Деформация в условиях сверхпластичности — инновационная технология обработки металлов давлением

ДЕФОРМАЦИЯ В УСЛОВИЯХ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ 
ИННОВАЦИОННАЯ   ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ 

ДАВЛЕНИЕМ

Беспалов А.В., к.т.н., проф.

Петров А.П., д.т.н., проф.

Соколов А.В., к.т.н., проф.

Москва

Инфра-М

2015

ДЕФОРМАЦИЯ В УСЛОВИЯХ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ 
ИННОВАЦИОННАЯ   ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ 

МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Беспалов А.В., к.т.н., проф.

Петров А.П., д.т.н., проф.

Соколов А.В., к.т.н., проф.

Москва

Инфра-М; Znanium.com

2015

Деформация в условиях сверхпластичности – инновационная 

технология обработки металлов давлением / А.В. Беспалов, А.П. Петров, А.В. 
Соколов. – М.: Инфра-М; Znanium.com, 2015. – 56 с.

ISBN 978-5-16-102498-0 (online)

ISBN 978-5-16-102498-0 (online)
© Беспалов А.В., Петров А.П.,

Соколов А.В., 2015

Оглавление

Введение........................................................................................................4

1.  Общая характеристика сверхпластичности.............................................7

2. Виды и факторы сверхпластической деформации ................................12

3. Феноменология и реология СПД ............................................................17

4. Виды структурной сверхпластичности....................................................24

5. Изотермические условия сверхпластической деформации .................31

6. Области эффективного применения СПД...............................................36

7.Примеры технологических процессов объемной штамповки 

в  режиме СПД ........................................................................................39

Заключение..................................................................................................53

Библиографический список ........................................................................54

Введение

Успешное решение неотложных проблем развития машинострои
тельного комплекса в РФ в условиях  пресловутых санкционных ограниче
ний и необходимости импортозамещения неразрывно связано с создани
ем и скорейшей реализацией отечественных  инновационных программ. В 

мировой литературе инновационная деятельность интерпретируется как 

превращение потенциальных научно-технических достижений в реальные, 

воплощающиеся в новых продуктах и технологиях [1]. Инновационные 

программы должны быть направлены на практическое внедрение в про
изводственные процессы на конкретных предприятиях передовых, прежде 

всего, отечественных технологий и прогрессивного оборудования, которые 

обеспечивают рост производительности труда, повышение качества про
дукции, энерго - ресурсосбережение, в том числе металлосбережение.

Металлосбережение в машиностроении осуществляется, главным 

образом, на основе использования новых конструкционных материалов 

(сложнолегированных конструкционных и жаропрочных сплавов, порош
ковых, композиционных, объемных наноматериалов и др.) и новых мало 
или безотходных технологий в производстве заготовок деталей. 

Внедрение прогрессивных металлосберегающих технологий в заго
товительное производство машиностроения позволяет существенно повы
сить коэффициент использования дорогостоящих и дефицитных материа
лов (КИМ) и снизить затраты на производство. Этим  достигается основная 

цель инноваций – повысить отдачу от вложенных в производство ресур
сов.

К числу таких инновационных технологий  заготовительного произ
водства в машиностроении в полной мере можно отнести  сверхпластиче

скую деформацию (СПД) как разновидность технологии обработки метал
лов давлением.

СПД позволяет избежать органических недостатков обычных видов 

деформации. При штамповке заготовок деталей сложной конфигурации 

наблюдается большая неравномерность деформации на различных участ
ках. Неравномерность деформации приводит к неоднородности микро
структуры и, как следствие, к неоднородности механических свойств мате
риала, которые не устраняются, а в ряде случаев даже усиливаются при 

последующей термической обработке.

Как отмечает проф. О.А. Кайбышев [8], в условиях сверхпластическо
го течения микроструктура материала слабо зависит от степени деформа
ции, а также активизируются диффузионные процессы, что способствует 

получению состояния с высокой структурной и химической однородно
стью. Кроме того, отсутствие накопления дислокаций при СПД, наличие 

ультрамелкозернистой структуры способствует увеличению пластичности 

и ударной вязкости. Таким образом, условия СПД целесообразно исполь
зовать не только для увеличения ресурса пластичности промышленных 

сплавов, но и для контролируемого изменения их структуры и эксплуата
ционных свойств.

Поковки деталей, изготовленные методами СПД  с минимальными 

припусками на обработку резанием, не имеют штамповочных уклонов и 

характеризуются повышенной точностью. Для их получения требуются 

меньшие усилия, так как в  условиях СПД наблюдается не только значи
тельное увеличение пластичности деформируемого металла, но и сниже
ние его сопротивления деформации, и соответственно, уменьшение кон
тактного трения.

Все это позволяет получать качественные поковки из труднодефор
мируемых сплавов сложной формы с тонкими элементами, сократить при 

этом в более чем два раза норму расхода материала и на 25…30% трудо
емкость последующей обработки резанием (рис.1). 

Рис.1.  Контуры поковок, полученных различными способами: 

а - ковкой; б - черновой предварительной штамповкой; 

в - штамповкой обычной точности; 

г - точной изотермической штамповкой в условиях СПД

Все это позволяет рассматривать СПД металлов и сплавов как инно
вационную технологию заготовительного производства в современном 

машиностроении. 

Данное учебное пособие написано на основе курса лекций, читаемо
го авторами студентам по направлению подготовки 150400
«Металлур
гия» на кафедре «Технология обработки металлов давлением им. проф. 

А.И.Колпашникова»  Российского государственного технологического уни
верситета им.К.Э.Циолковсого (МАТИ).  Пособие также может быть полез
но для повышения квалификации и переподготовки инженерных кадров.

