К настоящему времени доказано, что основными факторами, определяющими переход металлов и сплавов к СП течению, являются размер зерен, структура границ зерен и температурно-скоростные условия деформации (Т = 0,5-0,6Т_пл., ε = 10^-4 - 10^-1 с^-1). Считается, что для металлов и сплавов для реализации эффекта сверхпластичности необходимо формирование микроструктуры с размером зерен менее 10 мкм. Например, на сплаве Zn-0.4%Al при размере зерен d менее 10 мкм зависимость s0.2 от d подчиняется соотношению Холла-Петча, в соответствии с которым s ~ d^-1/2 (рисунок 2). Однако в области крупных зерен зависимость предела текучести изменяется: наблюдается снижение s_0.2 с уменьшением d. По мере измельчения микроструктуры изменяется и пластичность сплава. Если в крупнозернистом сплаве относительное удлинение до разрушения d ~ 2%, то при измельчении зерен от 10 до 1 мкм d возрастает от 25 до 400%; одновременно появляется и характерная для сверхпластической деформации S-образный вид зависимости напряжения течения от скорости деформации. Такая закономерность является общей не только для металлов и сплавов при наличии стабильной микроструктуры как при выдержке при температуре деформации, так и в процессе самой деформации, но и для интерметаллидов и керамик, которые обычно относят к природно-хрупким материалам.

Рис. 2. Зависимость напряжения течения сплава Zn - 0,4 Al от величины зерен (относительное удлинение в % указано цифрами на графике).

При сверхпластической деформации зерна не повторяют деформацию образца: удлинение образца в тысячи процентов оставляет зерна практически равноосными. В этой связи чрезвычайно важно из эксперимента выяснить действие различных механизмов деформации в условиях СП деформации. Систематические исследования показали действие трех основных механизмов деформации: зернограничного проскальзывания (ЗГП), внутризеренного дислокационного скольжения (ВДС) и диффузионной ползучести.

При изучении ЗГП в бикристаллах Zn и Cd удалось установить тесную взаимосвязь между параметрами ЗГП и сверхпластической деформации. При этом было показано, что основу механизма ЗГП в бикристаллах составляет процесс взаимодействия решеточных дислокаций с границей – так называемое «стимулированное» ЗГП. В результате этого взаимодействия изменяется плотность зернограничных дислокаций и движение последних вдоль плоскости границы обеспечивает ускорение скорости ЗГП.

На основе этих представлений были сформулированы физические модели механизма СП деформации:

где A = &OmegaG/16b²;
Е – энергия активации зернограничной диффузии,
G – модуль сдвига,
d – размер зерна,
b_b – вектор Бюргерса зернограничных дислокаций,
s - приложенное напряжение,
s_i – пороговое напряжение и Т - температура.

Однако понимание только микромеханизма сверхпластической деформации не позволяет создать общую теорию явления, для этого необходимо проведение исследований на мезо- и макроуровнях.

Изучение деформационного рельефа на специально подготовленных образцах с использованием методик прицельной съемки показало, что при сверхпластической деформации отсутствует однородность течения на мезоуровне: в объеме образца формируются деформационные полосы. Была установлена корреляция между изменением свойств и появлением полос и доказано, что деформация осуществляется посредством согласованного сдвига вдоль поверхностей, проходящих через все поперечное сечение образца и предельно близких к плоскостям с максимальными сдвиговыми напряжениями. Эти поверхности были названы полосами кооперированного зернограничного проскальзывания (КЗГП).

Появление полос КЗГП означает переход к пластической деформации. При достижении стадии стабильного течения происходит объединение отдельных полос в поверхности, проходящее через все сечение образца. Деформация локализуется вдоль этих поверхностей, причем они оказываются наиболее близки к плоскостям с максимальными сдвиговыми напряжениями.

Принципиальным является вопрос - как формируется полоса КЗГП на микроуровне? В тех случаях, когда часть границы зерна оказывается неблагоприятно ориентирована для осуществления проскальзывания по отношению к действующим напряжениям, передача деформации от одной границы зерна к другой границе происходит путем ВДС. Другая возможность - локальная миграция границ и их «подстраивание» по общей поверхности.

Первоначально действия этого процесса было установлено статистически. Оказалось, что вне полосы двугранные углы близки к 2^π/3 и их величина не изменяется с увеличением степени деформации. Тройные стыки в полосе оказываются выпрямленными с увеличением степени деформации их величина становится больше 2 p /3 и стремится к величине p . По выпрямлению границ вдоль полос КЗГП оказалась возможным их идентификация не только на поверхности, но и в объеме образцов.

Прямые доказательства подстраивания границ зерен при деформации были получены при изучении деформации трикристаллов Al (рисунок 3). Экспериментально было показано, что имеется по крайней мере две возможности образования полос:

• образование скопления зернограничных дислокаций и развитие дальнейшей деформации за счет движения решеточных дислокаций и последующая миграция неблагоприятно ориентированных для проскальзывания границ
• миграция тройного стыка.

В результате становится возможной развитие кооперированного зернограничного проскальзывания по двум границам трикристалла. Такое изменение ориентировки границ было названо самоорганизацией деформационного проскальзывания. Этот процесс играет наиважнейшую роль в обеспечении СП течения.

Кооперированное зернограничное проскальзывание в трикристаллах Al.
а) формирование факела,
б) подстраивание границы путем миграции, в) миграция границы.