История исследований по сверхпластичности первые сообщения



жүктеу 259.17 Kb.
Дата25.04.2016
өлшемі259.17 Kb.
түріГлава
:

Глава 1 ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ




1.1. Первые сообщения

Первые научные сообщения об удивительной способности некоторых металлических материалов к большим пластическим деформациям появились, по-видимому, в 1030-х гг. нынешнего столетия. Наиболее ранним сообщением является, видимо, опубликованная в 1912 г. работа Бенгаха [101], в которой на образцах из латуни (сплав меди и цинка) при температуре 700С была достигнута относительная деформация 163%. В 1920 г. известный английский металловед Розенгейн с колл. [139] исследовал поведение сплава цинка, алюминия и меди, прокатанного при 250С. Он установил, что величина удлинения до разрыва образцов, изготовленных из этого материала, существенно зависит от временнóго характера нагружения: если при быстром приложении нагрузки образцы проявляли обычное для такого рода материалов поведение, то при медленном квазистатическом нагружении до небольших значений нагрузки они начинали вести себя так, как если бы были изготовлены из смолы или дегтя. Были достигнуты удлинения в сотни процентов, что для того времени было совершенно новым и удивительным фактом: действительно, никто тогда не мог и предположить, что металлический сплав может вести себя, как вязкая жидкость. Этот факт требовал своего объяснения. Розенгейн предположил, что такое удивительное изменение свойств кристаллического материала является следствием прокатки  она частично аморфизирует структуру материала. Не соглашаясь с этой точкой зрения, Джеффри и Арчер [114], по-видимому, одними из первых обратили внимание на то, что кажущаяся аморфизация структуры материала связана с имеющим место при прокатке измельчением зерна, что приводит к резкому усилению влияния границ зерен. Дженкинс [115] в 1928 г. при растяжении образцов, изготовленных из предварительно прокатанных сплавов кадмийцинк и оловосвинец, установил, что удлинение до разрыва сильно зависит от скорости приложения нагрузки и ее величины. Для сплава оловосвинец были достигнуты удлинения вплоть до 400%. Харгривс [118,119], исследуя методом Бринелля твердость легкоплавких эвтектических сплавов, установил, что она может быть существенно уменьшена посредством предварительной ковки.

...Вот так или примерно так начинаются очень многие работы, в которых говорится об истории открытия явления СП. Однако в литературе имеются и гораздо более ранние cообщения, по-видимому, неизвестные "сверхпластичникам", в которых описываются экспериментально наблюдавшиеся большие пластические деформации металлических материалов. Наиболее ярким примером такого рода исследований являются опыты Треска1 с 1864 по 1872 гг. по течению твердых тел . Краткое описание этих опытов приводится в книге знаменитого экспериментатора Дж. Ф. Белла [3]. За 8 лет Треска провел необычайно большое число экспериментов по пластическому деформированию множества твердых тел,  от свинца и меди до льда, парафина и керамической пасты. Он продемонстрировал, что существуют измеримые и воспроизводимые параметры, которые могли создать основу для теории больших пластических деформаций в твердых телах. Большую часть опытов Треска выполнил на свинце. Он выбивал из листов цилиндрические элементы при помощи закаленного стального стержня (пуансона) меньшего диаметра; выдавливал цилиндрические образцы через круглые, треугольные и прямоугольные сквозные отверстия и в тупиковые углубления; сжимал цилиндрические образцы кругового сечения, помещенные между закаленными плитами; исследовал обратную экструзию сплошных цилиндров различной толщины при наличии и отсутствии бокового стеснения и т.п. Для того, чтобы наблюдать течение, он создал образцы в виде пакета отдельных пластин. Измерения состояли в фиксации приложенного давления и соответствующих изменений в форме и положении отдельных пластин. Поперечные разрезы пакета, производившиеся в конце каждого из опытов, позволяли ему детально описать, где каждое сечение тела текло в процессе эксперимента данного типа. Для более мягких материалов (глина, парафин и др.) он использовал слоистые маркеры различных цветов, чтобы проследить путь течения.

Основными открытиями Треска Дж. Белл считает следующие выводы: 1) твердые тела при достаточных уровнях давления могут течь подобно жидкостям; 2) существует промежуточная область пластического упрочнения, имеющая место за пределом упругости и до того, как начинается постоянное течение; 3) существует характеристика материала (коэффициент К), выражающая максимальное касательное напряжение, при котором независимо от типа опыта твердое тело течет; 4) при пробивке цилиндрическим пуансоном цилиндрического блока длина выбиваемой части L связана с радиусом штампа R1 и радиусом образца R зависимостью

L = R1[1+lg(R/R1 )] ; (1.1.1)

5) пластическое течение твердых тел происходит без изменения объема (является изохорическим).

Несмотря на то, что один из создателей теории пластичности Сен-Венан1 сразу признал и восторженно описал как выдающееся достижение третье из этих открытий, продемонстрировавшее важность критерия предельного касательного напряжения при построении теории пластичности, сам Треска, по-видимому, считал своим наибольшим достижением формулу для длины выбиваемой части стержня (1.1.1).

