НИТУ МИСИС (Москва, Россия)

З. C. Тураева, аспирант кафедры металловедения цветных металлов, m1909900@edu.misis.ru
О. А. Яковцева, доцент кафедры металловедения цветных металлов, канд. техн. наук, yakovtseva.oa@misis.ru
А. В. Иржак, доцент кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков, канд. физ.-мат. наук, airzhak@iptm.ru
Н. Н. Авксентьева, старший преподаватель кафедры математики, avksentieva.nn@misis.ru
А. В. Михайловская, доцент кафедры металловедения цветных металлов, канд. техн. наук, mihaylovskaya@misis.ru

НИТУ МИСИС, (Москва, Россия)¹ ; Сколковский институт науки и технологий, (Москва, Россия)²

Е. С. Статник, научный сотрудник лаборатории ускоренных частиц ЛУЧ¹, Центра инженерных систем и наук Сколтех², PhD, канд. наук, eugene.statnik@skoltech.ru

Исследовано деформационное поведение при сверхпластическом течении и эволюция микроструктуры в объеме и на поверхности образцов сплава типа АMг4 (АА5083) с исходным размером зерна ~5 мкм. Проведено сравнение эволюции структуры и соотношения вкладов механизмов сверхпластической деформации для разных температурно-скоростных условий: режим 1 – 460 °C, 1·10^–3 с^–1; режим 2 – 550 °C, 5·10^–3 с^–1; режим 3 – 550 °C, 7·10^–4 с^–1. В исследуемых температурно-скоростных условиях значение коэффициента скоростной чувствительности m составляет 0,45–0,55, относительное удлинение варьируется примерно от 300 до 600 %. Режим 2 обеспечивает наибольшее удлинение при наименьшей остаточной пористости. При сверхпластической деформации размер зерна вдоль оси растяжения увеличивается. Анализ структуры объема образцов и поверхности с маркерными сетками показал, что вытягивание зерен связано с действием диффузионной и дислокационной ползучести. Диффузионная ползучесть вызывает появление зон, свободных от выделений, по обе стороны от поперечных границ и скопление частиц у продольных границ. В результате на деформированной поверхности формируются ювенильные зоны, покрытые оксидом алюминия. Этот процесс более выражен при подсолидусной температуре 550 °C. Вклад дислокационного скольжения, обусловливающего удлинение тела зерна, возрастает при температуре 460 °C. Зернограничное скольжение, приводящее к смещению зерен вдоль оси растяжения, обеспечивает от 25 до 35 % деформации и увеличивается при снижении скорости и температуры деформации.

Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РНФ № 23-79-01155. Часть экспериментов с использованием фокусированного ионного пучка была проведена в Центре коллективного пользования «Материаловедение и металлургия» НИТУ «МИСИС».

