Фізичні основи високотемпературної надпластичності

Час існування рідкої фази в структурі матеріалу буде залежати від швидкості протікання кінетичних процесів в сплаві, що наближають його до рівноважного структурного стану.

Оскільки фігуративна точка сплаву при температурі знаходиться в однофазній області , то після утворення включень рідкої фази останні повинні з часом розчинитися. Загальний час еволюції рідкої фази від моменту її зародження буде складатися з часу контактного плавлення _m та часу зменшування рідкої фази шляхом її розчинення в твердій фазі , _D. Час _m визначається швидкістю дифузії компонентів А і В у рідкій фазі L, а час _D швидкістю дифузії цих компонент у твердій фазі . Оскільки коефіцієнт дифузії в рідкій фазі набагато більший, ніж в твердій, а дифузійні шляхи в рідкому прошарку набагато менші дифузійних шляхів в -фазі, то . Якщо ж до того ж прийняти до уваги, що процес плавлення починається вже під час підігріву сплаву від евтектичної температури до температури випробувань, питання про час еволюції рідкої фази можна звести до питання про час розчинення вже існуючої рідкої фази в -фазі.

Зроблено оцінку величини , яка є визначальною в процесі еволюції рідкої фази в умовах надпластичної деформації. Процес розчинення рідкої фази L в твердій фазі контролюється в сплаві Al-Ge дифузією атомів Ge в ґратці -фази і він може бути описаним на основі законів дифузії.

Згідно першого закону Фіка, маса речовини , яка дифундує за час через поверхню площею , виражається співвідношенням:

, (3)

де ? градієнт концентрації, D ? коефіцієнт дифузії.

Взявши кінцеві величини замість диференціалів, здобудемо:

. (4)

Величини, які входять до рівняння (4), були виражені через фізичні константи і характеристики мікроструктури сплаву. Градієнт концентрації визначили як відношення різниці концентрацій компоненту В в -розчині біля включень рідкої фази і всередині зерна до середньої відстані , на якій здійснюється зміна концентрації. Було прийнято до уваги, що вміст компонента в В -фазі поблизу включень буде постійним, і відповідати граничній концентрації в твердому розчині при температурі досліджень , а його концентрація всередині зерна буде зростати в процесі дифузії компонента В в -фазі.

Таким чином, для було знайдено:

, (5)

де , , , густина відповідних фаз і сплаву в цілому, , , , концентрації компонента В у відповідних фазах і сплаві, , густина і концентрація компонента В для твердого розчину граничної концентрації, характерний дифузійний шлях, який дорівнює половині розміру зерна.

Використовуючи вираз (5) було розраховано час, необхідний для зменшення рідкої фази за рахунок дифузії атомів Ge в твердому розчині , . Для величини S було розглянуто два граничних випадки. Спочатку поверхню , через яку йде дифузія, прийняли рівною сумарній поверхні включень рідкої фази, локалізованих в місцях розташування вихідних частинок -фази. В цьому випадку слід прийняти до уваги те, що поверхня рідкої фази , через яку йде дифузія, буде поступово зменшуватися аж до нуля. Тому для підстановки у співвідношення (5) було взято середнє значення поверхні рідкої фази. Таким чином, для першого випадку маємо = 79 хвилин.

Оскільки в ході надпластичної деформації здійснюється проковзування на межах зерен, рідина від місця зародження буде розтікатися на межах зерен -фази. Тому другим граничним випадком буде ситуація, коли рідина рівномірно розподілена на межах зерен. В цьому випадку величина визначається середнім розміром зерна в умовах надпластичної деформації. Для цього випадку маємо = 29 хвилин.

Час надпластичної деформації в оптимальних умовах зразків сплаву Al-4мас.%Ge ( 53 хвилини) лежить в інтервалі двох розглянутих граничних випадків існування рідкої фази в сплаві Al-4мас.%Ge. Тому, якраз наявність рідкої фази у зразках цього сплаву може бути причиною проявлення ними надпластичних властивостей. Слід зазначити, що кількість рідкої фази, яка утворилася за механізмом контактного плавлення, буде мати однакову величину в інтервалі температур, починаючи від евтектичної і аж до температури солідус та визначатися кількістю включень другої фази у вихідному стані сплаву. Зникнення рідкої фази приводить до виходу зразків з умов надпластичності та наступного їх руйнування.