Вообще говоря, следует отметить, что использование больших пластических деформаций началось задолго до Треска, с начала нашей эры : в Китае вырабатывали сложноузорчатую декоративную ткань  парчу, включающую в себя тончайшие нити из золота, серебра или имитирующих их металлов. Получение этих нитей было неразрывно связано с реализацией значительных пластических деформаций, вполне сопоставимых по величине с характерными для сверхпластичности. Можно вспомнить и про богатейшее шитье золотыми и серебряными нитями, имевшееся во всех дореволюционных христианских монастырях и храмах,  это были дары именитых вкладчиков или результаты искусного труда местных монахинь. Кстати, золотые купола храмов  еще один пример использования сверхпластичности: купола покрывали тончайшими листами так называемого сусального золота. А листочки эти получали путем "расковки" горошины золота маленькими молоточками, так что исходная толщина горошины-"заготовки" уменьшалась в тысячу раз (в конце 1940-х  начале 50-х годов "книжечки" сусального золота свободно и недорого продавались в наших ювелирных магазинах).

Будем рассматривать все сказанное об опытах Треска, золотых нитях и листах как некоторое "лирическое отступление" и продолжим рассказ об истории изучения явления СП материаловедами.

В 1934 г. была опубликована работа преподавателя металлургии в Армстронг-Колледже (Великобритания) Пирсона [136], которая сейчас известна практически каждому исследователю и признана классической, несмотря на то, что она была полностью забыта в конце 30-х гг. Известный польский исследователь Мацей Грабский приписывает Пирсону в своей книге [21] честь открытия явления СП. Пирсон исследовал механическое поведение сплавов на основе олова: оловосвинец (SnPb) и олововисмут (SnBi). Из слитков 1,25 x 3 дюйма методом обратного выдавливания Пирсон получал пруток  0,25 дюйма. Известно, что использованные Пирсоном материалы очень мягкие, поэтому чрезвычайно трудно поддаются механической обработке. Пирсон сконструировал оригинальное приспособление, позволяющее с помощью легкоплавкого сплава Вуда надежно крепить образцы к захватам испытательной машины. Цилиндрические образцы с размерами рабочей части  0,2 x 2 дюйма испытывались на растяжение при различных условиях нагружения и разном времени выдержки после экструзии. Для сравнения испытывались аналогичные образцы, изготовленные из литой заготовки. Удлинение до разрыва при быстром приложении значительной нагрузки для сплава SnBi составило 5% для литого материала и 35%  для полученного выдавливанием (экструдированного). В то же время при небольших напряжениях течения для литого состояния было получено удлинение 18%, а для экструдированного  от 400 до 652% в зависимости от времени выдержки после экструзии. Аналогичные результаты были получены и для сплава SnPb. Из полученных результатов следовало, что величина удлинения до разрыва растет по мере снижения нагрузки и уменьшения времени выдержки после экструзии. Для достижения еще больших удлинений Пирсон предложил проводить испытание при постоянном напряжении течения. С этой целью он уменьшал величину приложенной к образцу нагрузки по мере уменьшения площади его поперечного сечения, что позволило достичь рекордного значения удлинения в 1 950% для сплава SnBi. Для того чтобы сфотографировать полученный в итоге образец, длина которого составила 82,1 дюйма (при исходной длине рабочей части 4 дюйма!), его пришлось свернуть в спираль. Эта фотография стала классическим примером СП и приводится теперь во многих учебниках.

Но это не все, что сделано пытливым исследователем. Несомненной заслугой Пирсона является то, что он впервые провел систематические микроструктурные исследования. Пирсон отметил, что, несмотря на чрезвычайно большие удлинения (вплоть до 2 000%), он не обнаружил при микроскопическом исследовании полос сдвига внутри зерен. Кроме того, размер зерен не менялся в ходе деформации. Все это позволило не только подтвердить гипотезу Джеффри и Арчера [114] о том, что предварительная обработка (прокатка или экструзия) измельчает зерно, но также и выдвинуть гипотезу о том, что основным механизмом деформации является зернограничное скольжение. Пирсон установил, что наблюдаемая "вязкая" деформация не является ньютоновским течением : напряжение не прямо пропорционально скорости деформации и материал ведет себя так, как если бы его вязкость уменьшалась с увеличением напряжения течения; в этом смысле поведение исследуемых сплавов напоминает поведение коллоидных растворов и некоторых дисперсных систем, например, суспензий частиц микроскопических размеров.

Как и всякая классическая работа, статья Пирсона и сейчас, спустя 60 лет, не утратила своего значения и представляет несомненный практический интерес для всех исследователей, изучающих явление СП. В 1994 г. Манчестерский университет провел даже специальную международную конференцию, посвященную 60-летию выхода в свет работы Пирсона. Эмблемой конференции был знаменитый образец Пирсона (рис. 1.1.1).