В пособии в пределах образовательного курса изложены опублико
ванные в открытой печати результаты системного анализа реологии и фи

зики процесса СПД и основные результаты научных исследований отече
ственных и зарубежных авторов, а также  опыт практического применения 

сверхпластической деформации и перспективы её развития.

1. Общая характеристика сверхпластичности

Первые научные сообщения об удивительной способности некото
рых металлических материалов к большим пластическим деформациям 

без разрушения появились в 10-30 годах прошлого столетия.

В 1934 г.  была опубликована работа преподавателя металлургии в 

Армстронг - Колледже (Великобритания)  Пирсона [2], которая сейчас из
вестна практически каждому исследователю и признана классической. Он 

наблюдал необычно большие равномерные удлинения (до 2000%) образ
цов эвтектических сплавов Pb - Sn и Bi-Sn при незначительных напряжени
ях. При этом при микроскопических исследованиях деформированных об
разцов ученый  не обнаружил полос сдвига внутри зерен сплавов. Кроме 

того, размер зерен не менялся в ходе деформации. На этом основании он 

предложил гипотезу о том, что высокие удлинения являются результатом 

зернограничного скольжения (ЗГС).

Для того, чтобы сфотографировать полученные после такой дефор
мации образцы, длина которых составляла 82,1 дюйма (при исходной 

длине рабочей части 4 дюйма), их пришлось сворачивать в спираль. Эта 

фотография стала классическим примером СПД и приводится теперь во 

многих учебниках (рис.2).

Работа Пирсона в то время не вызвала большого интереса у метал
ловедов возможно потому, что легкоплавкие сплавы всегда считались 

очень пластичными, и она была практически забыта до середины 40-х го
дов.

Однако, как и всякая классическая работа, статья Пирсона и сейчас, 

спустя 70 лет, не утратила своего значения и представляет несомненный 

практический интерес для всех исследователей, изучающих явление СПД. 

Рис.2. Образец эвтектического сплава Bi-Sn после растяжения в со
стоянии сверхпластичности. Полученное удлинение равно 1950 % [2]

Наиболее интенсивно в мировой науке явление СПД начало иссле
доваться после 1945 г, когда  советские ученые акад. А.А. Бочвар и 

З.А.Свидерская обнаружили очень высокую пластичность у литых сплавов 

цинка с 15-20% алюминия. При растяжении образцов из этих сплавов от
носительное удлинение достигало 450%, что было совершенно необычно 

для литого материала [3]. 

А.А. Бочвар был первым, кто понял, что этот факт указывает на суще
ствование нового явления, названного им «сверхпластичностью». Этот 

термин стал международным «superplasticity». Кроме того, он первым ука
зал на то, что при сверхпластической деформации (СПД) должен протекать 

ещё один процесс, который был назван им «залечивание» очагов разру
шения при течении металла.

Таким образом, именно в работах А.А. Бочвара в 40-е годы ХХ века 

было открыто явление сверхпластичности (СПД), введено само это поня
тие, сформулированы основные требования к структуре двухфазных 

сверхпластичных сплавов и выдвинута гипотеза о механизме СПД, которая 

была подтверждена результатами последующих исследований.

В 70-80 годы вопросами по практическому использованию сверхпла
стичности занимались ГКНТ, НТО «МАШПРОМ», Академия наук, Минвуз, 

ведущие отраслевые министерства и ведомства. На базе исследователь
ской группы Уфимского авиационного института под руководством проф. 

О.А. Кайбышева был создан первый и единственный в мире академиче
ский Институт проблем сверхпластичности материалов, а в МИСиС – Науч
но-исследовательская лаборатория сверхпластичных материалов. В рам
ках научно-технических программ по сверхпластичности были задейство
ваны ведущие отечественные академические, отраслевые институты и ву
зы.

В мире явление сверхпластичности активно изучается многочислен
ными исследователями ведущих промышленных стран. Регулярно с 1982 г. 

один раз в три года проводятся международные конференции по сверх
пластичности под названием «Superplasticiti in Advanced Materials 

(ICSAM)».

Успехи, достигнутые в этой области металлообработки, связаны с 

именами российских ученых: О.А. Кайбышева, А.А. Преснякова, А.С. Тихо
нова, И.И. Новикова, В.К. Портного, А.П. Гуляева, Р.З. Валиева, А.И. Рудско
го, а также зарубежных ученых: В. Бэкофена, О. Шерби, М. Грабского, 

Р.Джонсона и др.

Установлено, что признаки сверхпластичности существуют практиче
ски у всех сплавов и могут проявляться в определенных условиях, среди 

которых принципиальное значение имеют структурное состояние дефор
мируемого металла, температура их деформации (табл. 1). 

Таблица 1

Сверхпластичные металлы и сплавы

Состав, % (по массе)

Оптимальная 
температура 

сверхпластичности, °С

Чистые металлы

Никель технической чистоты
820

β-плутоний
180

Цинк технической чистоты
20

Бинарные сплавы

Аl+33% Си
500

AI+11,7% Si
550

Bi+Sn (различные составы)
30

Bi+43,5% Pb
30

Cd+26% Zn
20

Co+10% A1
1200

Cr+27,5% Co
1200

Cr+24% Ru
1290

Cu+20% Mg
650

Mg+32% Al 
375

Mg+30,7% Cu
450

Mg+ 23,5% Ni
475

Pb+Cd (различные составы)
50-120

Pb+Sn (различные составы)
30

Pb+7,9% TI
20

Zn+5% Al
325

Zn+22% Al
270