящими для сверхпластической формовки, поскольку весь процесс можно выполнить за короткое время, экономя время и энергию.

Механизм деформации композитов из алюминиевых сплавов

Наиболее распространенным механизмом деформации в композитах из алюминиевых сплавов является зернограничное скольжение (GBS) , которое часто сопровождается диффузией атомов/дислокаций для компенсации деформации. Модель механизма GBS предсказывает чувствительность к скорости деформации 0,3, что согласуется с большинством композитов из сверхпластичных алюминиевых сплавов. Зернограничное скольжение требует вращения или миграции очень мелких зерен при относительно высокой температуре. Поэтому измельчение размера зерен и предотвращение роста зерен при высокой температуре имеет важное значение.

Говорят также, что очень высокая температура (близкая к температуре плавления) связана с другим механизмом — межфазным скольжением, поскольку при высоких температурах в матрице появляются частичные жидкости. Вязкость жидкости играет основную роль в обеспечении скольжения соседних границ зерен. Кавитация и концентрация напряжений, вызванные добавлением армирующих добавок второй фазы, подавляются потоком жидкой фазы. Однако слишком большое количество жидкости приводит к образованию пустот, что ухудшает стабильность материалов. Таким образом, температура, близкая к начальной температуре плавления, но не превышающая ее слишком сильно, часто является оптимальной температурой. Частичное плавление могло привести к образованию нитей на поверхности излома, которые можно наблюдать под сканирующим электронным микроскопом . Морфология и химический состав армирования также влияют на сверхпластичность некоторых композитов. Но до сих пор не предложено ни одного критерия для прогнозирования их влияния.

Методы повышения сверхпластичности

Предложено несколько способов оптимизации сверхпластической деформации композитов из алюминиевых сплавов, которые являются показательными и для других материалов:

1. Хорошее рассеивание подкреплений. Это также важно для работы при комнатной температуре.
2. Уточните размер зерна матрицы. В результате измельчения создается больше зерен, которые могут скользить друг по другу при высокой температуре, что облегчает механизм скольжения по границам зерен. Это также подразумевает более высокую оптимальную скорость деформации. Тенденция увеличения скорости деформации наблюдается в материалах с более мелким зерном. Сообщается, что сильная пластическая деформация, такая как равноканальное угловое прессование, позволяет получить сверхмелкозернистые материалы.
3. Соответствующий выбор температуры и скорости деформации. Некоторые композиты необходимо нагревать до плавления, что может иметь противоположный эффект на другие композиты.

Титан и сплавы на его основе

В аэрокосмической промышленности титановые сплавы, такие как Ti–6Al–4V, находят широкое применение в авиакосмической промышленности не только из-за их специфической жаропрочности , но и потому, что большое количество этих сплавов проявляют сверхпластические свойства. Термоформовка сверхпластичных листов была определена как стандартный технологический процесс для производства сложных форм, особенно поддающихся сверхпластической формовке (SPF). Однако добавки ванадия в этих сплавах делают их значительно дорогими, поэтому существует необходимость в разработке сверхпластичных титановых сплавов с более дешевыми легирующими добавками. Таким кандидатом может стать сплав Ti-Al-Mn. Этот сплав демонстрирует значительную пост-однородную деформацию при температуре окружающей среды и температуре, близкой к температуре окружающей среды.

Сплав Ti-Al-Mn(OT4-1)

Сплав Ti-Al-Mn (OT4-1) в настоящее время используется для компонентов авиационных двигателей, а также для других аэрокосмических применений путем формования традиционным способом, который обычно требует больших затрат, труда и оборудования. Сплав Ti-Al-Mn является кандидатом на использование в аэрокосмической отрасли. Однако информации о его сверхпластичности при формовании практически мало или вообще нет. В этом исследовании было изучено высокотемпературное сверхпластическое образование выпуклостей сплава и продемонстрированы возможности сверхпластического формования.

Процесс выпучивания

Выпучивание металлических листов под давлением газа стало важным методом формовки. По мере развития процесса выпучивания становится очевидным значительное утончение листового материала. Было проведено множество исследований для определения высоты купола в зависимости от времени формования, полезного разработчику процесса для выбора начальной толщины заготовки, а также неравномерного утонения купола после формования.

Тематическое исследование

Ti-Al-Mn (ОТ4-1) Сплав выпускался в виде холоднокатаного листа толщиной 1 мм. Химический состав сплава. Для формирования сверхпластической выпуклости полусферы использовался 35-тонный гидравлический пресс. Была изготовлена ​​и смонтирована матрица с системой трубопроводов, позволяющей не только продувать матрицу инертным газом перед формовкой, но и при необходимости формовать детали под обратным давлением . Принципиальная схема установки для формования суперпластика, используемой для формирования выпуклости, со всеми необходимыми приспособлениями и фотографиями верхней (слева) и нижней (справа) матрицы для SPF.