Р и с. 1.1.1. Образец Пирсона  эмблема международной конференции, посвященной 60-летию выхода в свет его работы



1.2. Работы 1940–1960-х годов

Как уже отмечалось выше, работа Пирсона была незаслуженно забыта в конце 1930-х гг. Исторически сложилось так, что развитие дальнейших исследований явления сверхпластичности связано с именами наших соотечественников  академика А.А. Бочвара1 и его сотрудницы З.А.Свидерской. В 1945 г. в работе [6] они впервые ввели сам термин "сверхпластичность", который позже стал общепризнанным. Эти исследования проводились на сплаве Zn-22%Al ("цинкаль"), ставшим с тех пор классическим объектом исследования. Чтобы объяснить экспериментально наблюдаемые большие деформации при исчезающе малых напряжениях, А.А.Бочвар предложил теорию [5], суть которой заключалась в том, что в двухфазных материалах типа цинкаля изменение формы образца может осуществляться за счет направленного диффузионного переноса массы. Эта тема была продолжена А.А. Пресняковым2 (Алма-Ата), которым опубликовано множество работ, в частности книга [70], переизданная в 1976 г. в Великобритании. А.А. Пресняков, по-видимому, первым сформулировал и стал неутомимо пропагандировать представление о механизме и сути того, как, собственно, происходит само деформирование при СП. Он утверждает, что при больших пластических деформациях, несмотря на то, что достигаются удивительно большие относительные удлинения вплоть до нескольких тысяч процентов, происходит локализация деформации. Концепция А.А. Преснякова получила название "бегающей шейки" при растяжении.

Следует отметить, что вплоть до начала 1960-х гг. большинство исследователей относилось к СП, как к экзотическому явлению, которое может наблюдаться только у крайне ограниченного числа материалов, в чрезвычайно узком температурном диапазоне; в связи с чем СП может рассматриваться не более, как некий "фокус", довольно занимательный, но вряд ли имеющий какое-либо практическое значение. Положение коренным образом изменилось после того, как в 1964 г. группа исследователей из Массачусетского технологического института опубликовала работу [100], в которой исследовалась сверхпластичность цинкаля в плане ее практического освоения. С этой целью из листовой заготовки толщиной 0,76 мм через матрицу диаметром 100 мм методом свободного выдувания были отформованы купола большего диаметра, чем диаметр матрицы. Стало очевидным, что явление СП может быть использовано в технологических процессах обработки металлов давлением. Это привело к бурному развитию исследований природы и механизмов СП; в периодической печати стало появляться столько публикаций по СП, что к концу 60-х гг. ситуация приобрела характер информационного “взрыва”. Значение работы [100] настолько велико, что М.В.Грабский [21] называет ее "вторым открытием сверхпластичности" (напомним, что честь первого открытия сверхпластичности, по его мнению, принадлежит Пирсону).

1.3. Современное состояние

Начиная с 1964 г. ведет свой отсчет история широкомасштабных исследований явления сверхпластичности, которое находит все большее применение в различных отраслях промышленности. Количество публикаций, посвященных исследованию сверхпластичности, растет с каждым годом. Проведено уже пять международных конференций по сверхпластичности1, которые носят краткое название ICSAM (International Conference on Superplasticity in Advanced Materials):


ICSAM-82 1982 г.  Сан-Диего, Калифорния, США;

ICSAM-85 1985г.  Гренобль, Франция;

ICSAM-88 1988г.  Блэйн, Вашингтон, США;

ICSAM-91 1991г.  Осака, Япония;

ICSAM-94 1994г.  Москва, Россия.
Выбор Москвы в качестве места проведения представительного международного форума не случаен. Известный американский ученый Теренс Лэнгдон пишет в предисловии к сборнику трудов этой конференции: <<Хотя явление сверхпластичности впервые было продемонстрировано в научных экспериментах, проведенных в Великобритании, большая часть систематических научных исследований этого явления была проведена в России. Действительно, даже сам международный термин "superplasticity" является прямым переводом русского слова "сверхпластичность"...>>

Анализ представленных на Московскую конференцию докладов дает достаточно полное представление о современном состоянии и масштабах исследований по сверхпластичности: и о богатом тематическом разнообразии (см. список основных направлений в табл. 1.3.1), и о широкой географии участников.

Ниже приводится отнюдь не исчерпывающий список наиболее известных научных центров, от которых были представлены доклады на конференцию ICSAM-94 (фамилии работающих в них исследователей указаны без научных званий и должностей).
Т а б л и ц а 1.3.1

Доклады, представленные на международную конференцию

по сверхпластичности ICSAM-94 (Москва, 24–26 мая 1994 г.)


