Кіріспе
Материалдар ғылымында суперпластичность – қатты кристалдық материалдың әдеттегі сынған нүктесінен әлдеқайда артық, көбінесе созылу кезінде 400%-дан жоғары деформацияланатын күйі. Мұндай күй әдетте жоғары гомологты температурада қол жеткізіледі. Суперпластикалық материалдардың мысалдары – ұсақ түйірлі металдар мен керамика. Кристалдық емес материалдар (аморфты), мысалы, кремний шынысы ("балқытылған шыны") және полимерлер де ұқсас деформацияға ұшырайды, бірақ олар суперпластикалық деп аталмайды, себебі олар кристалдық емес; керісінше, олардың деформациясы көбінесе Ньютон сұйықтығы ретінде сипатталады. Суперпластикалық деформацияға ұшыраған материал сынықтарға алып келетін "мойынның" (жергілікті тарлу) пайда болуының орнына өте біркелкі жұқарады. Сондай-ақ, ерте сынудың тағы бір себебі – микробос кеңістіктердің пайда болуы тежеледі. Суперпластичностьті суперэластичностьпен шатастыруға болмайды.
Суперпластикалық қасиеттің тарихи дамуы
Металдардағы суперпластикалық ағынға ұқсас кейбір дәлелдер кейбір артефакттарда, мысалы, ежелгі Үндістандағы Вутц болаттарында табылды, бірақ суперпластикалық қасиеттер алғаш рет 20 ғасырда 1912 жылы Бенгоның мыстан 163% созу туралы есебінде ғылыми тұрғыдан танылды. Кейін 1928 жылы Женкинс Cd–Zn және Pb–Sn қорытпаларында 300% жоғары созылмалылықты көрсетті. Алайда, бұл жұмыстар материалдардың механикалық қасиеттерінің жаңа құбылысын анықтауға жеткіліксіз болды. Пирсонның 1934 жылы жариялаған жұмысына дейін Pb–Sn эвтектикалық қорытпасында 1950% айтарлықтай созу анықталды. Бұл сол кездегі ғылыми зерттеулердегі ең үлкен созу туралы есеп болды. Пирсонның жұмысынан кейін 25 жылдан астам уақыт бойы Батыс әлемінде суперпластикалыққа қызығушылық болған жоқ. Кейін Бочвар мен Свидерская Кеңес Одағында Zn–Al қорытпалары бойынша көптеген жарияланымдармен суперпластикалықты жалғастырды. 1985 жылы Ресейдің Уфа қаласында суперпластикалық мәселелерді зерттеу институты құрылды. Бұл институт суперпластикалықты зерттеумен ғана айналысатын әлемдегі жалғыз институт болып қала береді. Суперпластикалыққа қызығушылық 1982 жылы Пэтон мен Гамильтон редакциялаған «Құрылымдық материалдардағы суперпластикалық» тақырыбындағы алғашқы маңызды халықаралық конференция Сан-Диегода өткен кезде арта түсті. Осыдан кейін көптеген зерттеулер жарияланып, маңызды нәтижелер алынды. Суперпластикалық қазірде әуе-ғарыш саласында қолданылатын пластикалық деформация жасаудың маңызды технологиясы болып табылады.
Шарттар
Металдар мен керамикада суперпластикалық болуы үшін талаптарға ұсақ түйіршік мөлшері (шамамен 10 микрометрден кем) және жұмыс температурасы кіреді, ол көбінесе абсолютті балқу нүктесінің жартысынан жоғары болады. Бірнеше зерттеулер ірі түйіршікті материалдарда да суперпластикалық қасиеттерді анықтады. Дегенмен, ғылыми қауымдастық 10 микрометрлік түйіршік мөлшерінің шегі суперпластичностьті белсендірудің алғышарты екеніне келісім берді. Жалпы, жоғары температурада түйіршіктердің өсуін тежеу және гомологты температурада ұсақ түйіршікті құрылымды сақтау суперпластичность зерттеуіндегі басты міндет болып табылады. Типтік микроқұрылымдық стратегияда түйіршік шекараларын бекітіп, жоғары температурада және суперпластикалық деформация үшін қажетті көп фазалы құрамды сақтау үшін жылу тұрақты бөлшектердің ұсақ дисперсиясы қолданылады. Қорытманың суперпластикалық микроқұрылымы эутекті немесе эутектоидты құрылым болып табылады, мысалы Sn-Pb немесе Zn қорытмаларында кездеседі. Осы параметрлерге сай келетін материалдар суперпластикалық деп есептелуі үшін >0.3 деформация жылдамдығына сезімталдыққа (материалдың деформация жылдамдығының өзгеруіне жауап ретіндегі кернеудің өзгеруін өлшеу) ие болуы керек. Идеалды деформация жылдамдығына сезімталдық 0.5 құрайды, бұл әдетте микродуплекс қорытмаларында кездеседі.
