<<
>>

Интенсивная пластическая деформация  

  Методы интенсивной пластической деформации (ИПД), заключающиеся в деформировании заготовки с большими степенями деформации, при относительно низких температурах Т lt; (0,3—0,4)Тпл и высоком давлении, позволяют получать объемные беспористые металлические наноматериалы.
Методы ИПД должны давать возможность формировать однородную по всему объему заготовки наноструктуру с большеугловыми границами зерен. К настоящему времени разработано несколько схем ИПД: кручение под высоким давлением (КВД); равноканальное угловое (РКУ)              прессование; всесторонняя ковка; мультиосевая деформация; знакопеременный изгиб; аккумулируемая прокатка; винтовое прессование и др.

Обычные методы деформации              (прокатка,              волочение, прессование

и др.), в конечном счете, приводят к уменьшению поперечного сечения заготовки и не позволяют достигать больших степеней измельчения зерна. Кручение под давлением и РКУ-прессование позволяют деформи

ровать заготовку без изменения конечного сечения и формы, достигая необходимых высоких степеней деформации и измельчения зерна.

Сущность этих методов заключается в многократной интенсивной пластической деформации сдвига обрабатываемых материалов, при этом достигается истинная логарифмическая степень деформации е = 4—7. Использование интенсивной пластической деформации позволяет наряду с уменьшением среднего размера зёрен получить массивные образцы с практически беспористой структурой материала, чего не удается достичь компактированием высокодисперсных порошков.

Пластическая деформация известна как эффективное средство формирования структуры металлов, сплавов и некоторых других материалов. В процессе деформации повышается плотность дислокаций, происходит измельчение зерна, возрастёт концентрация точечных дефектов и дефектов упаковки. Совокупность этих изменений способствует образованию специфической микроструктуры.

Основные закономерности формирования структуры в процессе пластической деформации определяются сочетанием параметров исходного структурного состояния материала и конкретными условиями деформирования, а также механикой процесса деформации. При прочих равных условиях основная роль в формировании структуры и свойств материала принадлежит механике процесса деформации: если она обеспечивает однородность напряжённого и деформированного состояния по всему объёму материалу, то процесс деформации является наиболее эффективным.

Основными методами, с помощью которых достигаются большие деформации, приводящие к заметному измельчению зерна без разрушения образцов, являются кручение под высоким давлением и равноканальное угловое прессование (рис. 43).

Рис. 43. Схемы основных методов интенсивной пластической деформации: а — кручение под высоким давлением; б — равноканальное угловое прессование

В случае кручения под высоким давлением в образцах, имеющих форму дисков с радиусом R и толщиной l, создаётся деформация сдвига. Геометрическая форма образцов такова, что основной объём материала деформируется в условиях квазигидростатического сжатия. Поэтому образец не разрушается, несмотря на большую степень деформации.

Основанные на сдвиге традиционные методы пластической деформации (прокатка, волочение, прессование, ковка, кручение и т. д.) позволяют достигать достаточно высокой степени деформации за счет многократной обработки, но не обеспечивают однородного распределения параметров напряженного и деформированного состояния. Формирование однородной структуры в наибольшей степени достигается при использовании стационарного процесса деформирования, основанного на схеме простого сдвига. Сущность процесса состоит в про- давливании заготовки через два пересекающихся под углом Ф = 90°—150° канала равного поперечного сечения (рис.

44).

Рис. 44. Схема пластической деформации методом равноканального углового прессования: Ф — половина угла пересечения каналов;

Р — давление прессования;

Р0 — противодавление

со стороны выходного канала

Наиболее целесообразно использование углов 2Ф, близких к 90°, при которых достигается самый высокий уровень интенсивности деформаций при незначительном росте контактного трения. Для сведения к минимуму контактного трения используется смазка.

По сравнению с другими методами пластической деформации равноканальное угловое прессование позволяет получить наиболее однородную субмикрокристаллическую структуру материала и наиболее сопоставимые (при прочих равных условиях) результаты по тем или иным физическим свойствам. В общем случае структура материала, полученного равноканальным угловым прессованием, зависит не только от природы материала и величины приложенной деформации, но также от таких технических параметров, как размер и форма поперечного сечения каналов (диагональ квадратного сечения или диаметр круглых каналов) и направление прохода заготовки через каналы. Если материал трудно деформируется, то равноканальное угловое прессование проводят при повышенной температуре.