Направление

Кол-во докладов

Кол-во страниц

Фундаментальные аспекты СП

17 (7)

119

СП нанокристаллических материалов

6 (3)

46

СП металлов

30 (13)

192

СП керамик

14 (3)

88

СП интерметаллидов

7 (1)

50

СП композитов с металлической матрицей

9 (2)

58

Реология, механика и основы обработки

22 (9)

140

Практическое применение СП

13 (9)

94

П р и м е ч а н и е. В скобках дано количество докладов с участием российских ученых.

Великобритания

Institute for Numerical Methods in Engineering (J.Bonet, P.Bhargava, R.D.Wood)

Structural Materials Centre, DRA Farnborough (A.Wisbey et al.)

Superform Metals, Worcester (R.J.Stracey and R.G.Butler)

University of Manchester and UMIST, Materials Science Center, Manchester (N. Ridley)

Германия

Institute für Theoretische und Angewandte Physik der Universitat Stuttgart (H.-E. Schaefer)

Institute Materials Science, University of Erlangen-Nürnberg, Erlangen (W.Blum, Q.Zhu)

Max Plank Institute für Metallforschung, Stuttgart (M. Weller)

Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf (G.Frommeyer, H.Hofmann, W.Herzog)

Дания

Riso National Laboratory, Roskilde (O.T.Sorensen)



Индия

Defence Metallurgical Research Laboratory, Hyderabad (A.Dutta, R.S.Mishra)

Indian Institute of Science, Bangalore (A.H.Chokshi)

Indian Institute of Technology, Madras (A.K.Padmanabham)



Италия

Department of Mechanics, Ancona University, Ancona (E.Evangelista)



Казахстан

Национальная АН Казахстана, Алма-Ата (А.А.Пресняков с колл.)



Канада

Concordia University, Montreal (H.J.McQueen)



Китай

Beijing Aeronautical ManufacturingTechnology Research Institute, Beijing (C.Wang, G.Hou)

Beijing Research Institute of Mechanical & Electrical Technology, Beijing (B.Bai, Y.Wang)

Shanghai Jiao Tong University, Shanghai (S.Zhou, J. Cai, D.Lin)

Shanghai Iron & Steel Institute, Shanghai (H.L.Ping)

Tsinghua University, Beijing (N.Chen)



Кыргызстан

Политехнический институт, г. Бишкек (Я.И.Рудаев с колл.)



Латвия

Institute of Solid State Physics, University of Latvia, Riga (F.Muktepavel)



Польша

Institute of Non-Ferrous Metals, Gliwice (J.Stobrawa)



Россия

ВИАМ  Всероссийский институт авиационных материалов, г. Москва (О.А.Молодцова и др.)

ВИЛС  Всероссийский институт легких сплавов, г. Москва (Н.Ф.Аношкин, Д.Д.Ваулин и др.)

Институт физики твердого тела РАН, г.Черноголовка (О.Н.Сеньков и др.)

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г.Томск (В.Е.Панин с колл.)

Институт гидродинамики СО РАН, г. Новосибирск (О.В.Соснин, Б.В.Горев)

Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа (О.А.Кайбышев, Р.З.Валиев, Г.А.Салищев и др.)

Московский институт стали и сплавов (О.М.Смирнов, И.И.Новиков и др.)

Нижегородский государственный университет (В.Н.Перевезенцев с колл.)

Научно-исследовательский институт авиационной технологии, г.Москва, (В.В.Бойцов, С.Е.Гутман и др.)

"Прометей"  Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов, г. Санкт-Петербург (И.В.Горынин, Д.И.Чашников и др.)

Санкт-Петербургский Государственный университет (В.А.Лихачев с колл. )



Сингапур

Sch.of Mech. & Prod. Eng., Nanyang Technological University, Singapore (M.J.Tan, L.H.Koh)



CША

Alcoa Technical Center, Alcoa Center (D.J. Chakrabarti, J. Liu)

California Institute of Technology, Pasadena (D.M. Owen)

FAMU&FSU College of Engineering, Florida A&M University, Tallahassee (N.Chandra)

Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, (J.Wadsworth, T.G.Nieh)

Pacific North-West Laboratory, Richland (J.S.Vetrano, C.A.Lavender et al.)

Pennsylvanya State University (M.J.Mayo)

San Diego State University, San Diego (R.S. Sadeghi, Z.S.Pursell)

Stanford University, Stanford (O.D.Sherby)

Superform USA, Inc, Riverside, (A.J.Barnes)

University of Southern California, Los Angeles (T.Langdon)

University of Michigan, Ann Arbor, Michigan (A.K.Ghosh, T.R.Bieler)

University of California, Davis (A.K.Mukherjee and M.G.Zelin)

Washington State University, Washington (C.H.Hamilton et al.)



Украина

Институт проблем прочности Национальной АН Украины (А.А.Лебедев с колл.)

Институт физики металлов Национальной АН Украины (Э.Е.Засимчук)

Франция

Institute National Polytechnique de Grenoble, Grenoble (B.Baudlet, M.Suery)



Южная Корея

Korea Institute of Science and Technology, Seoul (I.G.Moon,

J.W.Park, J.E.Yoo)
Япония

College of Industrial Technology, Nihon University, Narashino, Chiba (M.Kon et al.)