Из листа сплава вырезали круглый лист (заготовку) диаметром 118 мм и поверхности среза отполировали для удаления заусенцев. Заготовку поместили на матрицу, и верхняя камера соприкоснулась. Печь включилась на заданную температуру. Как только заданная температура была достигнута, верхняя камера снова опускалась вниз, чтобы создать необходимое давление в держателе заготовки. Для теплового равновесия отводилось около 10 минут. Баллон с аргоном постепенно открывали до заданного давления. Одновременно с этим для регистрации выпуклости листа был установлен линейный регулируемый дифференциальный преобразователь (ЛВДТ), установленный в нижней части матрицы. Как только LVDT достиг 45 мм (радиус нижней головки), давление газа прекратилось и печь выключилась. Сформированные детали извлекали, когда температура штампа падала до 600°С. На этом этапе было возможно легкое удаление компонента. Сверхпластическое выпучивание полусфер осуществляли при температурах 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 и 1223 К (825, 850, 875, 900, 925 и 950 °С) при давлениях формовки 0,2, 0,4, 0,6 и 0,87 МПа. . По мере продвижения процесса формирования выпуклостей становится очевидным значительное утончение листового материала. Ультразвуковой метод использовался для измерения распределения толщины по профилю формованной детали. Компоненты анализировались с точки зрения распределения толщины, деформации по толщине и коэффициента утончения. Последеформационные микроструктурные исследования были проведены на формованных компонентах с целью анализа микроструктуры с точки зрения роста зерен, удлинения зерен, кавитации и т. д.

Результаты и обсуждения

Микроструктура исходного материала с двумерным размером зерна 14 мкм представлена ​​на рис. 8. Размер зерна определялся методом линейной точки как в продольном, так и в поперечном направлениях прокатанного листа.

Успешное сверхпластическое формование полусфер было осуществлено при температурах 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 и 1223 К и давлениях формования аргона 0,2, 0,4, 0,6 и 0,8 МПа. Для полного формирования полушарий был отведен максимальный срок в 250 минут. Это предельное время в 250 минут было дано по практическим соображениям. На рис. 9 представлена ​​фотография заготовки (образца) и выпуклой детали (температура 1123 К и давление формовочного газа 0,6 МПа).

Время формования успешно сформированных компонентов при различных температурах и давлениях формования. По перемещению LVDT, установленного в нижней части матрицы (который измерял высоту/глубину выпуклости), была получена оценка скорости формовки. Было видно, что скорость формования изначально была высокой и постепенно снижалась для всех диапазонов температуры и давления, как указано в Таблице 2. При определенной температуре время формования сокращалось по мере увеличения давления формования. Аналогично, при данном давлении формования время формования уменьшалось с увеличением температуры.

Толщина профиля выпуклости измерялась в 7 точках, включая периферию (основание) и полюс. Эти точки были выбраны путем взятия линии между центром полушария и базовой точкой в ​​качестве ориентира и смещения на 15 ° до тех пор, пока не будет достигнута точка полюса. Следовательно, точки 1, 2, 3, 4 и 5 образуют с основанием полусферы угол 15°, 30°, 45°, 60° и 75° соответственно, как показано на рис. 10. Толщина измерялась в каждой точке. этих точек на профиле выпуклости с помощью ультразвукового метода. Значения толщины для каждого из успешно сформированных полусферических компонентов.

На рис. 11 показана зависимость толщины полюса полностью сформированных полусфер от давления формования при различных температурах. При определенной температуре толщина полюса уменьшалась по мере увеличения давления формовки. Во всех исследованных случаях толщина шеста находилась в пределах примерно от 0,3 до 0,4 мм от исходной толщины заготовки 1 мм.

Толщина деформации ${\text{ln}}(S/S_{0})$, где $S$ - локальная толщина и $S_{0}$ — начальная толщина, рассчитанная в разных местах для всех успешно сформированных компонентов. При определенном давлении деформация по толщине уменьшалась по мере увеличения температуры формования. На рис. 12 показана деформация по толщине, ${\text{ln}}(S/S_{0})$ в зависимости от положения по сечению купола для детали, сформированной при температуре 1123 К и давлении формовки 0,6 МПа.

Постформованная микроструктура показала, что существенных изменений в размере зерен не произошло. На рис. 13 показана микроструктура детали, образованной утолщением в основании и полюсе для детали, сформированной при температуре 1148 К и давлении формовки 0,6 МПа. Эти микроструктуры не демонстрируют существенных изменений размера зерен.

Заключение

Были изучены высокотемпературные деформационные свойства и сверхпластическая формообразующая способность сплава Ti-Al-Mn. Успешное формование полусфер диаметром 90 мм сверхпластическим способом было осуществлено в диапазоне температур от 1098 до 1223 К и диапазоне давлений от 0,2 до 0,8 МПа. Можно сделать следующие выводы:

1. Время формования резко уменьшалось при повышении давления или температуры газа. Скорость формирования изначально была высокой, но со временем постепенно снижалась.
2. При определенной температуре толщина полюса уменьшалась по мере увеличения давления формовки. Во всех изученных случаях толщина шеста находилась в пределах примерно от 0,3 до 0,4 мм от исходной толщины заготовки 1,0 мм.
3. Коэффициент утонения и деформация толщины увеличивались по мере продвижения от периферии к полюсу. Постформированные микроструктуры не демонстрируют существенных изменений размера зерен.

Железо и сталь

В основном на неквалифицированных материалах, таких как аустенитная сталь сплава Fe-Mn-Al, имеющая некоторые специфические параметры материала, тесно связанные с микроструктурными механизмами. Эти параметры используются как индикаторы сверхпластичности материала. Материал подвергался испытаниям на горячее растяжение в диапазоне температур от 600 °С до 1000 °С и скоростях деформации от 10–6 до 1 с–1. Параметр чувствительности к скорости деформации (m) и наблюдаемое максимальное удлинение до разрыва (εr) можно было определить, а также получить из испытания на горячее растяжение.

Fe со сплавами Mn и Al

Эксперименты показали возможность сверхпластического поведения сплава Fe-Mn-Al в диапазоне температур от 700 ° C до 900 ° C с размером зерна около 3 мкм (размер зерна по ASTM 12) и средней чувствительностью к скорости деформации m ~ 0,54. а также максимальное удлинение при разрыве около 600%.

Fe со сплавами Al и Ti

Сверхпластическое поведение сплавов Fe-28Al, Fe-28Al-2Ti и Fe-28Al-4Ti исследовано методами испытаний на растяжение, оптической и просвечивающей электронной микроскопии. Испытания на растяжение проводились при температуре 700–900 °С в диапазоне скоростей деформации около 10 ⁻⁵ до 10 ⁻² /с. Установлено, что максимальный индекс скоростной чувствительности m составляет 0,5, а наибольшее удлинение достигает 620%. В Fe3Al и Fe Al сплавы с размером зерен от 100 до 600 мкм проявляют все деформационные характеристики обычных мелкозернистых сверхпластичных сплавов.

Однако сверхпластическое поведение обнаружено в крупнозернистых алюминидах железа без обычных предпосылок для сверхпластичности мелкозернистости и зернограничного скольжения. Металлографические исследования показали, что средний размер зерна крупнозернистых алюминидов железа уменьшается при сверхпластической деформации.

Керамика

Свойства керамики

Свойства керамических материалов, как и всех материалов, определяются типами присутствующих атомов, типами связей между атомами и способом упаковки атомов вместе. Это известно как структура атомного масштаба. Большая часть керамики состоит из двух или более элементов. Это называется соединением. Например, оксид алюминия ( Al ₂ O ₃ ), представляет собой соединение, состоящее из атомов алюминия и кислорода атомов .

Атомы в керамических материалах удерживаются вместе химической связью. Двумя наиболее распространенными химическими связями в керамических материалах являются ковалентная и ионная. В металлах химическая связь называется металлической связью. Связь атомов между собой при ковалентной и ионной связи гораздо прочнее, чем при металлической. Вот почему, вообще говоря, металлы пластичны, а керамика хрупки. Благодаря широкому спектру свойств керамических материалов они используются для множества применений. В целом, большинство керамики:

• жесткий
• износостойкий
• хрупкий
• огнеупорный
• теплоизоляторы
• электрический изолятор
• немагнитный
• устойчивый к окислению
• склонен к тепловому удару
• хорошая химическая стабильность