Виникнення рідкої фази за механізмом контактного плавлення могло мати місце також і у випадках проявлення високотемпературної надпластичності досліджуваними в роботі багатокомпонентними алюмінієвими сплавами, де як легуючі елементи є Mg, Cu, Si та Li, які з основним компонентом алюмінієм утворюють проміжні фази, що мають з ним евтектичні діаграми стану. Приймаючи до уваги матричну структуру сплавів, контактне плавлення могло здійснюватися на міжфазних межах -трердий розчин інтерметалідні включення. В кожному конкретному випадку кінетика розвитку контактного плавлення в багатокомпонентному сплаві буде залежати від фазового складу сплаву та його вихідного структурного стану. Аналіз літературних даних щодо фазового складу досліджуваних сплавів при температурах, наближених до температури проявлення високотемпературної надпластичності, дозволив ідентифікувати бінарні фазові реакції, за якими утворюється рідка фаза за механізмом контактного плавлення і які відповідають оптимальним умовам надпластичності та ендотермічним пікам на кривих диференціального термічного аналізу.

Оскільки рідка фаза, що виникає, є метастабільною і з часом зникає, то це приводить до виходу сплаву з умов високотемпературної надпластичної деформації. Ресурс такої деформації може бути збільшено, якщо підвищити температуру випробувань під час деформування. Так, було встановлено, що для сплаву системи Al-Mg-Cu-Si зникнення рідкої фази під час деформації зразків приводить до зменшення швидкості деформації майже в 5 разів а основним механізмом деформації стає вже не зерномежеве проковзування а внутрішньозеренна деформація. Але якщо в процесі самої деформації в момент, коли починає зменшуватися швидкість деформації дещо підняти температуру (на 15^о), то швидкість деформації практично залишається незмінною, а подальша деформація відбувається як надпластична. Завдяки такому підняттю температури вдалось підвищити максимальне видовження до зруйнування зразків сплаву Al-Mg-Cu-Si з 200% до 310%. Очевидно, що таке підняття температури знову реалізує в зразках, що деформуються, ситуацію з локальним плавленням меж зерен, що дозволяє зерномежевому проковзуванню знову стати основним механізмом деформації.

Введено нові поняття стану на мезоскопічному рівні меж зерен матеріалів, які проявляють високотемпературну надпластичність, а саме: твердо-рідкий і рідко-твердий, та запропоновано острівцеві модель меж зерен. При малій кількості рідини, коли острівками є рідина, а основна частина межі знаходиться у твердому стані і характеризується безперервною протяжністю у всьому полікристалічному об'ємі, межа буде твердо-рідкою. При більшій кількості рідини, коли острівками є тверде спряження зерен, а рідина може переміщуватися у площині межі зерен у всьому зразку, межа буде рідко-твердою.

Високі значення енергії активації надпластичної деформації, які не мають фізичного смислу в рамках їх трактування з притягненням дифузійних процесів, пояснено в рамках острівцевої моделі меж зерен. Елементарним актом зерномежевого проковзування у присутності включень рідкої фази розглядається зсув, який здійснюється одномоментно в площині рідко-твердої межі на всій її закристалізованій ділянці. При цьому енергія активації надпластичної деформації буде пропорційною енергії плавлення груп атомів кристалічних ділянок меж зерен, а саме:

, (6)

де n кількість атомів у площині ковзання твердої ділянки межі; L прихована теплота плавлення на один атом.

У сьомому розділі „Стан меж зерен як головний структурний фактор у ефекті надпластичності” з'ясовано роль рідкої фази на межах зерен у високотемпературній надпластичності. Розглянуто фактори, які впливають на стан меж зерен в умовах надпластичності у твердому стані.

Аналіз структурного стану матеріалів, які проявили високотемпературну надпластичність, дає підстави стверджувати, що він в умовах надпластичного плину є нерівноважним і характеризується наявністю метастабільної рідкої фази на межах зерен. Якраз наявність рідкої фази в структурі матеріалів, що деформуються, є визначальним фактором, що приводить до проявлення надпластичних властивостей матеріалів навіть з досить крупнозеренною структурою. Рідка фаза розблоковує гальмуючий вплив різних вкраплень, які можуть бути присутніми на межах зерен та перешкоджати здійсненню проковзування по ним. Важливу роль при цьому відіграє процес контактного плавлення на міжфазних межах матриця-вкраплення. Рідка фаза, розтікаючись на межах зерен, змінює механізм зерномежевого проковзування, вносячи в нього елемент в'язкої течії рідини. Наявність рідини на межах зерен полегшує процес акомодації форми зерен при їх проковзуванні.