Department of Mechanical Engineering University of Tokushima, Tokushima (F.Inoko et al.)

Institute of Space and Astronautical Science, Yoshinodai (E.Sato, K.Kuribayashi)

Niihama National College of Technology, Ehime (T.Yoshikawa)

Science University of Tokyo, Tokyo (K.Sato, Y.Kimura)

Tokyo Metropolitan University, Tokyo (M.Kawahara et al.)

The University of Tokyo, Tokyo (T.Sakuma et al.)

University of Osaka Prefecture, Sakai, Osaka (N.Furushiro, K.Higashi)

На основании приведенного списка и табл. 1.3.1 можно сделать следующие выводы. 1). Труды российских ученых представляют собой заметный вклад в общее дело изучения природы и практического применения сверхпластичности. 2). Во всем мире явление сверхпластичности исследуют ученые самых различных специальностей. При этом, как правило, каждый исследовательский центр концентрирует свое внимание на той или иной стороне явления СП. Например, в Гренобле (Франция) основное внимание уделяется физическому аспекту природы СП; проф. Мак-Куин из Канады специализируется на исследовании особенностей протекания процессов динамической рекристаллизации в металлах и сплавах и т.д. Но в мире нет таких научных центров, в которых явление СП исследовалось бы комплексно, на различных масштабных уровнях, с привлечением ведущих специалистов самого различного профиля. Нет нигде  кроме России !!! В 1985 г. было принято решение о создании в СССР уникального мирового научного центра  Института проблем сверхпластичности металлов. Для более успешного развития научных изысканий и непосредственной связи их результатов с производством в организационную структуру Института при его создании была заложена способствующая этому схема  соединение научно-исследовательского и конструкторско-технологического отделений и опытного производства. В ИПСМ работают известные у нас в стране и за рубежом исследователи; организатором и бессменным директором ИПСМ является проф., д.т.н. О.А. Кайбышев. Уникальность ИПСМ состоит в том, что здесь рядом, в соседних лабораториях, работают ученые самых различных специальностей: физики, материаловеды, механики, технологи... Во многом благодаря именно этому обстоятельству стало возможным появление на свет книги, которую Вы, уважаемый читатель, держите сейчас в руках.



1.4. Механический аспект изучения сверхпластичности

Во введении говорилось о том, что механика сверхпластичности еще не построена, но существует механика сверхпластичности в том смысле, что проводятся механические эксперименты для отыскания режима СП, определения скоростной чувствительности материала и т.д. Подтверждением сказанному служит и краткий исторический экскурс, проведенный в этой главе. Действительно, Пирсон проводил интересные механические эксперименты и даже выяснил характер скоростной зависимости напряжений, но основная заслуга его состоит в том, что он первым сформулировал основной механизм СПД  зернограничное проскальзывание; А.А.Бочвар предложил теорию диффузионного переноса массы; А.А.Пресняков настаивает на механизме локализации деформации; Бэкофен с коллегами осуществляет "второе открытие сверхпластичности", отформовав купол методом свободного выдувания... Не кажется ли читателю, что в изложении истории открытия и освоения сверхпластичности чувствуется "рука" физика-материаловеда? По Грабскому, материаловед Пирсон открыл СП, а технологи из Массачусетского института дали открытию "путевку в жизнь".

Предыдущие исследования сверхпластичности проводились физиками и материаловедами. Все эти исследования, как правило, включают в себя элемент механических испытаний и опираются на них. Однако волею судеб получилось так, что рассказывают об этих испытаниях сами же материаловеды, поэтому они, как правило, не обращают внимания на механические детали и используют результаты механических испытаний только как подтверждение каких-то своих гипотез, касающихся особенностей структурного поведения материалов при пластической деформации.

Попробуем теперь посмотреть на ту же историю глазами механика. Итак, собственно свойство сверхпластичности, т.е. возможность сообщать материалу очень большие пластические деформации без разрушения давно, тысячелетия назад, открыто мастерами-ювелирами и используется с тех пор и по настоящее время постоянно. Это и золотые, и серебряные нити, используемые швеями; и изумительные изделия из золота в Древнем Египте, Древней Греции, у скифов; и современные ювелирные изделия с использованием серебряных и золотых проволочек-паутинок и т.д. Видимо, золото и серебро настолько давно показали свою сверхпластичность, что это их свойство "не идет в cчет ". Обратимся тогда к очень хрупкому при обычных условиях (при комнатной температуре) материалу – стеклу: какие причудливые, какие восхитительные по форме сосуды и фигуры из стекла знает история стеклодувного дела! Надо не забывать и про "ширпотреб": посуду, бутылки, баллоны электролампочек и т.д. Но расплавленное стекло, из которого методом свободной выдувки или путем сложного деформирования "заготовок" (капель, полосок, брусочков, ниточек) получают все такие изделия, вроде бы и "твердым телом" не назовешь. (Впрочем, где-то в литературе описан поставленный самой жизнью эксперимент на стекле при комнатной температуре: в течение многих десятилетий стеклянная полка в шкафу под тяжестью стоявшей на ней посуды неупруго прогнулась на величину, в несколько раз превышающую толщину листа, это огромная  сверхпластическая  деформация для холодного стекла). Значит, на примере расплавленного стекла можно сказать, что суть открытия СП состоит вовсе не в том, что материал может испытывать очень большие деформации (это считается очевидным для смол, дегтя, теста, ...), а в том, что такие деформации могут испытывать при определенных условиях материалы, по внешнему виду относимые к твердым, имеющие ощутимую жесткость.

