 | Сверхпластичность трансформационная |  |
Аномальное увеличение деформируемости твердых веществ в процессе структурных переходов
Анимация Описание Увеличение деформируемости вещества в процессе структурных превращений - фазовых полиморфных переходов в твердых телах при высоких давлениях и температурах - возникает вследствие релаксации высоких локальных напряжений, возникающих при изменении плотности и структуры кристаллических зерен. Процессы твердотельных превращений обычно протекают посредством образования зародышей новой (измененной) фазы и сопровождаются резким ростом локальных напряжений, способствуя тем самым развитию мелкозернистой среды. Возникновение мелкозернистой среды приводит к активизации специфических механизмов деформации, обусловленных процессами на межзеренных границах, в том числе к развитию трансформационной сверхпластичности (ТСП). Механизм ТСП продолжает действовать и после прекращения структурного фазового перехода - до тех пор, пока рекристаллизация не приведет к восстановлению более термодинамически устойчивой крупнозернистой структуры. Для описания процесса ТСП применяются различные феноменологические модели, общие положения которых сводятся к тому, что деформация, возникающая в результате структурного полиморфного перехода в поле малого одноосного напряжения s, описывается соотношением: e = R(dV/V)s / Y, (1) где R - коэффициент порядка единицы; dV/V - относительное изменение объема при структурном превращении; Y - характерный предел текучести. При повторении циклов превращения суммарная деформация накапливается и может достигать сотен процентов. Выражение (1), продифференцированное по времени, соответствует ньютоновскому закону деформации вязкой жидкости. При этом испытывающее превращение вещество имеет эффективную вязкость n, описываемую выражением: n = R -1(Y / c)(dV/V) -1, (2) где с - скорость роста концентрации новой фазы. Соотношение (2) выполняется при относительно невысоких напряжениях. Согласно экспериментальным данным, линейность связи между деформацией и напряжением нарушается, если величина приложенного напряжения превосходит некий характерный для данного вещества уровень (обычно порядка 102 МПа). При больших напряжениях скорость деформации быстро возрастает по нелинейному закону. ТСП полиморфных материалов наблюдается при деформировании при определенных температурах - путем многократного изменения температуры вблизи точки перехода (термоциклирование) или в изотермических условиях. К веществам, в которых отмечена ТСП, относятся железо и сплавы на его основе, другие полиморфные металлы: уран, плутоний, кобальт, титан, цирконий, а также ряд латуней. Наиболее детально исследовано поведение сплавов системы Fe - Ni (до 33 %), испытывающих полиморфное превращение типа аустенит (структура g-железа) « мартенсит (структура a-железа). На рис. 1 представлены результаты изучения сплава Fe + 15,4 % Ni. Зависимость деформации за 1 цикл от нагрузки при нагреве (1) и охлаждении (2) для сплава Fe + 15,4%Ni 
Рис. 1а Зависимость деформации при превращении (1) и приложенного напряжения (2) от числа термоциклов для сплава Fe + 15,4%Ni 
Рис. 1б Примечание к рисункам: диапазон циклирования 204 - 648°С. Отмечено, что деформация при нагреве в процессе структурного превращения больше, чем при охлаждении. Деформация при термоциклировании через область превращения у данного сплава в 8 раз больше, чем деформация (включая ползучесть) вне области превращения. Пластичность при превращении у сплавов с 15,4 и 32,9 % Ni возникает при температурах 0,33 и 0,1Ts (температура плавления), что существенно отличается от температур изотермической ТСП двухфазных сплавов (выше 0,5Ts). Временные характеристики Время инициации (log to от -1 до 1); Время существования (log tc от 0 до 3); Время деградации (log td от -1 до 1); Время оптимального проявления (log tk от 1 до 2). Диаграмма: 
Технические реализации эффекта Техническая реализация эффекта ТСП может быть реализована на установках для деформационных испытаний материалов при одновременном нагревании. Контроль напряжений, деформаций и температуры осуществляется датчиками соответствующих параметров. Результатом сбора и обработки данных является семейство диаграмм “напряжение-деформация” при Т = const. Применение эффекта Как правило, состояние ТСП в условиях фазового полиморфного перехода твердых кристаллических веществ не является стабильным и продолжительным по времени, поскольку на практике весьма трудно поддерживать постоянство P, T - условий фазового перехода, четко соответствующих фазовой диаграмме каждого конкретного вещества. В отличие от эффекта структурной сверхпластичности неполиморфных металлов и сплавов, нашедшего широкое практическое применение (см. описание эффекта “Структурная сверхпластичность”), ТСП пока находится лишь в стадии исследований. Наиболее перспективными в прикладном аспекте могут быть превращения мартенситного типа при относительно низких температурах. Интерес представляют и полиморфные переходы в галогенидах щелочных металлов, протекающие почти скачкообразно (в монокристаллах). Последние могут быть использованы для точной индикации высоких и сверхвысоких давлений (свыше 1 ГПа), когда невозможно применение стандартных датчиков. Этому вопросу посвящены, в частности, исследования ТСП в моно- и поликристаллах RBCl (хлористый рубидий). Литература  1. Калинин В.А. Свойства геоматериалов и физика Земли. Избранные труды.- М.: ОИФЗ РАН, 2000.
2. Шоршонов М.Х., Тихонов А.С. и др. Сверхпластичность металлических материалов.- М.: Наука, 1973. |