Сверхпластичность

В материаловедении сверхпластичность — это состояние, при котором твердый кристаллический материал деформируется значительно дальше своей обычной точки разрыва, обычно более чем на 400% во время деформации растяжения. Такое состояние обычно достигается при высокой гомологичной температуре. Примерами сверхпластичных материалов являются некоторые мелкозернистые металлы и керамика. Другие некристаллические материалы (аморфные), такие как кварцевое стекло («расплавленное стекло») и полимеры, также деформируются аналогичным образом, но не называются сверхпластичными, поскольку они не являются кристаллическими; скорее, их деформацию часто описывают как ньютоновскую жидкость. Сверхпластично деформированный материал становится тоньше очень однородно, а не образует «шейку» (локальное сужение), что приводит к разрушению. Кроме того, подавляется образование микропустот, что является еще одной причиной раннего разрушения.
Сверхпластичность не следует путать со сверхэластичностью.

Историческое развитие сверхпластичности

Некоторые свидетельства сверхпластического течения в металлах были обнаружены в некоторых артефактах, например, в сталях Вутца в древней Индии, хотя сверхпластичность была первым научным признанием в двадцатом веке в отчете Бенгоу об удлинении латуни на 163% в 1912 году. Позднее, в 1928 году, Дженкинсом было достигнуто более высокое удлинение (300%) в сплавах Cd–Zn и Pb–Sn. Однако эти работы не пошли дальше установления нового явления механических свойств материалов. До публикации работы Пирсона в 1934 году в эвтектическом сплаве Pb–Sn обнаруживалось значительное удлинение в 1950%. Легко было стать самым обширным отчетом об элонгации в научных исследованиях того времени. В течение более 25 лет после усилий Пирсона в западном мире не было дальнейшего интереса к сверхпластичности. Позже Бочвар и Свидерская продолжили сверхпластичность в Советском Союзе, опубликовав множество публикаций по сплавам Zn–Al. В 1985 году в Уфе, Россия, был создан научно-исследовательский институт, специализирующийся на сверхпластичности, Институт проблем сверхпластичности металлов. Этот институт остался единственным в мире институтом, занимающимся исключительно исследованиями сверхпластичности. Интерес к сверхпластичности возрос в 1982 году, когда в Сан-Диего прошла первая крупная международная конференция «Сверхпластичность в конструкционных материалах» под редакцией Патона и Гамильтона. Оттуда были опубликованы многочисленные исследования со значительными результатами. Сверхпластичность в настоящее время является основой формирования сверхпластической деформации как важнейшего метода применения в аэрокосмической отрасли.

Условия

В металлах и керамике требования к сверхпластичности включают мелкий размер зерен (менее примерно 10 микрометров) и рабочую температуру, которая часто превышает половину абсолютной точки плавления. Несколько исследований обнаружили сверхпластичность крупнозернистых материалов. Однако научное сообщество пришло к выводу, что порог размера зерна в 10 микрометров является предварительным условием активации сверхпластичности. Как правило, рост зерен при высокой температуре и, следовательно, поддержание мелкозернистой структуры при гомологичной температуре является основной проблемой в исследованиях сверхпластичности. Типичная стратегия микроструктуры использует тонкую дисперсию термостабильных частиц, которые закрепляют границы зерен и поддерживают мелкозернистую структуру при высоких температурах и наличии нескольких фаз, необходимых для сверхпластической деформации. Наиболее типичной микроструктурой сплава для сверхпластичности является эвтектическая или эвтектоидная структура, как в сплавах Sn-Pb или сплавов Zn.
Те материалы, которые соответствуют этим параметрам, должны по-прежнему иметь чувствительность к скорости деформации (измерение того, как напряжение в материале реагирует на изменения скорости деформации) > 0,3, чтобы считаться сверхпластичными. Идеальная чувствительность к скорости деформации составляет 0,5, что обычно встречается в микродуплексных сплавах.

