Формування субмікрокристалічної структури і властивостей металів методами комбінованої пластичної деформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ І РАДІАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 539.379

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Формування субмікрокристалічної структури і властивостей металів методами комбінованої пластичної деформації

01.04.07 - фізика твердого тіла

Пашинська Олена Генріхівна

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому фізико-технічному інституті імені О.О. Галкіна НАН України, м. Донецьк.

Науковий консультант:член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Варюхін Віктор Миколайович, Донецький фізико-технічний інститут імені О.О. Галкіна НАН України, директор.

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Подрєзов Юрій Миколайович, Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу фазових перетворень;

доктор фізико-математичних наук, професор Юрченко Володимир Михайлович, Донецький фізико-технічний інститут імені О.О. Галкіна НАН України, завідувач відділу електронних властивостей металів;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Котречко Сергій Олексійович, Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України, завідувач відділу фізики міцності і руйнування матеріалів.

Захист відбудеться «25» жовтня 2010 р. о 14 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 у Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61003, м. Харків, вул. Гамарника, 2, корпус У-3, НТУ «ХПІ», ауд. 204.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61024, м. Харків, вул. Гуданова, 13. Відгук на автореферат дисертації надсилати на адресу: 61002, м. Харків, вул. Чернишевського, 28, а/с 8812.

Автореферат розісланий «07» вересня 2010 р.

Вчений секретар пластичний метал міцнісний

спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 Пойда А.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання пластичної деформації для формування структури і комплексу механічних характеристик металів є широко розповсюдженим прийомом. Аналіз стану питання показує, що одним із перспективних напрямків досліджень є вивчення впливу комбінованої пластичної деформації зі зсувом на формування структури і комплексу механічних властивостей металевих матеріалів. Під комбінованою пластичною деформацією зі зсувом розуміють формозміну матеріалу під дією декількох сил або моментів сил. Така деформація зазвичай використовується для отримання нано- і субмікрокристалічних матеріалів (СМК) з високим рівнем міцнісних і пластичних характеристик.

Виконані дослідження посприяли нагромадженню великих знань про вплив комбінованої пластичної деформації зі зсувом (КПДЗ) на процеси структуроутворення. В останні 10 років активно розвиваються нові види деформації з використанням простого зсуву (крутіння): крутіння в ковадлах Бріджмена, рівноканальне кутове пресування, гвинтове пресування та ін. Однак в основі багатьох методичних прийомів і технологій, які вже використовуються на практиці, лежать емпірично встановлені закономірності. Тому проблему щодо розробки методів цілеспрямованого одержання СМК з наперед заданими характеристиками міцності і пластичності, заснованих на використанні інтенсивної пластичної деформації, не можна вважати остаточно розв'язаною, незважаючи на наявність великої кількості наукової і технологічної інформації з цієї тематики. З цієї причини, по-перше, накопичений матеріал щодо впливу КПДЗ на процеси структуроутворення вимагає узагальнення і створення теорії, необхідної для цілеспрямованого керування комплексом властивостей. По-друге, існуючі способи КПДЗ не можна застосовувати у поточному виробництві (наприклад, при виготовленні прокату або дроту). Розміри зразків, які вдається одержати із застосуванням перерахованих вище схем деформації, дуже малі за розмірами, тому їх не можна використовувати для виготовлення конкретних виробів. По-третє, потрібно вирішити задачу щодо узагальнення накопичених даних про суттєвий внесок виду напруженого стану на особливості формування СМК. Слід зазначити, що на даний час вплив високого тиску на цей процес вивчено досить повно, у той час як специфічний вплив напружень зсуву вивчено ще недостатньо, хоча в багатьох наукових працях відзначається його вирішальна роль у формуванні СМК-структур.

У даний час ще не в повному обсязі розкрита фізична природа механізмів, розвиток яких переводить різні металеві матеріали в стан, в якому вони одночасно мають високу міцність і високу пластичність. Розробка і подальший розвиток існуючих теоретичних уявлень про природу формування властивостей металевих матеріалів у процесі КПДЗ є важливими науковими завданнями, оскільки це відкриває нові можливості для оптимізації існуючих і створення нових, науково обґрунтованих технологічних процесів, спрямованих на одержання матеріалів із заданим комплексом фізичних та механічних властивостей. Тому розв'язання наукової проблеми щодо встановлення особливостей впливу КПДЗ на формування структури і властивостей металевих матеріалів є актуальним.

