Наноструктурирование материалов с использованием эффекта сверхпластичности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-►

МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 621.762

А.И. Рудской, С.Ю. Кондратьев, В.Н. Кокорин

наноструктурирование материалов с использованием эффекта сверхпластичности

Основной тенденцией современного машиностроения является существенное повышение уровня физико-механических и эксплуатационных свойств изделий сложной формы, что обеспечивает увеличение ресурса работоспособности машин и механизмов и минимизацию затрат при их эксплуатации. Наиболее значительные результаты достижений последних лет в области современного материаловедения связаны с созданием искусственных гетерофазных материалов и с наноструктурированием традиционных материалов (композитные материалы с металлическими матрицами отличаются повышенной жаропрочностью и длительной прочностью, хорошими магнитными, электрическими и демпфирующими свойствами).

Известно, что пластическая деформация не только упрочняет металл, но и способствует изменению структуры. Однако увеличение прочности металлических материалов обычно приводит к снижению их пластичности. Достижение высокой прочности и пластичности, необходимых для создания новых перспективных конструкционных и функциональных материалов, — одна из фундаментальных проблем материаловедения. Применительно к ультрамелкозернистым металлам и сплавам эта проблема может быть решена за счет управления их микроструктурой, которая характеризуется не только наличием ультрамелких зерен/субзерен, но и их формой и распределением, особой структурой границ, плотностью дислокаций и другими параметрами [1].

Объемные материалы с наноструктурой независимо от способа получения имеют повышенный уровень прочности, при этом пластичность нанокристаллических металлов и сплавов, как

правило, мала и составляет 0,5—4 % [2], что существенно ограничивает деформационные способности наноструктур и, как следствие, технологические возможности при изготовлении изделий сложной пространственной формы.

Для расширения спектра формообразования объемных наноматериалов, реализации возможностей нанотехнологий и повышения потребительских свойств изделий необходимо изыскивать принципиально новые производственные процессы, материалы и устройства. При этом должны быть решены следующие задачи:

разработка технологии получения дисперсных частиц наноразмерного диапазона;

разработка технологии введения наночастиц в соответствующую матрицу с последующим объемным формообразованием.

В работе [3] отмечается, что практически все методы синтеза наноразмерного наполнителя приводят к получению структур, характеризующихся неравновесным метастабильным состоянием. Это создает значительные трудности введения и равномерного распределения химически активного в матрице основного материала.

Технологическим ограничением использования материала наноуровня является отсутствие эффективных схем компактирования наночастиц в компактный материал, которые бы не допускали исчезновения их фазовых границ. Обеспечение этого условия позволит получить нанопродукт, физико-механические свойства которого будут на порядок превосходить свойства идентичного по химическому составу материала традиционных технологий при получении изделий сложной пространственной формы [3].

Представляет научный и производственный интерес рассмотрение процессов деформирова-

^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование 2'201 ]

ния структурононеоднородных пористых материалов типа «фильтр» с использованием заполняющей нанофазы при обеспечении соответствующих температурно-скоростных режимов нагружения, присущих процессам деформирования в состоянии сверхпластичности.

Сравнивая реологические модели сверхпластичного материала и идеальных реологических сред — идеально пластичного твердого тела и линейно вязкой жидкости, можно корректно принять физическую модель, в которой сверхпластичный материал относится к классу сложных вязкопластичных сред. При этом матрица металла-основы в процессе пластического формообразования увлекает (транспортирует) заполняющую нанофазу, не деформируя ее и тем самым исключая упрочнение дисперсных частиц. Приведенное выше условие позволит регламентировать завершающую операцию компактиро-вания наночастиц в монолитный металл, исключая исчезновение их фазовых границ.

Формирование подобной структуры, определяющей уровень механических свойств металлов и сплавов, существенно зависит от режимов обработки, в первую очередь от величин и характера приложенного давления, степени деформации, температурно-скоростных режимов нагружения.

