Экспериментальное исследование поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности

Одним из наиболее эффективных подходов к изготовлению ответственных деталей новой техники, в том числе ракетно-космической, является применение технологий, основанных на использовании явления сверхпластичности. Явление сверхпластичности представляет собой один из ярких примеров, демонстрирующих существенную зависимость физико-механических свойств материала от состояния его структуры. Известны два основных вида сверхпластичности — фазовая (наблюдаемая у полиморфных металлов и сплавов при деформировании их в условиях фазового превращения) и структурная (появление которой у поликристаллических материалов зависит от исходного размера зерна). Всюду в данной работе речь идёт только о структурной сверхпластичности. Известно (см., например, [31, 15, 19, 10, 36, 27, 59, 70, 66, 21, 43]), что практически любой поликристаллический материал можно привести в состояние структурной сверхпластичности, если предварительно подготовить его структуру (измельчить зёрна до величины не более 10−15 мкм) и проводить деформирование при определенных темпе-ратурно-скоростных условиях. Таким образом, структурная сверхпластичность (СП) является общим, достаточно универсальным свойством обширной группы материалов.

Характерными свойствами поликристаллических материалов в состоянии СП являются: высокая скоростная чувствительность (повышенная склонность к скоростному упрочнению) — способность испытывать аномально большие деформации — до сотен и тысяч процентов — без нарушения сплошности (высокая устойчивость течения) — пониженное сопротивление деформированию. Эти свойства проявляются тем сильнее, чем меньше исходный размер зерна. Специфическим для СП является также незначительное изменение структурного состояния материала в процессе сверхпластического деформирования. Перечисленные особенности СП представляют большой интерес для практики. Действительно, они позволяют в современных технологиях реализовать большие деформации в труднодеформируемых конструкционных материалах (титановых, никелевых, алюминиевых сплавов), получать прецизионные заготовки или изделия при большом коэффициенте использования материала, уменьшить потребные мощности для производства изделий, получать изделия с однородной структуройнаконец, дают возможность получать изделия с регламентированной структурой и, следовательно, с регламентированными функциональными свойствами.

Использование явления СП в технологических процессах изотермической обработки материалов давлением началось в 1964 г., а исследования феноменологии СП, структурных условий и физических механизмов сверхпластического деформирования (СПД) ведутся с начала прошлого века. Исторически сложилось так, что именно названным вопросам уделялось и уделяется основное внимание на регулярно проводимых с 1982 г. международных конференциях по сверхпластичности (International Conference on Superplasticity in Advanced Materials — 1С SAM) и специализированных материаловедческих конференциях (например, по титану и его сплавам) — в работе известных научных центров многих стран, в том числе в уникальном российском научном центре, проводящем комплексные исследования явления СП, — Институте проблем сверхпластичности металлов РАН (г. Уфа).

Изучению физических, материаловедческих и технологических аспектов сверхпластического деформирования сплавов посвящена огромная литература (см., например, упомянутые выше монографии и обзоры, а также [40, 20, 16, 17, 81], труды международных конференций по СП ICSAM-82, IC-SAM-85 и т. д.). В последние десятилетия детально обследованы физические механизмы и особенности реализации сверхпластического деформирования на микроструктурном уровненакоплен большой объём экспериментальных данных по феноменологии сверхпластичности, в первую очередь по скоростной и температурной чувствительности различных материалов в состоянии сверхпластичности и по максимальным значениям достигаемых при этом деформацийразработаны уникальные технологии обработки материалов давлением в состоянии сверхпластичности. Значительный вклад в развитие различных разделов названных научных направлений внесли A.A. Бочвар, Р. З. Валиев, O.A. Кайбышев, И. И. Новиков, В. Н. Перевезенцев, A.A. Пресняков,.

A.И. Пшеничнюк, В. В. Рыбин, Г. А. Салищев, Ф. З. Утяшев, В. В. Астанин, Н. Г. Зарипов, Р. Я. Лутфуллин, P.M. Имаев, P.P. Мулюков, М. М. Мышляев,.

B.М. Грешнов, А. Г. Ермаченко, A.C. Тихонов, М.Х. ШоршоровW.A. Backofen, N. Chandra, С.Н. Hamilton, A.K. Ghosh, R.H. Johnson, H.J. McQueen, T.G. Langdon, A.K. Mukherjee, T.G. Nieh, K.A. Padmanabhan, N.E. Paton, N. Ridley, O.D. Sherby и др.