Подальший прогрес у зазначеному напрямку вимагає вивчення фізичних основ впливу параметрів КПДЗ на формування структури і властивостей матеріалу з метою обґрунтованого вибору параметрів впливу. У зв'язку з цим необхідно: вивчити процеси релаксації і дисипації енергії металевих матеріалів при КПДЗ; дослідити особливості впливу КПДЗ на структурні перетворення в металах; розробити і випробувати технологію отримання субмікрокристалічних матеріалів із заданим рівнем властивостей при використанні КПДЗ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до науково-дослідних проектів відомчої тематики НАН України різних років: «Исследование механизмов пластической деформации высокоазотистых сталей в условиях высокого гидростатического давления», № держ. реєстрації 0194U030436; «Самоорганизация дефектной структуры в твердых телах при деформации под давлением», № держ. реєстрації 0194U021978; «Формирование структуры гетерогенных твердых тел и управление их свойствами в разных напряженно-деформированных состояниях», № держ. реєстрації 0197U008908; «Исследование закономерностей пластического течения и деформационного упрочнения высокоазотистых сталей в условиях высокого гидростатического давления с целью создания технологических основ гидростатической обработки этих материалов», № держ. реєстрації 0197U016640; «Закономірності формування та еволюції наноструктурного стану твердих тіл», № держ. реєстрації 0100U003850; «Физика новых состояний конденсированных систем, сформированных в условиях высоких давлений», № держ. реєстрації 0102U003201; «Фізика нерівноважних станів наноструктурних матеріалів, одержаних при високих тисках», № держ. реєстрації 0103U005973; «Фізика формування об'ємних наноматеріалів шляхом структурної перебудови твердих тіл при високих тисках», № держ. реєстрації 30106U6931; «Деформаційні схеми одержання і властивості масивних наноструктурних і УДЗ матеріалів», № 128-II-5-08. Автор був відповідальним виконавцем та керівником перерахованих робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вирішення науково-технічної проблеми щодо одержання підвищеного комплексу міцнісних та пластичних властивостей металів на основі встановлення умов направленої зміни структурного стану, фізичних властивостей та механічної поведінки металевих матеріалів, деформованих комбінованою пластичною деформацією зі зсувом.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі основні задачі:

- розробити уявлення щодо закономірностей формування структури, фізичних та механічних характеристик внаслідок реалізації процесів дисипації та релаксації енергії, обумовлених дією комбінації нормальних і зсувних напружень; провести аналіз енергетичних і кінетичних аспектів процесу перерозподілу енергії при пластичній деформації в умовах різного напруженого стану; розвинути модельні уявлення про механізми перерозподілу енергії на різних структурних рівнях (мікро-, мезо-, макро-) для металевих матеріалів, деформованих з комбінованою пластичною деформацією зі зсувом; визначити фізичні процеси, які забезпечують протікання процесів дисипації, і пов'язані з ними структурні зміни;

- вивчити фізичні закономірності і механізми еволюції структурного стану та характеристик міцності (у_т, у_в), пластичності (ц, ), електроопору (₀ / _i, с_i / с_min) при комбінованій пластичній деформації зі зсувом на прикладі одночасного крутіння і розтягування на модельному матеріалі (мідь М1) і матеріалах, які використовують у промисловості (композит Сu-Al, сталь 10);

- встановити залежність процесів цілеспрямованого формування структури і властивостей металів, сплавів і композитів (мідь М1, легований алюмінієвий сплав (2,28 % Mg, 0,3 % Si, 0,6 % Mn, 0,2 % Cu, 2,95 % Zn, решта Al), композит Сu-Cu₂0) від умов комбінованої пластичної деформації зі зсувом на прикладі гвинтового пресування;

- на основі розроблених теоретичних уявлень щодо фізичних процесів, які протікають при комбінованої пластичній деформації зі зсувом, сформулювати принципи використання таких схем для промислового застосування і розробити на їх основі нову технологічну схему прокатки зі зсувною деформацією для формування субмікрокристалічних матеріалів з підвищеним комплексом характеристик міцності та пластичності (у_Т, у_в, ц, );

- встановити вплив холодної прокатки зі зсувною деформацією на структуру і властивості металевих матеріалів (мідь М1, алюмінієвий сплав Д1, титан ВТ1-0); вивчити вплив гарячої прокатки зі зсувною деформацією на структуру і властивості промислових матеріалів Ст3, 30ХГСА, сталі 70;

- вивчити еволюцію структурного стану і властивостей металевих матеріалів (композит Сu-Cu₂0, легований алюмінієвий сплав вищевказаного складу, титан ВТ1-0, сталі 30ХГСА та 70), деформованих комбінованою пластичною деформацією зі зсувом під термічним і деформаційним впливом.

Об'єкт досліджень: процеси цілеспрямованої зміни структури, фізичних та механічних властивостей металевих матеріалів, деформованих комбінованою пластичною деформацією зі зсувом.

Предмет досліджень: встановлення фізичної природи механізмів формування структури, комплексу механічних характеристик металевих матеріалів, деформованих комбінованою пластичною деформацією зі зсувом (крутіння з розтягуванням, гвинтове пресування, прокатка зі зсувною деформацією), а також їх еволюція при подальших термічних та деформаційних впливах.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань і одержання основних результатів роботи використовували аналітичні методи дослідження процесів дисипації енергії при комбінованій пластичній деформації на емпіричній основі та на основі методів молекулярної динаміки; з метою встановлення еволюції структури і властивостей металевих матеріалів застосовували методи металографічного (Neophot-32, Axiovert-40MAT) і рентгеноструктурного аналізів (РКД, ДРОН-3), вимірювання твердості, мікротвердості (ПМТ-3), густини (SHIMADZU AX200), електричних і механічних властивостей (ИМАШ-20-75-2167З-50), аналізу тонкої структури з використанням мікроскопу JEM-2000GX, який працює на просвіт, аналіз розорієнтації границь виконували з використанням растрового електронного мікроскопу JSM-840A за методом дифракції зворотно відбитих електронів (EBSD-аналіз). Застосування комплексу сучасних апробованих теоретичних і експериментальних методів, добре узгодження між експериментальними і розрахунковими даними та з літературними даними, фізично обґрунтовані значення параметрів моделей забезпечують достовірність одержаних у роботі наукових результатів і висновків.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше на основі аналізу і узагальнення чисельних і експериментальних досліджень показано, що дисипація енергії в металевих матеріалах при комбінованої пластичної деформації зі зсувом приводить до конкурентного розвитку фрагментації та релаксаційних процесів; сформульовано необхідні умови для виникнення такого конкурентного розвитку: дисипація енергії деформації без руйнування матеріалу, можливість прикладення до матеріалу сил навантаження значної потужності, забезпечення одержання високих питомих (на одиницю маси) значень потужності, яка дисипується.

