Высокотемпературные механические свойства наноматериалов Ползучесть и сверхпластичность

Высокотемпературные механические свойства наноматериалов Ползучесть и сверхпластичность

Зависимость напряжения от скорости деформации Общая зависимость напряжения от деформации и скорости деформации: Низкотемпературная деформация: высокий коэффициент упрочнения n (n 0. 20. 5), низкий показатель скоростной чувствительности m (m 0. 01) Высокотемпературная деформация: низкий коэффициент n (n 0), повышение m Низкое значение коэффициента n связано с процессам возврата, которые протекают при высокой температуре и залечивают образующиеся при деформации несплошности, релаксирует внутренние напряжения

Зависимость пластичности от параметра скоростной чувствительности При высокотемпературной деформации: Большое значение скоростной чувствительности является условием высокой пластичности необходимым

Влияние параметра скоростной чувствительности на шейка пластичность При малых m повышение скорости деформации в шейке не приводит к заметному упрочнению этой области, и шейка развивается вплоть до разрушения. При больших m увеличение скорости деформации в шейке приводит к ее упрочнению и, соответственно, прекращению деформации в ней – деформация продолжается в другой области, развитие шейки подавляется, и ресурс пластичности повышается

Механизмы деформации при высокой температуре Диффузионная ползучесть Дислокационная ползучесть Зернограничное проскальзывание При диффузионной ползучести максимальное значение m = 1, но разрушение наступает рано за счет образования пор. При дислокационной ползучести m 0. 2 – не очень высокая пластичность. При СП деформации m 0. 5 – очень высокая пластичность

Кривые деформации при ползучести Постоянное приложенное напряжение Постоянная скорость деформации Процесс ползучести происходит в три стадии: неустановившаяся (I), установившаяся (II) и стадия разрушения (III) за счет поро- или шейкообразования. Уравнение степенной ползучести соответствует стадии II:

Феноменология сверхпластической деформации Кривая деформации Зависимость напряжения от скорости деформации Зависимость удлинения от скорости деформации Зависимость напряжение-скорость деформации для СПД имеет вид сигмоидальной кривой, которая характеризуется тремя областями. Область I СПД связывают с диффузионной ползучестью с пороговым напряжением, II – оптимальная область СПД, область III – дислокационная ползучесть (выход из режима СПД).

Зависимость характеристик СПД от температуры Зависимость параметра m от скорости деформации при различных размерах зерен Зависимость параметра m от скорости деформации сплава ВТ 9 при температурах 850 С (1), 950 С (2), 950 С (3), 1000 С (4) Пик m и удлинения смещаются в область б. Ольших скоростей с уменьшением размера зерен и повышением температуры.

Температурный интервал СПД Т=0. 4… 0. 8 Tпл При повышении температуры характеристики СПД повышаются, но при слишком сильном повышении температуры они обратно уменьшаются из-за роста зерен. Поэтому существует также оптимальный интервал СПД, который зависит от размера зерен.

Вид образца, испытанного на СПД При СПД относительное удлинение образцов может составить величину до 8000%

Сверхпластичность наноструктурных сплавов: первое исследование Эта работа чрезвычайно заинтересовала профессора Калифорнийского университете в Лос. Анджелесе Т. Лэнгдона, который специально приехал в ИПСМ РАН в 1989 г. и впоследствии «раскрутил» исследования УМЗ материалов, полученных интенсивной пластической деформацией

Структура и характеристики сверхпластичности сплава Al 4%Cu-0, 5%Zr d, мкм Т, о. С m d, % 8 500 0, 50 800 0, 3 220 0, 48 250* *испытание не доведено до разрушения

Характеристики СПД сплава ВТ 6 с УМЗ структурой, полученной ВИК При 750 С и скорости 7 10 -4 с-1 напряжение течения составляет величину, типичную для сплава с размером зерен в несколько микрон при 875 С.

Характеристики СПД УМЗ сплавов СПД в УМЗ сплавах происходит при температурах на 200 -300 С ниже

Сверхпластичность сплава Zn-22%Al при комнатной температуре и высокой скорости Tanaka T. Mater. Trans. 2004. 45. 1261 Kawasaki M. MSE. 2011. A 528. 6140

Высокоскоростная сверхпластичность алюминиевого сплава после шарового размола В результате очень малого размера зерен после шарового размола и содержания дисперсоидов Al 4 C 3 и Al 2 O 3, которые стабилизируют микроструктуру, сплав демонстрирует СПД при очень высокой скорости (СПД с положительной степенью).

СП характеристики сплавов на основе алюминия Kawasaki M. Metall. Mater. Trans. A. 2007. 38. 1891 Зависимости удлинения от скорости деформации для алюминиевых сплавов с микроструктурой, полученной различными методами

Применения сверхпластичности УМЗ сплавов

Точная объемная штамповка 19 Лопатки и турбины для энергетических систем из титановых сплавов, изготовленные в режиме сверхпластичности ü ü ü сокращение количества технологических переходов повышение коэффициента использования материала в 2 -5 раз снижение трудоемкости механической обработки на 25 -30% повышение коэффициента необрабатываемых поверхностей до 0, 8 повышение качества и ресурса работы изделий

Изотермическая раскатка Рабочая зона стана СРД-800 ü ü ü 20 Стан для ротационной вытяжки PNC-600 повышение коэффициента использования материала в 3 -5 раз снижение деформирующих усилий в 100 -1000 раз снижение температуры обработки на 200 -400°С возможность создания градиентных структур снижение трудоемкости на 20 -30% повышение качества изделий

Сверхпластическая формовка наноструктурного титанового сплава Т=750 С Т=700 С Т=650 С Наноструктурный сплав Промышленный сплав Использование наноструктурных листовых полуфабрикатов улучшает формуемость при пониженных температурах

из наноструктурного титанового сплава Полые лопатки 1 Патент РФ 2170636 2 Патент РФ № 2291019 Сварка давлением + сверхпластическая формовка, температура технологического процесса 750 -800 С. Наноструктурирование позволяет снизить температуры сверхпластической формовки на 150 -300 С, сварки давлением - на 200 -250 С.

Технология сверхпластической формовки наноматериалов (СПФ) Сосуды 90 -320 мм из сварных листовых заготовок ( Ti-6 Al-4 V) Схема СПФ - свободная формовка Superplastic free forming Патент РФ № 2019340 Результат испытаний прочности сосуда давления, демонстрирующий равнопрочность шва основному материалу

методом сверхпластической формовки Изготовление методом сверхпластической формовки топливных баков из титанового сплава Ti-6 Al-4 V для спутников и ракет на фирме Form. Tech (Германия)

Сверхпластичность в современной технологии Авиадвигатель «Трент» компании Роллс-Ройс Полая лопатка-имитатор, сделанная в ИПСМ РАН