Механизм
Металдардағы суперпластикалық механизмдер түйіршік шекарасының сығуы (GBS) ретінде анықталады. Дегенмен, түйіршік шекарасының сығуы (GBS) үштік біріктіруде немесе қатты фазалардың түйіршік шекарасында кернеудің шоғырлануына алып келуі мүмкін. Сондықтан, поликристалдық құрылымды материалдардағы GBS диффузия немесе дислокация сияқты басқа да бейімделу процестерімен бірге жүруі тиіс. Эшби мен Вералл ұсынған диффузиялық модельдер деформация кезінде түйіршіктер арасындағы үйлесімділікті сақтау үшін түйіршік пішіндерінің біртіндеп өзгеруін түсіндіреді. Түйіршік пішінінің өзгеруі диффузия арқылы жүзеге асырылады. Түйіршік шекарасы бастапқы түйіршіктерге қарағанда жаңа бағытқа ие болатын тең қабыршалы пішінге өтеді. Дислокациялық модель GBS-тің тудырған кернеу шоғырлануы тоқтау түйіршіктеріндегі дислокациялардың қозғалысы арқылы азайытылады деп түсіндіріледі. Дислокациялар жинақталады, ал олардың жоғары көтерілуі басқа дислокацияның пайда болуына мүмкіндік береді. Дислокациялық модельдің толыққанды мәліметтері әлі де талқылауда, Кросман мен Эшби, Лэнгдон және Гифкинс ұсынған бірнеше модель бар.
Жоғары шиелену жылдамдығы
Жалпы, суперпластичность көбінесе 10−4 с−1 шамасындағы баяу деформация жылдамдығында пайда болады және энергияны көп қажет етеді. Сонымен қатар, материалдардың механикалық қасиеттері жоғары температурада ұзақ уақытқа тозудан төмендейді. Суперпластикалық деформациядағы деформация жылдамдығын 10−2 с−1 шамасына дейін арттыру қажеттілігі бар, бұл жоғары деформация жылдамдығындағы суперпластичность (HSRS) деп аталады. Суперпластикалық деформациядағы деформация жылдамдығын арттыру әдетте 100 мкм-ден 500 мкм-ға дейінгі ультрамайық диапазонға түйіршік өлшемін кішірейте беру арқылы жүзеге асырылады. 100 нм-ден кіші түйіршік өлшемі бар нанокристалдық құрылымға дейін түйіршікті одан әрі тазарту деформация жылдамдығын арттыруға немесе созылғыштықты жақсартуға тиімді емес. HSRS зерттеулері үшін ең көп қолданылатын түйіршік тазарту процесі – ауыр пластикалық деформация (SPD). SPD субмикрометрлік немесе тіпті нанометрлік диапазонға дейін ерекше түйіршік тазартуды жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Көптеген SPD техникаларының ішінде ең көп қолданылатын екі техника – бұрыштық тең арналы престеу (ECAP) және жоғары қысымды бұралу (HPT). Бұл техникалар ультрамайық түйіршік өлшемін жасаудан басқа, жоғары бұрышты шекаралардың үлкен үлесін де қамтамасыз етеді. Бұл жоғары бұрышты түйіршік шекаралары деформация жылдамдығын арттыру үшін ерекше пайдалы. Түйіршік тазарту процесінің суперпластичность зерттеулері үшін маңыздылығын ескере отырып, ECAP және HPT металдардағы суперпластичность зерттеулерінде басты орынға ие болды.
Суперпластикалық қалыптаудың артықшылықтары
Бұл процесс жобалау және өндіріс салаларында маңызды артықшылықтарды ұсынады. Ең алдымен, бір операцияда екі қисықты және тегіс контурлы бөлшектерді бір парақтан жасау мүмкіндігі бар, бұл өте жоғары өлшемдік дәлдік пен тегіс бетке ие болуға мүмкіндік береді, сонымен қатар суық пішімдеу техникаларында кездесетін "қайта серпілу" құбылысы болмайды. Тек бір беттік құралдар қолданылатындықтан, дайындық мерзімі қысқа, ал прототиптерді жасау жылдам және оңай, себебі бір құралды әртүрлі қалыңдықтағы парақ металдарын сынау үшін пайдалануға болады.