Механике СП (особенностям механических свойств материалов в состоянии СП, в том числе при сложном нагруженииопределяющим соотношениямпостановкам краевых задач) до последнего времени уделялось гораздо меньше внимания (см., например, [12, 31, 15, 10, 36, 70, 11, 67, 43, 13, 14, 20, 26, 30, 32, 34, 37−39, 54, 55, 58, 68, 78, 86, 87] и труды упоминавшихся выше конференций 1С SAM, начиная с 90-х годов прошлого века). Этому направлению исследований посвящены работы О. М. Смирнова, O.A. Кайбыше-ва, О. В. Соснина, П. В. Трусова, E.H. Чумаченко, К. И. Романова, Я.И. Рудае-ва, В. К. Портного, М. А. Цепина, Б. В. Горева, И. А. Кийко, P.A. Васина, Ф. У. Еникеева, A.K.Ghosh, W.A. Backofen, L. Anand, N. Chandra, E.W.Hart, A.H. Chokshi, F.A. Mohamed, G.S. Murty, S. Zhou, K.A. Padmanabhan, Y.V.R.K.Prasad, и др.

Фундаментальной проблемой механики СП является построение адекватных определяющих соотношений СП и формулировка соответствующей начально-краевой задачи СП. Решение этой проблемы непосредственно связано с экспериментальным исследованием границ области СПД в соответствующем пространстве параметров процесса и формулировкой условия СП, которое (как и условие пластичности), вообще говоря, может зависеть от истории деформирования материала. Как известно, абсолютное большинство экспериментов по СП представляет собой одноосные испытания при постоянной температуре и постоянной скорости деформации (или скорости подвижной траверсы). Нередко они посвящены только определению «оптимальных» условий СП (то есть условий, при которых заведомо эффективно реализуется СПД), которое сводится к нахождению соответствующих диапазонов температуры и скоростей деформаций, а также ограничений на исходную микроструктуру материала. Условие СП должно входить в постановку краевой задачи и задавать область, в которой надо использовать определяющие соотношения СПвне этой области должны использоваться другие определяющие соотношения. Такое применение условия СП, естественно, предполагает анализ ситуаций, когда возможно его невыполнение, т. е. пересечение границы области СПД (вхождение в неё извне или выход из неё) при изменении любого параметра термомеханического процесса деформирования материала. Однако вопросы о пересечении границы области СПД и об её эволюции в процессе деформирования материала слабо обследованы в экспериментах даже для одноосного случаяточнее говоря, эти вопросы не ставились и не обсуждались как принципиально важные, необходимые для развития механики СП.

Таким образом, актуальной для механики СП является задача экспериментального обследования границ области СПД в широком смысле, включая изучение поведения материала в состояниях, не удовлетворяющих «оптимальным» условиям СП. Такие состояния материала, когда при его деформировании нарушается какое-либо условие СП (например, исходная микроструктура не ультрамелкозернистая), всюду в работе условно называются состояниями, близкими к сверхпластичности. Аналогичную терминологию применяли О. В. Соснин и его коллеги (см., например, [13, 14, 38, 39]) при изучении высокотемпературной ползучести сплавов.

Обследование границ области СПД в названном широком смысле актуально и для разработки технологий обработки материалов в состоянии СП [85], поскольку расчёты таких технологических процессов обычно проводятся в предположении, что весь объём рассматриваемой заготовки находится в состоянии СП, а в реальных процессах наблюдаются отклонения от условий оптимальной" СП. Эти отклонения, как правило, вынужденные (микроструктура заготовки плохо подготовлена — не является ультрамелкозернистой и достаточно однороднойне удается во всём объёме обрабатываемой заготовки реализовать изотермические условия и (или) обеспечить требуемые ограничения на скорости деформаций) — но иногда они создаются сознательно, -например, при высокоскоростном или низкотемпературном деформировании).

С учётом важности и актуальности рассмотренной проблемы («около-сверхпластическое» поведение материалов) в данной диссертационной работе автором на примере титановых сплавов исследованы некоторые особенности структурно-механического поведения материалов в состояниях, близких к сверхпластичности. С этой целью была разработана методика комплексного исследования (в основном в экспериментах на растяжение) механического поведения и трансформации микроструктуры материала при высокотемпературном деформированиипроведены эксперименты на титановых сплавах с различной исходной микроструктурой при постоянных и кусочно-постоянных скоростях деформаций в условиях, близких к сверхпластичностивыявлены особенности механического поведения материалов, связанные с трансформацией микроструктурыразработан вариант феноменологической модели сверхпластичности, позволяющий качественно правильно описывать наблюдавшиеся в экспериментах характерные особенности деформирования сплавов в режимах, близких к сверхпластичности.