2. Вперше теоретично обґрунтовано і експериментально показано, що зниження границі текучості більш ніж у 2 рази у міді М1 та композиті Сu-Al, у напрямку дії напруження, що розтягує, зі збільшенням ступеню деформації під дією дотичної напруги при крутінні пов'язане з розвитком релаксаційних процесів, у тому числі з динамічною рекристалізацією.

3. Вперше показано, що чергування знаку деформації при використанні крутіння з розтягуванням, гвинтового пресування, холодної прокатки зі зсувною деформацією в досліджених матеріалах активізує не тільки часткову анігіляцію дефектів кристалічної будови, але і процеси релаксації в ході деформації (у тому числі і динамічну рекристалізацію), які здійснюються на різних структурних рівнях (мікро-, мезо-, макро-).

4. Вперше встановлено, що за умов чергування знаку деформації та підвищення її ступеню при використанні крутіння з розтягуванням, гвинтового пресування, холодної прокатки зі зсувною деформацією у досліджених матеріалах формується ізотропна структура змішаного типу, яка складається з фрагментованих та рекристалізованих зерен, що приводить до одержання високого рівня пластичності (ц, ) при високому рівні границі міцності у_в.

5. Вперше показано, що гаряча прокатка зі зсувною деформацією дає можливість одержати ізотропну, однорідну, субмікрокристалічну структуру сталі 70 та Ст3 з висококутовими межами і малою густиною дислокацій у тілі зерна, що приводить до одержання високого рівня запасу пластичності при збереженні високого рівня міцності.

6. Вперше встановлено, що особливості структури, сформованої пластичною деформацією зі зсувом, успадковуються при наступних деформаційних і термічних впливах; подальша холодна деформація металів супроводжується зростанням їх міцнісних властивостей більш ніж в 1,4 рази при високому рівні пластичних характеристик, що залишається.

Практичне значення одержаних результатів:

- одержані результати підтвердили можливість здійснення ефективного впливу на комплекс механічних характеристик металів та на структурний стан металів шляхом зміни параметрів комбінованої пластичної деформації зі зсувом, що може бути використано при виробництві конструкційних матеріалів;

- показано, що при застосуванні схем деформації з комбінацією нормальних і зсувних напружень полегшується процес пластичної течії під дією напружень, що розтягують, а зміна знаку зсувних напружень сприяє підвищенню пластичності;

- сформульовано умови використання комбінованої пластичної деформації зі зсувом для промислового виробництва з метою формування матеріалів з підвищеним комплексом міцнісних і пластичних характеристик;

- розроблено технологічну схему холодної прокатки зі зсувною деформацією, встановлено її вплив на структуру і властивості модельних і промислових матеріалів; показано, що сформована субмікрокристалічна структура відрізняється високим ступенем рівномірності, відсутністю анізотропії властивостей;

- в умовах ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» на станах ПС 250-3, МПС 150/250-6 впроваджена технологія гарячої прокатки зі зсувною деформацією, що дало можливість для мало- і високовуглецевих сталей зменшити розмір зерен більш, ніж в 1,5 рази в порівнянні з традиційною прокаткою, та підвищити ступінь однорідності і ізотропності структури;

- на основі порівняння рівня твердості, мікротвердості та кількісних параметрів мікроструктури у перетинах перпендикулярно та вздовж напрямку прокатки розроблена методика визначення оптимального структурного стану сталей після прокатки зі зсувною деформацією, який забезпечує в подальшому переробку холодним волочінням без додаткової термічної обробки;

- встановлено, що прокатана з використанням технології прокатки катанка забезпечує можливість одержання ступеню деформації при волочінні не менш 95% при виконанні всіх вимог до механічних властивостей дроту зі сталей Ст3, 30ХГСА, 70, що дає можливість переробляти катанку з вказаних марок сталей на дріт малих діаметрів без додаткової термічної обробки;

- з використанням технології прокатки зі зсувною деформацією в умовах ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» налагоджено виробництво високотехнологічного підкату зі сталі Ст3, 30ХГСА та ін. для подальшої переробки методом холодного волочіння без пом'якшуючої термічної обробки в умовах ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» та Запорізької дослідницької ділянки НВТ «Донікс»; економічний ефект за рахунок відмови від термічної обробки дроту становить 553 000 грн.

Особистий внесок здобувача. При підготовці й обробці результатів експериментів, формулюванні висновків, підготовці публікацій, при вирішенні науково-технічної проблеми щодо одержання підвищеного комплексу міцнісних та пластичних властивостей металів на основі встановлення умов направленої зміни структурного стану, фізичних властивостей та механічної поведінки металевих матеріалів, деформованих комбінованою пластичною деформацією зі зсувом внесок автора дисертації був визначальним. Під його керівництвом і при особистій його участі здійснювалася підготовка і розробка технологічної схеми прокатки зі зсувною деформацією (ПЗ) і досліджувався вплив холодної і гарячої ПЗ на структуру і комплекс механічних властивостей металевих матеріалів. Автор брав активну участь у проведенні експериментальних, дослідно-промислових і промислових прокаток, розробляв рекомендації для промислового впровадження результатів досліджень.