1. Langdon T. G. Seventy-five years of superplasticity: historic developments and new opportunities. Journal of Materials Science. 2009. Vol. 44. pp. 5998–6010.
2. Mohamed F. A. Creep and superplasticity: evolution and rationalization. Advanced Engineering Materials. 2020. Vol. 22. 1900532. DOI: 10.1002/adem.201900532
3. Mosleh A. O., Mikhaylovskaya A. V., Kotov A. D., Kwame J. S., Aksenov S. A. Superplasticity of Ti – 6Al – 4V titanium alloy: Microstructure evolution and constitutive modelling. Materials. 2019. Vol. 12, Iss. 11. 1756. DOI: 10.3390/ma12111756
4. Alabort E., Kontis P., Barba D., Dragnevski K., Reed R. C. On the mechanisms of superplasticity in Ti – 6Al – 4V. Acta Materialia. 2016. Vol. 105. pp. 449–463.
5. Bobruk E. V., Murashkin M. Yu., Ramazanov I. A., Kazykhanov V. U., Valiev R. Z. Low-temperature superplasticity and high strength in the Al 2024 alloy with ultrafine grains. Materials. 2023. Vol. 16, Iss. 2. 727. DOI: 10.3390/ma16020727
6. Mikhaylovskaya A. V., Yakovtseva O. A., Mochugovskiy A. G., Cifre J., Golovin I. S. Influence of minor Zn additions on grain boundary anelasticity, grain boundary sliding, and superplasticity of Al – Mg-based alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 926. 166785. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.166785
7. Zou G., Chen S., Xu Y., Shen B. et al. Microstructural evolution and deformation mechanisms of superplastic aluminium alloys: a review. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2024. Vol. 34, Iss. 10. pp. 3069–3092.
8. Kweitsu E. K., Sarkar D. K., Algendy A. Y., Chen X.-G. et al. Effect of annealing time on grain structure evolution and superplastic response of Al – Mg 5xxx alloys. Materials. 2024. Vol. 17, Iss. 22. 5492. DOI: 10.3390/ma17225492
9. Naresh H., Prashantha S., Ramesha K., Santhosh N., Manjunatha M. C. Investigation into the mechanical, fatigue and superplastic characteristics of shape memory alloys (SMA) in Cu – Al – Mn, Cu – Al – Be – Mn, and Cu – Al – Fe – Mn compositions and their composite variants. Mavinkere Rangappa S., Palaniappan S. K., Siengchin S. (eds) Proceedings of the International Conference on Eco-friendly Fibers and Polymeric Materials. EFPM 2024. Springer Proceedings in Materials. 2024. Vol. 60. Springer, Singapore. pp. 407–422. DOI: 10.1007/978-981-97-7071-7_30
10. Chuvil’deev V. N., Gryaznov M. Y., Shotin S. V., Nokhrin A. V. et al. Investigation of superplasticity of ultrafine-grained copper alloys obtained using the ECAP. Journal of Physics: Conference Series. XV International Russian Chinese Symposium “New Materials and Technologies”. 2019. Vol. 1347. 012063. DOI: 10.1088/1742-6596/1347/1/012063
11. Kashyap B. P., Verma S., Mandlik P., Kumar N., Toppo S. P. Effect of test temperature on tensile properties of / brass containing lead. Materials Science and Technology. 2006. Vol. 22, Iss. 3. pp. 363–367.
12. Lei C., Liu H., Deng X., Li X., Wang Z. Excellent low temperature superplasticity and its deformation mechanism in nano/ultrafine grained Fe – 17Cr – 6Ni stainless steel. Journal of Materials Research and Technology. 2024. Vol. 33. pp. 61–69.
13. Liu J., Li Q., Gui H., Zhang P. et al. Influence of solid solution treatment on microstructure and mechanical properties of 20CrNiMo/Incoloy 825 composite materials. Materials. 2024. Vol. 17, Iss. 22. 5588. DOI: 10.3390/ma17225588
14. Masuda H., Sato E. Diffusional and dislocation accommodation mechanisms in superplastic materials. Acta Materialia. 2020. Vol. 197. pp. 235–252.
15. Konieczny M. Transformation superplasticity of laminated CuAl10Fe3Mn2 bronze-intermetallics composites. AIMS Materials Science. 2020. Vol. 7, Iss. 3. pp. 312–322.
16. Bazyleva O. A., Valitov V. A., Arginbaeva E. G., Lomberg B. S., Raevskikh A. N. Permanent joint stability of heat-resistant deformable nickel and cast intermetallic alloys obtained under superplasticity conditions: Part 1. Inorganic Materials: Applied Research. 2022. Vol. 13. pp. 318–325.
17. Sivalingam S., Kumaresan G., Ganesh P., Azhagan M. T. Superplastic formability and cavitation analysis of AA7075 matrix composite reinforced with B4C particles produced by stir casting. International Journal of Metalcasting. 2023. Vol. 17. pp. 2917–2927.
18. Yakovtseva O. A., Kishchik A. A., Irzhak A. V., Mikhaylovskaya A. V. Superplastic behavior and deformation mechanisms of Al – Mg-based alloy processed by isothermal multidirectional forging. Materials Letters. 2024. Vol. 377. 137538. DOI: 10.1016/j.matlet.2024.137538
