V 1/2 Использование эффекта сверхпластичности в процессах ОМД

Металлы и сплавы с ультрамелкой структурой (диаметр зерна до 10 мкм и меньше, что в 100 раз мельче зерна обычной струк­туры промышленных металлов и сплавов) обладают резко по­вышенной прочностью при обычных и низких (криогенных) тем­пературах. Как правило, это повышение прочности не сопро­вождается сколько-нибудь существенным снижением пластич­ности. Такое измельчение зерна — один из перспективных путей эффективного повышения эксплуатационных свойств металличе­ских материалов в области нормальных и криогенных температур как на воздухе, так и в агрессивных коррозионных средах. Второй и не менее существенной особенностью металлов и сплавов с вы­сокодисперсной структурой является их поведение в области температур горячей пластической деформации (как правило, выше температуры начала рекристаллизации). Прочность этих материалов становится как минимум в 10 раз ниже прочности материала с обычным размером зерна, а пластичность становится аномально высокой. Так, величина относительного удлинения при растяжении достигает в ряде случаев 1000 и более процентов, относительное сужение \|) ~ 100 %, шейка на разорванном образце часто отсутствует. Это явление носит название эффекта сверх пластичности.

Кроме сверхпластичности, обусловленной наличием высоко­дисперсной структуры (изотермическая сверхпластичность), ана­логичный эффект достигается для металлов и сплавов с обычной 350структурой в случае их пластической деформации в области температур фазовых, аллотропических или других видов струк­турных превращений (динамическая сверхпластичность). Для обоих типов имеет место наличие высокой чувствительности на­пряжения а от скорости деформации ё, определяемое зависи­мостью а = /Сё»1, где т — показатель чувствительности к ско­рости деформации, К — константа, зависящая от марки мате­риала. При значениях ш ^ 0,33 материал сверхпластичен. Обычный интервал значений величины т для сверхпластичных материалов и сплавов 0,4—0,7 (т = 1 имеет идеально-пластичная ньютоновская жидкость). Скоростной интервал проявления эф­фекта сверхпластичности для большинства металлов при растя­жении составляет ё = 10~4-ь-10~2 с»1, что на несколько порядков ниже применяемых в процессах ОМД. При деформации с при­менением объемных схем напряженного состояния развитие эф­фекта сверхпластичности происходит при значительно больших скоростях и достигает значений ё = 1 с’1 (скорость деформации при прессовании или ковке на гидравлических прессах).

Ограничение по скорости деформации при сверхпластичности является одним из самых серьезных недостатков при использова­нии этого эффекта в процессах обработки металлов давлением.

После сверх пластической деформации металл имеет высоко­дисперсную структуру и практическое отсутствие анизотропии свойств. Следует также отметить, что металл, прошедший сверх­пластическую деформацию, практически лишен наружных и внутренних дефектов (трещины, надрывы) и имеет высокое каче­ство и чистоту поверхности.

В настоящее время все существующие и перспективные метал­лические материалы следует рассматривать как потенциально сверхпластичные. Температурно-скоростные параметры сверх­пластической деформации целого ряда металлов и сплавов уста­новлены, а технологические процессы промышленного использо­вания сверхпластичности при ОМД проходят стадию изучения и внедрения.

Использование эффекта сверхпластичности возможно как в традиционных процессах обработки давлением (прессовании, объемной штамповке, прокатке), так и в специально созданных способах, максимально реализующих все положительные аспекты этого явления (бесфильерное волочение и пневматическая фор­мовка).

Исследования показывают, что при оптимальных температурно-скоростных условиях в режиме сверхпластичности можно де­формировать металл со степенями деформации по сечению 400–800% при высокой точности конечных размеров изделия.

В процессах прокатки сверхпластичных материалов наиболь­ший практический интерес представляет возможность резкого снижения сопротивления деформации, что дает очень большую экономию энергозатрат и инструмента. Положительный эффект

от снижения усилий в значительной степени компенсирует отри­цательный фактор необходимости снижения скорости прокатки; однако суммарный экономический эффект оказывается положи­тельным.

В состоянии сверхпластичности можно прессовать обычно недеформируемые металлы и сплавы, а для прессуемых значи­тельно повысить степень деформации при резком снижении энер­госиловых параметров процесса. Известно, что некоторые сверх­пластичные металлы прессуют с коэффициентом вытяжки до 250.

При штамповке объемных деталей в состоянии сверхпластичности вследствие низкого сопротивления и достижения больших

степеней деформации получают высокоточное заполнение штампов сложной конфигурации и достигают значительного увеличения стойкости инструмента. Общее снижение стоимости изготовления объемных штамповок составляет более 25 % по сравнению с об­работкой в несверхпластичном состоянии.

В целом преимущества использования эффекта сверхпластичности в процессах обработки давлением сводятся к следующему: 1) простота и низкая стоимость инструмента; 2) исключение про­межуточных термообработок; 3) достижение полного повторения профиля и контуров штампа; 4) практически неограниченная степень деформации; 5) высокое качество поверхности; 6) полу­чение оптимальной структуры и свойств обработанного металла. Из недостатков необходимо отметить следующие: 1) низкая скорость деформации; 2) необходимость поддер­жания с высокой точностью температурного интервала деформи­рования, что в ряде процессов требует подогрева инструмента (прокатка, прессование, объемная штамповка); 3) необходимость применения нового технологического оборудования или допол­нительной оснастки; 4) необходимость подготовки структуры обрабатываемого металла при реализации эффекта изотермической сверхпластичности.