Effect of grain refinement on superplasticity in micrograined materials

Abstract

Under superplasticity conditions, micrograined materials (grain sizes in the range 1 µm -10 µm) exhibit extensive neck-free elongations during tensile deformation at elevated temperatures (T>0.5T m , where T m is the melting point). The deformation mechanism responsible for such behavior is based on grain boundary sliding accommodated by the generation and movement of lattice dislocations in the grains blocking sliding. Such a mechanism is characterized by a stress exponent of 2, an activation energy that is close to that for boundary diffusion, and a grain size sensitivity of 2. When the grain size of the material is refined to the ultrafine-grained range (300 nm-900 nm), there is no change either in the characteristics of superplasticity or in the details of its deformation mechanism. By contrast, when the grain size of the material is refined to the nanoscale range (grain size ≤100 nm), superplasticity is lost due to the emergence of a new deformation mechanism. This new deformation mechanism is also based on grain boundary sliding accommodated by lattice dislocations. It is characterized by a stress exponent that is high and variable, an activation energy that is close to the activation energy for boundary diffusion but decreases with increasing applied stress, and a grain size sensitivity of 3.Keywords: boundary sliding, deformation mechanisms, nanocrystalline materials, ultrafine grained materials Влияние измельчения зерен на сверхпластичность в мелкозернистых материалах В условиях сверхпластичности мелкозернистые материалы (размер зерен в интервале 1-10 мкм) демонстрируют большие удлинения без шейки при деформации растяжением при высоких температурах (T>0.5T m , где T m -тем-пература плавления). Механизм деформации, ответственный за такое поведение, основан на зернограничном про-скальзывании, аккомодируемом генерацией и движением решеточных дислокаций в зернах, блокирующих про-скальзывание. Этот механизм характеризуется показателем напряжения 2, активационной энергией, которая близка к активационной энергии диффузии по границам, и чувствительностью к размеру зерен 2. Когда размер зерен ма-териала измельчается до интервала, соответствующего ультрамелкозернистым материалам (300-900 нм), ни в ха-рактеристиках сверхпластичности, ни в деталях деформационных механизмов не происходит никаких изменений. Однако когда зерна измельчаются до наноразмерного уровня (размер зерен менее 100 нм), сверхпластичность теря-ется из-за появления нового деформационного механизма. Этот новый деформационный механизм также основан на зернограничном проскальзывании, аккомодируемом решеточными дислокациями. Он характеризуется показате-лем напряжения, который имеет высокое изменяющееся значение, активационную энергию, которая близка к акти-вационной энергии диффузии по границам, но уменьшается с увеличением приложенного напряжения, и чувстви-тельностью к размеру зерен 3.