5
19
19
20
20
28
33
35
35
37
37
46
54
54
57
66
72
74
74
74
75
Содержание:
Введение
Глава 1. Обзор проблемы и постановка задачи
1.1. Введение
1.2. Эволюция зеренной структуры при равноканально-угловом прессовании. Экспериментальные данные
1.2.1. Предел диспергирования
1.2.2. Влияние температуры на предел диспергирования
1.2.3. Влияние легирования на предел диспергирования
1.2.4. Влияние скорости деформации на предел диспергирования
1.2.5. Обобщение литературных данных по пределу диспергирования
1.3. Эволюция структуры в процессе отжига микрокристаллических материалов. Экспериментальные данные
1.3.1. Закономерности роста зерен
1.3.2. Характер роста зерен (бимодальное распределение зерен по размерам)
1.3.3. Влияние степени деформации на температуру начала рекристаллизации
1.3.4. Обобщение литературных данных по температуре начала рекристаллизации вмикрокристаллических металлах
1.4. Основные уравнения теории неравновесных границ зерен
1.5. Подходы к описанию миграции межзеренных границ
1.6. Постановка задач
Глава 2. Объекты и методики исследований
2.1. Введение
2.2. Металлография
2.3. Сканирующая зондовая микроскопия
3
2.3.1. Особенности исследования зеренной структуры микрокристаллических сплавов в состоянии после равноканально-углового прессования и рекристаллизационных отжигов
2.3.2. Рекомендации по приготовлению поверхности
микрокристаллических алюминиевых сплавов для 82
исследований методом атомно-силовой микроскопии
2.4. Описание объектов исследований 86
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 87
3.1. Введение 87
3.2. Предел диспергирования при равноканально-угловой деформации
3.2.1. Чистые металлы 88
3.2.2. Медные сплавы 91
3.2.3. Алюминиевые сплавы 93
3.2.4. Магниевые сплавы 98
3.2.5. Обобщение результатов 95
3.3. Предел диспергирования. Влияние температуры 97
3.3.1. Чистые металлы 97
3.3.2. Алюминиевые сплавы 98
3.3.3. Магниевые сплавы 99
3.4. Предел диспергирования. Влияние магния 102
3.5. Температура начала рекристаллизации. Влияние времени
103
выдержки
3.5.1. Зависимость размера зерна от температуры отжига 103
3.5.2. Аномальный характер роста зерен на II стадии 105
3.5.3. Нормальный характер роста зерен на III стадии 114
3.5.4. Обобщение результатов 115
3.6. Температура начала рекристаллизации. Влияние степени
117
предварительной равноканально-угловой деформации
120
120
121
124
124
124
125
125
126
128
128
129
130
132
132
135
135
135
136
137
139
141
144
145
156
Глава 4. Модель предела диспергирования в процессе интенсивной пластической деформации
4.1. Введение
4.2. Модель предела диспергирования зерен
4.3. Влияние температуры равнокапально-угловой деформации на предел диспергирования
4.3.1. Температурная зависимость предела диспергирования
4.3.2. Температурная зависимость скорости деформации
4.3.3. Температурная зависимость коэффициента Холла-Петча
4.3.4. Влияние деформационно-стимулированного роста зерен
4.4. Влияние легирующих элементов на предел диспергирования
4.5. Сопоставление с экспериментом
4.5.1. Чистые металлы
4.5.2. Сплавы Al-Mg-Sc-Zr
4.5.3. Сплав 5052 (А1-2.65%М§)
4.5.4. Магниевые сплавы
4.5.5. Сплавы А1-Мё-8с-2г. Влияние магния
Глава 5. Модель температуры начала рекристаллизации
деформации
5.1. Введение
5.2. Модель температуры начала рекристаллизации
5.2.1. Зародыш рекристаллизации
5.2.2. Модель температуры начала рекристаллизации
5.3. Влияние степени предварительной деформации
5.4. Сопоставление с экспериментом Основные результаты и выводы Литература
Список сокращений
Введение
5
В настоящее время разработка металлов и сплавов с микрокристаллической (МК) структурой являются одним из перспективных направлений развития науки и техники. Особый интерес у исследователей вызывают МК металлы, полученные с использованием методов интенсивного пластического деформирования [1-4] - равноканально-углового прессования (РКУП), кручения под квазигидростатическим давлением, винтовой экструзии и др.
РКУП является одним из наиболее перспективных способов формирования микрокристаллической структуры в металлических материалах без изменения формы заготовки.