У роботах, виконаних зі співавторами, здобувачем особисто розвинуто теоретичні уявлення про вплив КПДЗ на структурні перетворення в металах; одержано експериментальні дані щодо особливостей формування структури і властивостей металевих матеріалів при дії крутіння з одночасним розтягуванням, прокатки зі зсувною деформацією, гвинтового пресування. Автором проведено дослідження із застосуванням: аналітичних методів дослідження процесів дисипації енергії, методик визначення механічних характеристик, методик аналізу процесів еволюції структури на мікро-, мезо-, макрорівнях. Узагальнені результати експериментальних досліджень використані здобувачем для розвитку теоретичних уявлень щодо проблеми дисертаційного дослідження.

Апробація роботи. Викладені у дисертаційній роботі наукові результати доповідалися й обговорювалися на таких міжнародних і вітчизняних конференціях, семінарах, школах: The 7-th European Conf. on Advanced Materials and Processes «EVRO MAT 2001» (Рим, Италия, 2001 г.); of the 5-th Intern. Conf. «Metallurgy, Refrectories and Environment» (Stara Lesna, Slovakia, 2002 г.); Международной конференции «Наука о материалах на рубеже веков: достижения и вызовы времени» (Киев, Украина, 2002 г.); 1-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва, Россия, 2002 г.); школе материаловедов-термистов «Проблемы физического металловедения перспективных материалов» (Екатеринбург, Россия, 2002 г.); оf the 2-nd International Conf. on «Nanomaterials by severe plastic deformation: NanoSPD2» (Вена, Австрия, 2002 г.); of the 11^th. International Metallurgical & Material Conference «Metal 2002» (Hradec nad Moravicе, Czech Rep.); Міжнародній науково-практичній конференції «Структурна релаксація у твердих тілах» (Вінниця, Україна, 2003 р.); of the NATO Advanced Research Workshop «Metallic materials high structural efficiency» (Киев, Украина, 2003 г.); of the 4-th International Conf. on «Material structure and micromechanics of fracture: MSMF-4» (Brno, Czec. Republic, 2004); 3-й Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, Россия, 2004 г.); 2-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва, Россия, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации - 2004» (Москва, Россия, 2004 г.); 3-м Международном научном семинаре «Наноструктурные материалы - 2004» (Минск, Беларусь, 2004 г.); конференции «Наноразмерные системы: электронное, атомное строение и свойства. НАНСИС» (Киев, Украина, 2004 г.); Advanced Research Workshop «Nanostructured materials by high-pressure sever plastic deformation» (Ukraine, Donetsk. 2004); 4-й Международной научно-технической конференции «ОТТОМ-6» (Харьков, Украина, 2005 г.); Международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы» (Киев, Украина, 2005 г.); of the Materials Science Forum (Fukuoka, Japan, 2006 г.); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, Россия, 2005 г.); 4-м Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, Россия, 2005 г.); Міжнародній конференції «Нанорозмірні системи. Будова-властивості-технології» НАНСИС (Київ, Україна, 2007 р.); Международной конференции «Высокие давления - 2008» (Судак, Украина, 2008 г.); Международной конференции «XVIII Петербургские чтения по проблемам прочности и роста кристаллов» (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); of the V International Conf. «2 International Symposium on Bulk nanostructured materials: from fundamentals ti innovation (BNM-2009)» (Ufa, Russia, 2009 г.); Международной конференции «HighMatTech» (Киев, Украина, 2009 г.); конференции «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов» (Россия, Москва, 2009 г.); XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, Россия, 2009 г.); 3-й Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2009) (Екатеринбург, Россия, 2009 г.); 5-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва, Россия, 2010 г.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у монографії, 24 статтях у фахових наукових журналах України і зарубіжжя, 10 статтях у збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, 10 тезах конференцій. За матеріалами дисертації одержано 2 патенти України. Без співавторів опублікована 1 монографія і 5 статей.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 8 розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 409 найменувань на 48 сторінках, 3 додатків. Повний обсяг роботи складає 391 сторінку, загальний обсяг дисертації складає 346 сторінок, включаючи текстовий матеріал, 34 таблиці та 109 рисунків (з них 21 на окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і визначено основні задачі, описано об'єкт і методи дослідження, викладено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів з визначенням особистого внеску автора.

У першому розділі «Огляд літератури і вибір напрямків досліджень» проаналізовано основні закономірності, які визначають формування і еволюцію мікроструктури в металевих матеріалах при пластичній деформації. Розглянуто характеристики комбінованої пластичної деформації зі зсувом, запропоновано класифікацію її типів. Систематизовано дані щодо впливу КПДЗ на фізико-механічні властивості металів. Наведено результати перших робіт, виконаних у Донецькому фізико-технічному інституті НАН України в напрямку використання КПДЗ для одержання матеріалів з високим рівнем міцнісних і пластичних характеристик.

Сформульовано основні задачі з вивчення процесів релаксації та дисипації енергії при КПДЗ і особливостей її впливу на формування й еволюцію дефектної структури в металах. Визначено задачі з розробки та вдосконалення заходів щодо одержання СМК-матеріалів із заданим рівнем властивостей при використанні КПДЗ.

У другому розділі «Загальна методика і основні методи дослідження» обґрунтовано вибір експериментальних методик і апаратури; статистичної обробки результатів з метою визначення похибок вимірювань; застосування декількох незалежних методів дослідження для оцінки однієї величини. Розглянуто загальну методику і основні методи теоретичних та експериментальних досліджень, що використовувалися в роботі.