Механизм

Механизмы сверхпластичности в металлах определяются как скольжение по границам зерен (GBS). Однако скольжение по границам зерен (GBS) может привести к концентрации напряжений на тройном стыке или границе зерен твердых фаз. Поэтому GBS в материалах с поликристаллической структурой должно сопровождаться другими процессами аккомодации, такими как диффузия или дислокация. Модели диффузии, предложенные Эшби и Вераллом, объясняют постепенное изменение форм зерен для поддержания совместимости между зернами во время деформации. Изменения формы зерен управляются диффузией. Граница зерен мигрирует, образуя равноосную форму с новой ориентацией по сравнению с исходными зернами. Дислокационная модель объясняется тем, что концентрация напряжений, вызванная GBS, будет ослаблена движением дислокации в блокирующих зернах. Дислокация накапливается, и подъем позволит испустить другую дислокацию. Дальнейшие детали в модели дислокации все еще обсуждаются, и несколько из них были предложены Кроссманом и Эшби, Лэнгдоном и моделью Гифкинса.

Высокая скорость деформации Сверхпластичность

В целом, сверхпластичность часто происходит при низкой скорости деформации, порядка 10−4 с−1, и может быть энергозатратной. Кроме того, длительное время воздействия высокой рабочей температуры также ухудшает механические свойства материалов. Существует острая потребность в увеличении скорости деформации при сверхпластической деформации до порядка 10−2 с−1, что называется сверхпластичностью с высокой скоростью деформации (HSRS). Увеличение скорости деформации при сверхпластической деформации обычно достигается за счет уменьшения размера зерна в сверхтонком диапазоне от 100 до менее 500 мкм. Дальнейшее измельчение зерна до нанокристаллической структуры с размером зерна менее 100 нм неэффективно для повышения скорости деформации или улучшения пластичности. Наиболее распространенный процесс измельчения зерна для исследований HSRS использует интенсивную пластическую деформацию (SPD). SPD может производить исключительное измельчение зерна до субмикрометрового или даже нанометрового диапазона. Среди многих методов SPD наиболее широко используются два метода: равноканальное угловое прессование (ECAP) и кручение под высоким давлением (HPT). Помимо получения сверхмелкого размера зерна, эти методы также обеспечивают высокую долю большеугловых границ. Эти большеугловые границы зерен являются особым преимуществом для увеличения скоростей деформации. Из-за важности обработки измельчения зерна для исследования сверхпластичности, ECAP и HPT были посвящены основным позициям в исследованиях сверхпластичности в металлах.

Преимущества сверхпластичной формовки

Процесс предлагает ряд важных преимуществ, как с точки зрения проектирования, так и с точки зрения производства. Для начала, есть возможность формировать компоненты с двойной кривизной и плавными контурами из одного листа за одну операцию, с исключительной точностью размеров и отделкой поверхности, и без «пружинивания», связанного с методами холодной формовки. Поскольку используются только одноповерхностные инструменты, сроки выполнения короткие, а прототипирование происходит быстро и легко, поскольку на одном и том же инструменте можно испытывать ряд толщин листового сплава.

Методы формовки

В настоящее время используются три метода формовки для использования этих преимуществ. Выбор метода зависит от критериев дизайна и производительности, таких как размер, форма и характеристики сплава.

Формирование полости

Заготовка с графитовым покрытием помещается в нагретый гидравлический пресс. Затем используется давление воздуха, чтобы прижать лист к форме. Вначале заготовка приводится в контакт с полостью штампа, что препятствует процессу формования трением на границе заготовки и штампа. Таким образом, контактные области разделяют одиночный выступ на несколько выступов, которые подвергаются процессу свободного выступления. Процедура позволяет изготавливать детали с относительно точными внешними контурами. Этот процесс формования подходит для изготовления деталей с гладкими, выпуклыми поверхностями.

Образование пузырей

Заготовка с графитовым покрытием зажимается над «поддоном», содержащим нагретую мужскую форму. Давление воздуха заставляет металл плотно соприкасаться с формой. Разница между этим и процессом формовки с женским элементом заключается в том, что форма, как указано, мужская, и металл нагнетается на выступающую форму. Для формовки с женским элементом форма является женской, и металл нагнетается в полость.
Оснастка состоит из двух камер давления и контрпробойника, который линейно перемещается. Подобно технологии формовки с полостью, в начале процесса прочно зажатая заготовка выдавливается давлением газа.