Экспериментальные исследования проводились на автоматизированных аттестованных испытательных комплексах Shenk, Instron и Zwick с использованием современных средств управления экспериментом, регистрации и обработки экспериментальных данных. Методики проведения экспериментов учитывали специфические требования к реализации режимов сверхпластичности и возможности анализа микроструктуры на любых этапах нагру-жения. Теоретические расчёты температурных полей в нагревательной печи выполнены в пакете конечно-элементного моделирования SolidWorks Cosmos.

Исследования микроструктуры проводились на микроскопах компаний Leika и Zeiss. Количественная и статистическая обработка изображений микрошлифов производилась в основном с использованием стандартных пакетов, прилагаемых к оборудованиюдля анализа сложных изображений использовались собственные программы фильтрации и распознавания.

В формулировку феноменологической модели СП была включена внутренняя переменная, отражающая действие различных механизмов эволюции размеров зёрен.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1) Разработана единая методика и проведены систематические экспериментальные исследования структурно-механического поведения сплавов в режимах деформирования, близких к сверхпластическим.

2) Обнаружен и исследован ранее не изучавшийся эффект дополнительного упрочнения и разупрочнения при скачкообразном изменении скорости деформации большой амплитуды при деформировании, близком к сверхпластическому.

3) Показано, что для неподготовленных (крупнозернистых) микроструктур существуют такие термомеханические режимы нагружения, при которых материал может испытывать достаточно большие деформации без локализации течения при относительно низких величинах напряжений. При этом исходная микроструктура измельчается и приближается к требуемой для СПД. Выявлено, что степень и характер трансформации микроструктуры существенно зависят от вида и истории нагружения. Эти результаты могут быть использованы для оптимизации процессов высокотемпературной формовки и получения изделий с регламентированными свойствами.

4) Предложена феноменологическая модель сверхпластичности с внутренней переменной, отражающей эволюцию размеров зёрен в процессе деформирования. Данная модель позволяет качественно верно описывать основные закономерности механического поведения материалов, наблюдаемые в проведённых экспериментах.

Тема диссертации связана с планами работ по приоритетным научным направлениям НИИ механики МГУ им. М. В. Ломоносова, в том числе на 20 112 015гг. «Деформирование и разрушение упругопластических материалов и конструкций», № Госрегистрации 1 201 152 141.

Автор диссертации принимала участие в работах по грантам РФФИ (проекты № 93−01−16 766, № 99−01−1 032, № 02−01−673, № 09−08−92 651-ИНД, № 11−08−961), тематика которых была связана с темой диссертации.

Основные результаты работы докладывались на конференциях молодых учёных НИИ механики МГУЛомоносовских чтениях МГУмеждународных конференциях и симпозиумах: IX Конференция по прочности и пластичности, Москва, 1996 г.- Современные проблемы механики, Москва, 1999 г.- XXVIII Международное н.-т. совещание по проблемам прочности двигателей, Москва, 2002 г.- Современные проблемы математики, механики, информатики, Тула, 2005 г., 2006 г.- Advances in Manufacturing Technology of Metals and Alloys, India, Bhubaneswar, 2007 .- International workshop on Mesos-copic, Nanoscopic and Macroscopic Materials, India, Bhubaneswar, 2008 г.- Ha-учно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения, С.-Петербург, 2008 г.- IV и V Белорусских Конгрессах по теоретической и прикладной механике, 2009 и 2011 гг.;

IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, 2006 г. и.

X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 2011 г.

В полном объёме работа докладывалась на научно-исследовательских семинарах кафедры теории упругости (под рук. профессора И.А.Кийко), кафедры механики композитов (под рук. профессора Б.Е.Победри), кафедры теории пластичности (под рук. чл.-корр. РАН профессора Е.В.Ломакина) МГУ им. М. В. Ломоносова, а также на заседании секции «Статическая прочность и пластичность» Совета НИИ механики МГУ им. М. В. Ломоносова.

По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 14 статей, из которых 3 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, и 9 тезисов докладов на конференциях.

Диссертация объёмом 156 с. состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 87 наименований и приложений, содержащих сведения об испытанных образцах и программах экспериментов, а также некоторые таблицы экспериментальных данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика и впервые проведены систематические экспериментальные исследования особенностей структурно-механического поведения сплавов в режимах, близких к сверхпластичности.

2. Показано, что для сплавов с исходной крупнозернистой структурой возможен выход в режим деформирования, близкий к сверхпластическому. При этом проработка микроструктуры зависит от вида нагружениясложное, а также немонотонное нагружение могут быть существенно более эффективными для этой цели.

3. Установлен и исследован эффект дополнительного упрочненияразупрочнения при скачкообразном изменении скорости деформации в режимах, близких к СПД.

4. Предложена скалярная феноменологическая модель с внутренней переменной, отражающей трансформацию микроструктуры, качественно правильно описывающая процессы деформирования, близкие к СПД.