Қалыптау әдістері
Қазіргі уақытта осы артықшылықтарды пайдалану үшін үш қалыптау техникасы қолданылады. Қайсыбір техниканы таңдау жобалау және өнімділік критерийлеріне, мысалы, өлшем, пішін және қорытпаның қасиеттеріне байланысты.
Қауысты қалыптастыру
Графитпен қапталған дайындама қыздырылған гидравликалық пресске салынады. Содан кейін ауа қысымы қолданылып, дайындама қалыппен тығыз жанасуға мәжбүр етіледі. Бастапқыда дайындама қалыптың ойығымен жанасады, бұл дайындама мен қалып арасындағы үйкеліс салдарынан қалыптау процесін қиындатады. Осылайша, жанасу аумақтары бір көпіршікті бірнеше көпіршікке бөледі, олар еркін көпіршік процесінен өтеді. Бұл процедура салыстырмалы түрде нақты сыртқы контурлары бар бөлшектерді өндіруге мүмкіндік береді. Бұл қалыптау процесі тегіс, дөңес беттері бар бөлшектерді жасауға қолайлы.
Бұзық құру
Графитпен қапталған дайындама қыздырылған еркек қалыпты ұстайтын "табақшаның" үстінде бекітіледі. Ауа қысымы металлдың қалыпқа жақын орналасуын қамтамасыз етеді. Бұл әдіс пен әйел қалыптау процесінің арасындағы айырмашылық – қалыптың, атап айтқанда, еркек қалып екендігінде және металлдың шығыңқы форманың үстінен итерілуінде. Ал әйел қалыптау үшін қалып әйел қалып болып келеді және металл қуысқа итеріледі. Құрал екі қысым камерасынан және сызықтық орын ауыстыруға қабілетті қарсы соққыдан тұрады. Қуысты қалыптау технологиясына ұқсас, процесс басталғанда, берік қысылған дайындама газ қысымымен кеңейтіледі. Процестің екінші кезеңінде материал алдыңғы қалыптау бағытына қарсы қысым қолданылып, соққы бетінде қалыптастырылады. Процесс жағдайларының арқасында материалды тиімді пайдалануға мүмкіндік туады, сондықтан қуысты қалыптауға қарағанда бастапқы қалыңдығы жұқа дайындамаларды қолдануға болады. Осылайша, көпіршікті қалыптау технологиясы әсіресе жоғары қалыптау тереңдігіне ие бөлшектерге өте қолайлы.
Диафрагманы қалыптастыру
Графитпен қапталған дайындама қыздырылған пресске салынады. Ауа қысымы металлға көпіршік пішінін беру үшін қолданылады, содан кейін металлдың астына еркек қалып итеріліп, бастапқы бейне жасалады. Еркек қалыптың айналасындағы металлдың соңғы пішінін қалыптастыру үшін ауа қысымы басқа бағыттан қолданылады. Бұл процестің цикл уақыты ұзақ, себебі суперпластикалық деформация жылдамдығы төмен. Өнімнің кішкентай түйіршіктері салдарынан икемделуге төзімділігі нашар, ал кейбір қорытпаларда қуыс пайда болуы мүмкін. Дегенмен, беттік текстура жақсы. Арнайы құралдар, қалыптар және жабдықтар қымбатқа түседі. Процестің басты артықшылығы – оның көмегімен бір операцияда үлкен, күрделі бөлшектерді жасауға болады. Бұл массаны азайтуға және құрастыру жұмыстарын болдырмауға мүмкіндік береді, бұл әсіресе авиация өнімдері үшін маңызды. Мысалы, диафрагмалық қалыптастыру әдісі (DFM) белгілі бір қорытпа матрицалық композитында деформация кезінде туындайтын созу кернеуін азайту үшін қолданылуы мүмкін.
