О строении межзеренных и межфазных большеугловых границ и их вкладе в высокую деформационную способность гетерофазных высоколегированных металлических систем (краткий обзор)

 

Введение

 

В настоящее время существует ряд гипотез, связывающих строение большеугловых границ с процессами, происходящими на отдельных их участках при взаимодействии с внутризеренными дефектами и их скоплениями. Учитывая важность данного вопроса в процессах пластического формоизменения и нестационарного термомеханического деформирования сложнолегированных гетерофазных металлических систем (чистых металлов, сталей, цветных сплавов и др.), рассмотрим эти гипотезы более подробно на примере сверхпластической деформации – типичном случае высокой деформационной способности металлических систем различной природы.

 

Основная часть

 

Наиболее распространена гипотеза, развиваемая в работах [1-4]. Она предполагает строение большеугловой границы как границы Мотта, состоящей из чередующихся участков с дислокационным строением в местах с невысокой разориентировкой решеток соседних зерен и участков с аморфной структурой там, где разориентировка велика.

Аморфные участки легко обеспечивают аннигиляцию дислокаций в голове скоплений, служащих стопорами для ЗГП (pернограничное проскальзывание), которая осуществляется только при скольжении зернограничных дислокаций вдоль относительно прямолинейных участков границ зерен, ориентированных в направлении вектора максимальных касательных напряжений. Если скопления упираются в участки границ с дислокационным строением, возможны два варианта снятия стопоров – либо путем переползания головной дислокации в соседнюю экстраплоскость, или перехода ее в границу в зависимости от угла разориентировки, избыточной концентрации вакансий и величины напряжения в голове скопления, либо путем образования кластеров с аморфной структурой, формирующихся из скоплений частичных дислокаций с избыточными вакансиями или вакансионными петлями, которые с избытком образуются при СПД (cверхпластическая деформация). На участках с аморфной структурой ЗГП происходит по механизму вязкого ньютоновского течения [2, 3]. Указанные процессы особенно интенсивно развиваются в местах углового схода границ соседних зерен и приводят к постепенному повороту зерен в направлении, благоприятном по ориентации к вектору действия максимального касательного напряжения и увеличению числа таких зерен. Такова последовательность общего процесса аккомодации зерен при СПД.

Другая гипотеза отводит основную роль в аккомодации зерен при СПД развитию процессов микромиграции границ зерен, к постепенному повороту зерен и распространению ЗГП на весь объем растягиваемого образца. Поэтому они справедливо называют ЗГП кооперационным процессом. Однако известно, что микромиграция границ возможна только при относительно высоких температурах, которые находятся только в части диапазона проявления эффекта сверхпластичности, и, наоборот, может даже препятствовать ЗГП, как это наблюдается при росте зерен. Кроме того, вторая гипотеза не учитывает также аномально высокую диффузионную подвижность атомов за счет пресыщения неравновесной кристаллической решетки дефектами и ее нестабильности вблизи фазовых границ, что особенно ярко проявляется в условиях фазовой сверхпластичности. Она так же пренебрегает вкладом в ЗГП фазовых границ, который весьма существенен при различии механических свойств фазовых составляющих.

Обычно из экспериментов при СПД легко определяются параметры σТ, e, m и оптимальная температура Т по выведенным соотношениям авторов [1]

e = σn exp (-(Q/(RT)))

Если же величины Q, определяемые по этим уравнениям отличаются, следует уточнять величину m. Итак, в первом приближении в рамках высказанной нами гипотезы об особенностях ЗГП механизм возврата будет подобен таковому, как-либо при дислокационной, либо диффузионной ползучести, в уравнениях для которых показатель степени при σ больше 1, но различен (Рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость напряжения течения при одноосном растяжении от скорости деформации: I – диффузионная ползучесть (n=2–5); II – сверхпластическая деформация (m=0,35–1,0); III – дислокационная ползучесть (n=3-4); m – коэффициент чувствительности напряжения течения σТ к относительной скорости деформации e; n – показатель степени при напряжении в уравнениях ползучести

 

