Введение к работе
В связи с поисками новых методов получения металлических изделий сложной конфигурации, обеспспгоающих повышение коэффициента использования металла, многообещающим в этом смысле для исследователей представляется эффект сверхпластичности (СП), заключающийся в способности некоторых металлов и сплавов обеспечивать невероятно высокие степени деформации без разрушения.
Эффект сверхпластичности был обнаружен при определенных условиях деформации на ряде сплавов и установлено, что проявление эффекта сверхпластичности зависит от одновременного действия многих факторов: состава сплава, изменения его структуры в процессе пластического течения, температурно-скоростных условий деформации и прочих факторов.
Эксперименты показали, что сверхпластичность обусловлена стабильным малым размером зерен и наличием в деформируемом материале границ зерен или. фаз в состоянии, характеризующемся особым "активированным" состоянием находящихся в них атомов.
По поводу механизмов СП деформации высказывается немало.предположений, иногда взаимоисключающих. Больше всего споров ведется о роли диффузионного массопереноса и дислокационного скольжения. Чисто феноменологический подход здесь не может дать решения, так как при наличии ультрамелкозернистой структуры в условиях СП деформации принципиально возможно действие различных механизмов деформации металлов: диффузионной ползучести, зернограничного проскальзывания, дислокационного скольжения и иных сопутствующих деформации процессов. Практически невозможно априори выделить основной механизм или комбинацию механизмов деформации, обеспечивающих сверхпластическое течение. Отсюда проистекает необходимость для создания универсальной (общей) физической теории сверхлластичности проведение подробных, тщательно спланированных экспериментов, направленных на углубление нашігх знаний по эффекту СП.
Еще в первых экспериментальных работах по сверхпластичности установлена зависимость пластичности бинарных сплавов от состава, что впоследствии неоднократно отмечалось некоторыми исследователями. Несмотря на опытный факт рсаіпізаіши эффекта структурной сверхпластичности лишь в узких интервалах составов, т.е. его локализации по оси концентраций, все существующие теории и гипотезы о природе СП, отводящие 70-80% от общей деформации на счет зернограничного проскальзывания, не придавали ему должного значения. Поэтому можно констатировать,
что роль химического состава в реализации эффекта СП установлена далеко не полностью, а причины его концентрационной локализации не имеют удовлетворительного объяснения в рамках известных теорий. Таким образом, возникает принципиальный вопрос: почему аномально высокая пластичность проявляется только у сплавов строго определешюго состава?
Изложенное определяет актуальность и необходимость получения новых экспериментальных данных, которые помогли бы найти ответ, или, по крайней мере, подойти ближе к пониманию причин концентрационной локализации эффекта СП в сплавах. Поэтому цель настоящей работы состояла в том, чтобы на основе полученных данных при систематических исследованиях различных физических свойств на сплавах системы кадмий-свинец во всем интервале составов выявить причины, обуславливающие , наличие СП состояния у сплавов строго определенного состава..
.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
.-1. Исследовать концентрационную зависимость пластичности 8(C)
сплавов кадмий-свинец во всем интервале составов при различных тем
пературах. ...- .
2. Провести исследования влияния температуры перегрева расплавов перед их кристаллизацией на пластичность.
,3. Исследовать влияние предварительной механической обработки (холодная прокатка, горячая экструзия) на пластичность-при различных , температурах деформирования. ''
4. Изучить воздействие некоторых внешних энергетических полей (у-
излучение, магнитное;поле)..на пластичность и прочность сплавов иссле
дуемой системы.
5. Определить коїщентрациоішую зависимость ряда физико-
механических свойств сплавов кадмий-свинец в твердом (твердость, проч
ность, ползучесть, внутреннее трение, термо-эдс, злектросопротивлеіше) и
в жидком (термо-эдс) состояниях.
6. На основе полученной экспериментальной информации уточнить
модельные представления об эффекте "структурная сверхпластичность
. сплавов" в плане влияния различных факторов на локализацию этого эффекта в определенных точках на оси концентрации и, в частности, выяснения роли химического взаимодействия разнородных атомов в жидком состоянии.
