Упругие свойства. Высокотемпературная ползучесть

Если пластическое формование большинства металлов освоено достаточно давно, то технологии формования хрупких материалов появились сравнительно недавно. Диффузионная ползучесть в наноструктурированных материалах, в отличие от классических, возможна уже при комнатной температуре, благодаря чему материалы могут проявлять сверхпластические свойства - способ­ность поликристаллических материалов испытывать значительную деформацию при растяжении без образования области шейки и разрушения. При этом вклад диффузионной ползучести вдоль границ зерен настолько велик, что дает возмож­ность пластически деформировать даже хрупкие материалы (например, керамику или интерметаллиды) в нанокристаллическом состоянии при достаточно низких температурах.

Условия появления сверхпластичности:

· малый размер зерен, играющий главную роль в зернограничной диффузии при нагружении материала;

· изотропность (равноосность) зерен, необходимая для проскальзывания;

· высокоэнергетические границы зерен (течение быстрее вдоль границ с большей энергией);

· наличие второй фазы, ограничивающей рост зерна.

Большинство моделей диффузионного течения описываются соотношением

где А - константа, G - модуль сдвига, b - вектор Бюргерса, D - размер зерна, п и р - показатели степени для напряжения и размера зерна. Для большинства моделей, описывающих материалы с размером зерна меньше 10 мкм, п>2,р~2.

Зернограничное проскальзывание является одним из важнейших механизмов высокотемпературной ползучести. На рис. 5 представлена одна из моделей ползучести нанокристаллических материалов. Зерна проскальзывают относи­тельно друг друга, изменяя форму в процессе нагрузки.

Рис. 5.

Непосредственным применением сверхпластичности наноматериалов при доста­точно низких температурах может стать формование керамических материалов. В обычных условиях керамические материалы при незначительных деформациях разрушаются вследствие высокой хрупкости. Однако если синтезировать материал с малым размером зерен, его можно сильно деформировать.

На рис. 6 представлен образец, полученный прессованием цилиндра нанокристаллического ТЮ₂ (размер зерна 40 нм) при давлении 38 МПа и температуре 800 °С в течение 15 часов. Значительные деформации не вызвали разрушения материала. Кроме того, было показано, что в процессе нагрузки при данной температуре происходит укруп­нение зерен до 1 мкм, что позволяет в дальнейшем использовать материал при высоких температурах.

Рис. 6.

Дата добавления: 2014-01-07