При СПД, характерной для сплавов, либо вообще не подверженных фазовым превращениям, либо с небольшой разницей сопротивления деформации фазовых составляющих, когда основным механизмом деформации является ЗГП, контролируемое по типу диффузионной ползучести, отношение оптимальной температуры СПД к температуре солидуса (Т/ТС) может составлять: в случае ползучести по Кобле 0,3 – 0,5, а в случае ползучести по Набарро-Херингу 0,6 – 0,9. В сплавах с полиморфным превращением при существенной разнице в сопротивлении деформации исходных и возникающих новых фаз, когда механизм СПД осуществляется за счет проскальзывания как по межзеренным, так и по межфазовым границам и контролируется механизмами по типу диффузионной ползучести (преобладает объемная диффузия), отношение оптимальной температуры СПД к температуре полиморфного превращения составляет Т/ТС = 0,85 – 0,95. Следует заметить, что размер исходного зерна влияет существенно на параметры СПД только при структурной СПД и ограниченно – при фазовой СПД [5].

В таблице 1 представлены параметры СПД для стали Р6М6 и наиболее характерных промышленных марок металлических сплавов с кристаллической структурой по данным, собранным и систематизированным в работах [5-8].

Таблица 1. Параметры СПД металлических высоколегированных систем

 

Заключение

 

Таким образом, для сплавов с кристаллической структурой энергия активации СПД при структурной сверхпластичности немного превышает энергию активации самодиффузии атомов основы по большеугловым границам, но значительно меньше энергии активации объемной самодиффузии, а при фазовой сверхпластичности она имеет еще более низкие значения и зависит от дисперсности структурных и фазовых составляющих, что указывает на существенный вклад в ЗГП границ между поверхностями раздела фаз. В аморфных сплавах энергия активации СПД соответствует значениям энергии активации ньютоновского вязкого течения, и она тем выше, чем больше величина отношения температуры стеклования к температуре плавления сплавов.

Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих технологий обработки материалов в различных условиях и состояниях с использованием новых нанокомпозиционных смазок и покрытий [9-22].

Работа выполнена по федеральной целевой программе «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» (уникальный идентификатор проекта RFMEF 157717X0271).

 

Список литературы

1. Макаров Э.С., Ульченкова В.Э., Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н. Сопряженные поля в упругих, пластических, сыпучих средах и металлических труднодеформируемых системах: монография / под ред. проф. А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, – 2016. – 526 с.

2. Шоршоров М. Х. К определению энергии активации сверхпластической деформации при одноосном растяжении / М. Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, И.В. Тихонова, А.В. Афанаскин // Труды Х-ой международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах. – ТулГУ. Тула, 2002. – 226 с.

3. Шоршоров М.Х. Расчет кластерной структуры расплава, ее влияние на образование наноаморфных твердых фаз и их структурную релаксацию при последующем нагреве / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, А.В. Афанаскин, Е.А. Гвоздев // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2002. – № 6. – С.12–16.

4. Шоршоров М. Х. Сверхпластичность металлических сплавов // Материаловедение. – 2001. – №5. – С. 15–21.

5. Шоршоров М. Х. Сверхпластичность металлических материалов / М. Х. Шоршоров, А.С. Тихонов и др. – М.: Наука, 1973. – 220 с.

6. Гвоздев А.Е. Термомеханика упруговязкопластического конечного деформирования / А.Е. Гвоздев, А.А. Маркин // Известия Академии наук «Механика твердого тела». – 1998. – № 6. – С.115–121.

7. Гуляев А.П. Сверхпластичность стали / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1982. – 56 с.

8. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов / О.А. Кайбышев. – М.: Металлургия, 1984. – 264 с.

9. Бреки А.Д., Александров С.Е., Тюриков К.С., Колмаков А.Г., Гвоздев А.Е., Калинин А.А. Антифрикционные свойства плазмохимических покрытий на основе SIO2 с наночастицами MOS2 в условиях трения верчения по стали ШХ15 // Материаловедение. – 2018. – № 1. – С. 31-35.