Вторая фаза процесса заключается в том, что материал формируется на поверхности пуансона путем приложения давления против предыдущего направления формования. Благодаря лучшему использованию материала, которое обусловлено условиями процесса, можно использовать заготовки с меньшей начальной толщиной по сравнению с формованием полости. Таким образом, технология формования пузырьками особенно подходит для деталей с большой глубиной формования.

Формирование диафрагмы

Заготовка с графитовым покрытием помещается в нагретый пресс. Давление воздуха используется для придания металлу формы пузыря, прежде чем матрица будет вставлена ​​в нижнюю часть пузыря, чтобы сделать начальный оттиск. Затем давление воздуха используется с другого направления для окончательной формовки металла вокруг матрицы. Этот процесс имеет длительное время цикла, поскольку скорости сверхпластической деформации низкие. Продукт также страдает от плохой ползучести из-за малого размера зерна, а в некоторых сплавах может быть кавитационная пористость. Однако текстура поверхности, как правило, хорошая. При наличии специального инструмента штампы и машины стоят дорого. Главное преимущество этого процесса заключается в том, что его можно использовать для производства крупных сложных компонентов за одну операцию. Это может быть полезно для снижения массы и исключения необходимости в сборочных работах, что является особым преимуществом для аэрокосмической продукции. Например, метод диафрагменного формования (DFM) может использоваться для снижения напряжения течения при растяжении, создаваемого в определенном композите матрицы сплава во время деформации.

Алюминий и сплавы на его основе

Сверхпластически формованные (SPF) алюминиевые сплавы обладают способностью растягиваться в несколько раз по сравнению с их первоначальным размером без разрушения при нагревании до температуры от 470 до 520 °C. Эти разбавленные сплавы, содержащие цирконий, позже известные под торговым названием SUPRAL, были подвергнуты интенсивной холодной обработке в листы и динамически кристаллизованы до мелкого стабильного размера зерна, обычно 4–5 мкм, на начальных этапах горячей деформации. Кроме того, сверхпластическая формовка представляет собой технологию обработки чистой формы, которая значительно снижает затраты на изготовление и сборку за счет сокращения количества деталей и требований к сборке. При использовании технологии SPF предполагалось, что для многих узлов самолетов, таких как узлы носового конуса и носового ствола, можно будет достичь 50%-ного снижения затрат на производство. Другие побочные эффекты включают снижение веса, устранение тысяч крепежных деталей, устранение сложных особенностей и значительное сокращение количества деталей. Прорыв в области сверхпластичных сплавов Al-Cu был совершен Стоуэллом, Уоттсом и Граймсом в 1969 году, когда первый из нескольких разбавленных алюминиевых сплавов (Al-6% Cu-0,5% Zr) был превращен в сверхпластичный с введением относительно высоких уровней циркония в раствор с использованием специализированных методов литья и последующей электрической обработки для создания чрезвычайно тонких

ZrAl₃ выпадает в осадок.

Коммерческие сплавы

Некоторые коммерческие сплавы были подвергнуты термомеханической обработке для развития сверхпластичности. Основные усилия были направлены на сплавы серии Al 7000, сплавы Al-Li, композиты на основе Al с металлической матрицей и механически легированные материалы.

Композиты из алюминиевого сплава

Алюминиевый сплав и его композиты широко применяются в автомобильной промышленности. При комнатной температуре композиты обычно имеют более высокую прочность по сравнению с его компонентным сплавом. При высокой температуре алюминиевый сплав, армированный частицами или усами, такими как SiO₂, Si₃N₄ и SiC, может иметь удлинение при растяжении более 700%. Композиты часто изготавливаются методом порошковой металлургии для обеспечения мелкозернистости и хорошей дисперсии армирования. Размер зерна, который позволяет осуществить оптимальную сверхпластическую деформацию, обычно составляет 0,5–1 мкм, что меньше, чем требуется для обычной сверхпластичности. Как и у других сверхпластичных материалов, чувствительность к скорости деформации m больше 0,3, что указывает на хорошую устойчивость к явлению локального образования шейки. Несколько композитов из алюминиевых сплавов, таких как серии 6061 и 2024, показали сверхпластичность с высокой скоростью деформации, которая происходит в режиме гораздо более высокой скорости деформации, чем у других сверхпластичных материалов. Это свойство делает композиты из алюминиевых сплавов потенциально подходящими для сверхпластической формовки, поскольку весь процесс можно выполнить за короткое время, экономя время и энергию.