В випадку реалізації структурної надпластичності в твердому стані межі зерен теж відіграють вирішальну роль. Їх нерівноважний стан, який забезпечує активізоване зерномежеве проковзування і в'язкий характер надпластичного плину, може реалізуватися в умовах динамічної активності меж зерен. Така динамічна активність меж зерен проявляється в сплавах 1420, 1423 та 1450 при здійсненні динамічної рекристалізації та в сплавах Al-Cu і Al-Cu-Zr завдяки міграції меж зерен. Аналіз літературних даних показує, що така динамічна активність меж реалізується і при фазових перетвореннях, наприклад, в типових евтектичних та евтектоїдних надпластичних сплавах, в умовах надпластичності перетворення при поліморфному переході Fe.

Ще одним фактором, який може вплинути на проявлення ефекту надпластичності, може бути опромінення. Серед структурно-фазових змін, які впливають на механічні властивості матеріалів при опроміненні, і в той же час є факторами, які суттєво впливають на показники надпластичності, можна виділити такі процеси як генерація нерівноважної концентрації точкових дефектів, утворення дефектних зон, еволюція дислокаційної структури і динамічна рекристалізація, сегрегація домішок на межах, локальні зміни хімічного складу, розпад твердого розчину, фазові перетворення, зародження пор і еволюція пористої структури. Зі сказаного випливає, що радіаційна дія на матеріали може бути важливим фактором для створення надпластичного стану та покращення показників надпластичності. Були проведені сигнальні експерименти з впливу гальмівного рентгенівського випромінювання на проявлення надпластичних властивостей сплавами Д16 і Al-Mg-Cu-Si. Було встановлено, що в однакових умовах випробувань швидкість деформації опромінених зразків була декілька вищою, ніж та для неопромінених, а оптимальне напруження плину зміщується в бік більш низьких напружень. Певно, це може бути обумовлене збільшенням нерівноважності меж зерен в результаті взаємодії матеріалу з рентгенівським випромінюванням та активізації під дією випромінювання елементарних деформаційних процесів, які здійснюються в умовах надпластичного плину.

Таким чином, проявлення надпластичності різних видів зобов'язане, певно, одній причині наявності на межах зерен рідини або збуджених до рідкого стану атомів у межах зерен або фаз.

Висновки

В результаті проведення комплексних досліджень вирішена поставлена проблема встановлено закономірності та фізичні основи проявлення ефекту високотемпературної надпластичності. Вивчено вплив зовнішніх факторів (температури та механічного напруження), структурних і фазових перетворень на проявлення високотемпературної надпластичності та виявлено причини, які приводять до проявлення цього ефекту.

Основні наукові і практичні результати можна сформулювати у вигляді таких узагальнюючих висновків:

1. На прикладі сплавів на основі алюмінію (1420, 1421, 1423, 1450, 1460, АМг6, Д16, Al-Mg-Cu-Si, Al-Ge) вивчено закономірності проявлення ефекту високотемпературної надпластичності. Високотемпературну надпластичність проявили сплави з матричною структурою, характерною особливістю яких є те, що матричний елемент (Al) має з основними легуючими елементами (Mg, Cu, Li, Si, Ge) або проміжними інтерметалідними фазами діаграми стану евтектичного типу. Досліджені сплави проявили ефект високотемпературної надпластичності при високих гомологічних температурах, які складають 0,850,96 Т_пл, що завжди є вищим за температури плавлення найбільш легкоплавких евтектик в сплавах.

2. Феноменологічні параметри високотемпературної надпластичності є аналогічні до таких для структурної надпластичності. Залежності видовжень до моменту руйнування _max, внесків зерномежевого проковзування в загальну деформацію _ЗГП та показників чутливості напруження плину до швидкості деформації m від напруження і швидкості деформації мають колоколоподібний вигляд з максимумом для оптимальних умов надпластичної деформації. Показник чутливості напруження плину до швидкості деформації m приймає високі значення, які прямують до 1, що свідчить про високу долю в'язкого елементу в розвитку надпластичної деформації в оптимальних умовах плину.

3. Для структурного стану матеріалів, які проявляють високотемпературну надпластичність, як і для структурної надпластичності, є характерною рівновісність зерен і однорідність зеренної структури. На відміну від матеріалів, що проявляють звичайну структурну надпластичність, високотемпературну надпластичність можуть проявляти і матеріали з крупними зернами.

4. Високотемпературна надпластична деформація супроводжується інтенсивним пороутворенням. Об'єм пористості, яка розвивається до моменту руйнування може сягати 30 %. При цьому, як і у випадку звичайної структурної надпластичності, розвивається індивідуальна зерномежева пористість, яка приймає участь у деформаційному процесі надпластичного плину та забезпечує можливість перестановки зерен і позеренного масопереносу характерних ознак надпластичної деформації. Особливістю структурного стану деформованих в умовах високотемпературної надпластичності сплавів є наявність в них видовжених у напрямку розтягу макроскопічних порожнин та відсутність магістральних тріщин, перпендикулярних до напрямку розтягу, що зумовлено наявністю рідкої фази на межах зерен.

5. Матричні сплави проявляють ефект високотемпературної надпластичності, знаходячись у нерівноважному стані, в умовах, коли в них протікають фазові перетворення, які приводять до виникнення в їх структурі метастабільної рідкої фази. Проявлення високотемпературної надпластичності зумовлене наявністю локальних включень рідкої фази на межах зерен і міжфазних межах.

6. Про наявність в структурі надпластично деформованих сплавів локальних вкраплень рідкої фази свідчить характерний вигляд деформаційного рельєфу, фрактограми зламів зразків і волокнистих утворень, які спостерігаються в приповерхневих деформаційних порах, хімічний склад цих волокон. Концентрація легуючих елементів у волокнах складає величину, яка приблизно відповідає ліквідус. Волокнисті утворення розвиваються зі швидкістю розкриття деформаційних зерномежевих пор. Морфологічні особливості волокон обумовлені поверхневою енергією і в'язкістю розплаву.

7. Причинами виникнення локальних вкраплень рідкої фази може бути плавлення нерівноважних евтектичних складових, перитектичні реакції, плавлення інтерметалідних фаз з низькою температурою плавлення, або частин таких фаз, локальне плавлення твердого розчину на основі алюмінію, який містить підвищену концентрацію легуючих елементів. Локальне плавлення може здійснюватися в ході самої деформації через адіабатичний розігрів. Однією з основних причин зародження і розвитку в ході високотемпературної надпластичної деформації рідкої фази в матричних сплавах може бути ефект контактного плавлення.

8. На прикладі бінарних сплавів вивчено кінетику фазових перетворень, які відбуваються при нагріванні матричних сплавів до температури випробувань надпластичності та під час високотемпературної надпластичної деформації. Встановлено, що рідка фаза в цих сплавах виникає і розвивається за механізмом контактного плавлення, який реалізується на межі розділу між матрицею і вкрапленням. На прикладі бінарного сплаву Al-4мас.%Ge показано, що час протікання надпластичної деформації корелює з часом існування рідкої фази.

9. Показано, що протікання кінетичних процесів в бінарних сплавах, які ведуть до встановлення рівноваги та виникнення метастабільної рідкої фази за механізмом контактного плавлення, може мати місце і в багатокомпонентних системах, до яких відносяться вивчені в роботі складнолеговані сплави на основі алюмінію.

10. Наявність рідкої фази приводить до зміни механізму зерномежевого проковзування, що проявляється в суттєвому збільшенні енергії активації надпластичної деформації ряду досліджених сплавів (АМг6, Al-Mg-Cu-Si). Фізичний смисл таких високих значень енергії активації, незрозумілих в рамках їх трактування з притягненням дифузійних процесів, пояснено в рамках острівцевої рідко-твердої моделі меж зерен, яку запропоновано в цій роботі. Виходячи з цих уявлень, запропоновано модель здійснення зерномежевого проковзування в умовах високотемпературної надпластичності, згідно якої елементарним актом зерномежевого проковзування при наявності вкраплень рідкої фази розглядається зсув, що відбувається в площині рідко-твердої межі одночасно на всій кристалічній ділянці. При цьому енергія активації надпластичної деформації дорівнює енергії плавлення груп атомів кристалічних ділянок меж зерен.

11. Наявність рідкої фази в структурі матричних сплавів призводить до суттєвої зміни їх структурного стану на мезо- та мікрорівнях, що впливає на протікання деформаційних і акомодаційних процесів. Рідка фаза, яка виникає на міжфазних межах матриця-вкраплення, розблоковує гальмуючий впливе цих вкраплень на проковзування меж зерен, де локалізовані ці вкраплення. Локальні місця підплавів постачають рідину на проковзуючі межі, переводячи їх з твердого в твердо-рідкий або ж рідко-твердий стан. Рідка фаза, поширюючись на межах зерен матриці, активізує зерномежеве проковзування, вносячи в нього елемент в'язкого плину рідини. Вичерпання зерномежевої рідкої фази в площині високотемпературної надпластичної деформації приводить до виходу матеріалу зі стану надпластичності. Присутність рідини на межах полегшує процес акомодації форми зерен та приводить до падіння ролі внутрішньозеренного дислокаційного ковзання в акомодації, яке є основним акомодаційним процесом у випадку звичайної структурної надпластичності.

12. У випадку звичайної структурної надпластичності, коли надпластична деформація здійснюється в матеріалі, який знаходиться в твердому стані, тобто при температурі, меншій, ніж температури можливих підплавів, необхідний такий активізований стан межі, щоб вона могла проявляти в'язкі властивості. Такий стан межі може реалізуватися у випадку їх динамічної активності, що має місце при динамічній рекристалізації, міграції меж, при фазових перетвореннях, які розвиваються в ході надпластичної деформації, і, мабуть, зобов'язане збудженому до “рідкоподібного” стану атомів в межі, що рухається. Такий підхід дозволяє прослідити єдність у проявленні надпластичності різних видів.

Уявлення про роль рідкої фази в надпластичності, які були розвинуті в дисертації, розширюють фізичну картину деформаційних процесів, які протікають в твердих тілах при високих температурах, відкривають можливість наукового підходу до управління надпластичними властивостями матеріалів, правильному вибору компонентів для нових надпластичних сплавів та створенню науково обґрунтованих режимів термомеханічної обробки надпластичних матеріалів. Вони також є важливими для прогнозування експлуатаційних властивостей твердотільних матеріалів в умовах їх високотемпературного навантаження. Все це представляє інтерес не тільки для проблеми надпластичності, але і для жароміцності, і взагалі для фізики міцності і пластичності твердих тіл.

Основні результати дисертації опубліковані у роботах

Брюховецкий В.В. О причинах высокотемпературной сверхпластичности крупнозернистого алюминиевого сплава типа "авиаль" // ФММ. 2001. Т.92, №1. С.107-111.

Брюховецкий В.В. Эффект жидкой фазы и ее влияние на ресурс сверхпластической деформации // ФММ. 2004. Т.98, №3. С.99-106.

Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И., Клепиков В.Ф. Контактное плавление как причина зарождения жидкой фазы в условиях сверхпластичности // Доповіді НАН України. 2004. №7. С.77-82.

Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И., Пойда В.П. Развитие пор и миграция границ зерен в условиях высокотемпературной сверхпластической деформации сплавов Al-4%Cu и Al-2%Cu // ФММ. 2003. Т.96, №2. С.106-113.

Высокотемпературная сверхпластичность матричных сплавов на основе алюминия / В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.М. Андронов, В.П. Пойда, А.А. Телегин // Металлофиз. новейшие технол. 1999. Т.21, № 5. С.69-74.

Влияние морфологии исходной зеренной структуры на анизотропию сверхпластического течения и развитие пористости в алюминиево-литиевых сплавах 1420 и 1423 / В.П. Пойда, В.М. Андронов, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова // Вісник Харківського державного університету. Серія “Фізика”. - 1998. - № 418, вип. 2 - С. 38-42.

Сверхпластичные свойства алюминий-литиевого сплава 1421 в области высоких гомологических температур / В.В. Брюховецкий, В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, А.В. Пойда // ФММ. 2002. Т.94, №5. С.105-112.

Liquid-phase nucleation and evolution as a cause of superplasticity in alloys of the Al-Ge system / V.V. Bryukhovetsky R.I. Kuznetsova, N.N. Zhukov, V.P. Poida and V.F. Klepikov // Phys. Stat. Sol. (a). 2005. V.202, N.9. P. 1740-1750.

Энергия активации сверхпластической деформации алюминиевого сплава типа “авиаль” / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Вісник ХНУ, серія "Фізика". - 2003. № 600, вип.7. С. 76-82.

Формирование и развитие волокнистых образований в ходе сверхпластической деформации матричных алюминиевых сплавов / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда, В.Ф. Клепиков // Металлофиз. новейшие технол. 2003. Т.25, № 1. С.117-132.

Сверхпластичность алюминий-литиевого сплава 1460 в области высоких гомологических температур / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // // Металлофиз. новейшие технол. 2002. Т.24, №10. С.1397-1411.

Пойда В.П., Кузнецова Р.И., Брюховецкий В.В. Пористость и структурная сверхпластичность материалов // Вопросы атомной науки и техники. Серия “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”. - 1998. - Вып.6 (72). - С. 41-53.

Структурные изменения при высокотемпературной сверхпластической деформации алюминиево-литиевого сплава 1460 / А.В. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, Д.Л. Воронов, Т.Б. Любицкая // ФММ. 2005. Т.99, №2. С.105-111.

Структурная сверхпластичность, развитие пористости и разрушение конструкционного алюминиево-литиевого сплава 1450 / В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.В. Брюховецкий, Н.К. Ценев, Т.Ф. Сухова // Металлофиз. новейшие технол. - 1999. - Т.21, №6. - С. 17-23.

Брюховецкий В.В., Клепиков В.Ф., Кузнецова Р.И. Радиационные факторы и сверхпластичность металлов и сплавов // Вісник Харківського університету, № 463, серія фізична. - 1999, випуск 4(8). С. 63-66.

Влияние морфологии зернограничной несплошности на локализацию сверхпластической деформации сплава Al-Cu-Zr / В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.В. Брюховецкий, Н.К. Ценев, Т.Ф. Сухова // Металлофиз. новейшие технол. - 2001. - Т.23, №8. - С. 1003-1011.

Влияние импульсного электронного облучения на параметры сверхпластичности дюралюмина / В.В. Брюховецкий, В.В. Литвиненко, В.Ф. Клепиков, Р.И. Кузнецова, В.П. Пойда, В.Ф. Кившик, В.Т. Уваров // ФиХОМ. - 2002. - № 4. - С. 33-38.

Влияние высокой гомологической температуры на процессы порообразования в ходе сверхпластического течения алюминий-литиевого сплава 1420 / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда, В.Ф. Клепиков // Вопросы атомной науки и техники. Серия “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”. - 2002. - №6 (82). - С. 65-68.

Пойда В.П., Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И. Влияние исходной волокнистой структуры на структурную сверхпластичность сплава 1420 // Вісник Харківського державного університету. Серія “Фізика.” - 1999. - № 440, вип. 3. - С. 80-84.

Динамика развития пор и объединения несплошностей в условиях сверхпластического течения сплавов на основе алюминия / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.М. Андронов, Н.Н. Жуков // Вісник ХНУ. Серія "Физика". 2000. - № 476, вип.4. С. 150-155.

Энергия активации сверхпластической деформации сплава 1450 системы Al-Cu-Li-Zr / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда, В.Ф. Клепиков // Вісник ХНУ. Серія “фізика”. - 2002. - № 558, вип.4. - С. 102-107.

Сверхпластичное поведение сплава АМг6 при высоких гомологических температурах / А.В. Пойда, В.В. Брюховецкий, Д.Л. Воронов, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Металлофиз. новейшие технол. 2005. Т.27, №3. С.319-333.

Термоактивационный анализ сверхпластического течения электролитических фольг меди / В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, В.В. Литвиненко, В.Ф. Кившик // Вісник Харківського університету, серія фізична. 2002. № 548, вип.1(17). С.85-88.

Изменение структуры и сверхпластичных свойств пластин алюминиевых сплавов воздействием импульсного пучка релятивистских электронов / В.Ф. Клепиков, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, В.В. Литвиненко, В.П. Пойда, В.Ф. Кившик, В.Т. Уваров // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение". 2003 № 6 (84). С.86-88.

Структурные изменения в сплавах на основе алюминия при высокотемпературной сверхпластической деформации / А.В. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Доповіді НАН України. 2005. №4. С.72-76.

Миграция границ зерен и зернограничное проскальзывание в условиях сверхпластической деформации / В.В. Брюховецкий, В.П. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение". 2005 № 3 (86). С.47-50.

Высокотемпературная структурная сверхпластичность алюминиевых сплавов и композитных материалов на их основе / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда // Вісник Сумського державного університету. Серія: фізика, математика, механіка. 2005. №4(76). С.5-44.

Влияние облучения на сверхпластическую деформацию сплава на основе алюминия типа “авиаль” / В.Ф. Клепиков, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.П. Пойда, Н.И. Базалеев, В.Ф. Кившик, В.В. Уваров, Н.И. Гапоненко // Вопросы атомной науки и техники. Серия “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”. - 2001 - №2 (79). - С. 31-33.

Механизм формирования и развития волокнистых образований в ходе высокотемпературной сверхпластической деформации промышленных алюминиевых сплавов / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Р.И. Кузнецова, В.Ф. Клепиков, Д.Л. Воронов, А.П. Крышталь, Т.Б. Любицкая, А.Л. Самсоник // Вісник ХНУ. Серія “фізика”. - 2005. - № 651, вип.8. - С. 117-129.

Пойда В.П., Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И. Порообразование в конструкционных алюминиево-литиевых сплавах в ходе сверхпластической деформации // IV .Международная школа - семинар “Эволюция дефектных структур в конденсированных средах”. Тезисы докладов. 2 - 7 сентября 1998 г. - Барнаул. - 1998. - С. 55.

Причины проявления эффекта высокотемпературной сверхпластичности алюминиевыми сплавами / В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, В.П. Пойда, В.М. Андронов // V Международная школа-семинар “Эволюция дефектных структур в конденсированых средах” (EDS¹2000). - г. Барнаул, Россия. - 24-28 июня 2000г. - С. 103.

