Сверхпластичность кристаллических тел Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ

© М.М. Мышляев

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, г. Москва; Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Россия, e-mail: myshlyae@issp.ac.ru

Ключевые слова: сверхпластичность; структурно-кинетический принцип; кристаллы.

Обсуждается механическое поведение при сверхпластичности и ползучести крупнозернистого и монокристалличе-ского алюминия при кручении и мелкозернистого цинкового сплава при растяжении. Показано: реализация сверхпластичности требует выполнения структурно-кинетического принципа.

Введение. В настоящее время внимание исследователей привлекает вопрос о природе сверхпластичного (СП) течения металлов и сплавов. Под СП понимают способность образцов к устойчивому пластическому течению до больших деформаций до разрушения при растяжении с постоянной скоростью. При этом СП характеризуется сильной зависимостью напряжения а от скорости деформации е, определяемой параметром m = d nа/d 1ш. СП связывают с материалами с зерном менее 10 мкм и зернограничным скольжением как основным механизмом деформации.

Но в последнее время накопилось много данных, показывающих, что присущее СП поведение проявляется и на крупнозернистых поликристалах и монокристаллах при разных видах деформирования (растяжение, кручение) и разных видах испытания (деформация с постоянной скоростью, ползучесть).

Результаты и обсуждение. Наглядной иллюстрацией является СП алюминия и ряда его сплавов при кручении при постоянном крутящем моменте при 450 °С. За обычными тремя стадиями ползучести следовала СП стадия с большой скоростью (рис. 1). СП стадия исчезала с отклонением от 450 ^ или уменьшением напряжения. Диаграмме напряжение-деформация тоже

0 2 4 . 16 188х10-3,%

0 12 1x1 О2,МИН

Рис. 1. Кривая ползучести при а = 2,5 МПа и диаграмма а - е при е = 10-2 с-1 и Т = 450 °С. Al был отожжён в течение 3 часов при 500 °С

отвечали четыре стадии. Пик СП течения у проявился при кручении монокристаллов (рис. 2).

СП течению отвечала субзёреная структура, включающая присущие предыдущим стадиям элементы структуры. Субграницы и границы ячеек были неравновесны и динамичны. При наблюдении в электронном микроскопе они часто видоизменялись, поворачивались, мигрировали и рассыпались.

Анализ показал, что СП течение обусловлено in situ динамической рекристаллизацией на уровне субзёрен. Она заключается в прохождении непрерывно повторяющихся в ходе течения циклов, включающих последовательно рождение дислокаций, их взаимодействие и формирование ячеек, перераспределение дислокаций в их границах, рассыпание и миграцию последних, образование субграниц, их реорганизацию, развал и миграцию с возникновением новых свободных от дислокаций объемов, в которых цикл повторяется, т. е. в непрерывном сбалансированном повторении процессов, проходящих на трех стадиях до СП течения и вызывающих упрочнение и разупрочнение металла.

При нагружении и неустановившейся стадии формировалась ячеистая структура. На стационарной стадии

О 250 500

Т,°С

Рис. 2. Зависимость деформации до разрушения от температуры. Al. Монокристалл, е = 0,2 с-1, ось кручения <100> (1) и поликристалл, е = 10-2 с-1 (2)

формировались тонкие плотные границы, охватывающие десятки ячеек, и разваливались их границы. На стадии разупрочнения образовывались субзёрна. В ходе этих стадий зёрна вырастали с ~60 до ~600 мкм.

Достижение аномальных у при СП течении вызвано тем, что в условиях высоко мобильной динамической структуры дислокационные бездиффузионные процессы разрушения, связанные с трещинами (выражены при Т < 400 °С), сильно затруднены вследствие реализации большого числа степеней свободы для релаксации напряжений, а диффузионные процессы разрушения, связанные с порами (выражены при Т > 500 °С), не обеспечены кинетически, т. к. скорость диффузии недостаточна для обеспечения образования и роста пор на быстро перемещающихся элементах структуры, особенно субграницах и границах зёрен.

Решающая роль динамической активности неравновесных границ зёрен в реализации СП течения мелкозернистого сплава 2и-0,4 вес.% А1 проявилась при ползучести при растяжении при комнатной температуре. Его СП течение определяется скольжением по границам зёрен [1]. Неравновесную структуру в образцах создавали прокаткой. Последующим старением при 20 °С её переводили в более равновесное состояние.