Сверхпластичность при высоких скоростях деформации наблюдалась в сплавах на основе алюминия и магния. Но для керамических материалов сверхпластическая деформация ограничивается низкими скоростями деформации для большинства оксидов и нитридов с наличием полостей, приводящих к преждевременному разрушению. Показано, что композиционный керамический материал, состоящий из тетрагонального оксида циркония, спинальной фазы алюминатов магния и фазы альфа-оксида алюминия, проявляет сверхпластичность при скоростях деформации до 1,0 с. ⁻¹ . Композит также демонстрирует большое удлинение при растяжении, превышающее 1050%, или скорость деформации 0,4 с. ⁻¹ . Сверхпластичные металлы и керамика обладают способностью деформироваться более чем на 100% без разрушения, что позволяет формировать сетчатую форму при высоких температурах. Эти интригующие материалы деформируются в основном за счет скольжения по границам зерен — процесса, который ускоряется при мелком размере зерен. Однако большинство керамик, которые изначально имеют мелкий размер зерен, испытывают быстрый рост зерен во время высокотемпературной деформации, что делает их непригодными для расширенной сверхпластической формовки. Можно ограничить рост зерен, используя второстепенную вторую фазу (пиннинг Зенера) или создав керамику с тремя фазами, где контакт зерен одной и той же фазы сведен к минимуму. Исследование мелкозернистого трехфазного глинозема-муллита( 3Al ₂ O ₃ ·2SiO ₂ )-цирконий с примерно равными объемными долями трех фаз демонстрирует, что скорости сверхпластической деформации достигают 10 ⁻² /сек при 1500 °C. Эти высокие скорости деформации делают формование керамики сверхпластичным в сфере коммерческой осуществимости.

Кавитации

Сверхпластическое формование будет работать только в том случае, если во время зернограничного скольжения не возникает кавитация, которая оставляет либо диффузионную аккомодацию, либо генерацию дислокаций в качестве механизмов компенсации зернограничного скольжения. Приложенные напряжения во время сверхпластической формовки керамики умеренные, обычно 20–50 МПа, обычно недостаточно высокие для образования дислокаций в монокристаллах, что должно исключать аккомодацию дислокаций. Однако будут выявлены некоторые необычные и уникальные особенности этой трехфазной сверхпластической керамики, указывающие на то, что сверхпластичная керамика может иметь гораздо больше общего с металлами, чем считалось ранее.

Поликристаллический тетрагональный диоксид циркония, стабилизированный иттрием

В качестве стабилизатора используется оксид иттрия. Этот материал имеет преимущественно тетрагональную структуру. Y-TZP имеет самую высокую прочность на изгиб среди всех материалов на основе диоксида циркония. Мелкое зерно Y-TZP позволяет использовать его в режущих инструментах, где можно получить и сохранить очень острую кромку благодаря высокой износостойкости. Считается, что это первая настоящая поликристаллическая керамика, продемонстрировавшая сверхпластичность с содержанием 3 мол. %. Y-TZP (3Y-TZP), которая сейчас считается модельной керамической системой. Мелкий размер позволяет получить очень плотную, непористую керамику с превосходной механической прочностью, коррозионной стойкостью, ударной вязкостью , термостойкостью и очень низкой теплопроводностью. Благодаря своим характеристикам Y-TZP используется в изнашиваемых деталях, режущих инструментах и ​​термобарьерных покрытиях .

Размер зерна

На сверхпластические свойства 3Y-TZP сильно влияет размер зерна, как показано на рис. 3: удлинение до разрушения уменьшается, а прочность текучести увеличивается при увеличении размера зерна. Было проведено исследование зависимости напряжения течения от размера зерна, результат вкратце показывает, что напряжение течения приблизительно зависит от квадрата размера зерна :

$\sigma \propto d^{2}\,$

Где:

$\sigma \,$ – напряжение течения.

d — мгновенный размер зерна.

глинозем ( Al2O3 O₃)

Глинозем, вероятно, является одним из наиболее широко используемых конструкционных керамик, но в оксиде алюминия трудно получить сверхпластичность из-за быстрого анизотропного роста зерен при высокотемпературной деформации. Несмотря на это, было проведено несколько исследований сверхпластичности легированных мелкозернистых материалов. Al ₂ O ₃ . Продемонстрировано, что размер зерен Al ₂ O _3, содержащий 500 ppm MgO, может быть дополнительно очищен путем добавления различных легирующих добавок, таких как Кр2О3 O₃, Y ₂ O ₃ и ТиО ₂ . Размер зерна около 0,66 мкм был получен при концентрации 500 ppm. Y ₂₃ -легированный Ал ₂ О ₃ . В результате такого мелкого размера зерен Al ₂ O ₃ демонстрирует удлинение при разрыве 65% при 1450°C и приложенном напряжении 20 МПа.

См. также

• Сверхпластическая формовка
• Фугасный противотанковый

Библиография

• Агарвал, Сумит (2006). Оценка и прогноз реакции материала при сверхпластической формовке при различных скоростях деформации (кандидатская диссертация). Университет Брауна . OCLC   549697889 .
• . Сверхпластичность: Металлургический обзор доктора Р.Х. Джонсона, № 146, сентябрь 1970 г. Институт металлов, Лондон, Великобритания.