Что ж, вернемся к описанным выше опытам Треска, который 22 апреля 1864 г. провел опыт по пробивке прямоугольного блока, состоявшего из 16 квадратных листов свинца, каждый толщиной 4 мм и со стороной 120 мм. Пакет был слегка зажат между двумя стальными пластинами, имевшими концентрические отверстия диаметром 20 мм. Гидравлический пресс вдавливал цилиндрический стальной пуансон в свинец. Распределение толщин в выбитом блоке оказалось таким, что наиболее удаленные от среднего слои испытали наименьшее изменение толщины (рис. 1.4.1). Измеренные толщины приведены в табл. 1.4.1.
Т а б л и ц а 1.4.1


Номера пластин в пакете

1

2

3

4

5

6

7

8

Толщина пластин, мм

4,6

4,4

4,0

3,2

2,8

1,8

1,2

0,7

Номера пластин в пакете

9

10

11

12

13

14

15

16

Толщина пластин, мм

0,7

0,5

0,3

0,4

0,2

0,5

1,6

4,4

Треска 3 июня 1864 г. сжал блок из 20 цилиндрических свинцовых пластин от первоначальной общей толщины 63 мм до конечной общей толщины 18 мм (рис. 1.4.2). Сжатие увеличило диаметр среднего листа от 60 до 110 мм, а крайних  до 103 и 105 мм. Этот эксперимент, по мнению Треска, подтвердил его положение, которое он до того считал преждевременным высказывать, а именно, что можно говорить о течении твердых тел.

В третьем типе предварительных опытов 24 августа 1864 г. он поместил две свинцовые пластины на стальную пластину, имеющую центральное круглое отверстие диаметром 20 мм. Эти листы были сжаты круглой стальной плитой с диаметром 50 мм с острым ребром, что привело пластины к тюльпанообразной форме, показанной на рис. 1.4.3.





Р и с. 1.4.1. Опыты Треска (1864). Пробивание отверстия в блоке свинцовых пластин цилиндрическим стальным пуансоном


Р и с. 1.4.2. Опыты Треска (1864). Сжатие блока из 20 свинцовых пластин






Р и с. 1.4.3. Опыты Треска (1864). Сжатие двуслойной свинцовой пластины на стальной плите с центральным отверстием

В больших сериях опытов Треска можно выделить два наиболее интересных исследования: экструзия через отверстие в матрице (в этих опытах варьировались число пластин и диаметр отверстия) и пробивка при наличии или отсутствии стеснения цилиндрических сплошных блоков и пакетов с разным числом пластин. Штамп для первой серии опытов показан на рис. 1.4.4. На рис. 1.4.5 показано диаметральное сечение двадцати свинцовых пластин после экструзии.








Р и с. 1.4.4. Опыты Треска (1864). Чертеж устройства, использованного Треска в экспериментах по изучению течения свинца



Р и с. 1.4.5. Опыты Треска (публикация 1872 г.). Диаметральное сечение пакета из 20 свинцовых пластин после экструзии с использованием устройства, показанного на рис.1.4.4


Таким образом, Треска уже в середине прошлого века убедительно показал, что твердые тела при достаточных уровнях давления могут течь подобно жидкостям и что для каждого тела существует максимальное значение касательного напряжения, при котором твердое тело течет. Следует отметить, что эксперименты, проведенные Треска, представляют собой самое настоящее, полное исследование сверхпластичности металла  свинца, исследование без претензий на понимание механизмов деформации (в том смысле, который закладывают в этот термин материаловеды), но зато грамотное с точки зрения механики. Обследованы условия эксперимента; установлена связь между параметрами эксперимента в виде формулы; установлены механические закономерности, являющиеся по сути основой и для механических законов СП, которые будут сформулированы позднее. По существу, знаменитая фраза Треска: "Существует характеристика материала, выражающая максимальное касательное напряжение, при котором независимо от типа опыта твердое тело течет"  это и есть введение в научный обиход, если говорить современным языком, понятия о сверхпластичности.

Итак, первые эксперименты, грамотно поставленные, хорошо запротоколированные, в которых наблюдалось явление сверхпластичности, выполнены механиком Треска. Поэтому следует признать, что честь первого научного описания сверхпластичности на основании четко поставленных механических экспериментов и, таким образом, честь открытия явления сверхпластичности, должна принадлежать Треска.