Алюминий және алюминий негізіндегі қорытпалар
Суперпластикалық (SPF) алюминий қорытпалары 470-520 °C температурада қыздырылғанда, бұзылмай бастапқы өлшемдерінен бірнеше есеге дейін созылу қабілетіне ие. Цирконий қосылған, сұйытылған осы қорытпалар кейіннен SUPRAL саудалық атауымен белгілі болды. Олар параққа айналдырылып, қатты суық өңдеуге түсті және ыстық деформацияның бастапқы кезеңдерінде динамикалық кристалдану арқылы әдетте 4–5 мкм болатын ұсақ, тұрақты дән құрылымын қалыптастырды. Сонымен қатар, суперпластикалық қалыптау – бөлшектердің санын және құрастыру қажеттіліктерін азайту арқылы өндіріс және құрастыру шығындарын күрт төмендететін, дайын өнімді алуға мүмкіндік беретін технология. SPF технологиясын пайдалану арқылы, ұшақ құралымдарының көптеген түрлері үшін, мысалы, мұрын конусы және мұрын бөлігінің құралымдары үшін өндіріс шығындары 50%-ға дейін төмендеуі күтілуде. Басқа да артықшылықтары: салмақты азайту, мыңдаған бекіткіштерді жою, күрделі конструкциялық элементтерді болдырмау және бөлшектердің санын айтарлықтай азайту. Суперпластикалық Al Cu қорытпаларындағы маңызды жаңалық 1969 жылы Стоуэлл, Уоттс және Граймс жасаған. Олар арнайы құю әдістерін қолданып, ерітіндіде цирконийдің салыстырмалы түрде жоғары мөлшерін енгізу және содан кейін электрлік өңдеу арқылы өте ұсақ |ZrAl3 тұнбаларын жасау арқылы бірнеше сұйытылған алюминий қорытпаларының (Al 6% Cu 0.5%Zr) біріншісін суперпластикалыққа айналдырды.
Коммерциялық қорытпалар
Кейбір коммерциялық қорытпалар суперпластикалық қасиеттерге ие болу үшін термомеханикалық өңдеуден өткізілген. Басты назар Al 7000 сериялы қорытпаларға, Al-Li қорытпаларына, алюминий негізіндегі металл матрицалық композиттерге және механикалық қорыту арқылы алынған материалдарға бөлінген.
Алюминий қорытпасынан жасалған композиттер
Алюминий қорытпасы және оның композиттері автомобиль өнеркәсібінде кеңінен қолданылады. Композиттердің бөлме температурасында, әдетте, құрамындағы қорытпаға қарағанда, механикалық күштілігі жоғары болады. Жоғары температурада алюминий қорытпасы SiO2, Si3N4 және SiC сияқты бөлшектермен немесе жіпшелермен күшейтілгенде, 700%-дан асатын созылу қабілетіне ие болады. Композиттер көбінесе ұнтақ металлургиясы арқылы өндіріледі, бұл ұсақ түйіршік өлшемін және күшейткіштердің жақсы таралуын қамтамасыз етеді. Оптималды суперпластикалық деформацияға мүмкіндік беретін түйіршік өлшемі әдетте 0,5~1 мкм-ға тең, бұл дәстүрлі суперпластикалық материалдардың талабынан төмен. Басқа суперпластикалық материалдар сияқты, деформация жылдамдығына сезімталдық көрсеткіші (m) 0,3-тен жоғары, бұл жергілікті мойынның пайда болуына қарсы жақсы кедергі көрсетуді білдіреді. 6061 және 2024 сериялары сияқты алюминий қорытпасы композиттерінің кейбіреулері жоғары деформация жылдамдығында суперпластикалық қасиеттерді көрсетті, бұл басқа суперпластикалық материалдарға қарағанда әлдеқайда жоғары деформация жылдамдығымен жүзеге асады. Бұл қасиет алюминий қорытпасы композиттерін суперпластикалық қалыптауға ыңғайлы етеді, себебі бүкіл процесті қысқа мерзімде орындауға болады, соның арқасында уақыт және энергия үнемделеді.
