Mетод интенсивной пластической деформации материалов с обычным размером зерна.

Ответ:

В последние годы наметился все возрастающий интерес к новому подходу в получении объемных наноструктурных металлов и сплавов основанному на измельчении зерен до наноразмеров в объемных заготовках с использованием интенсив­ной пластической деформации (ИПД), т.е. деформи­рования в условиях высоких приложенных давлений. Заготовки из материалов, обработанные мето­дами ИПД, обладают 100%-ной плотностью, а их большие геометрические размеры позволяют прово­дить тщательные исследования механических и фи­зических свойств. В связи с этим получение объем­ных заготовок с ультрамелкозернистым (УМЗ) стро­ением из различных металлов и сплавов с помощью методов ИПД становится одним из наиболее актив­но развивающихся направлений в области наноматериалов.

Эта группа методов получения наноструктурных материалов основана на проведении пластической деформации с большими степенями деформации в условиях высоких приложенных давлений при относительно низких температурах. В таких условиях деформирования происходит сильное измельчение микроструктуры в металлах и сплавах до наноразмерного диапазона. При разработке этих методов существует ряд требований: преимущественное формирование ультрамелкозернистых структур с большеугловыми границами зерен (именно в этом случае наблюдаются качественные изменения свойств материалов), необходимость обеспечения стабильности свойств материала за счет однородного формирования наноструктур по всему объему материала, отсутствие механических повреждений и трещин несмотря на интенсивное пластическое деформирование материала. Эта группа методов позволяет получать объемные безпористые металлические наноматериалы. Следует однако отметить, что диапазон размеров зерен материалов, получаемых рассматриваемыми методами, как правило, составляет все же более 100 нм. Структура, получаемая при интенсивной пластической деформации, отличается сильной неравновесностью из-за малой плотности свободных дислокаций и преимущественно большеугловом характере границ зерен. Поэтому для обработанных изделий применяют дополнительную термообработку или дополнительное пластическое деформирование при повышенных температурах и большой степени деформации.

В настоящее время наиболее отработаны два следующих метода (рис. 4.13).

Метод кручения под высоким давлением основан на принципе наковален Бриджмена, в которых образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением в несколько ГПа, а затем прилагается деформация с большими степенями (10 и более). Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Образец имеет геометрическую форму в виде диска диаметром 10-20 мм и толщиной 0,2-0,5 мм, что обеспечивает условия гидростатического сжатия для основного объема материала и выполнение условия неразрушения образца. Структура материала начинает измельчаться уже после деформации на пол-оборота образца. Образование ультрамелкозернистой структуры достигается после деформации в несколько оборотов образца. Средний размер зерен может достигать 100-200 нм (рис 4. 14а) и определяется условиями деформации – давлением, температурой, скоростью деформации и видом обрабатываемого материала.

Рис. 4.13. Схема методов интенсивной пластической деформации: а- метод кручения под высоким давлением, б- метод равноканального углового прессования, 1- пуансон, 2- образец, 3- суппорт, 4- заготовка.

Метод равноканального углового прессования обеспечивает получение более крупных размеров деталей с диаметром до 60 мм и длиной до 200 мм (рис. 4.15). Этот метод также основан на использовании деформации сдвигом. Для этого заготовка многократно продавливается в специальной оснастке через два пересекающихся канала с одинаковыми поперечными сечениями. Чаще всего используется угол между каналами равный 90^о, при котором за одно продавливание материала обеспечивается степень истинной деформации»1. Температура процесса в зависимости от обрабатываемого материала выбирается комнатной или слегка повышенной. Важной проблемой является сохранение целостности получаемых образцов для малопластичных и трудно деформируемых материалов. Метод позволяет формировать ультамелкозернистую структуру со средним размером зерен в диапазоне от 200 до 500 нм (рис 4. 14а).

Равноканальное угловое прессование (РКУП) в настоящее время является наиболее широко использу­емым методом ИПД. Образец, имеющий форму прутка круглого или квадратного сечения  прессуется в матрице через сопрягающиеся под оп­ределенным углом каналы. Деформация сдвигом происходит, когда заготовка проходит через зону их пересечения, т. к. размеры заго­товки в поперечном сечении не изменяются, прессова­ние может производиться многократно с целью дости­жения исключительно высоких степеней деформации. В процессе многократно повторяющихся прессова­ний в заготовке накапливается деформация сдвигом, что в результате приводит к образованию в материале УМЗ структуры.