19. Zou G., Ye L., Li J., Shen Z. Microstructure evolution and deformation mechanisms of a banded-grained 2A97 Al – Cu – Li alloy during superplastic deformation. Materials Science and Engineering: A. 2023. Vol. 876. 145178. DOI: 10.1016/j.msea.2023.145178
20. Kweitsu E. K., Sarkar D. K., Chen X.-G. A short review on superplasticity of aluminum alloys. Engineering Proceedings. 2023. Vol. 43, Iss. 1. 43. DOI: 10.3390/engproc2023043043
21. Sauvage X., Enikeev N., Valiev R., Nasedkina Y., Murashkin M. Atomicscale analysis of the segregation and precipitation mechanisms in a severely deformed Al – Mg alloy. Acta Materialia. 2014. Vol. 72. pp. 125–136.
22. Sotoudeh K., Bate P. S. Diffusion creep and superplasticity in aluminium alloys. Acta Materialia. 2010. Vol. 58, Iss. 6. pp. 1909–1920.
23. Mikhaylovskaya A. V., Yakovtseva O. A., Irzhak A. V. The role of grain boundary sliding and intragranular deformation mechanisms for a steady stage of superplastic flow for Al – Mg-based alloys. Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 833. 142524. DOI: 10.1016/j.msea.2021.142524
24. Liu F. C., Ma Z. Y. Contribution of grain boundary sliding in low-temperature superplasticity of ultrafine-grained aluminum alloys. Scripta Materialia. 2010. Vol. 62, Iss. 3. pp. 125–128.
25. Mikhaylovskaya A., Yakovtseva O., Sitkina M., Kotov A. D. Grainboundary and intragranular deformation in ultrafine-grained aluminumbased alloy at high strain rate. Materials Letters. 2020. Vol. 276. 128242. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128242
26. Sergueeva A., Mukherjee A. Superplastic deformation in nanocrystalline metals and alloys. Nanostructured Metals and Alloys: Processing, Microstructure, Mechanical Properties and Applications. 2011. pp. 542–593.
27. Hulbert D. M., Jiang D., Kuntz J. D., Kodera Y., Mukherjee A. K. A lowtemperature high-strain-rate formable nanocrystalline superplastic ceramic. Scripta Materialia. 2007. Vol. 56, Iss. 12. pp. 1103–1106.
28. Wu H., Jiang J., Xie Q., Yuan Y., Ma A. Enhanced superplasticity of ultrafine-grained WEQ612 magnesium alloy via the coupling effect of grain boundary segregation and dense precipitation. Materials Science and Engineering: A. 2024. Vol. 897. 146337. DOI: 10.1016/j.msea.2024.146337
29. Wang S., Zha M., Jia H., Yang Y. et al. A review of superplastic magnesium alloys: focusing on alloying strategy, grain structure control and deformation mechanisms. Journal of Materials Science and Technology. 2025. Vol. 211. pp. 303–319.
30. Xu D., Liu X., Wu H., An D. et al. Superplastic deformation mechanisms of coarse-grained rolled Mg – 4Y – 3RE magnesium alloy. Journal of Magnesium and Alloys. 2025. Vol. 13, Iss. 12. pp. 5989–6000.
31. Pan S., Wang Z., Li C., Wan D. et al. Achieving superior dispersionstrengthening effect in an AA5xxx Al – Mg – Mn alloy by mico-alloying. Materials & Design. 2023. Vol. 226. 111647. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.111647
32. Zhou Y., Tian N., Liu W., Zeng Y. et al. Mechanism of heterogeneous distribution of Cr-containing dispersoids in DC casting 7475 aluminum alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2022. Vol. 32, Iss. 5. pp. 1416–1427.
33. Trink B., Weißensteiner I., Uggowitzer P. J., Strobel K. et al. Processing and microstructure–property relations of Al – Mg – Si – Fe crossover alloys. Acta Materialia. 2023. Vol. 257. 119160. DOI: 10.1016/j.actamat.2023.119160
34. Troeger L. P., Starke E. A. Particle-stimulated nucleation of recrystallization for grain-size control and superplasticity in an Al – Mg – Si – Cu alloy. Materials Science and Engineering: A. 2000. Vol. 293, Iss. 1–2. pp. 19–29.
35. Rakhmonov J. U., Michi R., Bahl S., Rahman O. et al. Creep deformation and cavitation in an additively manufactured Al – 8.6Cu – 0.4Mn – 0.9Zr (wt%) alloy. Additive Manufacturing. 2024. Vol. 84. 104097. DOI: 10.1016/j.addma.2024.104097
36. Novikov I. I., Portnoy V. K., Levchenko V. S. Investigation of structural changes during superplastic deformation of Zn – 22% Al alloy by replica locating technique. Acta Metallurgica. 1981. Vol. 29, Iss. 6. pp. 1077–1090.
37. Rust M. A., Todd R. I. Surface studies of Region II superplasticity of AA5083 in shear: confirmation of diffusion creep, grain neighbour switching and absence of dislocation activity. Acta Materialia. 2011. Vol. 59, Iss. 13. pp. 5159–5170.
38. Mikhaylovskaya A. V., Yakovtseva O. A., Golovin I. S., Pozdniakov A. V., Portnoy V. K. Superplastic deformation mechanisms in fine-grained Al – Mg based alloys. Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 627. pp. 31–41.