Теперь вспомним цитату из введения, где А.А. Ильюшин "обороняется" от специалистов-материаловедов. Он говорит о том, что у специалистов-материаловедов вызывает удивление и возмущение его утверждение о том, что "всякий металл можно принудить пластически деформироваться (течь) до какой угодно степени деформации". Но ведь это же опять-таки, говоря современным механическим языком, определение сверхпластического поведения материала, и это утверждение высказывает механик. В то же время материаловед С.И. Ратнер называет это "отвлечением от реальных физических процессов". Таким образом, в 1950 г. механик А.А.Ильюшин утверждал, что сверхпластичность существует и ее можно вызвать у любого материала при определенных условиях (давление), а материаловед С.И. Ратнер возмущается: как вы смеете такое говорить,  это нереально физически... Позже, в связи с развитием техники высоких давлений, проводились эксперименты по влиянию всестороннего давления на механическое поведение материалов. В огромном количестве экспериментов на различных материалах П. Бриджмен [7] показал, что обычно считающиеся хрупкими материалы (мрамор, чугун и др.) при давлениях в сотни тысяч атмосфер становятся пластичными. В Институте сверхвысоких давлений (г. Москва) в 50-е гг. проводились эксперименты, показавшие существенное увеличение удлинения в момент разрыва образца при высоких давлениях. Уже в более близкое к нам время механик В.И. Левитас, занимаясь расчетом на прочность аппаратов высокого давления (для получения алмазов из углерода), принял математическую модель материала, в которой при достижении определенного условия для напряжений материал превращается в идеальнопластический, т.е. течет. И это свойство реальных материалов подтверждено экспериментальными фактами. В Институте сверхтвердых материалов НАН Украины стоит симпатичный робот, который на глазах публики из угля делает алмазы. На ладонь этому роботу кладут заготовку, он сжимает свою кисть... Через некоторое время ладонь разжимается, и люди видят, что в ней есть порошок, который, если рассмотреть его под увеличительным стеклом, содержит крупинки алмаза... С точки зрения механики описанные выше факты являются примером сверхпластического поведения материалов при комнатной температуре в условиях высокого гидростатического давления, т.е. низкотемпературной СП.

Обратимся теперь к результатам, полученным О.В. Сосниным [89,144], специалистом в области теории ползучести. Это, пожалуй, единственный крупный механик, который систематически на протяжении последних лет занимается экспериментальным изучением механических свойств различных сплавов в состоянии поставки (т.е. в условиях, максимально приближенных к реальности  без специально подготовленной структуры) в режиме СПД и близких к нему. Все эксперименты, проведенные им, поставлены грамотно с точки зрения механики, четко и ясно оговорены условия их проведения, сформулированы закономерности деформирования материала и выявлены условия, при которых можно получить достаточно большие деформации. О.В. Соснин считает, что при повышенных температурах (Т>0,5Тm, где Тm  температура плавления) применительно к обработке металлов давлением возникает необходимость введения особого класса режимов деформирования  режимов, близких к сверхпластическому течению. Характерной особенностью таких режимов О.В.Соснин считает отсутствие мгновенных пластических деформаций; таким образом, с механической точки зрения сверхпластичность представляет собой ползучесть при больших деформациях и, следовательно, уравнения состояния СП  это уравнения теории ползучести.

Подведем итоги обсуждения экспериментальных исследований больших неупругих деформаций. Возможно, не все эти эксперименты ортодоксы-"сверхпластичники" отнесут к разряду экспериментов в режиме СПД. Но главный факт состоит в том, что механики в лице Треска первыми научно зафиксировали явление СП и первыми же изучили применимость этого явления в технологических задачах. Однако механики, открыв явление СП, по существу забыли о нем. Они недооценили возможности СПД и не выделили (и не выделяют до сих пор) СП из общего свойства ползучести металлов, не выявили связи механических характеристик и условий наступления СП со структурой материала. А без этого механика СП не может быть построена.