Алюминий қорытпасы композиттерінің деформация механизмі
Алюминий қорытпасы композиттеріндегі ең көп таралған деформация механизмі - түйіршік шекарасының сығуы (GBS), бұл көбінесе деформацияны қанағаттандыру үшін атомдық/дислокациялық диффузиямен бірге жүреді. GBS механизмі моделі 0,3 деформация жылдамдығының сезімталдығын болжайды, бұл көптеген суперпластикалық алюминий қорытпаларымен сәйкес келеді. Түйіршік шекарасының сығуы үшін өте ұсақ түйіршіктердің салыстырмалы түрде жоғары температурада айналуы немесе жылжуы қажет. Сондықтан түйіршік өлшемін ұсарту және жоғары температурада түйіршіктердің өсуін болдырмау маңызды. Өте жоғары температура (балқу температурасына жақын) тағы бір механизммен байланысты, себебі жоғары температурада матрицада ішінара сұйықтықтар пайда болады. Сұйықтың тұтқырлығы жанындағы түйіршік шекараларының сығуына бейімделуде басты рөл атқарады. Екінші фазалық нығайтқыштардың қосылуынан туындаған кавитация және кернеу концентрациясы сұйық фазаның ағысымен тежеледі. Дегенмен, сұйықтықтың артық болуы материалдардың тұрақтылығын нашарлатады. Сондықтан бастапқы балқу температурасына жақын, бірақ одан көп аспайтын температура оптималды температура болып табылады. Ішінара балқу сынық бетінде жіпшелердің пайда болуына әкелуі мүмкін, оларды сканерлеуші электронды микроскоппен байқауға болады. Нығайтқыштардың морфологиясы мен химиясы да кейбір композиттердің суперпластикалық қасиеттеріне әсер етеді. Бірақ олардың әсерін болжау үшін әлі ең бір өлшем ұсынылмаған.
Титан және титан негізіндегі қорытпалар
Аэроғарыш өнеркәсібінде титан қорытпалары, мысалы Ti–6Al–4V, әуе кеңістігіндегі қолданыстарда кеңінен қолданылады, себебі олардың жоғары температурадағы ерекше беріктігі ғана емес, сонымен қатар көптеген қорытпалар суперпластикалық қасиеттерге ие. Суперпластикалық жапырақты термоформалау күрделі пішіндерді өндірудің стандартты өңдеу жолы ретінде қарастырылады, әсіресе суперпластикалық қалыптауға (SPF) ыңғайлы. Дегенмен, осы қорытпаларға ванадий қосылу оларды едәуір қымбатқа айналдырады, сондықтан арзан қорытпалармен суперпластикалық титан қорытпаларын жасау қажеттігі туындайды. Ti–Al–Mn қорытпасы мұндай кандидат материал бола алады. Бұл қорытпа бөлме температурасында және бөлме температурасына жақын температурадағы біркелкі деформациядан кейін маңызды өзгерістерді көрсетеді.
Ti-Al-Mn (OT4-1) қорытпасы
Ti Al Mn (OT4 1) қорытпасы қазіргі уақытта авиациялық қозғалтқыштардың құрамдас бөліктерінде, сондай-ақ басқа да аэроғарыш қолданыстарында кеңінен қолданылады. Қалыптасу әдетте қымбатқа түсетін, көп еңбек және жабдық талап ететін дәстүрлі әдіспен жүзеге асырылады. Ti Al Mn қорытпасы аэроғарыш саласында қолдануға болатын перспективті материал болып табылады. Дегенмен, оның суперпластикалық қасиеттері туралы мәліметтер өте аз немесе толығымен жоқ. Осы зерттеуде қорытпаның жоғары температурадағы суперпластикалық кернеу арқылы қалыптасуы зерттелді және оның суперпластикалық қалыптасу мүмкіндіктері көрсетілді.
Көтерілу процесі
Газ қысымымен металл жақтарын бүкілдеу маңызды қалыптастыру әдісіне айналды. Бүкілдеу процесі дами келе, материалдың айтарлықтай жұқаруы анық көрінеді. Процесс дизайнеріне бастапқы дайындаманың қалыңдығын таңдауға, сондай-ақ қалыптастырудан кейін куполдың біркелкі емес жұқаруын анықтауға көмектесетін, қалыптастыру уақытына байланысты купол биіктігін анықтау мақсатында көптеген зерттеулер жүргізілді.
