Методы интенсивной пластической деформации и формирование наноструктур

Исследование влияния интенсивной пластической деформации на физические и механические свойства материалов

Цель работы – ознакомиться с влиянием интенсивной пластической деформации на физические и механические свойства материалов.

Введение.

Большой интерес вызывает получение наноструктурных материалов методами интенсивной пластической деформации (ИПД), т. е. большими деформациями в условиях высоких приложенных давлений. В основе методов интенсивных пластических деформаций лежит сильное измельчение микроструктуры в металлах и сплавах до наноразмеров за счет больших деформаций. При разработке этих методов существует несколько требований для получения объемных наноматериалов. Во-первых, важность формирования ультрамелкозернистых структур, имеющих большеугловые границы зерен, поскольку именно в этом случае качественно изменяются свойства 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.

Методы интенсивной пластической деформации и формирование наноструктур

Возможность получения объемных наноструктурных металлов и сплавов осуществляется двумя методами интенсивных пластических деформаций – кручение под высоким давлением (интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК)) и равноканальное угловое прессование (РКУП) (рис. 1.1).

Конструкция установки деформации кручением (рис. 1.1, а) под высоким давлением основана на принципе наковален Бриджмена, где образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением Р в несколько гигапаскалей, затем прилагается деформация с очень большими степенями (10 и более). Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Геометрическая форма образцов такова, что основной объем материала деформируется в условиях гидростатического сжатия, в результате чего образцы не разрушаются. Полученные таким образом образцы имеют форму дисков диаметром 10...20 мм и толщиной 0, 2...0, 5 мм. Хотя их структура измельчается уже после деформации на половину оборота, но для формирования однородной ультрамелкозернистой структуры необходима деформация в несколько оборотов. При этом средний размер зерен в полученных образцах, как правило, составляет 100...200 мкм (рис. 1.2, а). Однако конечный размер зерен в структуре зависит от условий интенсивной деформации – величины приложенного давления, температуры, скорости деформации, а также вида исследуемого материала.

Рис. 1.1. Схема методов интенсивной пластической деформации: а – метод кручения под высоким давлением; б – метод равноканального углового прессования; 1 – пуансон; 2 – образец; 3 – суппорт; 4 – заготовка [1]

Рис. 1.2. Электронно-микроскопические изображения наноструктур меди:

а – метод кручения под высоким давлением;

б – метод равноканального углового прессования [1]

Если в процессе ИПДК не происходит истечения материала образца из полости, толщина диска остается постоянной, и истинная деформация кручением γ определяется как [2]:

γ = (r/h)j, (1.1)

где r – расстояние от центра диска, j – угол кручения в радианах, а h – толщина образца. Для сравнения с другими методами ИПД, истинная эквивалентная деформация ε может быть рассчитана, используя соотношение [2]:

ε = (l/ a)γ, (1.2)

где коэффициент a либо принимает значения из критерия пластического течения (где a = по Мизесу) или из теории Тейлора для поликристаллов (где а = 1, 65, для безтекстурных металлов с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой, понижается до более низких значений при непрерывной деформации).

Для получения массивных наноструктурных материалов используется другой метод, основанный также на деформации сдвигом, – равноканальное угловое прессование, при реализации которого заготовка неоднократно продавливается в специальной оснастке через два пересекающихся канала с одинаковыми поперечными сечениями при комнатной или повышенной температурах, в зависимости от деформируемости материала. При наиболее часто используемых углах j = 90 °, каждый проход соответствует истинной степени деформации, примерно равной 1. Для формирования наноструктур весьма важными являются не только число проходов, но и направления прохода через каналы, в зависимости от которых различают несколько маршрутов равноканального углового прессования [3]. Важным фактором для данного метода является сохранение целостности получаемых образцов даже для малопластичных материалов. Реализация данного метода может обеспечить формирование ультрамелкозернистой структуры со средним размером зерен от 200 нм до 500 нм (рис. 1.2, б)

В последние годы равноканальное угловое прессование явилось объектом многочисленных исследований в связи с возможностями практического использования объемных наноструктурных металлов и сплавов. Последние разработки направлены на увеличение геометрических размеров образцов и заготовок диаметром до 60 мм и длиной до 200 мм (рис. 1.3), получение длинномерных заготовок, формирование наноструктур в труднодеформируемых и малопластичных металлах и сплавах.

Рис. 1.3. Объемные заготовки наноструктурного титана [1]

Исследовано влияние ИПДК под высоким давлением сплавов R-Fe-B различного состава. При интенсивной пластической деформации кручением основная фаза R₂Fe₁₄B измельчается до нанометровых размеров, а затем распадается на аморфную фазу и нанокристаллическую фазу a-Fe с размером зерен d = 10...15 нм. Отжиг деформированных образцов при температурах 500...700 °С приводит к обратной кристаллизации фазы R₂Fe₁₄B из продуктов распада с формированием высококоэрцитивной нанокристаллической структуры. Интенсивной пластической деформации был подвергнут аморфный быстрозакаленный сплав состава Nd₂Fe₁₄B. Обнаружено, что в этом случае из аморфной фазы выделилась фаза a-Fe. Интенсивные пластические деформации кручением формируют в исходном аморфном и исходном крупнозернистом сплавах схожие структурные состояния.

Метод интенсивных пластических деформаций кручением позволяет получить только малые дисковые образцы толщиной около 0, 1 мм и диаметром 10 мм, тогда как метод равноканального углового прессования позволяет получать массивные образцы.

Исходным материалом для равноканального углового прессования служили предварительно гомогенизированные при 1000 °С слитки сплавов , где х = 16...20. Диаметр исходных слитков был 13 мм, длина – 110 мм. Для предотвращения окисления при горячем равноканальном угловом прессовании слитки помещались в металлические оболочки. Варьировались температура T_р, количество циклов от 1 до 3, угол j оснастки составлял 110° [1].

Даже один цикл равноканального углового прессования при j = 110 ° приводит к измельчению зерна сплава Pr₂₀Fe₇₃B_{5, 5}Cu_{1, 5} более чем в пять раз относительно исходного размера — до d_cp = 5...7 мкм. Понижение Т_р до 600 °С, увеличение количества циклов приводят к дальнейшему уменьшению размера зерна сплава до d_cp – 3 мкм. Наибольшее значение коэрцитивной силы до 1, 5 МА/м (18, 25 кЭ) в сплаве Pr₂₀Fe₇₃B_{5, 5}Cu_{1, 5} достигнуто при трех циклах равноканального углового прессования при Т_р = 600 °С.

Измерения показали, что в результате равноканального углового прессования формируется некоторая текстура вдоль одного из диаметров образца-цилиндра. Равноканальное угловое прессование позволяет измельчить зерно в различных металлах и сплавах до d = 1...0, 5 мкм, и возможно, в перспективе удастся еще сильнее измельчить и структуру сплавов R – Fe – В, и еще более повысить их гистерезисные характеристики. Этим методом возможно получение заготовок большого масштаба. Уже сейчас имеется оснастка и опыт получения образцов Ti диаметром до 60 мм длиной до 200 мм.

Эквивалентная деформация ε, реализуемая в процессе РКУП, определяется соотношением, включающим угол сопряжения между двумя каналами Φ, и углом, представляющим собой внешний радиус сопряжения, где пересекаются две части канала Ψ. Это соотношение выглядит следующим образом [2]:

ε = (N/ )[2ctg{(Φ /2)+(Ψ /2) +Ψ cosec{(Φ /2)+(Ψ /2)}], (1.3)

где N – число циклов прессования.

Чаще всего, каждый проход придает обрабатываемой заготовке дополнительную ε величиной 1 – 1, 16.