В настоящее время наноструктура в ходе интенсивной пластической деформации получена на алюминии, железе, магнии вольфраме, никеле, титане и их сплавах. Такая структура приводит к изменению физических и механических свойств материалов (значительное повышение прочности при хорошей пластичности, повышение износостойкости, проявление высокоскоростной и низкотемпературной сверхпластичности).

Повышение прочностных свойств технически чистого титана может быть реализовано за счет формирования по всему объему материала ультрамелкозернистого состояния методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Одними из наиболее перспективных и базовых методов ИПД являются методы равноканального углового прессования и многоступенчатого всестороннего прессования с понижением температуры и многократной сменой оси деформации.

Технология, сочетающая эти два метода, позволяет получать заготовки объемных наноструктурных металлов с достаточно большими размерами.

Диспергирование структуры заготовок из титана было осуществлено посредством интенсивной пластической деформации в два этапа, схема процесса представлена на рис. 45. На первом этапе заготовки титана были подвергнуты многократному одноосному прессованию в интервале скоростей 10-3—10-2 с-1 при последовательном ступенчатом понижении температуры от 700-550 до 400-390 °С. Каждый цикл при заданной температуре включал трех- или четырехкратное одноосное прессование со сменой оси деформации. На втором этапе заготовки титана подвергались пластической деформации прокаткой в ручьевых валках либо в гладких валках с последующими рекристаллизационными отжигами при температуре 250 и 300 °С в течение 1 часа. Описанный

метод позволяет получать заготовки в виде прутков размером 6x6x500 мм3 и полос размером 30x4x200 мм3.

Структура, получаемая при ИПД, имеет свои особенности. При наноразмерном зерне, малой плотности свободных дислокаций, преимущественно большеугловых границах зерен, эти границы находятся в очень неравновесном состоянии. Для получения равновесных границ следует применять термическую обработку после ИПД либо теплую деформацию с большой степенью.

Рис. 45. Схема получения заготовок титана в наноструктурном

и СМК-состоянии:

а — исходная заготовка (стрелками показано направление приложенной нагрузки при прессовании): б — заготовка после прессования; в — оси вращения заготовки для последующих прессований; г — прокатка

Развитие методов ИПД, основанных на использовании деформации сдвига, открывает возможность получать субмикрозернистые и нанокристаллические структуры в массивных заготовках. Наиболее перспективен метод РКУ-прессования.

На полученных образцах проведены исследования механических свойств на растяжение и продемонстрированы возможности получения повышенных прочностных свойств и реализации сверхпластичности при значительно (на 200—300 К) более низких температурах деформации, по сравнению с температурами традиционно наблюдаемой сверхпластичности. Для структуры нано- и субмикрозернистых материалов, полученных с помощью ИПД, характерны: практически равноосные зерна размером 80—400 нм; в основном неравновесные границы зерен; чаще свего отсутствие дислокаций внутри зерен, но их повышенная плотность в приграничных областях; наличие значительно высоких внутренних напряжений.

Повышенные характеристики прочности нанокристаллических металлических материалов и их зависимость от размера зерен показаны на примере экспериментальных данных, полученных при испытаниях образцов титана, алюминия и других металлов и сплавов.

Существует ряд требований, которые следует учитывать при развитии методов ИПД для получения наноструктур в объемных образцах и заготовках. Это, во-первых, возможность получения ультрамелкозернистых структур, имеющих преимущественно большеугловые границы зерен, поскольку именно в этом случае происходит качественное изменение свойств материалов. Во-вторых, формирование наноструктур, однородных по всему объему образца, что необходимо для обеспечения стабильности свойств полученных материалов. В-третьих, образцы не должны иметь механических повреждений или разрушений, несмотря на их интенсивное деформирование. Эти требования не могут быть реализованы путем использования обычных методов обработки металлов давлением, таких как прокатка, вытяжка или экструзия.

Для формирования наноструктур в объемных образцах необходимым является использование специальных механических схем деформирования, позволяющих достичь больших пластических деформаций материалов при относительно низких температурах, а также определение оптимальных режимов обработки материалов. Начиная с пионерских работ по получению объемных наноструктурных материалов, два метода ИПД — кручение под высоким давлением и РКУ-прессование — получили наибольшее внимание и развитие.

Вместе с тем, в последние годы происходит активное развитие и иных методов получения нано- и субмикрокристаллических структур в металлах и сплавах с использованием всесторонней ковки, РКУ-вытяжки и др.