Структурная сверхпластичность сплава 1460 системы Al-Li-Cu-Zr-Sc / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, Р.И. Кузнецова, А.В. Пойда // Материалы 5-й Международной конференции “Физические явления в твердых телах”. 25-26 октября 2001г.- Харьков, 2001.- С.30.

Формирование и развитие волокнистых образований в условиях высокотемпературной структурной сверхпластической деформации алюминиевых сплавов / В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Р.И. Кузнецова, Д.Л. Воронов // Тезисы XV Международной конференции “Физика прочности и пластичности материалов” 30 сентября - 3 октября 2003г.- Тольятти, 2003.- С. 2.20.

Развитие пористости, нитевидных образований и разрушение алюминиевого сплава 1460 в условиях высокотемпературной сверхпластической деформации / В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Д.Л. Воронов, В.Ф. Клепиков // Тезисы XV Международной конференции “Физика прочности и пластичности материалов” 30 сентября - 3 октября 2003г.- Тольятти, 2003.- С. 2.40.

Пойда В.П., Брюховецкий В.В. Высокотемпературная структурная сверхпластичность алюминиевых сплавов // Материалы 6-й Международной конференции “Физические явления в твердых телах”. 28 - 29 октября 2003г.- Харьков, 2003.- С. 47.

Брюховецкий В.В., Кузнецова Р.И., Клепиков В.Ф. Роль контактного плавления в сверхпластичности. // Тез. докл. ХLIІІ Международной конференции “Актуальные проблемы проч-ности” 27 сентября - 1 октября 2004 г., Часть II. - Витебск. - 2004.- С. 119.

Анотації

Брюховецький В.В. Фізичні основи високотемпературної надпластичності - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, м. Харків, Україна, 2005.

Дисертацію присвячено встановленню закономірностей та фізичних основ проявлення ефекту високотемпературної надпластичності.

Встановлено, що високотемпературну надпластичність проявили сплави з матричною структурою, характерною особливістю яких є те, що матричний елемент (Al) має з основними легуючими елементами (Mg, Cu, Li, Si, Ge) або проміжними інтерметалідними фазами діаграми стану евтектичного типа. Сплави проявляють ефект високотемпературної надпластичності тоді, коли вони знаходяться в нерівноважному стані, в умовах, коли в них протікають фазові перетворення, що призводять до появлення в їх структурі метастабільної рідкої фази. Однієї з основних причин зародження і розвитку в ході високотемпературної надпластичної деформації рідкої фази в матричних сплавах може бути ефект контактного плавлення. Показано, що час протікання надпластичної деформації корелює з часом існування рідкої фази.

Ключові слова: високотемпературна надпластичність, надпластична деформація, рідка фаза, зерномежеве проковзування, контактне плавлення.

Bryukhovetsky V.V. The physics basis of high-temperature superplasticity. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of doctor of science in physics and mathematics by speciality 01.04.07 - physics of a solid state. - Institute of Electrophysics & Radiation Technologies NAS of Ukraine, Kharkiv, Ukraine, 2005.

The dissertation is devoted to the determination of legitimacies and physical basis of high-temperature superplasticity effect operation.

It is found out that the effect of high-temperature superplasticity is realized by alloys with matrix structure. The reference feature is that the matrix element Al makes the eutectic type diagram of state with the present includings (Mg, Cu, Li, Si, Ge) or with the intermediate intermetalic phases. The alloys manifest the effect of high-temperature superplasticity when they are in nonequilibrium state, in conditions, when the phase transitions occur. It results in appearance of the metastable liquid phase in their structure. One of main reasons of the liquid phase generation and development in matrix alloys during high-temperature superplasticity is probably the effect of contact melting. It is shown that the duration of superplastic deformation is comparable with the duration of the liquid phase existence.

Key words: high-temperature superplasticity, superplastic deformation, liquid phase, grain boundary sliding, contact melting.

Брюховецкий В.В. Физические основы высокотемпературной сверхпластичности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины, г. Харьков, Украина, 2005.

Диссертация посвящена установлению закономерностей и физических основ проявления эффекта высокотемпературной сверхпластичности.

На примере сплавов на основе алюминия (1420, 1421, 1423, 1450, 1460, АМг6, Д16, Al-Mg-Cu-Si, Al-Ge) установлены закономерности проявления эффекта высокотемпературной сверхпластичности. Высокотемпературную сверхпластичность проявили сплавы с матричной структурой, характерной особенностью которых является то, что матричный элемент (Al) имеет с основными легирующими элементами (Mg, Cu, Li, Si, Ge) или промежуточными интерметаллидными фазами диаграммы состояния эвтектического типа. Исследуемые сплавы проявили эффект сверхпластичности при высоких гомологических температурах, составляющих 0,850,96 Т_пл, которые всегда выше температур плавления самых легкоплавких эвтектик в сплавах. Феноменологические параметры высокотемпературной сверхпластичности аналогичны таковым для структурной сверхпластичности.