Технология РКУП являясь универсальной технологией обработки металлов давлением, представляет весьма широкие возможности для управлениями параметрами и режимами деформации - и, соответственно, структурой материалов [85]. Изменяя уровень деформации за цикл, скорость и температуру деформации, а также варьируя число циклов и режимы кантовок можно управлять зеренной и дислокационной структурой, а также морфологической и кристаллографической текстурой материала [85, 26]. Описать даже в общих чертах все возможное многообразие структур, которое можно получить с помощью РКУП не представляется возможным. В настоящей работе в качестве объекта исследования выбран один из типов получаемых методом РКУП материалов - материалы с микрокристаллической (МК) структурой, которые далее мы будем называть МК-РКУП материалы или, для краткости, - МК материалы.
Модели, которые используются в дальнейшем для описания процессов деформирования, эволюции структуры и анализа свойств МК материалов — это модели, написанные на языке теории дефектов.
Специфика МК-РКУП материалов с точки зрения теории дефектов состоит в том, что основные процессы контролирующие их поведение и свойства разворачиваются не в кристаллической решетке (зернах), как это
6
происходит в обычных материалах, а на границах зерен. И основным типом дефектов в МК материалах, определяющим характер протекания этих процессов являются не дислокации и вакансии (как в обычных материалах), а внутренние границы раздела. При этом ключевые особенности протекания зернограничных процессов обусловлены взаимодействием границ зерен с попадающими в них из решетки дислокациями и точечными дефектами. Поскольку в классической теории дефектов методы описания такого взаимодействия, а также методы описания границ, взаимодействующих с другими дефектами, развиты еще недостаточно, для моделирования этих процессов мы используем оригинальные подходы, развитые нами в теории неравновесных границ зерен [1, 66] и вкратце описанные в главе 1.
Как уже было отмечено, основой уникальности структуры получаемых МК материалов являются неравновесное состояние границ зерен [1] и малый (100-300 нм) размер зерна [2-4].
Нсравновесность границ зерен связана с накоплением в них дефектов и формируется в результате взаимодействия границ зерен с решеточными дислокациями в процессе пластической деформации, либо при миграции границы зерна через деформированную матрицу. Неравновесное состояние границ характеризуется их повышенным, относительно обычного состояния, свободным объемом. Изменение свободного объема приводит к изменению диффузионных характеристик и подвижности границ зерен [1]. Следует также отметить, что формирование при РКУП мелкозернистой структуры, приводит к существенному повышению механических характеристик и формированию комплекса уникальных физико-механических свойств (эффект низкотемпературной и высокоскоростной сверхпластичности, эффект одновременного повышения прочности и пластичности при комнатной температуре и др.), выделяющие МК-РКУП материалы в отдельный класс конструкционных материалов с уникальными эксплуатационными свойствами.
Вместе с тем на пути широкого использования и внедрения МК-РКУП материалов в промышленности стоит ряд проблем.
7
Первая проблема - это вопрос о предельном измельчении зерен металлов и сплавов при интенсивном пластическом деформировании.
В настоящее время основные практические приложения МК-РКУП материалов связаны с их уникально высокими прочностными и пластическими характеристиками - прочность сплавов с НМК структурой в 3-ИО раз выше, чем для сплавов с обычной крупнозернистой структурой, а при повышенных температурах МК сплавы обнаруживают эффект высокоскоростной сверхпластичности, дающий ключ, в частности, к изготовлению изделий сложной формы в промышленных условиях без привлечения таких дополнительных технологических операций, как сварка и т.д.
Традиционно предполагается, что для получения высокопрочного состояния необходимо максимально измельчить зеренную структуру (уменьшить размер зерна с1), что позволит, в силу действия соотношения Холла-Петча добиться максимального значения предела текучести и предела прочности материала.
Аналогичный подход доминирует и в вопросе о сверхпластичности -предполагается, что в силу обратной квадратичной зависимости оптимальной скорости деформации от размера зерна, для обеспечения максимальной пластичности сплава также необходимо добиться минимально возможного размера зерна [65, 102-103].
В связи с этим многими исследователями предлагается для достижениями максимальных прочностных и пластических свойств разрабатывать режимы термомеханической обработки материалов, направленные на формирование в металле структуры с минимально возможным размером зерна. Для продвижения по этому пути затрачиваются большие усилия. Разрабатываются специальные довольно сложные и дорогостоящие технолопги порошковой металлургии, специальные технологии деформационного измельчения зеренной структуры и т.д. [26, 104-105].
В настоящее время с помощью этих технологий удалось получить новые материалы проявляющие довольно высокие прочностные и сверхпласттгческие свойства. Вместе с тем, как показывает анализ экспериментальных результатов,
наиболее убедительные результаты и в области прочности и в области сверх пластичности достигнуты в материалах с зерном микронного размера. Мелкозернистые и, что особенно важно, нанокристалл ические материалы не обнаруживают ожидаемого повышения сверхпластических свойств. Напротив, сверхпластические свойства материалов с микронным зерном во многих случаях оказываются значительно выше, чем сверхпласти ческие свойства нанокристаллических сплавов [28, 46, 106-111].