Кручение под высоким давлением P и РКУ-прессование относятся к числу первых методов, с помощью которых были достигнуты большие пластические деформации с истинными степенями, равными 10 и более, без разрушения образцов. Отметим при этом, что оценка и сопоставление степени деформации, достигнутой при реализации различных методов ИПД, весьма неоднозначны.

Деформация кручением под высоким давлением. Установки, в которых деформация кручением была проведена под высоким давлением, сконструированы по принципу наковальни Бриджмена. В первых работах эти установки были использованы для исследования фазовых превращений в условиях интенсивных пластических деформаций, а также изучения эволюции структуры и изменения температуры рекристаллизации после больших пластических деформаций.

Доказательства формирования наноструктур с неравновесными большеугловыми границами зерен при использовании ИПД кручением явились новым и принципиально важным моментом. Это позволило рассматривать метод кручения под высоким давлением в качестве нового способа получения наноструктурных материалов.

Рассмотрим механические аспекты интенсивной пластической деформации кручением. При деформации кручением под высоким давлением как исходные, так и полученные образцы имеют форму дисков. При этом образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением P в несколько ГПа. Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Геометрическая форма образцов такова, что основной объем материала деформируется в условиях гидростатического сжатия под действием приложенного давления и давления со стороны внешних слоев образца. В результате, несмотря на большие степени пластической деформации, образец не разрушается.

Для расчета степени деформации при кручении под высоким давлением применяется соотношение

e = ln(vr/h),              (25)

где v — угол вращения, рад; r, h — соответственно, радиус и толщина диска.

Данная формула аналогична соотношению, используемому при расчетах истинной степени деформации образцов, подвергнутых растяжению. Однако если в случае растяжения формула (25) имеет физическое обоснование, то оно отсутствует в случае кручения. В частности, согласно этому соотношению, при кручении под давлением после одного оборота логарифмическая степень деформации по периметру типичных образцов диаметром 20 мм и толщиной 1 мм составляет 4,1, а по периметру образцов диаметром 10 мм и толщиной 0,2 мм — 5,7. В то же время в центре этих образцов она равна нулю. Между тем, как показывают результаты многочисленных исследований, в ходе реализации данной схемы ИПД в центральной части образцов после нескольких оборотов структура также измельчается и является обычно однородной по радиусу образцов. Это подтверждается и результатами обнаружения близких значений микротвердости в различных точках, как в центре, так и на периферии деформированных образцов. При расчете степени сдвиговой деформации ес в данном методе часто также используют формулу, применяемую в случае обычного деформирования кручением, для расчета степени сдвиговой деформации на расстоянии R от оси образца в форме диска:

где N — число оборотов; h — толщина образца.

Устойчивость наноструктур к внешним воздействиям. Для ультрамелкозернистых структур, полученных ИПД, характерно присутствие высоких плотностей решеточных и зернограничных дислокаций, которые создают поля дальнодействующих упругих напряжений. В результате имеют место значительные атомные смещения из узлов кристаллической решетки, поэтому полученные методами ИПД наноструктуры обладают высокой запасенной энергией и являются метастабильными. В связи с этим весьма важным является вопрос об устойчивости этих структур к внешним воздействиям — температуре и приложенным напряжениям.

Эволюция наноструктур при нагреве. Известно, что рост зерен в наноструктурных ИПД материалах, как и других наноматериалах, начинается при относительно низких температурах, близких к 0,4 Тпл, и даже ниже. Исследование природы такой низкой термостабильности имеет важное значение. С другой стороны, изучение эволюции структуры во время отжига позволяет лучше понять природу высоких внутренних упругих напряжений, их связь с решеточными дефектами и неравновесным состоянием границ зерен, закономерности кристаллографической текстуры и другие структурные особенности ИПД материалов. Помимо этого, особый интерес вызывают наблюдаемые во многих сплавах разупорядочение и формирование пересыщенных твердых растворов. Термически активируемые исследования, с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа, проводились на металлах (Cu, Co, Ni, Fe), сплавах, интерметаллидах. В этих исследованиях, в частности, были установлены температуры, соответствующие началу роста зерен, и обнаружено интенсивное развитие процессов возврата. Тем не менее, особенности процессов эволюции дефектной структуры при отжиге еще недостаточно изучены.

Рассмотрим основные закономерности, обнаруженные при исследованиях термостабильности различных классов наноструктурных материалов, полученных методами ИПД.