Іс-қадағалау
Ti Al Mn (OT4 1) қорытпасы 1 мм қалыңдықтағы суық прокатталған табақ түрінде келді. Қорытпаның химиялық құрамы. Жарты шарды суперпластикалық көтеріңкі қалыптастыру үшін 35 тонналық гидравликалық пресс қолданылды. Қалыптастыру алдында қалыпты инерт газбен тазалауға, сондай-ақ қажет болған жағдайда кері қысыммен компоненттерді қалыптастыруға мүмкіндік беретін құбыр жүйесімен бірге қалып жинағы жасалып, құрастырылды. Барлық қажетті жинақтармен бірге суперпластикалық қалыптастыру орнатымының сызбалық схемасы, сонымен қатар SPF үшін жоғарғы (сол) және төменгі (оң) қалыптардың суреті берілген. Қорытпа табағынан 118 мм диаметріндегі дөңгелек табақ (заготовка) кесіліп алынды және кесу беттері шыршаларды жою үшін жылтыратылды. Заготовка қалыпқа орнатылып, жоғарғы камера жақындатылды. Пеш белгіленген температураға дейін қосылды. Белгіленген температураға жеткеннен кейін, жоғарғы камера қажетті бос ұстағыш қысымын жасау үшін төмен түсірілді. Термиялық тепе-теңдікке 10 минут уақыт берілді. Аргон газы баллоны белгіленген қысымға дейін біртіндеп ашылды. Сонымен қатар, қалыптың түбіне орнатылған сызықтық өзгермелі дифференциалдық түрлендіргіш (LVDT) табақтың көтерілуін тіркеу үшін баптамаланды. LVDT 45 мм-ге жеткенде (төменгі қалыптың радиусы), газ қысымы тоқтатылды және пеш өшірілді. Қалыптасқан компоненттер қалып жинағының температурасы 600 °C-қа дейін төмендеген кезде алынып шығарылды. Осы кезеңде компонентті оңай алуға болады. Жарты шарларды суперпластикалық көтеріңкі қалыптастыру 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 және 1223 К (825, 850, 875, 900, 925 және 950 °C) температурада 0,2, 0,4, 0,6 және 0,87 МПа қысымда жүргізілді. Көтеріңкі қалыптастыру процесі дами келе, табақ материалдарының айтарлықтай жұқаруы байқалады. Қалыптасқан компоненттің профиліндегі қалыңдық таралуын өлшеу үшін ультрадыбыстық әдіс қолданылды. Компоненттер қалыңдық таралу, қалыңдық деформациясы және жұқару коэффициенті тұрғысынан талданды. Қалыптасқан компоненттерде дәнек өсуі, дәнек созылуы, кавитация және т.б. тұрғысынан микроқұрылымды талдау мақсатында деформациядан кейінгі микроқұрылымдық зерттеулер жүргізілді.
Нәтижелер мен талқылаулар
Алынған материалдың 14 мкм екі өлшемді түйіршік мөлшерімен микроқұрылысы 8-суретте көрсетілген. Түйіршік мөлшері сызықтық кесісу әдісімен дәнекерленген парақтың бойлық және көлденең бағыттарында анықталды. Жарты шарлардың суперпластикалық қалыптасуы 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 және 1223 К температурада және 0,2, 0,4, 0,6 және 0,8 МПа аргон газының қалыптастыру қысымында сәтті жүзеге асырылды. Жарты шарларды толық қалыптастыру үшін ең көп дегенде 250 минут уақыт берілді. Бұл 250 минуттық шектеу практикалық себептермен белгіленді. 9-суретте бастама (үлгі) және қалыптасқан бөлік (1123 К температура және 0,6 МПа қалыптастыру газы қысымы) көрсетілген. Әртүрлі қалыптастыру температуралары мен қысымдарында қалыптасқан компоненттердің қалыптасу уақыты. Дәнекердің төменгі жағына орнатылған LVDT (бұлжаның биіктігі/тереңдігін өлшейтін) қозғалысынан қалыптасу жылдамдығы бағаланды. 2-кестеде көрсетілгендей, барлық температура және қысым диапазондарында қалыптасу жылдамдығы бастапқыда жоғары болды және біртіндеп төмендеді. Белгілі бір температурада қалыптасу қысымы артқан сайын қалыптасу уақыты қысқарды. Сол сияқты, берілген қысымда температураның жоғарылауымен қалыптасу уақыты төмендеді. Бұлжа профилінің қалыңдығы периферия (негізі) және полюс кіріп, 7 нүктеде өлшенді. Бұл нүктелер жарты шардың ортасы мен негізгі нүкте арасындағы сызықты анықтама ретінде алып, полюс нүктесіне дейін 15° бұрышпен жылдырылды. Осылайша, 1, 2, 3, 4 және 5 нүктелері жарты шардың негізімен сәйкесінше 15°, 30°, 45°, 60° және 75° бұрыш жасайды (10-суретте көрсетілгендей). Қалыңдық ультрадыбыстық әдіспен бұлжа профилінің әрбір нүктесінде өлшенді. Сәтті қалыптасқан жарты шар компоненттерінің қалыңдық мәндері. 11-суретте әртүрлі температуралардағы қалыптастыру қысымына байланысты толық қалыптасқан жарты шарлардың полюс қалыңдығы көрсетілген. Белгілі бір температурада қалыптастыру қысымы артқан сайын полюс қалыңдығы азайды. Барлық зерттелген жағдайларда полюс қалыңдығы бастапқы 1 мм қалыңдықтан шамамен 0,3-0,4 мм аралығында болды. Жергілікті қалыңдық (h) және бастапқы қалыңдық (h₀) арасындағы қалыңдық деформациясы барлық сәтті қалыптасқан компоненттер үшін әртүрлі орындарда есептелді. Белгілі бір қысымда қалыптасу температурасы жоғарылаған сайын қалыңдық деформациясы төмендеді. 12-суретте 0,6 МПа қалыптастыру қысымында 1123 К-та қалыптасқан компонент үшін күмбездің көлденең қимасы бойынша орналасуына байланысты қалыңдық деформациясы көрсетілген. Қалыптасқан микроқұрылымның зертеуі түйіршік мөлшерінде маңызды өзгеріс болмағанын көрсетті. 13-суретте 1148 К температурада және 0,6 МПа қысымда қалыптасқан компонент үшін бұлжаның негізіндегі және полюсіндегі микроқұрылым көрсетілген. Бұл микроқұрылымдар түйіршік мөлшерінде маңызды өзгеріс көрсетпейді.