В процессе РКУП в обрабатываемых материалах мо­гут быть задействованы различные системы скольжения за счет вращения заготовки вокруг ее продольной оси между каждым проходом. На практике осуществля­ют четыре основных маршрута прессования: маршрут А — без вращения заготовки, маршруты B_A и B_C, пред­полагающие вращение на 90° в разных направлениях или одном направлении, соответственно, и маршрут С, предполагающий вращение на 180°. В работах экспериментально показано, что при использовании оснастки с углом пересечения каналов F = 90° реализа­ция маршрута B_C является наиболее эффективной для формирования УМЗ структуры, состоящей из однород­ных и равноосных зерен, имеющих границы с высоки­ми углами разориентировки.

 

Рис. 4.14. Наноструктуры меди, полученной разными методами: а- методом кручения под высоким давлением, б- методом равноканального углового прессования.

Рис. 4.15. Объемные заготовки из наноструктурного титана

Среди новых направлений в РКУП — обработка труднодеформируемых материалов, которая может быть осуществлена при использовании противодавления или за счет увеличения угла пересечения каналов (Ф > 90°). Экспериментальное и теоретическое моделирование механики РКУ прессования, связанное с исследования­ми напряженно-деформированного состояния, кон­тактных напряжений и условий трения, позво­лило сконструировать оснастки для получения методом РКУП больших по размеру заготовок из различных ме­таллов, включая труднодеформируемый титан и его сплавы, с однородной ультрамелкозернистой структурой. Были успешно обработаны заготовки тита­на диаметром до 60 мм и длиной 200 мм. Для более эф­фективного получения штучных/мерных заготовок с УМЗ структурой разработан модифицированный метод РКУП в параллельных каналах. Другим новым направлением, является получение длинномерных полуфабрикатов (прутков, листов) с использованием непрерывного РКУП или РКУП в сочетании с другими методами тер­момеханической обработки. Это важ­ный шаг для успешной коммерциализации наноструктурных металлов.

Сильное измельчение микроструктуры в процессе РКУП, как правило, достигается уже при деформации за один или за несколько проходов как в чистых метал­лах, так и в сплавах. Но получение однородных УМЗ структур с помощью этого метода все еще остается спе­циальной технологической проблемой. При ее решении должны быть учтены особенности обрабатываемого ма­териала, определены оптимальные маршруты и режимы его обработки, а также проведена оптимизация геомет­рии деформирующего инструмента оснастки.

Размер и форма ультрамелких зерен — очень важные, но не единственные характеристики структуры метал­лов, полученных ИПД.

 

Структура границ зерен — важ­нейшая характеристика для достижения новых свойств.

Современные электронно-микроскопические мето­ды, такие как микроскопия в режиме прямого разреше­ния или в обратных отраженных электронах, позволили доказать присутствие 70—80% высокоугловых границ в микроструктуре образцов, подвергнутых многократно­му РКУП или ИПДК в пять и более оборотов при отно­сительно низких температурах (обычно ниже 0.3 Т). Однако ГЗ такого типа формируются только при больших накопленных деформациях ε ≥ 6—8.

Среди других важных хар-к микроструктуры металлов, обработанных ИПД, следует также выделить их кристаллографическую текстуру и существова­ние высоких внутренних напряжений, вызванных высо­кой плотностью дефектов внутри кристаллов и на их границах. Образование неравновесных ГЗ, сод.  многочисленные зернограничные дефекты, — прямое след.  интенсивной деформации, но оно мо­жет контролироваться последующими отжигами и/или специальными термомеханическими обработками. На­пример, анализ микроструктуры УМЗ титана, получен­. ИПД, методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, показал, что ГЗ ис­кажены и сод.  многочисленные дефекты (рис.7)

                                                                                                                                                                                                                                                                                 Более того, существует отклонение в угле разориенти­ровки вдоль одной и той же границы примерно на 5°, которое возможно как результат существования дисклинации в границе.