Для решения указанных задач было разработано и изготовлено экспериментальное оборудование и созданы оригинальные установки:
а) установка для исследования поведения материала в условиях ста
тического нагружения, в которой в качестве регистрирующего устройства
использован формирователь сигнала положения, включающий в себя квад-
рупольную линзу из постоянных магнитов и пленочный датчик Холла;
б) установка для измерения электросопротивления металлических
материалов;
в) приставка к разрывной машине для исследования пластического поведения металлов и сплавов в постоянном магнитном поле напряженностью до 7,5 кЭ.
В качестве объекта исследований двойная эвтектическая система кадмий-свштец была выбрана по следующим соображениям:
-
Диаграмма состояния системы является простой диаграммой с эвтектикой (Cd-72 ат.% РЬ) и незначительной взаимной растворимостью.
-
Из литературы известно существование нескольких сішавов, проявляющих сверхпластичность и, что очень важно, находящихся в разных точках интервала концентраций.
-
Легкость механической обработки и невысокие температуры, необходимые для проведения испытаний.
Следует привести еще одтт весьма значимый довод в пользу использования сплавов данной системы. Сверхттастичность в сплавах кадмий-свинец является структурной сверхпластичностью. В то же время, металлографические исследования показали, что зерна как до, так и после сверхпластической деформации являются равноосными, и их размер практически не меняется. Таким образом, отпадает необходимость анализа влияния зеренной структуры на пластичность.
Научная новизна полученных в работе экспериментальных результатов определяется тем, что в ней впервые для системы кадмий-свинец:
-
Проведено систематическое исследование пластичности литых, предварительно прокатанных и экструдированных сплавов во всем ит ер-вале составов при различных температурах.
-
Показано сильное влияние различных предварительных механических обработок па пластичность.
-
Обнаружена и исследована связь между пластичностью сплавов и термической обработкой их расплавов перед кристаллизацией.
-
Исследовано воздействие магнитного поля и у-облучения на пластичность.
Па защиту выносятся: 1. Результаты экспериментального исследования пластических свойств системы кадмий-свинец во всем интервале концентраций в литом, прокатанном и экструдировашюм состояниях, влиянии температуры деформирования и термической обработки расплавов на пластичность.
-
Экспериментальные данные по концентрационным зависимостям физических свойств сішавов (эффективная энергия активации релаксации напряжений, ползучесть, внутреннее трение, твердость, прочность, электросопротивление, термо-эде).
-
Предположение о том, что физической причиной концентрационной локализации эффекта структурной сверхпластичности у сплавов системы кадмий-свинец только определенных стехиометрических составов является микронеоднородность зерновых границ, зависящая от их
состава и унаследованная границами зерен из расплава после его кристаллизации.
Практическое значение результатов работы. Полученные экспериментальные данные о различных физических свойствах сплавов кадмий-свинец в твердом и в жидком агрегатных состояниях могут быть полезными при разработке новых способов управления свойствами и прогнозировании свойств металлических материалов. Эти данные должны учитываться при построении новых и уточнении существующих модельных представлений о явлении структурной сверхпластичности металлов и сплавов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались нз II, IV Всесоюзных конференциях "Свёрхпластичность металлов" (Москва, 1981; Уфа, 1989); П, Ш Всесоюзных научных конференциях "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа" (Днепропетровск 1982, 1986); X Республиканском совещании по тепловой микроскопии "Структура и свойства металлических материалов в широком диапазоне температур" (Новокузнецк, 1982); 1-ой Всесоюзной научной конференции "Структура и свойства границ зерен" (Уфа, 1983); X, ХШ-ой Всесоюзных конференциях по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 1983, Самара, 1992); I, П-ой Всесоюзных конференциях "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Юрмала, 1987, 1990); V, VI Республиканских научно-технических конференциях "Демпфирующие металлические материалы" (Киров, 1988, 1991); Ш Всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов" (Москва, 1988); Республиканской научно-технической конференции "Новые материалы и процессы разрушения" (Саранск, 1991); Республиканской конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992); XIV Международной научной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Самара, 1995).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
В совместных работах автором получены экспериментальные данные, выполнены расчеты и принято участие в обсуждении результатов и подготовке рукописи.
Объем работы.. Диссертационная работа состоит из введения и 4 глав, содержит 136 страшщ машшюписного текста, включая 50 рисунков и библиографию из 186 наименований.