10. Бреки А.Д., Гвоздев А.Е., Колмаков А.Г. Использование обобщенного треугольника паскаля для описания колебаний силы трения материалов // Материаловедение. – 2016. – № 11. – С. 3-8.

11. Бреки А.Д., Диденко А.Л., Кудрявцев В.В., Васильева Е.С., Толочко О.В., Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Провоторов Д.А., Стариков Н.Е., Фадин Ю.А., Колмаков А.Г. Композиционные покрытия на основе полиимида А-ООО и наночастиц WS2 с повышенными триботехническими характеристиками в условиях сухого трения скольжения // Материаловедение. – 2016. – № 5. – С. 41-44.

12. Бреки А.Д., Диденко А.Л., Кудрявцев В.В., Васильева Е.С., Толочко О.В., Колмаков А.Г., Гвоздев А.Е., Провоторов Д.А., Стариков Н.Е., Фадин Ю.А. Синтез и триботехнические свойства композиционного покрытия с матрицей из полиимида (Р-ООО) ФТ и наполнителем из наночастиц дисульфида вольфрама при сухом трении скольжения // Материаловедение. – 2016. – № 4. – С. 44-48.

13. Бреки А.Д., Кольцова Т.С., Скворцова А.Н., Толочко О.В., Александров С.Е., Колмаков А.Г., Лисенков А.А., Гвоздев А.Е., Фадин Ю.А., Провоторов Д.А. Триботехнические свойства композиционного материала «Алюминий-углеродные нановолокна» при трении по сталям 12Х1 и ШХ15 // Материаловедение. – 2017. – № 11. – С. 37-42.

14. Бреки А.Д., Медведева В.В., Крылов Н.А., Колмаков А.Г., Фадин Ю.А., Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Александров С.Е., Провоторов Д.А. Противоизносные свойства пластичных смазочных композиционных материалов «Литол24-частицы гидросиликатов магния» // Материаловедение. – 2017. – № 3. – С. 38-42.

15. Гвоздев А.Е., Голышев И.В., Минаев И.В., Сергеев А.Н., Сергеев Н.Н., Тихонова И.В., Хонелидзе Д.М., Колмаков А.Г. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов // Материаловедение. – 2015. – № 2. – С. 31-36.

16. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Колмаков А.Г. Формирование механических свойств углеродистых сталей в процессах вытяжки с утонением // Технология металлов. – 2015. – № 11. – С. 17-29.

17. Гвоздев А.Е., Колмаков А.Г., Провоторов Д.А., Сергеев Н.Н., Боголюбова Д.Н. Зависимость показателей сверхпластичности труднодеформируемых сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП от схемы напряженного состояния // Деформация и разрушение материалов. – 2015. – № 11. – С. 42-46.

18. Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Минаев И.В., Колмаков А.Г., Тихонова И.В., Сергеев А.Н., Провоторов Д.А., Хонелидзе Д.М., Малий Д.В., Голышев И.В. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки // Материаловедение. – 2016. – № 9. – С. 3-7.

19. Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Минаев И.В., Тихонова И.В., Колмаков А.Г. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов первого рода // Материаловедение. – 2015. – № 1. – С. 15-21.

20. Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Провоторов Д.А. Вариант расчета максимального упрочнения малоуглеродистых сталей в процессах пластической деформации // Производство проката. – 2016. – № 7. – С. 9-13.

21. Журавлев Г.М., Гвоздев А.Е., Сергеев Н.Н., Провоторов Д.А. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей // Производство проката. – 2015. – № 12. – С. 9-13.

22. Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Колмаков А.Г., Гвоздев А.Е. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов. Ч.I (ОБЗОР) // Материаловедение. – 2018. – № 3. – С. 27-33.

 

 

Авторы: Гвоздев А.Е. а, Сергеев А.Н., Малий Д.В., Кутепов С.Н.

1 Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
Россия, г. Тула, пр. Ленина, 125, 300026

a E-mail: gwozdew.alexandr2013@yandex.ru

 

 

Теги: 

строение межзеренных и межфазных большеугловых границ, деформационная способность гетерофазных высоколегированных металлических систем, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

Другие материалы:

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru