Изучение структуры и механических свойств материалов после равноканального углового прессования
научный журнал «Актуальные исследования» #10 (13), май '20

Изучение структуры и механических свойств материалов после равноканального углового прессования

В статье рассматривается метод равноканального углового прессования как способ управления нано- или ультрамелкозернистой микроструктурой материалов.

Аннотация статьи
материал
измельчение зерна
размер зерна
РКУП
равноканальное угловое прессование
Ключевые слова

Производство и обработка ультрамелкозернистых и нанокристаллических материалов привлекают растущие научные и промышленные интересы в последнее десятилетие благодаря новым и привлекательным свойствам этих материалов [1]. Поликристаллические материалы могут быть классифицированы как нанокристаллические, если их размер зерна находится в диапазоне от 1 нм до 100 нм, как ультра-мелкозернистые, если средний размер зерна находится в диапазоне от 100 нм до 500 нм, как мелкозернистые, если размер зерна находится в диапазон 0,5–10 мкм и крупнозернистый, если размер зерна превышает 10 мкм [2].

Эти ультрамелкозернистые и нанокристаллические материалы имеют механические свойства, которые включают необычайно высокий предел текучести, высокую твердость, улучшенную ударную вязкость и пластичность при увеличении скорости деформации [1, 2, 3, 4]. Было обнаружено, что эти материалы демонстрируют очень разные микроструктуры и механические свойства по сравнению с их обычными крупнозернистыми поликристаллическими аналогами, а именно сверхмелкозернистые материалы имеют повышенную деформацию сверхпластичности при низкой и высокой скорости деформации [3].

Метод равноканального углового прессования.

Метод равноканального углового прессования (РКУП) является одним из наиболее часто используемых процессов тяжелой пластической деформации для управления нано- или ультрамелкозернистой микроструктурой. Он был разработан известным советским ученым В.М. Сигалом и его коллегами в 1980-х в Минске. Их целью при разработке процесса в то время была разработка процесса формования металла с высокой скоростью деформации.

С тех пор этот процесс претерпел значительные изменения и модернизацию в конструкции матрицы, маршрутах обработки и использовании других экспериментальных параметров.

Матрица состоит из двух каналов с одинаковыми прямоугольными сечениями, соединенными через пересечение под определенным углом, обычно 90° [5]. Поперечное сечение также может быть круглым или квадратным. Заготовка подвергается механической обработке для установки в канале и далее продавливается через два пересекающихся канала одинакового сечения с использованием плунжера. Механизм РКУП схематично представлен на рисунке 1. Одним из важных преимуществ процесса является то, что его можно повторять несколько раз без изменения размеров заготовки, а приложенное напряжение можно увеличить до любого уровня [6].

Рис. 1. Схема РКУП

Факторы, влияющие на измельчение зерна в РКУП

Наиболее значимым экспериментальным фактором является угол канала j, который влияет на измельчение зерна, поскольку он определяет общую деформацию, наложенную за каждый проход. В большинстве экспериментальных работ использовались значения угла канала от 90° до 120°, и было мало попыток сравнить результаты, полученные при использовании матриц с различными углами канала. Несмотря на эффективность процесса РКУП с матрицами, имеющими углы канала 90°, экспериментально легче прессовать заготовки при использовании матриц с углами, превышающими 90°, для очень твердых материалов или для материалов с низкой пластичностью [5].

Угол кривизны y обозначает внешнюю дугу, где две части канала пересекаются внутри матрицы. Наиболее перспективным подходом было создание матрицы с углом канала 90°, внешним углом кривизны 20° и отсутствием дуги кривизны во внутренней точке пересечения двух частей канала [2].

Обработка маршрутов

Изменяя ориентацию образца между последовательными нажатиями, можно создавать сложные микроструктуры и текстуры. Для достижения глубокого измельчения зерна (до наноразмеров) критически важна разработка оптимальных путей управления микроструктурой путем изменения ориентации после каждого прохода [7]. Три основных маршрута определены и используются для получения различных текстур и микроструктур:

  1. Маршрут А – это когда ориентация образца остается неизменной после каждого прохода.
  2. Маршрут B – это когда образец поворачивается на 90° вокруг своей продольной оси после каждого прохода. Если поворот всегда выполняется в одном и том же направлении, он называется маршрутом BA, а если направление вращения чередуется между против часовой стрелки и по часовой стрелке, он называется маршрутом BC.
  3. Маршрут С – это когда образец поворачивается на 180 ° вокруг своей оси после каждого прохода.

На рисунке 2 показаны все четыре маршрута (маршруты A, BA, BC и C) Различия между маршрутами A, B и C заключаются в направлении сдвига и ориентации плоскости сдвига. Некоторые из проведенных экспериментов показали, что маршрут B C является отличным способом обработки для получения равноосных ультратонких микроструктур [7].

Рис. 2. Маршруты прессования для РКУП

Этапы эволюции микроструктуры

Эволюция микроструктуры, как правило, проходит в четыре этапа, что видно на рисунке 3: а – исходное крупное зерно под напряжением сдвига, б – генерация дислокаций и образование дислокационных ячеек, в – самоорганизующееся выравнивание дислокационных стенок по плоскости скольжения дислокаций, г – сегментация через вторичное скольжение и возникновение микрополос.

Рис. 3. Схема процесса эволюции микроструктуры во время одного прохода РКУП

Свойства сверхмелкозернистых материалов после РКУП

Изучение структуры и механических свойств сталей, после РКУП, является актуальной проблемой материаловедения. Низкие пластические свойства, а также высокая вероятность хрупкого разрушения при прессовании делают процесс РКУП затруднительным.

Для успешного внедрения РКУП обычно используется ряд технологических методов, которые уменьшают вероятность брака, это:

  • повышение температуры прессования;
  • использование противодавления;
  • округление угла между каналами;
  • оптимизация давления и скорости прессования.

Усовершенствование зерна может быть достигнуто через РКУП для всех металлических и интерметаллических материалов. Пластическая деформация металлов вызывает измельчение зерна, что влияет на микроструктуру металла таким образом, что свойства материала становятся более уникальными [8]. Достаточно высокие степени деформации приводят к тому, что структуры на субмикрометровом уровне приближаются к нанометровому уровню. Микроструктура металлов и сплавов существенно влияет на прочность материала [9, 10]. Конечный размер зерна материалов зависит от материала и параметров обработки.

Механические свойства

Наблюдается, что ультратонкие гранулированные материалы, после РКУП, обладают хорошей твердостью и высокой прочностью. Также было отмечено, что при уменьшении размера зерна твердость обычно увеличивается (рис. 4).

Рис. 4. Схема изменения твердости, предела текучести при уменьшении размера зерна

С точки зрения предела текучести выражается как:

    (1)

где σ1 – внутреннее напряжение, препятствующее движению дислокации, Ky – коэффициент, связанный с проницаемостью границы зерна движению дислокаций, D – диаметр зерна [11]. В кристаллитах с размером d < 10 нм отсутствуют дислокации, а зернограничная фаза близка по структуре аморфной.

С точки зрения твердости выражается как:

   (2)

где H1 – твердость тела зерна, KH – коэффициент пропорциональности, D – диаметр зерна.

Рис. 5. Изображения микроструктуры стали 09Г2С после РКУП при различных увеличениях: а) ×2000, б) ×5000, в) ×10000. РЭМ

Материалы, производимые РКУП, также имеют высокую износостойкость и усталостную прочность и коррозионную стойкость.

Сверхпластичность

Сверхпластичность – это способность некоторых поликристаллических материалов проявлять очень большие деформации при растяжении без образования шейки или разрушения. По мере уменьшения размера зерна температура, при которой возникает сверхпластичность, уменьшается, а скорость деформации для возникновения сверхпластичности увеличивается. Такое явление часто наблюдается в ультрамелкозернистых и нанокристаллических металлах и сплавах при низких температурах и высоких скоростях деформации [12].

Текст статьи
  1. Gleiter H. Nanostructured materials: Basic concepts and microstructure. Acta Mater. 2001; 48:29.
  2. Valiev RZ. Paradoxes of severe plastic deformation. Adv Eng Mater. 2003;5(5):296-300.
  3. Kumar KS, Swygenhoven H, Suresh S. Mechanical behaviour of nanocrystalline metals and alloys. Acta Mater. 2003; 51:5743-5774.
  4. Langdon TG. Processing by severe plastic deformation: Historical developments and current impact. Materials Science Forum. 2011;667-669:9-14
  5. Nakashima K, Horita Z, Nemoto M, Langdon TG. Development of a multi-pass facility for equal-channel angular pressing to high total strains. Mater Sci Eng A. 2001;281(1-2):82-87.
  6. Iwahashi Y, Horita Z, Nemoto M, Langdon TG. The process of grain refinement in equal-channel angular pressing. Acta Mater. 1998; A382(1-2):30-34.
  7. Furukawa M, Horita Z, Nemoto M, Langdon TG. The use of severe plastic deformation for microstructural control. Mater Sci Eng A.
  8.  Lowe TC, Valiev RZ. The use of severe plastic deformation techniques in grain refinement. J Miner Metall Mater Soc. 2004;56(10):64-68.
  9. Gleiter H. Nanocrystalline materials. Prog Mater Sci. 1989;33(4):223-231
  10. Valiev RZ, Aleaxandrov IV, Zhu YT, Lowe TC. Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation. J Mater Res. 2002;7(1):5-8
  11. Carlton CE, Ferreira PJ. What is behind the inverse Hall-Petch effects in nanocrystalline materials? Acta Mater. 2007;55:3749.
  12. Yamashita A, Yamaguchi D, Horita Z, Langdon TG. Influence of pressing temperature on microstructural development in equal channel angular pressing. Mater Sci Eng A. 2000;287:100-106.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 17 октября по 31 октября
Осталось 7 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии
04 ноября
Загрузка в elibrary
04 ноября
Рассылка печатных экземпляров
06 ноября