Механизм деформации композитов на основе алюминиевых сплавов

Наиболее распространенным механизмом деформации в композитах из алюминиевых сплавов является скольжение по границам зерен (GBS), которое часто сопровождается диффузией атомов/дислокаций для компенсации деформации. Модель механизма GBS предсказывает чувствительность к скорости деформации 0,3, что согласуется с большинством сверхпластичных композитов из алюминиевых сплавов. Скольжение по границам зерен требует вращения или миграции очень мелких зерен при относительно высокой температуре. Поэтому измельчение размера зерен и предотвращение роста зерен при высокой температуре имеют важное значение.

Очень высокая температура (близкая к точке плавления) также, как говорят, связана с другим механизмом, межфазным скольжением, поскольку при высоких температурах в матрице появляются частичные жидкости. Вязкость жидкости играет главную роль в обеспечении скольжения соседних границ зерен. Кавитация и концентрация напряжений, вызванные добавлением армирующих добавок второй фазы, подавляются потоком жидкой фазы. Однако слишком много жидкости приводит к образованию пустот, что ухудшает стабильность материалов. Поэтому температура, близкая к начальной точке плавления, но не слишком превышающая ее, часто является оптимальной температурой. Частичное плавление может привести к образованию нитей на поверхности разрушения, что можно наблюдать под сканирующим электронным микроскопом. Морфология и химия армирующих добавок также влияют на сверхпластичность некоторых композитов. Но пока не предложено единого критерия для прогнозирования их влияния.

Методы улучшения сверхпластичности

Было предложено несколько способов оптимизации сверхпластической деформации композитов на основе алюминиевых сплавов, которые также показательны для других материалов:

Титан и сплавы на его основе

В аэрокосмической промышленности титановые сплавы, такие как Ti–6Al–4V, находят широкое применение в аэрокосмических приложениях не только из-за их особой высокотемпературной прочности, но и потому, что большое количество этих сплавов проявляет сверхпластичное поведение. Сверхпластичное листовое термоформование было определено как стандартный маршрут обработки для производства сложных форм, особенно и поддающихся сверхпластичному формованию (SPF). Однако в этих сплавах добавки ванадия делают их значительно дорогими, и поэтому существует необходимость в разработке сверхпластичных титановых сплавов с более дешевыми легирующими добавками. Сплав Ti-Al-Mn может быть таким кандидатом на материал. Этот сплав демонстрирует значительную постравномерную деформацию при температурах окружающей среды и близких к температурам окружающей среды.

Сплав Ti-Al-Mn (OT4-1)

Сплав Ti-Al-Mn (OT4-1) в настоящее время используется для деталей авиационных двигателей, а также для других аэрокосмических применений путем формования по обычному маршруту, который обычно является затратным, трудоемким и требует большого оборудования. Сплав Ti-Al-Mn является материалом-кандидатом для аэрокосмических применений. Однако практически нет информации о его сверхпластичном формовочном поведении. В этом исследовании было изучено высокотемпературное сверхпластичное формование выпуклости сплава и продемонстрированы возможности сверхпластичного формования.

Процесс выпячивания

Выпучивание металлических листов под давлением газа стало важным методом формовки. По мере развития процесса выпучивания становится очевидным значительное утончение листового материала. Было проведено много исследований для получения высоты купола относительно времени формовки, полезного для проектировщика процесса для выбора начальной толщины заготовки, а также неравномерного утончения купола после формовки.

Исследование случая

Сплав Ti-Al-Mn (ОТ4-1) выпускался в виде холоднокатаного листа толщиной 1 мм. Химический состав сплава. Для формирования сверхпластической выпуклости полусферы использовался 35-тонный гидравлический пресс. Была изготовлена ​​и собрана матрица с системой трубопроводов, позволяющей не только продувать матрицу инертным газом перед формованием, но и при необходимости формовать детали под обратным давлением. Принципиальная схема установки для формования суперпластика, используемой для формования выпуклостей, со всеми необходимыми приспособлениями, а также фотография верхней (слева) и нижней (справа) матрицы для SPF.