Қорытынды
Ти-Al-Mn қорытпасының жоғары температурадағы деформациялық мінез-құлқы және суперпластикалық қалыптасу мүмкіндігі зерттелді. 1098–1223 К температура диапазонында және 0,2–0,8 МПа қысым диапазонында суперпластикалық тәсілді қолдану арқылы 90 мм диаметрлі жарты шарларды сәтті қалыптастыру жүзеге асырылды. Мына қорытындыларға келінді: Газ қысымы немесе температура жоғарылағанда қалыптасу уақыты күрт қысқарды. Қалыптасу жылдамдығы бастапқыда жоғары болды, бірақ уақыт өте келе біртіндеп төмендеді. Белгілі бір температурада қалыптау қысымы артқан сайын, қабырға қалыңдығы азайды. Зерттелген барлық жағдайларда қабырға қалыңдығы бастапқы бос қалыңдығы 1,0 мм-ден шамамен 0,3–0,4 мм аралығында болды. Перифериядан қабырғаға қарай жылған сайын қалыңдық коэффициенті мен қалыңдық деформациясы артты. Қалыптаудан кейінгі микроқұрылымдарда дән өлшемдерінде едәуір өзгеріс байқалған жоқ.
The forming time decreased steeply when the gas pressure or temperature was increased. The rate of forming was initially high, but reduced progressively with time. At a particular temperature the pole thickness reduced as the forming pressure was increased. For all the cases studied the pole thickness lay in the range of about 0.3 to 0.4 mm from the original blank thickness of 1.0 mm. The thinning factor and thickness strain increased as one moved from the periphery to the pole. The post formed microstructures show no significant change in grain size.
Темір және болат
Көбінесе біліктілігі жетілмеген материалдарда, мысалы, Fe Mn Al қорытпасының аустениттік болатында, олардың кейбір нақты материалдық параметрлері микроқұрылымдық механизмдармен тығыз байланысты. Бұл параметрлер материалдың суперпластикалық қабілеттілігінің көрсеткіштері ретінде пайдаланылады. Материал 600 °C-тан 1000 °C-қа дейінгі температура диапазонында және 10−6-дан 1 с−1-ге дейінгі деформация жылдамдықтарымен ыстық созу сынағынан өтті. Деформация жылдамдығының сезімталдық параметрі (m) және үзілуге дейінгі байқалатын максималды созу (εr) анықталды және ыстық созу сынағынан алынды.
Mn және Al қорытпалары бар Fe
Тәжірибелер Fe Mn Al қорытпасында 700 °C-тан 900 °C-қа дейінгі температура диапазонында, шамамен 3 мкм (ASTM түйіршік мөлшері 12) түйіршік мөлшерінде, жоғары пластикалық қасиеттерге ие болу мүмкіндігін көрсетті, сондай-ақ м ~ 0,54 орташа деформация жылдамдығының сезімталдығы және шамамен 600% максималды созылу мүмкіндігі анықталды.