Показано, що для вирішення поставленої проблеми був обраний енергетичний підхід. Він полягає в оцінці поглинання енергії, що приводить до накопичення пошкоджень у матеріалі, в результаті чого змінюються його фізико-механічні характеристики. Дослідження процесів поглинання енергії виконані шляхом оцінки роботи деформації при зміні схеми навантаження і ступеня деформації. Результати аналізу зіставлялися зі змінами структури та рівнем механічних властивостей. Обрана загальна методика дала можливість одержати результати, які визначили формулювання принципів для управління процесами структуроутворення в металевих матеріалах при КПДЗ, що дало змогу розробити практичні рекомендації.

У третьому розділі «Розробка феноменологічної моделі впливу комбінованої пластичної деформації зі зсувом на формування структури металевих матеріалів на різних структурних рівнях» розроблено феноменологічну модель впливу КПДЗ на формування структури металевих матеріалів на різних структурних рівнях. Проведено аналіз взаємозв'язку макроскопічного напруженого стану з елементарними механізмами пластичної деформації. У комп'ютерному і натурному експерименті виконано аналіз енергетичних і кінетичних аспектів процесу пластичної деформації в умовах різного напруженого стану при деформації розтягуванням та крутінням (простим зсувом). Вивчено процеси дисипації енергії і процеси накопичення пошкоджень у металевих матеріалах при поглинанні та розсіюванні енергії.

У табл. 1 наведено дані стосовно питомої роботи до руйнування технічно чистих міді М1 та заліза, яка виконувалася при різних видах навантаження. Результати свідчать про те, що при крутінні кількість енергії, що дисипується, більше в 2ч5 разів, у порівнянні з розтягуванням. Ця енергія буде витрачена на процеси генерації, пересування, взаємодію дефектів, підвищення тепловмісту та на релаксаційні процеси: повернення, полігонізацію, рекристалізацію, міжзеренну акомодацію деформації, тощо.

Для зіставлення величини роботи деформації й еквівалентного значення тепловмісту матеріалу (ентальпії) запропоновано визначити значення температури нагрівання, що відповідає тепловмісту (табл. 2):

T = Т₀ + A_d / (c),(1)

де T - еквівалентна температура; Т₀ - початкова температура тіла; A_d - питома робота деформації; c - питома теплоємність матеріалу; - густина матеріалу.

Для зіставлення густини дислокацій, сформованих при деформації, і величини роботи деформації, визначалось значення роботи, яка може бути витрачена на формування дислокацій:

,(2)

де - густина дислокацій; - структурний фактор; G - модуль зсуву; b -вектор Бюргерса. Для заліза - = 1; b = 2,810^-10 м; G = 80 ГПа.

Таблиця 1 Робота зовнішніх сил при різних видах навантаження, віднесена до одиниці маси матеріалу, який деформується

У табл. 2 наведено дані, з яких випливає, що при крутінні на підвищення теплоємності і утворення густини дислокацій (10¹⁶м^-2), що реально спостерігається, буде дисиповано суттєво менше енергії, ніж було її введено під час деформації.

Таблиця 2 Порівняльна оцінка питомої роботи деформації і зростання внутрішньої енергії за рахунок збільшення густини дислокацій і теплоємності при крутінні

Показано, що такі механізми, як підвищення густини дефектів і теплоємності матеріалу, що деформується крутінням, не можуть забезпечити повної дисипації роботи деформації, тому з енергетичної точки зору можлива активація процесів релаксації в ході самої деформації. Це дало можливість висунути припущення, що дисипація енергії у випадку деформації з крутінням (зсувом) може протікати за рахунок розвитку релаксаційних процесів, які знижують внутрішню енергію системи: повернення, полігонізації, рекристалізації, процесів міжзеренної акомодації деформації.

На мікро-, мезо-, макроструктурних рівнях ці процеси виявлятимуться при рості ступеню деформації як:

· зміна фізичних характеристик матеріалів, значення яких залежать від густини дефектів кристалічних ґратки;

· поява в структурі деформованого матеріалу рекристалізованих зерен безпосередньо в процесі деформації;

· уповільнення темпу деформаційного зміцнення або розвиток процесів знезміцнення матеріалу в цілому.

У той же час основна частка релаксаційних процесів буде визначатися процесами руху дислокацій і їх взаємодії під час подолання опору кристалічної ґратки. Середовище не можна вважати однорідним, тому що процеси взаємодії локалізуються в ділянках кристалічної ґратки, які знаходяться безпосередньо біля дислокацій, що рухаються. Сумарна кількість дислокацій в одиниці матеріалу V_d визначалась із такого співвідношення:

V_d = r² = 0,196 b² ,(3)

де - сумарна довжина дислокаційних ліній в одиниці об'єму (густина дислокацій).

З виразу (3) випливає, що навіть при високій (10¹³ ч 10¹⁴ м^-2) густини дислокацій об'єм, який вони займають, складає величину порядку 1,2 ч 12% від загального об'єму матеріалу. Таким чином, густина енергії в ділянках, де відбуватися її дисипація, суттєво вище, ніж витікає з моделі однорідного розподілу. При цьому у випадку навантаження крутінням імовірність активації вище, оскільки загальна величина питомої роботи деформації, яка дисипується в одиниці об'єму матеріалу, на порядок більше, ніж у випадку його розтягування. Тому при навантаженні крутінням локальне підвищення внутрішньої енергії системи виявляється достатнім для активації різних релаксаційних процесів.