Круглый лист (заготовка) диаметром 118 мм был вырезан из листа сплава, и поверхности среза были отполированы для удаления заусенцев. Заготовка была помещена на штамп, и верхняя камера была приведена в соприкосновение. Печь была включена на заданную температуру. После достижения заданной температуры верхняя камера была опущена еще ниже, чтобы оказать необходимое давление держателя заготовки. Около 10 минут было отведено на термическое равновесие. Баллон с аргоном был постепенно открыт до заданного давления. Одновременно линейный регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT), установленный в нижней части штампа, был настроен на регистрацию выпуклости листа. Как только LVDT достигал 45 мм (радиус нижнего штампа), давление газа прекращалось, и печь выключалась. Сформированные компоненты были извлечены, когда температура набора штампов упала до 600 °C. На этом этапе было возможно легкое извлечение компонента. Сверхпластичное формование выпуклостей полусфер проводилось при температурах 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 и 1223 К (825, 850, 875, 900, 925 и 950 °C) при давлениях формования 0,2, 0,4, 0,6 и 0,87 МПа. По мере развития процесса формования выпуклостей становится очевидным значительное утончение листового материала. Ультразвуковой метод использовался для измерения распределения толщины на профиле сформированного компонента. Компоненты анализировались с точки зрения распределения толщины, деформации толщины и коэффициента утончения. После деформации были проведены микроструктурные исследования сформированных компонентов с целью анализа микроструктуры с точки зрения роста зерен, удлинения зерен, кавитации и т. д.

Результаты и обсуждения

Микроструктура полученного материала с двумерным размером зерна 14 мкм представлена ​​на рис. 8. [необходимы пояснения] Размер зерна определялся методом линейного сечения как в продольном, так и в поперечном направлениях прокатанного листа.

Успешная сверхпластическая формовка полусфер была проведена при температурах 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 и 1223 К и давлениях формовочного газа аргона 0,2, 0,4, 0,6 и 0,8 МПа. Максимальное время 250 минут было дано для полного формирования полусфер. Это предельное время 250 минут было дано из практических соображений. На рис. 9 показана фотография заготовки (образца) и компонента, сформированного выпуклостью (температура 1123 К и давление формовочного газа 0,6 МПа).

Время формования успешно сформированных компонентов при различных температурах и давлениях формования. По перемещению LVDT, установленного на дне матрицы (который измерял высоту/глубину выпуклости), была получена оценка скорости формования. Было видно, что скорость формования была быстрой изначально и постепенно снижалась для всех диапазонов температур и давлений, как указано в Таблице 2. При определенной температуре время формования уменьшалось по мере увеличения давления формования. Аналогично при заданном давлении формования время формования уменьшалось с ростом температуры.

Толщина профиля выпуклости измерялась в 7 точках, включая периферию (основание) и полюс. Эти точки выбирались путем взятия линии между центром полусферы и базовой точкой в ​​качестве опорной и смещения на 15° до достижения точки полюса. Таким образом, точки 1, 2, 3, 4 и 5 образуют угол 15°, 30°, 45°, 60° и 75° соответственно с основанием полусферы, как показано на рис. 10. Толщина измерялась в каждой из этих точек на профиле выпуклости с помощью ультразвуковой техники. Значения толщины для каждого из успешно сформированных полусферических компонентов.

На рис. 11 показана толщина полюса полностью сформированных полусфер в зависимости от давления формования при различных температурах. При определенной температуре толщина полюса уменьшалась по мере увеличения давления формования. Для всех исследованных случаев толщина полюса лежала в диапазоне примерно от 0,3 до 0,4 мм от исходной толщины заготовки 1 мм.

Толщина деформации ${\displaystyle {\text{ln}}(S/S_{0})}$, где ${\displaystyle S}$ — локальная толщина, а ${\displaystyle S_{0}}$ — начальная толщина, была рассчитана в разных местах для всех успешно сформированных компонентов. Для определенного давления деформация толщины уменьшалась по мере увеличения температуры формования. На рис. 12 показана деформация толщины, ${\displaystyle {\text{ln}}(S/S_{0})}$ в зависимости от положения вдоль поперечного сечения купола в случае компонента, сформированного при температуре 1123 К и давлении формования 0,6 МПа.