Состояние сверхпластичности можно определить совокупностью признаков [4], в числе которых:

повышенная чувствительность напряжения текучести кизменениюскоростидеформации,

да / а.

т = -

■^>0,3;

д'/ '

крайне незначительная величина деформационного упрочнения

да а

=

д\1\

>

аномально высокий ресурс деформационной способности;

напряжение текучести стх материала в состоянии сверхпластичности в несколько раз меньше предела текучести, характеризующего пластическое состояние данного материала.

Признаки свойств пластичности, проявля-щихся в определенных условиях:

структурное состояние деформированного металла;

температура;

скорость деформации.

По структурному признаку различаются две разновидности сверхпластичности:

1) сверхпластичность, проявляющаяся у металлов с особо мелким зерном (¿/<10 мкм). Зависимость эффекта сверхпластичности от исходного размера зерен (чем меньше зерно, тем больше склонность материала к скоростному упрочнению, соответственно больше его деформационная способность и меньше погрешность течения). При этом необходимо, чтобы зерна имели равноосную форму, а также обладали в процессе нагревало температуры деформирования и при последующем деформировании устойчивостью против роста;

2) сверхпластичность полиморфных металлов, проявляющаяся при деформировании их в процессе фазовых превращений.

Следует отметить, что проявление эффекта сверхпластичности наиболее характерно для полиморфных металлов и сплавов (например, а-и у-железо и др.). Эффект сверхпластичности материалов заключается в аномально больших характеристиках деформируемых металлов (относительное удлинение а > 1000 %) и малых величинах сопротивления деформированию. В настоящее время это явление изучается достаточно интенсивно, деформирование в состоянии сверхпластичности получает промышленное применение при производстве объемныхдеталей и оболочек из труднодеформируемых малопластичных материалов (использование компакти-рованных наноструктур в качестве исходных заготовок для последующего деформирования неэффективно, так как эти структуры имеют низкие характеристики пластичности; причем формируемые структуры после интенсивной пластической деформации (ИПД) по схемам многоциклового равноканалыюго углового прессования (МРКУП) характеризуются вытянутыми вдоль направления деформирования зернами с определенным коэффициентом не-равноосности, что препятствует выполнению условия возникновения сверхпластичности, для которой необходимо наличие исходной структуры, имеющей зерна равноосной формы [5]).

Создание наноструктурированных металло-матричных механических смесей (НММС) за счет использования эффекта сверхпластичности невозможно без выяснения закономерностей

изменения структуры в процессе интенсивной деформации. Однако на момент постановки данного проекта эти вопросы не исследованы должным образом. Реализация новых возможностей и развитие методов интенсивного пластического деформирования НММС с повышенными механическими свойствами весьма актуальны как в научном, так и в прикладном значениях.

Предложена технология получения сложно-профильных изделий из наноматериалов с использованием эффекта сверхпластичности. Суть предлагаемых решений заключается в следующем: применяется механическая смесь тонкодисперсных порошковых полиморфных материалов крупностью 1—10 мкм; в состоянии свободной засыпки по технологиям порошковой металлургии идет спекание полученной смеси (металломатричная основа), в результате образуется пористое изделие типа «фильтр». Затем производится внедрение субмелкого наноматериала (Ю-4—10_6 мкм)

Металлургия и материаловедение

в пористую матрицу в виде пасты или в сухом виде с использованием мундштучного прессования или пневмовдувания. При этом создаваемая структура будет включать: а) ячеистую (заполняемую) мозаику металла с размером зерна 1— 10 мкм; б) заполняющую нанофазу с размером частиц Ю-4—Ю-6 мкм.

При регламентируемых температурно-ско-ростных условиях деформирования данная механическая металломатричная структура позволит обеспечить транспортирование металла наноуровня в поровые полости металломатрицы за счет реализации интенсивного пластического деформирования по схемам обработки металлов давлением с использованием эффекта сверхпластичности. Механизм деформирования при использовании эффекта сверхпластичности реализуется путем вакансионной и дислокационной ползучести, а также межкристаллитной деформации.