Показано, що зростання граничної роботи зовнішніх сил до руйнування при крутінні, у порівнянні з розтягуванням, пояснюється не тільки включенням додаткових систем ковзання. Умови напруженого стану при крутінні сприяють створенню умов для розблокування дислокацій і зростання їх рухливості. У результаті протікання цих процесів проходить періодичне накопичення енергії і її скидання шляхом перебудови ансамблю дефектів у стан з підвищеною упорядкованістю.

Доведено, що у цьому випадку розвиток процесів релаксації відбувається завдяки сприянню активації неконсервативного руху дислокацій унаслідок їх розблокування. Виконано кількісну оцінку залежності швидкості розблокування для чистої міді:

,(4)

де - константа; - енергія активації; - добуток істинного об'єму активації на коефіцієнт перенапруження; -стала Больцмана, абсолютна температура, механічне напруження, відповідно.

Однак можливість реалізації процесів релаксації на практиці буде визначатися кінетичними умовами їх протікання. Для більшості класичних схем деформування темп зміцнення матеріалу достатній для повної дисипації роботи зовнішніх сил за рахунок реалізації звичайних механізмів, таких як накопичення дефектів, формування деформаційних дислокаційних структур, формозміна кристалітів, формування областей локалізованої деформації, тощо. Тому достатньої кількості енергії, необхідної для компенсації потенційного бар'єру неконсервативного руху, не залишається. До того ж збільшення потужності зовнішніх сил може привести до розвитку альтернативних механізмів дисипації (формування пор і мікротріщин), і тоді руйнування наступить раніше, ніж потужність стане достатньою для подолання потенціального бар'єру неконсервативного руху дислокацій при даній температурі. Таким чином, активація неконсервативного руху відбувається у випадку створення певних умов: забезпечення можливості прикладання до матеріалу зовнішніх сил значної потужності; низька імовірність реалізації дисипації енергії шляхом руйнування матеріалу; забезпечення одержання високих питомих значень дисипованої потужності.

На прикладі одночасного крутіння та розтягування показано, що в рамках запропонованих модельних уявлень можливе додержання вище перерахованих умов, що приведе до конкурентного розвитку фрагментаційних та релаксаційних процесів. Встановлено, що у випадку навантаження з крутінням реалізація релаксаційних процесів приведе до зміни співвідношення потенціальної енергії системи, величина якої корелює з енергією ґратки, і кінетичної енергії, що корелює з рухом дефектів. Для оцінки цих змін був використаний апарат молекулярної динаміки із застосуванням парного потенціалу Ленарда-Джонса:

_,(5)

де - відстань між частинками номерів та з декартовими координатами і ; , - відповідно енергія зв'язку і рівноважна відстань між частинками в двохатомній системі. Константи, які входять у вираз для потенціалу, і маса частинок у випадку для міді складають , , , часовий крок обраний .

Комп'ютерне моделювання дало можливість простежити за зміною потенціальної і кінетичної енергій системи при крутінні з розтягуванням і показало, що попереднє крутіння полегшує протікання пластичної деформації розтягуванням. При комбінуванні крутіння і розтягування пластична течія починається при меншому загальному запасі потенціальної енергії, ніж при розтягуванні. У зв'язку з цим, при КПДЗ для досягнення границі текучості потрібна менша робота зовнішніх сил, тому що крутіння сприяє активній перебудові структури за наявності нормальних напружень, які розтягують. Показано, що схеми комбінованої пластичної деформації з використанням зсуву більш ефективні в порівнянні зі схемами деформації без зсуву, оскільки при КПДЗ еволюційні процеси перебудови структури відбуваються при менших нормальних напруженнях або при меншій накопиченій деформації розтягуванням.

Четвертий розділ «Вплив комбінованої пластичної деформації зі зсувом на структуру і властивості металевих матеріалів» присвячено вивченню особливостей пластичної деформації металів під дією навантаження крутінням з розтягуванням. Вивчено структурну перебудову технічно чистої міді М1 та залізовуглецевого сплаву (сталі 10) та визначено рівень фізичних (₀ / _i, с_i / с_min) і механічних (_т, _в, ш) властивостей зразків досліджених матеріалів в умовах навантаження крутінням з розтягуванням. Показано, що в рамках запропонованих у розділі 3 модельних уявлень при навантаженні розтягуванням з крутінням здійснюється конкурентний розвиток фрагментації та релаксаційних процесів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Залежність _Т від кількості обертів N при РОК: 1, 2 - композит Cu-Al відпалений і невідпалений, відповідно; 3 - відпалена мідь М1.

Наприклад, на макрорівні досліджені матеріали при пластичній деформації розтягуванням і одночасним крутінням (РОК) демонструють зниження напружень, необхідних для досягнення границі текучості у порівнянні з крутінням без розтягування так, як це було передбачено у розділі 3. Встановлено, що при РОК міді М1 значення _т у напрямку дії напруження, що розтягує, знижуються більше, ніж у 2 рази (рис.1) зі збільшенням кількості обертів, тобто зі збільшенням ступеню деформації крутінням. На мезорівні в процесі деформації спостерігаються подрібнення, витягування зерен і їх поворот відносно осі дії напружень, які розтягують. Деформовані зерна розташовуються під кутом 35ч50⁰ до осі деформації, що пояснюється дією максимальних дотичних напружень по перетинах, нахилених під таким же кутом до осі зразка. Крім того, РОК приводить до загального подрібнення зерна з 50 мкм до 0.3ч0.5 мкм. Показано, що РОК приводить до формування структури міді змішаного типу, що складається з фрагментованих та рекристалізованих ділянок. РОК сприяє зміцненню матеріалу в середньому на 50.

Аналіз процесів накопичення дефектів (табл. 3) в умовах РОК показав, що температурний коефіцієнт електроопору міді нижче, ніж у випадку одноовісної деформації. Це пояснюється тим, що на мікрорівні при РОК відбувається не лише утворення дефектів, але й їх активна перебудова у стан підвищеної упорядкованості за рахунок здійснення релаксаційних процесів.

Аналогічні результати одержано також для сталі 10, зразки якої проявили високу пластичність, унаслідок конкурентного розвитку процесів фрагментації і релаксаційних процесів шляхом перебудови, впорядкування і анігіляції дефектів структури. Показано, що ефективність обробки РОК підвищується при формуванні структури матеріалу, що сприяє полегшеному руху дислокацій: відпаленої структури, або структури, яка містить малу кількість другої фази.

Таблиця 3 Порівняльна оцінка температурного коефіцієнта електроопору зразків міді М1 при крутінні з розтягуванням.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження еволюції структури і властивостей міді після розтягування та різнонаправленого крутіння (РРК) показало, що на мікрорівні при зміні напрямку крутіння відбувається взаємна анігіляція дефектів, що дає свій внесок у падіння рівня фізичних характеристик, зокрема температурного коефіцієнта електроопору (табл. 3).

Цей процес відбивається також на зміні відносної провідності ₀/_i (рис. 2) зразків міді М1 після РРК. У цьому випадку перебудова тонкої структури відбувається при менших ступенях деформації, ніж при РОК. Дані щодо зміни електроопору від ступеню деформації при РОК і РРК добре узгоджуються з даними щодо зміні мікротвердості, густини, розміру зерен міді М1. Ці зміни пояснюються почерговою зміною процесів утворення і анігіляції дефектів кристалічної будови.

На макрорівні еволюція дефектної структури також відбивається на механічних властивостях. Показано, що фізичні та механічні властивості в процесі РРК складним образом залежать від кількості обертів і напрямку крутіння. Встановлено, що зміна напрямку крутіння приводить до зниження границі текучості (рис. 3), а також до значної зміни відносного звуження (табл. 4). Зміни спостережуваних фізичних та механічних властивостей не можна пояснити тільки за рахунок анігіляції дефектів при зміні знаку деформації.

Рис.3. Вплив РОК (а) і РРК (б) на границю текучості _т () і границю міцності _в () зразків міді М1.

Підтверджено висновок, прогнозований у розділі 3, про те, що під час пластичної деформації при крутінні одночасно з розтягуванням фізичні характеристики матеріалів (₀ / _i, с_i / с_min) величина яких залежить від густини дефектів кристалічної ґратки, мають менші значення, ніж при порівнянних ступенях деформації без крутіння (розділ 3).

Таблиця 4 Відносне звуження зразків міді марки М1 після РРК

Встановлено, що при деформації за схемою РРК еволюція структури проходить під дією конкуруючих процесів подрібнення зерен і релаксаційних процесів. Зміна напрямку деформації стимулює розвиток рекристалізації у міді, та приводить до формування структури змішаного типу з фрагментованих та рекристалізованих зерен, що забезпечує високий рівень пластичних властивостей при збереженні значного рівня міцнісних характеристик.

Можливість конкурентного розвитку фрагментації та релаксаційних процесів при розвинутій КПДЗ дає можливість деформувати матеріал до великих ступенів деформації без руйнування, тому що ефективним шляхом дисипації енергії в цьому випадку є не утворення мікротріщин, а витрата енергії на підтримку процесів релаксації. Проведені дослідження дають змогу вибирати шляхи оптимального деформування з метою одержання СМК-структури.

П'ятий розділ «Закономірності формування структури і властивостей ОЦК і ГЦК металевих матеріалів при комбінованій холодній пластичній деформації зі зсувом» присвячено вивченню еволюції мікроструктури і властивостей міді, мідного і алюмінієвого сплавів при гвинтовому пресуванні (ГВП) та прокатці зі зсувною деформацією та оцінці впливу вихідного структурного стану на зміну структури і властивостей металів при ГВП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Показано, що основні зміни у міді М1 здійснюються на ранніх етапах деформації ГВП при е = 2,7. Встановлено, що при накопиченні деформації еволюція структури не має односпрямованого характеру, а проходить певні етапи (рис.4, 5).

Зі збільшенням ступеня деформації від у всьому об'ємі зразка спостерігали: утворення коміркової дислокаційної структури, систем мікродвійників, формування субзеренної структури і смуг деформації в окремих ділянках зразків. Фіксували смуги деформації товщиною 0,2 ч 0,5 мкм, субзерна із середнім розміром 0,3 мкм з підвищеною густиною дислокацій і рекристалізовані зерна. Смуги мали фрагментовану внутрішню структуру, виникнення якої обумовлено дією високих локальних напружень. У деяких зонах зразків спостерігали зони активної течії і ділянки з елементами так званої турбулентної локалізованої течії. Зі збільшенням інтенсивності деформації до е = 4.7 структура суттєво не змінювалась, але ставала більш однорідною: коміркова структура вже не фіксувалась, а формувалась структура змішаного типу з фрагментованих та мікрорекристалізованих зерен. При зростанні деформації до е = 6,7 рекристалізовані зерна знову залучалися у процес деформації. В них знову виникали фрагменти, котрі еволюціонували шляхом подрібнення і збільшення розорієнтацій. При досягненні критичної густини дефектів структура рекристалізувалася. У зразках, деформованих до е = 8.7, спостерігається проковзування по межах зерен. Подальша деформація до е = 12,7 сприяла продовженню структурної еволюції: мікрорекристалізована область знову фрагментувалася, але вже на більш дрібні ділянки, ніж на стадії, яка передує мікрорекристалізації.

Таким чином, показано, що багатоетапний процес мікрорекристалізації є суттєвим фактором при деформації в області низьких (< 0,2 Т_пл) температур. В умовах ГВП формується СМК ізотропна структура змішаного типу, яка характеризується наявністю великих рекристалізованих (D = 2000 ч 10000 нм), дрібних фрагментованих зерен (D = 250 ч 350 нм) та дрібних рекристалізованих (D = 250 ч 700 нм).

Для оцінки температурно-швидкісних умов на розвиток рекристалізації використовували параметр Холомона-Зінера:

Ln Z = ln e + ДH/(RT),(6)

де ДH = 107 кДж/моль - енергія активації зростання зерен у міді; R = 8,314 Дж/(Кмоль) - універсальна газова стала; T - температура деформації; e - істинна швидкість деформації, с^-1:

e = Де / Дt ,(7)

де е - інтенсивність деформації для гвинтової екструзії, t - час, за котрий досягається відповідне збільшення ступеня деформації: t = L / х_прес (L - довжина гвинтового каналу = 17 мм; х_прес = 2,7 мм/с - швидкість штока пресу).

Показано, що значення параметра Z при гвинтовому пресуванні міді при існуючих умовах експерименту (швидкості і температурі деформації, кута матриці) знаходяться в зоні розвитку часткової рекристалізації (38 < ln Z < 42). Такі мікроструктури змішаного типу дають змогу одержати високий рівень пластичних характеристик при збереженні значного рівня міцнісних властивостей. Особливості сформованої мікроструктури виявляються на рівні механічних властивостей: мідь після ГВП має одночасно високі значення міцнісних і пластичних характеристик (табл. 5). Для порівняння механічні властивості холоднотягнутого дроту: _в = 430 МПа, _т = 380 МПа, = 1,2%.

Показано, що для матеріалів на основі міді (композит Сu-Cu₂0) й алюмінію (2,28 % Mg, 0,3 % Si, 0,6 % Mn, 0,2 % Cu, 2,95 % Zn, решта Al), який характеризуються схильністю до старіння, більш ефективною, з погляду одержання матеріалу з підвищеними значеннями міцнісних властивостей і високим рівнем пластичних характеристик, може вважатися обробка ГВП, яка здійснюється після відпалу. Для ще більшого підвищення міцнісних характеристик доцільно виконувати подальші термічну (наприклад, старіння) та деформаційну обробки.

Важливим наслідком проведених експериментів з вивчення впливу комбінованого навантаження зі зсувом на прикладі ГВП міді є підтвердження висновку, зробленого в розділі 3 про те, що використання схеми з одночасним крутінням і розтягуванням (стиском), може приводити до розвитку активних релаксаційних процесів. Досягнення цього стану дало можливість сформувати у міді структуру змішаного характеру, яка утворюється завдяки конкурентному розвитку процесів фрагментації та рекристалізації, прогнозованими в розділі 3. Розширення теоретичних і модельних уявлень (розділи 3, 4) про природу формування властивостей металевих матеріалів у процесі КПДЗ дало підставу сформулювати принципи і розробити науково обґрунтований технологічний процес прокатки зі зсувною деформацією.

Порівняльний аналіз зміни структури і властивостей після використання стандартної (СТ) і експериментальної технології прокатки зі зсувом при холодній деформації міді М1 і алюмінієвого сплаву Д1 показав, що ПЗ дає можливість формувати дисперсну структуру без вираженої анізотропії властивостей у напрямку осі прокатки. Сформоване зерно хаотично орієнтоване в напрямку до осі деформації. Перевагою схеми є висока густина міді М1 і алюмінієвого сплаву Д1 і висока рівномірність механічних властивостей у поперечному і подовжньому перетинах, що пояснюється особливостями течії матеріалу під час ПЗ.

Таблиця 5 Механічні властивості зразків міді М1 після ГВП з різними ступенями деформації

При зростанні сумарної деформації мікротвердість, густина, середній розмір зерен, рентгенівські значення параметра кристалічної гратки, напівширина і інтенсивності ліній міді змінюються немонотонно, еволюція структури проходить кілька стадій. Показано, що особливості структури при ПЗ забезпечуються конкурентним протіканням фрагментації і рекристалізації в ході деформації. Зміни структури і властивостей міді М1 й алюмінієвого сплаву Д1 при використанні КПДЗ свідчать про те, що запропонована схема деформації ПЗ при порівнянних ступенях деформації з СТ-технологією приводить до більш швидкого розвитку процесів рекристалізації.

Таким чином, результати вивчення впливу холодної ПЗ на структуру і властивості металів аналогічні одержаним у модельних експериментах при крутінні з розтягуванням і гвинтовим пресуванням (розділ 4,5). Крім того, підтверджуються прогнозовані наслідки впливу комбінованої деформації з використанням простого зсуву на процеси структуроутворення (розділ 3).