Для структурного состояния материалов, проявляющих высокотемпературную сверхпластичность, характерна равноосная и однородная зеренная структура. В отличие от материалов, проявляющих структурную сверхпластичность, высокотемпературную сверхпластичность могут проявлять и крупнозернистые материалы. Высокотемпературная сверхпластическая деформация сопровождается интенсивным порообразованием. При этом, как и в случае структурной сверхпластичности, развивается индивидуальная зернограничная пористость, участвующая в деформационном процессе сверхпластического течения. Особенностью структурного состояния продеформированных в условиях высокотемпературной сверхпластичности сплавов является присутствие в них длинных макроскопических полостей, вытянутых в направлении растяжения и отсутствие магистральных трещин, перпендикулярных направлению растяжения.

Матричные сплавы проявляют эффект высокотемпературной сверхпластичности, находясь в неравновесном состоянии, в условиях, когда в них протекают фазовые превращения, приводящие к появлению в их структуре метастабильной жидкой фазы. О наличии в структуре сверхпластически деформируемых сплавов локальных включений жидкой фазы свидетельствуют характерный вид деформационного рельефа, фрактограммы изломов образцов и волокнистые образования, наблюдаемые в приповерхностных деформационных порах, химический состав этих волокон. Концентрация легирующих элементов в волокнах составляет величину, приблизительно соответствующую ликвидус. Нитевидные волокна развиваются со скоростью раскрытия деформационных зернограничных пор. Морфологические особенности волокон обусловлены поверхностной энергией и вязкостью расплава.

Причинами возникновения локальных включений жидкой фазы могут быть плавление неравновесных эвтектических составляющих, перитектические реакции, плавление интерметаллидных фаз с низкой температурой плавления, либо частей таких фаз, локальное плавление твердого раствора на основе алюминия, содержащего повышенную концентрацию легирующих элементов. Одной из основных причин зарождения и развития в ходе высокотемпературной сверхпластической деформации жидкой фазы в матричных сплавах может быть эффект контактного плавления.

На примере бинарных сплавов изучена кинетика фазовых превращений, происходящих при нагревании матричных сплавов до температуры испытания сверхпластичности и в ходе высокотемпературной сверхпластической деформации. Установлено, что жидкая фаза в этих сплавах возникает и развивается по механизму контактного плавления, реализующемуся на границе раздела между матрицей и включением. На примере бинарного сплава Al-4мас.%Ge показано, что время протекания сверхпластической деформации коррелирует со временем существования жидкой фазы. Показано, что имеющие место в бинарных сплавах кинетические процессы по установлению равновесия и приводящие к возникновению метастабильной жидкой фазы по механизму контактного плавления могут иметь место и в многокомпонентных системах, к которым относятся изученные в работе сложнолегированные сплавы на основе алюминия.

Физический смысл высоких значений энергии активации высокотемпературной сверхпластической деформации, не укладывающихся в рамки их трактовки с привлечением диффузионных процессов, объяснен в рамках островковой жидко-твердой модели границ зерен, предложенной в настоящей работе. Исходя из этих представлений, предложена модель осуществления зернограничного проскальзывания в условиях высокотемпературной сверхпластичности, согласно которой элементарным актом зернограничного проскальзывания в присутствии включений жидкой фазы рассматривается сдвиг, происходящий в плоскости жидко-твердой границы одновременно по всему закристаллизованному участку. При этом энергия активации сверхпластической деформации равна энергии плавления групп атомов кристаллических участков границ зерен.

Наличие жидкой фазы в структуре матричных сплавов приводит к существенному изменению их структурного состояния на мезо- и микроуровне, что сказывается на протекании деформационных и аккомодационных процессов. Жидкая фаза, возникающая на межфазных границах матрица-включение, разблокирует тормозящее влияние этих включений на проскальзывание по границам зерен, где эти включения локализованы. Локальные места подплавов поставляют жидкость на проскальзывающие границы, переводя их из твердого в твердо-жидкое или жидко-твердое состояние. Жидкая фаза, распространяясь по границам зерен матрицы, активизирует зернограничное проскальзывание, внося в него элемент вязкого течения жидкости.

Ключевые слова: высокотемпературная сверхпластичность, сверхпластическая деформация, жидкая фаза, зернограничное проскальзывание, контактное плавление.

Размещено на Allbest.ru