а)

Наноматериал (Ю-4 мкм)

¿/ср= (10~4-1-10 мкм); Ги = 0,6 Гпл;

в =10~2-10~4 1/с

Рис. 1. Технология применения эффекта сверхпластичности при НММС в процессах изготовлении сложнопрофильных изделий: а — наноструктурирование металломатричных механических смесей; б — использование эффекта сверхпластичности материала

^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование 2'201 1

Сопоставление указанных преимуществ и ограничений, атакже обобщение имеющегося опыта использования эффекта сверхпластичности в процессах штамповки позволяют выделить ряд технологических задач, при решении которых наибольший эффект обеспечивает деформирование данных структур в состоянии сверхпластичности, в их числе:

штамповка изделий особо сложной формы (тонкостенные детали сложной формы с оребре-нием), получение которых недоступно для традиционных методов обработки давлением, при обеспечении значительного улучшения ряда показателей качества готовой продукции (размерная точность и чистота поверхности, отсутствие коробления в процессе термообработки и существенных изменений структур и, как следствие, практически полное отсутствие внутренних напряжений в изделиях);

получение высококачественных штампованных заготовок и деталей, имеющих высокий уровень изотропности структуры и физико-механических свойств.

Наиболее устойчивый результат дает практическое использование состояния сверхпластичности в процессах обработки давлением, в частности в технологиях объемной штамповки с использованием схем крип-штамповки на гидравлических прессах (при получении оребренных точных поковок сложной формы), и термического расширения инструмента на термоупругих прессах.

Принципиальная структурная схема предложенного технологического процесса нано-структурирования материалов при изготовлении сложнопрофильных изделий с использованием эффекта сверхпластичности представлена на блок-схеме (см. рис. 1).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Валиев, Р.З. Структура и механическое поведение ультрамелкозернистых металлов и сплавов, подвергнутых интенсивной пластической деформации / Р.З. Валиев, Р.К. Исламгалиев // Физика металлов и металловедение.— 1998. Т. 85,— № 5. С. 161-177.

2. Сироткин, О. С. Моделирование структуры и свойств металлических и неметаллических материалов в рамках парадигмы их многоуровневой организации [Текст] / О.С. Сироткин // Прогрессивные технологии обработки материалов: Научные труды Всеросс. совещания материаловедов России / Под ред. В.Н. Ко Корина.— Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2006,- С.7-9.

3. Волков, Г.М. Классификационные критерии

нанотехнологии материалов [Текст] /Г.М. Волков // Прогрессивные технологии обработки материалов: Научные труды Всероссийского совещания материаловедов России / Под ред. В.Н. Кокори-на,- Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2006,- С. 10-14.

4. Шоршоров, М.Х. Применение эффекта сверхпластичности при деформировании компактных и полученных порошковой металлургией быстрорежущих сталей [Текст] / М.Х. Шоршоров, ТА. Чер-нышова, A.C. Базык [и др.] // ХШ Pulverniet. Tagung.— Dresden.— 1985.— S. 267—276.

5. Новые процессы деформации металлов и сплавов: Учеб. пособие для вузов / А.П. Коли-ков, П.И. Полухин, A.B. Крупин [и др.]— М.: Высш. шк., 1986,- 351 с.

УДК539.621:537.226.86

Ю.Г. Барабанщиков, С.Г. Чулкин

анизотропия электрической проводимости керамической массы при трении

При испытании керамической массы установлен эффект анизотропии электрической проводимости при трении. Способность граничных слоев на жирных кислотах, являющихся диэлек-

триками, выпрямлять переменный ток была открыта Фивегом [1]. В отношении влажных минеральных порошков, обладающих ионной проводимостью, сведений о выпрямляющем