Наблюдения структуры ГЗ при отжиге при темпера­турах 250—300°С (до температуры начала роста зерен) показали перераспределение дислокаций: они переме­щаются из объема зерна к области возле ГЗ. Схематиче­ская иллюстрация изменения дефектной структуры представлена на рис. 8.

Схема, приведенная на рис. 8, наглядно показывает, что хотя общая плотность дислокаций в процессе низкотемпературных отжигов понижается, их локальная плотность на ГЗ может возрасти, тем самым увеличивая неравновесность границы.

 

 

Все это может иметь боль­шое влияние на процессы, протекающие в границах зе­рен, такие как проскальзывание, диффузия и взаимо­действие с решеточными дислокациями. Таким об­разом, недавние исследования показали, что УМЗ ме­таллы, образованные при ИПД, обладают сложной ком­плексной микроструктурой, и их микроструктурные ха­рактеристики зависят от особенностей проведения ИПД, последующих отжигов и термомеханических воз­действий. Эти особенности нужно учитывать при полу­чении объемных наноструктурных материалов с улуч­шенными свойствами.

Разрабатываются также другие методы интенсивной пластической деформации, например, всесторонняя ковка и специальная прокатка.

                                                                                                                                                                                                                                                                             Пути повышения свойств наноструктурных материалов

Хорошо известно, что измельчение зерен способст­вует увеличению твердости и прочности металлических материалов. Поэтому ожидается, что ультрамелкозер­нистые материалы должны обладать наиболее высокой прочностью. Более того, введение высокой плотности дислокаций в наноматериалы, полученные с помощью ИПД, может привести к еще большему их упрочнению. Однако обычно все это снижает пластичность. Проч­ность и пластичность, как правило, являются противо­положными характеристиками. Материалы могут быть прочными или пластичными, но обычно не обладают обоими свойствами одновременно. Вместе с тем, не­давние исследования показали, что наноструктурирование материалов может привести к уникальному

сочетанию особо высокой прочности и пластичности (рис. 9)

 

                                                                                                                                                                                                                                                                         Однако решение этой проблемы требует разработки оригинальных подходов:

Первый подход. В результате исследований получена наноструктурная медь прокаткой при криогенной температуре — темпе­ратуре жидкого азота, с последующим нагревом до тем­пературы 175°C. В результате в материале была сформи­рована «бимодальная» структура, состоящая из микрон­ных зерен (с объемной долей ~ 25%), окруженных зер­нами нанометрических размеров. Материал продемон­стрировал высокую пластичность и также сохранил прочность. Такое поведение материала может быть объ­яснено тем, что пока нанокристаллические зерна обес­печивают прочность, зерна большего размера отвечают за деформацию растяжением. Аналогичные результаты, подтверждающие эффективность формирования «би­модальной» структуры, были получены при исследова­нии цинка, меди и алюминиевого сплава. Более того, исследования меди показали, что такой тип структуры может повысить пластичность не только в процессе испытаний на растяжение, но также и в про­цессе циклического нагружения. Это наблюдение весь­ма важно для повышения усталостных свойств.

Второй подход к решению проблемы достижения вы­сокой прочности и пластичности. Он основан на образовании дис­персных частиц вторичных фаз в наноструктурной металлической матрице, которые видоизменяют распро­странение полосы скольжения в процессе деформации, таким образом, увеличивая пластичность. В настоящее время уже начаты систематические исследования влия­ния природы частиц вторичных фаз, изменения их раз­меров и распределения на механические характеристики промышленных НС сплавов, с тем чтобы оптимизиро­вать технологические режимы их обработки и получения.

Третий подход к решению проблемы достижения вы­соких значений прочности и пластичности является наиболее универсальным из трех, потому что его можно использовать как для чистых металлов, так и для спла­вов. Этот подход основан на формировании УМЗ структуры с определенными типами границ зерен. На­пример, было показано, что формирование большеугловых и неравновесных границ может обеспечи­вать процессы межзеренного проскальзывания в про­цессе пластической деформации уже при комнатной температуре, сильно влияя на деформационную спо­собность материала.