Аналогичная ситуация имеет место и в проблеме обеспечения высоких прочностных характеристик материалов — исследования показывают, что начиная с некоторого «критического» размера зерна соотношение Холла-Петча перестает выполняться и при дальнейшем измельчении зеренной структуры прочность материалов начинает монотонно уменьшаться.
Таким образом, при постановке проблемы об обеспечении комплекса высоких прочностных и пластических свойств материалов традиционную задачу об исследовании возможности формирования в материалах нано- и микрокристаллической структуры следует переформулировать как задачу поиска оптимальных параметров зеренной структуры материала, обеспечивающих максимальные прочностные и сверхпластические свойства сплава. Решение этой задачи требует привлечения новых подходов к описанию закономерностей поведения этих сплавов и разработке новых методов расчета их структуры и, в частности, разработке новых теоретических подходов к описанию процессов эволюции зеренной структуры в процессе интенсивного пластического деформирования, решение задачи о природе минимального размера зерна, достигаемого в металлах и сплавах при интенсивной пластической деформации, а также о разработке способов управления параметрами зеренной структуры МК металлов.
Другой основной проблемой, стоящей на пути широкого использования МК материалов является нестабильность их структуры. В чистых МК металлах наблюдается относительно низкая температура рекристаллизации [2-4] и существенная неоднородность роста зерна при температурах, близких к
9
температуре рекристаллизации. Быстрый рост зерен при нагреве приводит к потере уникальных физико-механических свойств материала.
В последние годы изучению формирования МК структуры в процессе РКУП и ее эволюции в процессе последующего отжига посвящено большое количество работ и получен целый ряд интересных экспериментальных результатов. Однако теоретические модели, объясняющие закономерности формирования и последующей эволюции структуры МК материалов при нагреве развиты еще недостаточно.
Цель работы
Экспериментальное и теоретическое исследование предела измельчения зерен в процессе РКУП и изучение термической стабильности сформированной МК структуры.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Экспериментальное исследование особенностей формируемой при РКУП МК структуры сплавов на основе алюминия и магния и описание зависимости параметров этой структуры от температуры и скорости деформации, а также содержания легирующих элементов.
2. Построение модели, позволяющей рассчитывать параметры формируемой в процессе РКУП зеренной структуры металлов и сплавов.
3. Экспериментальное исследование температуры начала рекристаллизации и кинетики роста зерен в МК меди и никеле, полученных методом РКУП.
4. Построение модели рекристаллизации, объясняющей немонотонный характер зависимости температуры начала рекристаллизации (ТНР) в чистых металлах от степени деформации при РКУП.
10
Научная новизна результатов:
1. Проведены систематические исследования влияния температуры, а также влияния легирующих элементов на предельный размер зерна, формирующийся при равноканалыю-угловом прессовании.
2. Впервые построена модель, позволяющая рассчитывать предел диспергирования зерен при интенсивной пластической деформации и описывающая его зависимость от температуры и скорости деформации, а также позволяющая оценить влияние концентрации легирующих элементов.
3. Изучены закономерности аномального роста зерен при отжиге МК никеля и меди. Определены зависимости размера зерна от времени и температуры отжига, а также зависимость температуры начала
рекристаллизации от степени предварительной деформации.
4. Впервые построена модель температуры начала рекристаллизации в МК материалах, объясняющая немонотонную зависимость ТНР от степени предварительной деформации.
Научная и практическая значимость работы
1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований предела диспергирования делают возможным прогнозирование размера зерна, получаемого методом РКУП при заданных параметрах режима деформации. На их основе становится возможным подбор режимов получения материала с заданными характеристиками зеренной структуры.
2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований температуры начала рекристаллизации позволяют прогнозировать изменения зеренной структуры в процессе отжига МК металлов и сплавов и открывают новые подходы к решению проблем стабилизации зеренной МК структуры и расчетам температурных интервалов надежной эксплуатации МК металлов и сплавов.
11
Достоверность полученных результатов
Достоверность экспериментальных результатов, представленных в работе, подтверждается их воспроизводимостью при заданных условиях эксперимента и сравнением с экспериментальными данными других авторов. Достоверность моделей предела диспергирования и температуры начала рекристаллизации подтверждается сопоставлением с экспериментом. Получено хорошее соответствие между экспериментальными данными и результатами расчетов.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных исследований измельчения зеренной структу ры сплавов на основе алюминия и магния при различных температурах РКУП, а также при различном содержании легирующих элементов.