Чистые металлы. Структура чистого Ni, подвергнутого ИПД кручением (5 оборотов при комнатной температуре, Р = 7 ГПа), характеризовалась очень мелкими зернами равноостной формы со средним размером около 100 нм, содержащими высокую плотность решеточных дислокаций. Сложный дифракционный контраст свидетельствовал о

наличии внутренних упругих напряжений. Зерна имели преимущественно большеугольные границы, что подтверждается видом дифракционных картин, содержащих большое количество рефлексов, расположенных по окружностям. Эти данные согласуются с результатами других структурных исследований Ni после интенсивной деформации кручением.

Интерметаллиды. Эволюции микроструктуры при термообработке интерметаллидов, подвергнутых ИПД, наиболее изучена для материалов на основе Ni3Al.

Структура интерметаллида бинарного стехиометрического состава Ni3Al, подвергнутого ИПД кручением (Р = 7 МПа, 5 оборотов), состояла из очень мелких равноосных зерен с признаками высокого уровня внутренних напряжений, о чем свидетельствовали сложные дифракционные картины и плохо различимые границы зерен, которые выглядят диффузными и искривленными. Средний размер зерен, определенный по темнопольным изображениям, оказался равным примерно 20—30 нм.

Нанокомпозиты. В последние годы выполнено несколько работ по исследованию термостабильности в металлических материалах, содержащих дисперсные керамические частицы. Металлическая матрица была измельчена до наноразмеров, c использованием методов интенсивной деформации, а керамические частицы в полученных нанокомпозитах были равномерно распределены вдоль всего образца.

Объемные наноструктурные образцы были получены консолидацией порошков после шарового размола, а также с использованием метода ИПД ультрадисперсных порошков, полученных плазмохимическим методом. Оба вида порошков были окислены, и в результате после консолидации образцы содержали дисперсные частицы окислов с объемной долей 1—2 %. Значительное увеличение термостабильности было также установлено в нанокомпозите Си + 0,5 % А12О, полученном путем измельчения интенсивной деформации структуры матрицы, содержащей дисперсные частицы окислов размером 20—30 нм. В то же время в нанокомпозитах А12021 + 10 % А12О3 и A16069 + 15 % SiC, содержащих значительно большую долю керамических частиц, но с размером около микрона, заметного повышения термостабильности не было обнаружено. Очевидно, что термостатичность нанокомпозиционных материалов определяется, в первую очередь, дисперсностью и морфологией керамических частиц.

В сплавах и интерметаллидах, помимо изменений в дефектной структуре, наблюдаются дополнительные явления, связанные с перераспределением атомов различных химических элементов. Причиной перераспределения атомов, приводящего к разупорядочению и фазовым превращениям, является ИПД. Во время отжига наблюдается тенденция к переходу материала в равновесное состояние. При этом могут происходить: локальные атомные перестройки, которые наблюдаются в случае упорядочения дальнего порядка в деформированных интерметал- лидах (в случае упорядочения ближнего порядка к настоящему времени таких исследований проведено не было); перемещение атомов на большие расстояния, что необходимо для фазовых превращений, таких как выделение включений и коалес- ценция второй фазы в твердом растворе, который оказался пересыщенным в результате интенсивной деформации (места в последовательности структурной эволюции, где происходят эти явления; связано с перераспределением атомов и зависит от конкретного сплава). 

<< | >>
Источник: Матренин С.В.. Наноструктурные материалы в машиностроении: учебное пособие. 2010

Еще по теме Интенсивная пластическая деформация  :

  1. 3.3 Влияние технологических факторов на процесс пенообразования теста, качество изделий и их оптимизация
  2. 2.2.2.2 Методы исследования реологических свойств теста
  3. Кинетические методы
  4. Величина J-интеграла
  5. 4.3.4. Наклеп и деформационное старение
  6. Эксплуатационное деформационное старение
  7. 4.5. Диагностическая карта опознания вида хрупкости
  8. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения
  9. Влияние состава стали на склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением
  10. Ползучесть
  11. Совместное действие нескольких механизмов зарождения и развития макродефектности
  12. Булатные узоры
  13. ВВЕДЕНИЕ
  14. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
  15. Методы получения нанопорошков
  16. Методы получения объемных наноматериалов
  17. Интенсивная пластическая деформация  
  18. РАЗДЕЛ 6 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