После прокатки при 20 и 150 °С размер зёрен составлял D ~ 0,8 и 1,2 мкм соответственно, имелись произвольно расположенные мелкие частицы алюминиевой фазы. При ползучести образцы проявляли СП, набирая большие у с большой скоростью, m до 0,43 (рис. 3). Для их ползучести были характерны интенсивное скольжение по границам зёрен, их миграция, значительный рост зёрен, отсутствие дислокаций в границах зёрен, дислокационной субструктуры и линий скольжения в зёрнах. Дислокации легко двигались в зёрнах и усваивались их границами. Зернограничная диффузия в цинке контролировала СП течение.

Старение в течение 3, 6 и 12 месяцев приводило к росту зёрен до Б ~ 1,1, 1,2 и 1,4 мкм и снижению т до 0,18, 0,12 и 0,1 соответственно, преимущественному расположению частиц на границах зёрен и их стыках, уменьшению скорости ползучести и у (рис. 3), и исчезновению СП. Для ползучести было характерно наличие линий скольжения и дислокационной субструктуры в большинстве зёрен и высокой плотности решёточных дислокаций в границах зёрен. Объемная само-диффузия в цинке контролировала скорость ползучести. Миграция границ зёрен, скольжение по границам и рост зёрен выражались слабо.

Таким образом, наличия мелкого зерна недостаточно для СП. СП течение обусловлено неравновесностью и динамической активностью границ зёрен, которые выше сразу после прокатки.

СП течение определяется скольжением по границам зёрен. Но последнее сильно затруднено в состаренных образцах. Действительно, если после прокатки границы существенно неравновесны, то при их миграции в ходе старения их неравновесность сильно снижается. А по равновесным границам скольжение идет медленнее, чем по неравновесным [2]. Равновесные границы - плохие стоки для решёточных дислокаций, и вошедшие в них дислокации препятствуют зернограничному скольжению [3]. К тому же мигрирующие границы зёрен встречают включения и обогащаются ими. И при старении происходит на границах зёрен

Рис. 3. а) Кривые ползучести сплава Zn-0,4%Al, прокатанного при 20 °С (1) и затем состаренного при 20 °С в течение 3 (2), 6 (3), 12 (4) месяцев, и прокатанного при 150 °С (5). ст = 90 МПа, 17 °С

сегрегация атомов алюминия из твердого раствора. Оба этих фактора препятствуют скольжению по границам зёрен.

В силу указанного в зёрнах возникает дислокационная структура, идет интенсивное скольжение дислокаций, формируются линии и полосы скольжения, растет число решёточных дислокаций в границах зёрен. Деформация связана с движением дислокаций в зёрнах, а скольжение по границам зёрен играет роль аккомодационного процесса. Оно развито мало, и у невелика.

Из приведенного следует, что для реализации СП необходимо соблюдение кинетического соответствия между процессами, приводящими к деформации, и процессами перестройки структуры, а также динамическая активность элементов структуры, ответственных за СП течение.

Заключение. В основе рассмотренных видов СП лежит реализация структурно-кинетического принципа, иными словами, необходимость создания достаточно динамичной структуры, с одной стороны, и кинетических условий для максимального проявления ее динамичности - с другой. Детальные аспекты принципа в разных случаях могут различаться, виды СП также.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kaibyshev O.A. Superplasticity of Industrial Alloys. Moscow: Metallur-giya, 1984. 287 р.

2. Valiev R.Z., Kaibyshev O.A., Khananov S.K. Grain boundaries during superplastic deformation // Phys. Status Solidi, A., 1979. v. 52. № 2. P. 447-453.

3. Valiev R.Z., Kaibyshev O.A. Mechanism of superplastic deformation in a Mg alloy. Phys. Status Solidi, A. 1977. V. 44. № 2. P. 477-484.

БЛАГОДАРНОСТИ: Статья подготовлена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследо-

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Myshlyaev M.M. Superplasticity of crystalline solids.

Mechanical behaviour at superplasticity and creep of coarsegrained and monocrystalline aluminium under torsion and finegrained zinc alloy under tension are discussed from unified positions. It is shown that realization of their superplasticity requires fulfilment of structure-kinetic principle.

Key words: superplasticity; crystals; structure-kinetic principle.