2. Результаты экспериментальных исследований эволюции зеренной структуры меди М1 и никеля НП-1 после различного числа циклов РКУП при различных временах и температурах отжига.
3. Модель предела диспергирования в металлах и сплавах, позволяющая вычислять размер зерна, формируемый при заданных параметрах РКУП.
4. Модель контролируемой возвратом рекристаллизации в МК металлах и сплавах, полученных методом РКУП, позволяющая объяснить закономерности зависимости ТНР от степени предварительной деформации.
Структура работы
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.
Во Введении обоснованы актуальность темы и выбор объектов исследования, сформулированы цель и задачи работы.
В первой главе сделан обзор публикаций по проблеме формировании микрокристаллической структуры в металлах и сплавах при РКУП, а таюке процессах ее эволюции при отжиге МК-РКУП металлов и сплавов.
В п. 1.2 рассмотрены работы, посвященные изучению предела диспергирования, и, в первую очередь - результаты экспериментальных исследований, в которых демонстрируется наличие предела диспергирования.
12
Проведен анализ влияния температуры и скорости деформации, а также легирования на величину предела диспергирования при заданной температуре. В п. 1.3 проведен обзор работ, посвященных экспериментальному исследованию процессов рекристаллизации МК-РКУП материалов.
В п. 1.4-1.5 главы 1 рассмотрены основные уравнения теории неравновесных границ зерен, используемой в дальнейшем при разработке моделей, описывающих особенности эволюции струкгуры металлов и сплавов при РКУП и последующем отжиге. Приведены уравнения, описывающие эволюцию дефектной структуры границ зерен в процессе деформации и отжига.
Вторая глава посвящена описанию объектов исследования и экспериментальных методик исследования структуры МК-РКУП материалов.
В п. 2.2 описана методика исследования структуры методом оптической металлографии. Описаны основные этапы пробоподготовки и реактивы для выявления структуры. В п. 2.3 диссертации описаны основные результаты отработки методики исследования структуры МК алюминиевых сплавов методом атомно-силовой микроскопии.
В качестве объектов исследования в работе используются МК металлы технической чистоты (медь, никель, железо, алюминий), а также модельные и промышленные сплав ы на основе алюминия (легированного магнием, скандием, цирконием - модельные сплавы системы А1-М§-8с-2г с различным содержанием легирующих элементов) и магния (легированного алюминием и цинком - промышленные сплавы МА2-1, МА-14, А2-91).
МК структура формировалась методом РКУП за различное число проходов в заготовках размером 14x14x160 мм. Число циклов РКУП варьировалось от N=1 до N=16. Температура РКУП варьировалась от комнатной до 380 °С. РКУП осуществлялось в инструменте с углом пересечения рабочего и выходного каналов 2Ф=л/2. Заготовка на каждом цикле поворачивается на угол я/2 вокруг своей продольной оси (режим Вс). Скорость деформирования составляла 0.4 мм/с. Скорость деформации не превышала 1 с'1.
13
Для исследования микроструктуры использовался оптический микроскоп «Leica DM IRM», универсальный воздушный АСМ/СТМ микроскоп «Accurex-2100» (зеренная структура изучалась в контактном режиме (Contact Mode)) и растровый электронный микроскоп Jeol JSM-6490 с рентгеновским микроанализатором INCA 350.
Для исследования термической стабильности МК структуры, после РКУП образцы разрезались и отжигались при температурах в интервале 373-J-773 К с длительностью выдержек от 5 мин до 10 часов. Отжиги образцов проводились в воздушной печи типа «CHOJI». Температура отжига контролировалась с точностью 2ч-3 К. Охлаждение образцов проводилось в воде. Длительность отжига контролировалась с точностью ±10 с.
В третьей главе диссертации описаны результаты экспериментальных исследований.
В п.3.2, описано влияние температуры РКУП на минимальный размер зерна (величину предела диспергирования) получаемых МК материалов. Показано, что минимальный размер зерна возрастает с увеличением температуры РКУП. В п.3.3, описано влияние легирующих элементов (магния) на величину предела диспергирования алюминиевых сплавов, полученных методом РКУП. Установлено, что наблюдается уменьшение предельного размера зерна с увеличением концентрации магния.
В п.3.4, представлены результаты исследований влияния температуры отжига на структуру МК материалов. Показано, что в процессе рекристаллизации наблюдается бимодальное распределение зерен по размерам. Установлено, что зависимость размера зерна от времени отжига носит аномальный характер (наблюдается экспоненциальный характер зависимости среднего размера зерна от времени отжига). Приведены данные о температуре начала рекристаллизации (ТНР) для МК металлов. Показано (см. п.3.5), что зависимость ТНР от степени РКУ-деформации имеет немонотонный характер.
- Київ+380960830922