Диффузионный массоперенос

Условия сверхпластичности

1) Металл или сплав должен иметь мелкие зерна – не более 10 мкм в поперечнике;

2) Температура деформации должна быть достаточно высокой – не ниже 0,5Tпл;

3) Скорость деформации должна обычно находится в пределах 10-6÷10-3 процентов в секунду.

В отличие от обычной пластической деформации при сверхпластическом течении зерна не вытягиваются в направлении действия напряжений, а остаются «круглыми». При этом они могут менять своих соседей, так что, в конечном счете, число зерен (а не их размер!) в поперечном сечении образца уменьшается, а в направлении оси – увеличивается. Зерна на самом деле имеют форму многогранников и при их взаимных перемещениях и поворотах около границ должны образовываться зазоры. Эти поры являются очагами разрушения, из них вырастают трещины, способные разорвать образец. Залечивание зерен может быть обеспечено как обычной дислокационной деформацией, так и диффузионным массопереносом.

В данном процессе участвуют вакансии. В растянутых участках решетки вакансии образуются легче, чем в неискаженной решетке (принцип Ле Шателье; появление вакансии приводит к сближению атомов, окружающих незанятый узел, т.е. снимается локальное напряжение в растянутой решетке). Таким образом, в областях растяжения концентрация вакансий будет выше нормы, а в сжатых участках – ниже. Возникающий поток вакансий, направленный на выравнивание их концентрации, соответствует встречному потоку атомов: в местах, откуда уходят вакансии, увеличивается число атомов и наоборот. Данный механизм может обеспечить (самостоятельно или вместе с дислокационным скольжением) ликвидацию зазоров у границ.

Так как и скольжение дислокаций и образование вакансий облегчаются с ростом температуры, становится понятным смысл второго условия (Тдеф ≥ 0,5Тпл).

Если деформация развивается с постоянной скоростью при низком и практически постоянном напряжении, то это результат равновесия процессов упрочнения и разупрочнения. Упрочнение увеличивает напряжение, необходимое для продолжения течения, а разупрочнение снижает его. Упрочнение связано с необходимостью обеспечить взаимные повороты и перемещения зерен, действия дислокационных источников, образования вакансий и т.д. Разупрочнение – с исчезновением дислокаций на границах зерен, с движением диффузионных потоков, выравнивающих концентрацию вакансий и тем самым снимающих перенапряжение в различных объемах материала. Для реализации всех этих процессов требуется время тем меньшее, чем меньше расстояние между границами зерен. При малых скоростях деформации для протекания разупрочняющих процессов времени всегда достаточно, а при высоких – наоборот. Именно в этом интервале скоростей материал обнаруживает высокую чувствительность течения. Значение m становится выше 0,3 (иногда достигает 0,8 – 0,85).

Сплавы, способные к сверхпластичному деформированию: Pb с Sn, Bi с Sn (С. Пирсон); Zn с Al (А.А. Бочвар) и т. д.

(Лист из бочваровского сплава толщиной 0,03 мм выдувается под действием газа в полную сферу диаметром чуть более 100 мм)

После того как в лабораториях были получены относительные удлинения до 5000% (50-кратное увеличение длины), погоня за рекордами прекратилась. Ограничения носят чисто технический характер (длина печи и т.д.).