Постформированная микроструктура показала, что не было никаких существенных изменений в размере зерна. Рис. 13 показывает микроструктуру компонента, сформированного выпуклостью, у основания и полюса для компонента, сформированного при температуре 1148 К и давлении формования 0,6 МПа. Эти микроструктуры не показывают никаких существенных изменений в размере зерна.

Заключение

Изучено поведение высокотемпературной деформации и способность к сверхпластичной формовке сплава Ti-Al-Mn. Успешное формирование полусфер диаметром 90 мм с использованием сверхпластичного маршрута было проведено в диапазоне температур от 1098 до 1223 К и диапазоне давлений формовки от 0,2 до 0,8 МПа. Можно сделать следующие выводы:

Железо и сталь

В основном на неквалифицированных материалах, таких как аустенитная сталь сплава Fe-Mn-Al, которая имеет некоторые из специфических параметров материала, тесно связанных с микроструктурными механизмами. Эти параметры используются в качестве индикаторов сверхпластического потенциала материала. Материал был подвергнут испытанию на горячее растяжение в диапазоне температур от 600 °C до 1000 °C и скоростях деформации от 10−6 до 1 с−1. Параметр чувствительности к скорости деформации (m) и наблюдаемое максимальное удлинение до разрыва (εr) могли быть определены и также получены из испытания на горячее растяжение.

Fe со сплавами Mn и Al

Эксперименты показали возможность сверхпластичного поведения сплава Fe-Mn-Al в диапазоне температур от 700 °C до 900 °C с размером зерна около 3 мкм (размер зерна ASTM 12) и средней чувствительностью к скорости деформации m ~ 0,54, а также максимальным удлинением при разрыве около 600%.

Сплавы железа с алюминием и титаном

Сверхпластичное поведение сплавов Fe-28Al, Fe-28Al-2Ti и Fe-28Al-4Ti было исследовано с помощью испытаний на растяжение, оптической микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Испытания на растяжение проводились при температуре 700–900 °C в диапазоне скоростей деформации от 10−5 до 10−2/с. Максимальный индекс чувствительности к скорости деформации m оказался равным 0,5, а наибольшее удлинение достигло 620%. В сплавах Fe3Al и Fe Al с размером зерна от 100 до 600 мкм проявляются все деформационные характеристики обычных сверхпластичных сплавов с мелким размером зерна.

Однако сверхпластичное поведение было обнаружено в крупнозернистых алюминидах железа без обычных условий сверхпластичности в виде мелкозернистости и скольжения по границам зерен. Металлографические исследования показали, что средний размер зерна крупнозернистых алюминидов железа уменьшался в процессе сверхпластической деформации.

Керамика

Свойства керамики

Свойства керамических материалов, как и всех материалов, определяются типами присутствующих атомов, типами связей между атомами и способом упаковки атомов вместе. Это известно как структура атомного масштаба. Большая часть керамики состоит из двух или более элементов. Это называется соединением. Например, оксид алюминия (Al₂O₃), представляет собой соединение, состоящее из атомов алюминия и атомов кислорода.

Атомы в керамических материалах удерживаются вместе химической связью. Две наиболее распространенные химические связи для керамических материалов — ковалентная и ионная. Для металлов химическая связь называется металлической связью. Связь атомов друг с другом гораздо прочнее при ковалентной и ионной связи, чем при металлической. Вот почему, вообще говоря, металлы пластичны, а керамика хрупка. Благодаря широкому спектру свойств керамических материалов они используются во множестве областей. В целом, большинство керамики:

Высокоскоростная сверхпластичность наблюдалась в сплавах на основе алюминия и магния. Но для керамических материалов сверхпластическая деформация была ограничена низкими скоростями деформации для большинства оксидов и нитридов с наличием полостей, что приводило к преждевременному разрушению. Здесь мы показываем, что композитный керамический материал, состоящий из тетрагонального оксида циркония, спинового алюмината магния и фазы альфа-оксида алюминия, проявляет сверхпластичность при скоростях деформации до 1,0 с−1. Композит также демонстрирует большое удлинение при растяжении, превышающее 1050% или скорость деформации 0,4 с−1.
Сверхпластичные металлы и керамика обладают способностью деформироваться более чем на 100% без разрушения, что позволяет формировать сетку при высоких температурах. Эти интригующие материалы деформируются в основном за счет скольжения по границам зерен, процесса, ускоряющегося с малым размером зерна. Однако большинство керамик, которые начинаются с мелкозернистого размера, испытывают быстрый рост зерна во время высокотемпературной деформации, что делает их непригодными для расширенного сверхпластического формования. Можно ограничить рост зерна, используя незначительную вторую фазу (закрепление Зенера) или изготовив керамику с тремя фазами, где контакт зерна с зерном одной и той же фазы минимизирован. Исследование мелкозернистого трехфазного оксида алюминия-муллита (3Al₂O₃·2SiO₂)-циркония с приблизительно равными объемными долями трех фаз показывает, что могут быть достигнуты скорости сверхпластической деформации до 10−2/сек при 1500 °C. Эти высокие скорости деформации выводят керамическое сверхпластическое формование в сферу коммерческой осуществимости.

Кавитации

Сверхпластическая формовка будет работать только в том случае, если во время скольжения по границам зерен не происходит кавитации, эти кавитации оставляют либо диффузионную аккомодацию, либо генерацию дислокаций в качестве механизмов аккомодации скольжения по границам зерен. Прикладываемые напряжения во время керамической сверхпластической формовки умеренные, обычно 20–50 МПа, обычно недостаточно высокие для генерации дислокаций в монокристаллах, поэтому это должно исключить аккомодацию дислокаций. Однако будут выявлены некоторые необычные и уникальные особенности этой трехфазной сверхпластичной керамики, указывающие на то, что сверхпластичная керамика может иметь гораздо больше общего с металлами, чем считалось ранее.

Тетрагональный поликристаллический диоксид циркония, стабилизированный иттрием

В качестве стабилизатора используется оксид иттрия. Этот материал преимущественно имеет тетрагональную структуру. Y-TZP обладает самой высокой прочностью на изгиб среди всех материалов на основе циркония. Тонкий размер зерна Y-TZP позволяет использовать его в режущих инструментах, где можно получить и сохранить очень острую кромку благодаря его высокой износостойкости. Он считается первой настоящей поликристаллической керамикой, показавшей свою сверхпластичность с 3 мол. %
Y-TZP (3Y-TZP), которая в настоящее время считается образцовой керамической системой. Тонкий размер зерна приводит к получению очень плотной непористой керамики с превосходной механической прочностью, коррозионной стойкостью, ударной вязкостью, стойкостью к тепловому удару и очень низкой теплопроводностью. Благодаря своим характеристикам Y-TZP используется в изнашиваемых деталях, режущих инструментах и ​​термобарьерных покрытиях.

Размер зерна

Сверхпластичные свойства 3Y-TZP в значительной степени зависят от размера зерна, как показано на рис. 3, удлинение до разрушения уменьшается, а предел текучести увеличивается с увеличением размера зерна. Было проведено исследование зависимости напряжения течения от размера зерна, результат – вкратце – показывает, что напряжение течения приблизительно зависит от квадрата размера зерна:

${\displaystyle \sigma \propto d^{2}\,}$

Где:

${\displaystyle \sigma \,}$ is the flow stress.

d is the instantaneous grain size.

Глинозем (Al2O3)

Оксид алюминия, вероятно, является одним из наиболее широко используемых конструкционных керамических материалов, но в оксиде алюминия трудно получить сверхпластичность из-за быстрого анизотропного роста зерен во время высокотемпературной деформации. Независимо от этого, было проведено несколько исследований сверхпластичности в легированном мелкозернистом Al₂O₃. Было показано, что размер зерна Al₂O₃, содержащего 500 ppm MgO, может быть дополнительно улучшен путем добавления различных легирующих примесей, таких как как Cr₂O₃, Y₂O₃ и TiO₂. Размер зерна около 0,66 мкм был получен в 500-ppm Y₂₃-легированном Al₂O₃. В результате такого мелкого размера зерна Al₂O₃ демонстрирует удлинение при разрыве 65% при 1450 °C под приложенным напряжением 20 МПа.