Fe және Al және Ti қорытпалары
Fe 28Al, Fe 28Al 2Ti және Fe 28Al 4Ti қорытпаларының суперпластикалық қасиеттері созу сынағы, оптикалық микроскопия және трансляциялық электрондық микроскопия арқылы зерттелді. Созу сынақтары 700–900 °C температурада, шамамен 10−5 – 10−2/с деформация жылдамдығы диапазонында жүргізілді. Ең жоғары деформация жылдамдығының сезімталдық коэффициенті m 0,5 болса, ең үлкен созылу 620%-қа жетті. Fe3Al және FeAl қорытпаларында 100–600 мкм түйірше өлшемі бар материалдар, дәстүрлі ұсақ түйіршелі суперпластикалық қорытпалардың барлық деформациялық қасиеттерін көрсетті. Дегенмен, ірі түйіршелі темір алюминийлерінде суперпластикалық қасиеттер табылды, бірақ бұл суперпластикалық қасиеттерге қажетті ұсақ түйіршелілік және түйірше шекарасының сығуы сияқты шарттар орындалмады. Металлографиялық зерттеулер көрсеткендей, ірі түйіршелі темір алюминидтерінің орташа түйірше өлшемі суперпластикалық деформация кезінде кемиді.
Кавитация
Суперпластикалық қалыптау тек қана түйіршік шекарасының сығуы кезінде кавитация пайда болмаса ғана жұмыс істейді, себебі кавитациялар түйіршік шекарасының сығуына бейімделу механизмі ретінде диффузиялық бейімделуді немесе дислокациялардың пайда болуын қалдырады. Керамикалық суперпластикалық қалыптау кезінде қолданылатын күштер орташа, әдетте 20–50 МПа, және жалпы, жеке кристалдарда дислокацияларды тудыру үшін жеткіліксіз, сондықтан дислокациялық бейімделуге мүмкіндік болмауы керек. Дегенмен, осы үш фазалық суперпластикалық керамиканың ерекше және бірегей ерекшеліктері ашылады, бұл суперпластикалық керамиканың бұрынғы ойларға қарағанда металдармен көбірек ортақ белгілері болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Иттриямен тұрақтандырылған циркониялық поликристаллдан жасалған тетрагональды
Иттрий оксиді тұрақтандырғыш ретінде қолданылады. Бұл материал негізінен тетрагональді құрылымға ие. Y TZP цирконий негізіндегі материалдардың барлығынан ең жоғары иілу беріктігіне ие. Y TZP-нің ұсақ түйіршік өлшемі, оның жоғары тозуға төзімділігінің арқасында, өте өткір жиекті жасауға және сақтауға мүмкіндік беретін кескіш құралдарда қолдануға ыңғайлы. Бұл 3 мол% Y TZP (3Y TZP) суперпластикалық қасиеттері дәлелденген алғашқы нағыз поликристалликалық керамика болып саналады және қазір модельдік керамикалық жүйе ретінде қарастырылады. Ұсақ түйіршік өлшемі өте тығыз, кеуекті керамикаға алып келеді, ол тамаша механикалық беріктікке, коррозияға төзімділікке, соққыға төзімділікке, жылулық соққыға төзімділікке және өте төмен жылу өткізгіштікке ие. Осы қасиеттеріне байланысты Y TZP тозуға ұшырайтын бөлшектерде, кескіш құралдарда және жылу оқшаулағыш жабындарда қолданылады.
Y TZP (3Y TZP), which is now considered to be the model ceramic system. The fine grade size leads to a very dense, non porous ceramic with excellent mechanical strength, corrosion resistance, impact toughness, thermal shock resistance and very low thermal conductivity. Due to its characteristics Y TZP is used in wear parts, cutting tools and thermal barrier coatings.
Алюмина ()
Алюмина, мүмкін, ең көп қолданылатын құрылымдық керамикалардың бірі, бірақ алюминада суперпластичность алу қиын, себебі жоғары температурада деформация кезінде анизотроптық түйіршіктердің жылдам өсуі байқалады. Оған қарамастан, қоспаланған, ұсақ түйіршікті Al2O3-та суперпластичностьқа қатысты бірнеше зерттеу жүргізілді. 500 ppm MgO қосылған Al2O3 түйіршігінің мөлшері Cr2O3, Y2O3 және TiO2 сияқты әртүрлі қоспаларды қосу арқылы одан әрі кішірейтілуі мүмкін екендігі көрсетілді. 500 ppm Y23 қосылған Al2O3-та шамамен 0,66 мкм түйіршік мөлшеріне қол жеткізілді. Осы ұсақ түйіршік мөлшерінің нәтижесінде Al2O3 1450 °C температурада 20 МПа күш салғанда 65% сынғанға дейін созылу қасиетін көрсетеді.