Сверхпластичность нанодисперсных материалов

Нано материалы демонстрируют рекордные значения сверхпластичности, значительно превышающие величины, характерные для микрозернистого состояния. В связи с огромной практической важностью, изучению этого механического свойства наноразмерных материалов уделяется большое внимание.

Сверхпластичность – аномальное изменение сопротивления пластическому деформированию, заключающемуся в резком падении прочности и очень сильном повышении пластичности. Другими словами сверхпластичность – это исключительно большое, составляющее сотни и тысячи процентов, относительное удлинение материала при растяжении. Сверхпластичность наблюдается обычно в поликристаллических материалах с размером зёрен менее 10 мкм при их деформировании в определённом температурно-скоростном интервале. Это, как правило, температуры, составляющие 0, 5 – 0, 6Т_пл, и скорости деформации 10^–4 – 10^{– 3} с^–1. Впервые это явление было продемонстрировано в 1934 году на примере удлинения сплава Sn–B более чем в 20 раз. Сверхпластичность керамики была обнаружена в 1985 году на поликристаллическом тетрагональном оксиде ZrO₂, стабилизированном оксидом иттрия Y₂O₃. Сверхпластичность очень важна для получения изделий из керамических материалов формованием, твёрдофазным спеканием, горячим прессованием при достаточно низких температурах. Благодаря сверхпластичности достигается высокая точность размеров керамических изделий очень сложной формы, имеющих внутренние полости и поверхности с меняющейся кривизной.

Сверхпластическое течение микрокристаллических материалов часто описывается уравнением состояния в виде

ε ~ DGb^р+1/(kT) 1/d^p

где ε – скорость деформации, с^-1; D – коэффициент зернограничной диффузии, м²/с; G – модуль сдвига, Па; b – вектор Бюргерса, м; Т – температура испытания, К; d – размер зерна, м; р – экспонента, зависящая от размера зерна (обычно равна 2).

Основываясь на этом уравнении состояния для сверхпластического течения, можно ожидать, что уменьшение размера зерна должно привести к резкому повышению сверхпластических свойств и достижению сверхпластичности при относительно низких температурах или высоких скоростях деформации.

В результате проведённых экспериментов обнаружено увеличение пластичности на сотни процентов при умеренно высоких температурах: 650 – 725 °С для Ni₃Al, 700 °С для TiO₂, 1150 – 1250 °С для ZrO₂. За счёт перехода в наносостояние температуру проявления сверхпластичности по сравнению с обычными материалами удалось снизить примерно на 300 – 400 °С.

Измельчение структуры в Al– и Ti–сплавах, используя ИПД, позволило существенно сместить скоростной интервал проявления сверхпластической деформации в область более высоких скоростей (рис. 8), снизив одновременно температуру деформации.

Такие уникальные свойства наноразмерных сплавов позволяют значительно расширить возможности практического применения высокоскоростной и низкотемпературной сверхпластичности для эффективной формовки различных деталей и изделий сложной формы.

Более того, сверхпластичные наноматериалы могут использоваться в качестве соединительных слоёв для сварки различных материалов в твёрдом состоянии и разного химического состава.

Рис.8. Проявление высокоскоростной сверхпластичности в

наноструктурном алюминиевом сплаве при испытании растяжением

Итак, для наноматериалов установлено проявление сверхпластичности при низких температурах и при высоких скоростях деформации. Природа этих эффектов, как предполагается, заключается в неравновесном состоянии границ зёрен в наноматериалах, что приводит к ускорению динамических процессов на границах (например, зернограничного проскальзывания).

В то же время влияние среднего размера зёрен на сверхпластическое поведение не является однозначным. Полученные результаты свидетельствуют, что уменьшение среднего размера зерна до 100 нм приводит к повышению сверхпластических свойств, но роль дальнейшего измельчения зёрен в проявлении этого эффекта требует, очевидно, более тщательных исследований. В частности в наноматериалах с размером зёрен меньше некоторого критического значения может быть затруднена генерация дислокаций, что приведёт к снижению уровня сверхпластических свойств.

Кроме описанных выше, материалы, в том числе и наноразмерные, характеризуются также такими механическими свойствами как упругость, внутреннее трение или демпфирование, усталостная прочность и др. Однако в настоящее время большая часть результатов по этим свойствам получена для так называемых мелкозернистых материалов со средним размером частиц 200–500 нм. Это несколько больше, чем у изучаемых наносистем. Тем не менее, анализ зависимостей механических свойств мелкозернистых материалов представляет интерес для выявления тенденций их изменения при увеличении степени дисперсности морфологических составляющих материала.