Важность структуры большеугловых ГЗ подтверждена исследованиями меха­ническокого поведения металлов, подвергнутых различной степени ИПД, что обеспечило формирование ГЗ разного типа. Недавние исследования наноструктурного титана показали, что помимо степени деформации большое вли­яние на состояние ГЗ и механическое поведение оказыва­ет температура отжига. Так, отжиг при 300°С приводит к значительному увеличению его прочности одновремен­но с большей пластичностью, по сравнению с состоянием после ИПД и отжига при более высоких температурах.

Рост прочности и пластичности в данном эксперименте связан с повышенной скоростной чувствительностью. Как известно, повышенная скоростная чувствительность ука­зывает на вязкое течение и играет ключевую роль в сверх­пластичности НС материалов. C другой стороны, это также ассоциируется с развитием проскальзывания по ГЗ. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с недавними результатами компьютерного моделирования и исследованиями механизмов деформа­ции в нанометаллах.

Для крупнокристаллических металлов дислокационное скольжение и образование двойников являются основны­ми хорошо известными механизмами деформации. Но ре­зультаты компьютерного моделирования показывают, что ультрамелкие зерна вызывают развитие специфичных ме­ханизмов деформации, таких как зернограничное про­скальзывание или зарождение частичных дислокаций. Более того, сдвиг может иметь кооперативный (групповой) характер, схожий с тем, что был обнаружен в ранних исследованиях сверхпластичности материалов.

Однако существует вопрос: почему в наноструктурных материалах происходит зернограничное проскальзывание при относительно низких температурах, особенно в мате­риалах, полученных при ИПД? Зернограничное проскаль­зывание — это процесс, контролируемый диффузией, ко­торый обычно наблюдается при высоких температурах. Объяснением может являться то, что диффузия в УМЗ ма­териалах с неравновесными ГЗ происходит быстрее. Экс­перименты показали, что коэффициент диффузии в УМЗ материалах, полученных при ИПД, значительно выше (на 2—3 порядка), и это связано именно с неравновесностью ГЗ. Возможно, проскальзывание по ГЗ в УМЗ ме­таллах происходит легче в процессе деформирования даже при низких температурах, обуславливая большую плас­тичность. Хорошо известно, что активизация проскальзы­вания в наноструктурных металлах может привести к сверхпластичности при относительно низких температу­рах.

Создание наноструктур в материалах с целью увеличе­ния их прочности и пластичности имеет первостепенное значение для повышения их сопротивления усталости и трещиностойкости. В наноматериалах наблю­дается необычное увеличение как малоцикловой, так и многоцикловой усталости, и здесь существуют теоретиче­ское объяснение и первые экспериментальные доказа­тельства этого интересного феномена. Обнару­женное повышение усталостной прочности в нанострук­турных материалах вполне ожидаемо и имеет много об­щего с влиянием размера зерна/субзерна на напряжение течения, которое выражается соотношением Холла—Петча. При этом очевидно, что границы зерен также иг­рают существенную роль в усталостном поведении таких материалов. С одной стороны, ГЗ могут быть эффективными барьерами для развития процессов скольжения, тем самым способствуют повышению напряжения течения. С другой стороны, они могут стать причиной концентрации напряжений, ранней локализации деформации и разру­шения. Поэтому управление свойствами ГЗ позволя­ет управлять свойствами материала, в том числе усталост­ными. Например, улучшения усталостных характеристик НС титана можно добиться за счет повышения пластич­ности в сочетании с высокой прочностью, путем варьиро­вания параметров проводимой после ИПД термомехани­ческой обработки.

Интересен тот факт, что формирование УМЗ структуры в материалах, полученных при ИПД, может также привес­ти к появлению многофункциональных свойств. Напри­мер, наноструктурный сплав никелида титана демон­стрирует необычное сочетание высоких механических и функциональных свойств: сверхупругости и эффекта па­мяти формы. Подобное сочетание делает этот нанострук­турный сплав титана в принципе отличным от его тради­ционного крупнозернистого аналога. Формирование мно­гофункциональных материалов становится новым на­правлением в науке о наноматериалах, полученных ИПД.

Предыдущая891011121314151617181920212223Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: