Нанотехнологии в металлургии
жүктеу/скачать 0.95 Mb.
|
Рисунок 4.4 - Схема однородного напряженного состояния (а) и соответствующие ему кинематические состояния чистого (б) и простого (в) сдвига
Еще одна особенность простого сдвига — направленность пространственного развития деформации, определяемая одной системой линий скольжения. В результате существует возможность управления процессами структурообразования и получения материалов с требуемой анизотропией свойств. Таким образом, простой сдвиг можно считать оптимальной схемой пл асти чес кого стру кгу рообразо ван ия. Для осуществления больших пластических деформаций можно использовать и традиционные процессы обработки давлением: прокатку, волочение, прессование и др. В таблице 4.2 представлены сравнительные характеристики деформационных методов интенсивной холодной деформации. Рассмотрим основные требования к методам интенсивной пластической деформации, которые следует учитывать при создании наноструктур в объемных образцах и заготовках. Во-первых, для получения ультрамелкозернистых структур необходимо обеспечить формирование большеугловых границ зерен, поскольку именно в этом случае происходит качественное изменение свойств материалов. Во- вторых, надо обеспечить однородность наноструктурного состояния по всему объему образца для обеспечения стабильности свойств полученных заготовок (деталей). Эти требования не могут быть реализованы путем использования традиционных методов обработки металлов давлением, таких как обычная прокатка, вытяжка или экструзия. Для формирования наноструктур в объемных образцах чаще всего используют специальные схемы деформирования, позволяющие достичь больших деформаций материалов при относительно низких температурах, а также определяют оптимальные режимы обработки. Таблица 4.2 - Виды интенсивной холодной деформации и формируемой при их применении микроструктуры ___
МФ, СМК, НК — образование малоугловых фрагментов, субмикрокристаллических или нанокристаллических зерен. К настоящему времени большинство результатов получено с использованием двух методов ИПД — кручения под высоким давлением и РКУ-прессования. В последние годы появились сведения об использовании нетрадиционных методов прокатки для получения подобных структур в некоторых сталях и сплавах. Деформация кручением Принципиально важным моментом явились доказательства формирования наноструктур с неравновесными большеугловыми границами зерен при использовании интенсивной деформации кручением, что позволило рассматривать этот метод как новый способ получения наноструктурных материалов. Рассмотрим механические аспекты интенсивной деформации кручением. При деформации кручением под высоким давлением (рисунок 4.5) полученные образцы имеют форму дисков. Заготопка Рисунок 4.5 - Деформация кручением под высоким давлением При этом образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением в несколько ГПа. Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Геометрическая форма образца такова, что основной объем материала деформируется в условиях квазигидростатического сжатия внешних слоев образца. В результате деформируемый образец, несмотря на большие степени деформации, не разрушается. Для расчета степени деформации при реализации схемы кручения под высоким давлением применяются различные соотношения. Так, для расчета истинной логарифмической степени деформации использовали формулу е = (9г/1) , (10) где 9 — угол вращения в радианах; г — радиус; / — толщина диска, соответственно. Данная формула аналогична соотношению, используемому при расчетах истинной степени деформации образцов, подвергнутых растяжению. Однако если в случае растяжения эта формула имеет физическое обоснование, то оно отсутствует в случае кручения. В частности, согласно этому соотношению, при кручении под давлением логарифмическая степень деформации по периметру типичных образцов диаметром 20 мм и толщиной 1 мм составляет 6, а по периметру образцов диаметром 10 мм и толщиной 0,2 мм — 7. В то же время в центре этих образцов она равна нулю. Между гем, как показывают результаты многочисленных исследований, в ходе реализации данной схемы ИПД в центральной части образцов после нескольких оборотов структура также измельчается и является обычно однородной по радиусу образцов. Эго подтверждается и результатами обнаружения близких значений микротвердости в различных точках, как в центре, так и на периферии деформированных образцов. Большие степени деформации образцов при кручении под высоким давлением достигаются путем сдвиговой деформации в результате изменения угла поворота нижнего бойка. В связи с этим при расчете степени деформации в данном методе часто также используют формулу, применяемую в случае обычного деформирования кручением для расчета степени сдвиговой деформации на расстоянии R от оси образца в форме диска. Л (П) у = 2ж R — здесь N — число оборотов, / —толщина образца. Для сопоставления степени сдвиговой деформации при кручении со степенью деформации при других схемах деформирования первую обычно преобразуют в так называемую эквивалентную деформацию ewe. Согласно критерию Мизеса, £зкв ~ (12) Относительно уравнения (11) справедливы два замечания: расчеты с помощью данного уравнения приводят к выводу о том, что величина деформации должна изменяться линейно от нуля в центре образца до максимального значения на концах его диаметра, однако на самом деле это, как отмечалось выше, экспериментально часто не наблюдается; в процессе деформации исходная толщина образца под воздействием высокого сжимающего давления уменьшается примерно в 2 раза, поэтому использование, как это обычно делается, в качестве / исходной толщины образца занижает рассчитанные значения величины деформации по сравнению с истинными значениями. Оба эти замечания свидетельствуют, что величины деформации, рассчитанные с помощью указанных выше уравнений, лишь примерно равны реальным степеням деформации. Более того, формирование наноструктуры при ИПД происходит под действием не только внешних, но и внутренних напряжений. Вместе с тем, между величиной последних и истинными деформациями нет жесткой связи. Подтверждением этого является формирование обычно однородной структуры по диаметру образцов, подвергнутых ИПД кручением, хотя в соответствии с выражениями (10) и (11) в центре образцов не должно происходить существенного измельчения микроструктуры. В связи с этим при исследовании процессов эволюции микроструктуры в ходе ИПД кручением часто более правильно рассматривать число оборотов, а не величину деформации, рассчитанную с помощью аналитических выражений. Это положение становится особенно важным при обработке трудно деформируемых или хрупких материалов, где возможно проскальзывание между бойками и образцом или растрескивание последнего. Для устранения этого необходимо повышение приложенного давления, но это создает дополнительные технологические трудности в подборе прочного материала бойков, в оптимизации конструкции оснастки. Полученные ИПД кручением образцы имеют форму обычных дисков размером от 10 до 20 мм и толщиной 0,2—0,5 мм. Существенное измельчение структуры наблюдается уже после деформирования на пол- оборота, но для создания однородной наноструктуры требуется, как правило, деформация в несколько оборотов. Недавние исследования показали также, что ИПД кручением может быть успешно использована не только для измельчения структуры, но и как метод консолидации порошков. При этом обнаружено, что высокие давления, равные нескольким ГПа, при деформации кручением при комнатной температуре могут обеспечивать достаточно высокую плотность, близкую к 100 %. в получаемых наноструктурных образцах в форме дисков. При этом для получения таких образцов консолидацией ИПД кручением могут использоваться не только обычные порошки, но также и порошки, подвергнутые обработке в шаровой мельнице. В качестве иллюстрации приведен пример комп актирован и я ИПД кручением полученного в шаровой мельнице наноструктурного порошка Ni. Проведенные исследования показали, что плотность полученных образцов близка к 95 % от теоретической плотности массивного крупнокристаллического Ni. При этом в образцах отсутствовала видимая в просвечивающем электронном микроскопе пористость и был очень малый средний размер зерен, равный примерно 17 нм, а следовательно, границы зерен занимали относительно большой объем. Авторы предполагают, что данные образцы демонстрируют снижение теоретической плотности в связи с тем, что границы зерен в материалах с очень малым размером зерен и сильными искажениями кристаллической решетки обладают пониженной атомной плотностью. Примечательным является также гот факт, что микротвердость образцов Ni, полученных методом консолидации ИПД, составила 8,60 ± 0,17 ГПа. Данное значение является самым высоким значением микротвердости, упоминавшимся в литературе для нанокристаллического Ni. Еще одним способом формирования наноструктур в массивных образцах является всесторонняя ковка, предложенная Г.А.Салищевым с соавторами. Процесс всесторонней ковки обычно сопровождается динамической рекристаллизацией. Всесторонняя ковка (рисунок 4.6) основана на использовании многократного повторения операций свободной ковки: осадка-протяжка со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия. Однородность деформации в данной технологической схеме по сравнению с РКУ-прессованием или кручением ниже. Однако данный способ позволяет получать наноструктурное состояние в достаточно хрупких материалах, поскольку обработку начинают с повышенных температур и обеспечиваются небольшие удельные нагрузки на инструмент. Например, выбор соответствующих температурно-скоростных условий деформации позволил добиться получения очень мелких зерен размером около 100 нм. Метод ПГ1Д всесторонней ковкой был использован для измельчения структуры в ряде сплавов, в том числе в чистом Ti , в Ti-сплавах ВТ8, ВТ30, Ti-6%Al-32%Mo, в Mg-сплаве Mg-6%Zr, в высокопрочных высоколегированных Ni сплавах и др. Обычно данный подход реализуется при температурах пластической деформации в интервале (0,3-0,6)Г|М. жүктеу/скачать 0.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||