Видимо, нельзя сказать, что механики сверхпластичности не существует. Ясно, что абсолютно все исследования по феноменологии СП включают в себя механический аспект, и в этой связи можно говорить только о том, насколько грамотно (с механической точки зрения) они поставлены, насколько аккуратно (с математической точки зрения) обработаны полученные результаты, насколько корректно сформулированы полученные выводы и т.д. Однако очевидно, что в том случае, когда механические эксперименты проводятся не профессионалами-механиками, а, например, физиками-материаловедами, из результатов эксперимента не "выжимается" все, что может касаться механических свойств. Это обстоятельство печально, и именно оно дает право утверждать, что в настоящее время механики сверхпластичности не существует в том смысле, что методы механики деформируемого твердого тела, огромный накопленный опыт проведения механических испытаний (грамотная их постановка, методы обработки полученных результатов), формулировки закономерностей на языке макровеличин, т.е. механических величин,  всего этого в сверхпластичности нет. Это вызвано тем, что, если говорить откровенно, механики просто "прозевали" сверхпластичность. Механики в массе своей не знали работ по СП и поэтому не уделяли этому явлению достаточно внимания. Возможно, это связано с насыщенностью такого рода статей специальными материаловедческими терминами, преобладанием описательной информации над количественной. С другой стороны, материаловеды с самого начала не обращались к механикам и вплоть до самого последнего времени надеялись, по-видимому, на то, что и не нужно будет этого делать. Однако для разработки новых технологических процессов недостаточно знания, пусть даже и самого глубокого, механизмов СПД. Необходимо также уметь грамотно ставить краевые задачи механики, формулировать адекватные и в то же время доступные для интегрирования определяющие соотношения, анализировать граничные условия, выбирать подходящие методы решения. И только решение краевой задачи и ее анализ подскажут, как лучше организовать технологический процесс и как его оптимизировать, позволят разрабатывать новые технологические процессы и подбирать технологическое оборудование для их реализации. Необходимо подчеркнуть, что речь не идет о том, что все краевые задачи обязательно должны решаться с высокой точностью с применением суперсовременных алгоритмов на сверхмощных компьютерах. Краевую задачу можно решать и приближенными, и инженерными методами, и даже "очень приближенными", но важно то, что краевая задача должна быть поставлена грамотно и корректно, а результаты ее решения должны быть грамотно проанализированы. Вот в этом, как нам представляется, и состоит цель совместных работ механиков с физиками, материаловедами и технологами на ближайшее время по созданию механики сверхпластичности.

Рекомендательный библиографический список
1. Грабский М. Структурная сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975. 272 с.

2. Кайбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975. 279 c.

3. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984. 224 с.

4. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. 168 c.

5. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов /Под ред. Гамильтона К., Пейтона Н. /Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985. 312 с.

6. Cмирнов О.М. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979. 184 c.




1 Треска (Tresca) Анри Эдуард (18141885)  французский инженер-механик. После окончания Политехнической школы около 30 лет преподавал, стал физиком-экспериментатором. Выполнил на различных материалах огромное количество экспериментов по экструзии, описал их результаты в геометрических терминах и ввел новую константу материала; это принесло ему всемирную известность. Член Французской Академии наук с 1872 г.

1 Сен-Венан (Saint-Venant) Адемар Жан Клод Барре де (1797–1886)  французский ученый в области механики. Он рано проявил математические способности. В 1825 г. первым студентом закончил известную Школу мостов и дорог. В 1834 г. представил в Академию Наук Франции свои первые научные работы. Создал теорию кручения и изгиба стержней призматического сечения. В 1855 г. предложил принцип, носящий его имя: "Способ приложения и распределения сил по концам призм безразличен для эффектов, вызванных на остальной длине, так что всегда возможно с достаточной степенью приближения заменить приложенные силы статически эквивалентными силами, т.е. имеющими тот же полный момент и ту же равнодействующую, но с распределением точно таким, какое требуют формулы растяжения, изгиба и кручения для того, чтобы стать совершенно точными" (иначе говоря, способ приложения нагрузки к торцу стержня сказывается лишь на расстоянии от торца порядка поперечного размера стержня). В 1868 г. избран в члены Академии Наук Франции. В 1871 г. опубликовал основные уравнения теории пластичности, открыв таким образом новую область механики сплошных сред.

1 О личности академика А.А. Бочвара до сих пор в институте, который он возглавлял 32 года, ходят легенды. Человек, при Сталине ставший академиком, но так и не вступивший в ряды компартии; ходивший обедать в общую столовую, как простой инженер... Под его руководством в СССР впервые был получен новый, до тех пор неизвестный металл  плутоний; он возглавил бригаду, создавшую материал для ядерного заряда первой отечественной атомной бомбы, успешное испытание которой положило конец монополии США в этой области; при его участии был создан заряд первой водородной бомбы. (Информация из газеты "Комсомольская правда" от 7 декабря 1995 г.). Советский энциклопедический словарь сообщает о нем следующее: Бочвар Андрей Анатольевич (19021984), советский металловед, академик АН СССР (1946), дважды Герой Социалистического Труда (1949, 1953). Основные труды по кристаллизации, литейным свойствам, рекристаллизации и жаропрочности цветных металлов и сплавов, металловедению урана и плутония. Ленинская премия (1961), Государственная премия СССР (1941, 1949, 1951, 1953).

2 Пресняков Александр Александрович  по-видимому, один из самых известных на Западе отечественных исследователей явления СП. Он проработал 40 лет в Институте органического катализа и электрохимии (г.Алма-Ата). В своих работах он последовательно развивал и продолжает развивать нетрадиционный подход к явлению СП, во многом противоречащий устоявшимся общепризнанным представлениям.

1 В 1997 г. состоялась шестая конференция: ICSAM-97: она прошла в г.Бангалор, Индия, с 26 по 28 января.







©netref.ru 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет