ОГЛАВЛЕНИЕ
2
стр.
ВВЕДЕНИЕ.................................................................... 5
ГЛАВА 1 ВЛИЯНИЕ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ И ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ................................................................ 11
1.1 Алюминиевые сплавы системы А1-Мп и их применение.......................... 11
1.2 Алюминиевые сплавы системы А1-7.п-Мй-Си и их применение................ 13
1.3 Обработка материалов мегапластической деформацией...................... 15
1.3.1 Физические основы структурообразования при мегапластической
деформации.................................................................. 15
1.3.2 Методы мегапластической деформации для формирования ультрамикрокристаллической и панокристаллической структуры в металлах и сплавах......................................................................................................................................... 17
1.3.3 Особенности структуры и механических свойств
ультрамикрокристаллических материалов, полученных методами мегапластической деформации..................................................................... 20
1.4 Структура и механические свойства металлов и сплавов, подвергнутых высокоскоростной деформации.................................................... 25
1.5 Постановка задач исследования.............................................. 30
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................... 32
2.1 Выбор сплавов, их структура и свойства..................................... 32
2.2 Метод динамического канально-углового прессования.......................... 35
2.3 Метод кручения под высоким квазигидростатическим давлением................. 37
2.4 Методы структурных исследований............................................ 38
2.4.1 Метод оптической металлографии........................................... 38
2.4.2 Метод просвечивающей электронной микроскопии............................. 38
2.4.3 Метод сканирующей электронной микроскопии................................ 39
2.4.4 Метод рентгеноструктурного анализа....................................... 39
2.5 Методы определения механических свойств.................................... 40
2.5.1 Метод определения твердости............................................. 40
2.5.2 Метод определения прочностных и пластических свойств при статическом нагружении..................................................................... 41
2.6 Метод корреляционного анализа для исследования поверхностей разрушения 42
2.7 Метод исследования механического поведения и термодинамических
характеристик при динамическом нагружении...............................
ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
УЛЬТРАМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ
КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЯХ СПЛАВА АМц И ЕГО СВОЙСТВА............................................................
3.1 Влияние деформации кручением под высоким квазигидростатнческим давлением при комнатной температуре на структуру и механические свойства алюминиевого сплава АМц.................................................
3.2 Влияние динамического канально-углового прессования на структуру и механические свойства сплава АМц........................................
3.2.1 Эволюция структуры сплава АМц при динамическом канально-угловом прессовании.............................................................
3.2.2 Деформационное упрочнение сплава АМц при динамическом канальноугловом прессовании.....................................................
3.2.3 Механические свойства и разрушение ультрамикрокристалличсского сплава АМц, полученного методом динамического канально-углового прессования....
3.2.4 Влияние габарита заготовки на структурные параметры и механические характеристики сплава АМц при обработке методом динамического канально-
углового прессования....................................................
Выводы по главе...................................................................................
ГЛАВА 4 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
УЛЬТРАМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ
КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЯХ СПЛАВА В95 И ЕГО СВОЙСТВА............................................................
4.1 Влияние динамического канально-углового прессования на структуру и механические свойства сплава В95..................................................................
4.1.1 Эволюция структуры сплава В95 при динамическом канально-угловом прессовании.............................................................
4.1.2 Эволюция ультрамикрокристаллической структуры сплава В95 при нагреве ...
4.1.3 Механические свойства и разрушение ультрамикрокристаллического сплава
В95, полученного методом динамического канально-углового прессования....
4.2 Влияние деформации кручением под высоким квазигидростатнческим давлением при комнатной температуре па структуру н механические свойства сплава
В95.....................................................................
4.2.1 Эволюция структуры сплава В95 при обработке кручением под высоким
44
47
47
52
52
58
64
67
71
72
72
72
75
77
81
4
квазигидростатнческим давлением........................................... 81
4.2.2 Фазовые превращения в сплаве В95 в процессе деформации кручением под высоким квазигидростатнческим давлением.................................... 84
4.2.3 Механизмы упрочнения в сплаве В95 при кручении под высоким квазигидростатнческим давлением............................................ 87
4.3 Сравнение деформационного поведения сплава В95 при различных методах
пластической деформации................................................... 88
Выводы по главе........................................................... 88
ГЛАВА 5 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ ДИССИПАЦИИ УПРУГОЙ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ АМц И В95 ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ........................................ 90
5.1 Диссипативная способность и эволюция ультрамикрокристаллической структуры при динамическом сжатии.......................................... 90
5.1.1 Диссипация энергии в сплаве В95..................................... 90
5.1.2 Диссипация энергии в сплаве АМц..................................... 93
5.2 Механические свойства ультрамикрокристаллических сплавов АМц и В95
при динамическом сжатии................................................... 97
Выводы по главе........................................................... 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................ 101
Обсуждение результатов исследования....................................... 101
Общие выводы.............................................................. 112
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.................................. 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................... 116
I
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
Сплавы на основе алюминия являются важными и широко применяемыми материалами во многих отраслях промышленности. Благодаря большому разнообразию составов, известных к настоящему времени, эти материалы обладают очень широким комплексом физических и механических характеристик. Однако для сохранения лидирующих позиций в разряде перспективных материалов для наиболее востребованных к настоящему времени отраслей промышленности — авиационной, космической, автомобильной и т.д. требуется постоянное совершенствование способов получения и обработки сплавов. В последние годы широкое применение получили методы, основанные на воздействии больших пластических деформаций и позволившие резко измельчить структуру металлов и сплавов и регулировать их свойства. Проведенные к настоящему времени экспериментальные и теоретические исследования деформационного поведения металлических сплавов наглядно продемонстрировали положительную роль такого подхода. Судя по многочисленным публикациям, одним из наиболее распространенных способов формирования ультрамикрокристалличсского (УМК) состояния в алюминиевых сплавах, безусловно, является способ равнокапапьного углового прессования (РКУП), с помощью которого удалось значительно повысить важные эксплуатационные свойства этих материалов, такие, как прочность, пластичность, жаростойкость, вязкость разрушения. Несмотря на это, использование этой технологии для получения массивных заготовок малопроизводительно из-за низких скоростей деформации, необходимости большого количества циклов прессования, ограничений, связанных с конструкцией оснастки. С целью дальнейшего совершенствования способов создания УМК и наиокристаллнчсских (НК) материалов в РФЯЦ-ВНИИТФ на основе схемы РКУП был разработан способ динамического канально-углового прессования (ДКУП), использующий в качестве источника внешней нагрузки энергию пороховых газов, что обеспечило повышение скорости деформации на 4-5 порядков, по сравнению с РКУП.
К началу проведения исследований в рамках диссертационной работы, отсутствовали какие-либо экспериментальные данные о комплексном воздействии импульсного давления и простого сдвига на структурообразование в алюминиевых сплавах. Поэтому основное внимание в работе уделено изучению закономерностей влияния физических параметров ДКУП на структурно-фазовые превращения в алюминиевых сплавах АМц и В95, являющихся типичными представителями твсрдораствориых и многофазных систем. Данный выбор сплавов дает возможность проследить взаимосвязь состава сплавов с разной подвижностью
6
дислокационного ансамбля н механизмов образования и масштаба УМК структуры. Кроме того, будет исследовано влияние сверхвысоких скоростей деформации на кинетику фазовых превращении при ДКУП легированных сплавов. Важное значение имеют также исследования, направленные на выяснение роли дефектности и масштаба структуры на механические и физические свойства, в частности, диссипативную способность УМК материалов.
Степень разработанности темы исследования
Исследование структуры и свойств объёмных ультрамикро'кристаллических сплавов на основе алюминия, полученных методом динамического прессования в РФЯЦ-ВНИИТФ, выполняется только в ИФМ УрО РАН. К началу проведения исследований в рамках диссертационной работы, отсутствовали какие-либо экспериментальные данные о комплексном воздействии импульсного давления и простого сдвига на структурообразование в алюминиевых сплавах. В связи с этим все основные результаты в работе получены впервые и являются оригинальными.
Цель диссертационной работы
Изучить эволюцию структуры и кинетику фазовых переходов при высокоскоростной деформации алюминиевых сплавов методом динамического канально-углового прессования, определить их физические и механические свойства. Экспериментально исследовать механизмы структурообразоиания в алюминиевых сплавах в зависимости от их состава, температуры, скорости и степени деформации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Экспериментально исследовать влияние параметров динамического канально-углового прессования (начальной скорости движения образца через каналы, количества циклов прессования, геометрии оснастки) на структурные и фазовые превращения в алюминиевых сплавах с разным твсрдораствориым упрочнением. Определить оптимальный режим деформирования для получения объемных заготовок из промышленных алюминиевых сплавов А1-Хп-Г^-Си (В95) и А1-Мп (АМц) с УМК структурой, обеспечивающей высокий уровень механических свойств.
2. Изучить закономерности структурообразования при сдвиге под высоким квазигидростатическим давлением в сплавах АМц и В95 в зависимости от степени накопленной деформации.
3. Определить механизмы формирования УМК и НК структур в процессе деформации алюминиевых сплавов разными методами в условиях квазистатического и динамического нагружений.
4. Рассмотреть эволюцию структуры и свойств УМК сплавов, полученных ДКУП, в процессе последующего динамического сжатия по методу Гопкинеона - Кольского.
7
Научная новика:
1. Впервые исследованы закономерности формирования структуры, физические и механические свойства алюминиевых сплавов, полученных методом ДКУП со скоростью 104-105 с*1. Установлена зависимость структурно-фазовых переходов в сплавах В95 и АМц от режимов ДКУП (начальной скорости движения образца через каналы, числа циклов прессования и геометрии оснастки). Показана высокая эффективность измельчения структуры до субмикроииого уровня (200-600 нм) при 1-2 циклах динамического прессования, повышение твёрдости и условного предела текучести в два раза.
2. Определены механизмы формирования НК и УМК структур в сплавах разного состава в зависимости от степени и скорости деформации. Обнаружено, что в сплаве Л1-Мп со слабым твсрдораствориым упрочнением наблюдается циклический характер структурообразования, обусловленный чередованием процессов фрагментации и рекристаллизации с ростом степени и скорости деформации. В сплаве А1-2п-М§-Си с дисперсионным и сильным твёрдо растворным упрочнением преобладает фрагментированная структура и только при истинной деформации е=6.4-6.9 происходит смена механизма, и инициируются фазовые превращения и процессы динамического возврата и рекристаллизации.
3. Проанализированы геометрические характеристики микрорельефа поверхности разрушения при квазистатическом растяжении УМК сплавов, полученных методом ДКУП. На основании количественной оценки показателя шероховатости (показателя Хёрста) установлены структурно-морфологическая равномерность материала и снижение шероховатости изломов по сравнению с крупнокристаллическими сплавами.
4. При динамическом сжатии методом Гоикинсона-Кольского обнаружена высокая диссипативная способность УМК алюминиевых сплавов, полученных ДКУП. Повышение доли энергии, переходящей в тепло, и уменьшение накопленной энергии связаны с разупрочнением материалов и регулируются снижением количества структурных дефектов при дополнительной интенсивной деформации сплавов.
Теоретическая и практическая значимость
Полученные в работе экспериментальные результаты о механизмах формирования структуры в алюминиевых сплавах в условиях сложных внешних нагрузок - ударной полны и простого сдвига, расширяют знания и дополняют представления о физике процессов, протекающих при интенсивной пластической деформации алюминиевых сплавов.
Результаты работы свидетельствуют, что метод ДКУП можно рекомендовать для практического использования с цслыо эффективного измельчения структуры, повышения прочностных характеристик и диссипативной способности объемных алюминиевых сплавов разного состава. В частности, этим способом получены объемные заготовки из алюминиевых
8
сплавов АМц и В95 с гомогенной УМК структурой с размером кристаллитов менее 600 им, за счет формирования которой, они обладают высокой прочностью. Прочность сплава АМц, деформированного методом ДКУП, выше на 30%, а пластичность выше в 2 раза, чем сплава в нагартованном состоянии.
Показана эффективность использования метода ДКУП для получения крупногабаритных заготовок из алюминиевых сплавов с УМК структурой диаметром до 30 мм и длиной до 200 мм.
За счет использования импульсных источников энергии, вместо дорогостоящего прессового оборудования, существенно сокращается время процесса деформации, что снижает вероятность образования и роста трещин в деформируемом материале, снижает требования к прочностным характеристикам оснастки, и в целом увеличивает производительность метода.
Методологии и методы исследовании
Для нагружения металлических образцов применяли методы ДКУП и кручение под высоким квазигидростатичсскнм давлением (КВД).
Для исследования структурных особенностей и физико-механических свойств полученных образцов использовали метод оптической, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, трехмерной профилометрии структурного рельефа, инфракрасной термографии.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Установленные особенности эволюции структурного состояния и свойств алюминиевых сплавов В95 и АМц в условиях высокоскоростной деформации методом ДКУП и квазистатической деформации методом кручения под высоким квазигидростатичсскнм давлением.
2. Комплекс результатов о циклическом характере механизмов формирования УМК и НК структур при разных методах деформационной обработки алюминиевых сплавов.
3. Данные о геометрических характеристиках микрорельефа поверхностей разрушения при квазистатнчсском растяжении УМК сплавов в терминах показателя Херста.
4. Повышение диссипативной способности УМК сплавов АМц и В95, полученных ДКУП, при последующем динамическом сжатии методом Гопкинсоиа-Кольского.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории цветных сплавов ИФМ УрО РАН в рамках: плановой темы РАИ (шифр «СТРУКТУРА», номер государствен!юй регистрации 01201064335), Программ фундаментальных исследований Президиума РАН «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физика сильно сжатого вещества» (проект № 09-П-2-1017) и «Вещество при высоких плотностях энергии» (проект № 12-П-2-1009), Проекта РФФИ №11-03-00047 «Исследование фазовых превращении, физико-
9
механических свойств и термической стабильности наноструктурированных металлов и сплавов, полученных высокоэнергетическими методами деформации», Программы ориентированных фундаментальных исследований УрО РАН «Применение нового способа интенсивной пластической деформации для наноструктурирования металлов и сплавов конструкционного назначения, используемых на предприятиях ядерного и аэрокосмического комплексов» (проект №11-2-11ЯЦ) и молодежного инновационного проекта УрО РАН №12-2-ИП-387 «Получение ультрамелкокрпсталличсской и наноструктуры в алюминиевых конструкционных сплавах различными методами интенсивной пластической деформации».
Степень достоверности н апробация результатов
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием аттестованной экспериментальной техники и измерительных приборов, применением разнообразных современных методов структурного анализа, устойчивой воспроизводимостью результатов, полученных для образцов разного состава, а также согласием установленных результатов с результатами других авторов но ианоструктурироваиию алюминиевых сплавов, опубликованных ранее в оригинальных экспериментальных статьях.
Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме «Bulk nanostructured materials: from fundamentals to innovations BNM-2009» (г. Уфа, Россия, 2009 г.), пятой Российской научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, Россия, 2009 г.), Международной конференции «»SHOCK WAVES IN CONDENSED MATTER» (г. С. Петербург, г. Новгород, Россия, 2010 г., г. Киев, Украина, 2012 г.), Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2010» (г. Уфа, Россия, 2010 г.), XX Уральской школе металловсдов-тсрмистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Пермь, Россия, 2010 г.), XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (г. С. Петербург, Россия, 2010 г.), Международном семинаре «Современные проблемы механики и физики мезоскопических систем (International Workshop “Advanced Problems of Mechanics and Physics of Mesoscopic Systems» (г. Пермь, Россия, 2011 г.), Международном симпозиуме «3rd International Symposium on BULK NANOSTRUCTURED MATERIALS: from fundamentals to innovations BNM-2011» (r. Уфа, Россия, 2011 г.), Международной конференции «The 5th International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation NANO SPD5» (Nanjing, China, 2011 г.), XI международной конференции «Забабахинские научные чтения» (г. Снсжииск, Россия, 2012 г.).
Личный вклад автора
Автор участвовала в постановке задач исследования, частично (совместно с И.Г. Ширинкиной, Т.Н. Яблонских и В.В. Астафьевым) в подготовке образцов для металлографических, рентгенографических и электронно-микроскопических исследований и
10
проведении дюрометрических измерений на сплавах в разном структурном состоянии. Автором самостоятельно проведены структурные исследования методом просвечивающей электронной микроскопии (на микроскопе Philips СМ-30), анализ и расчёт электроиограмм, а также обработка результатов рентгеноструктурного анализа, выполненных в ЦКП ИФМ УрО РАН “Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов”. Соискатель принимала участие в проведении эксперимента и обработке экспериментальных данных по динамическому сжатию образцов из алюминиевых сплавов методом Гопкинсона-Кольского и трехмерной профиломстрии рельефа поверхности изломов, выполненных совместно с сотрудниками ИМСС УрО РАИ. Кроме того, при непосредственном участии соискателя в ЦКП УрФУ «Современные нанотехнологии» получены и обработаны экспериментальные данные но наноиндентированию образцов после динамического прессования. Материал диссертации неоднократно лично докладывался автором на международных конференциях в России и за рубежом в виде устных и стендовых докладов. Автор принимала активное участие в обсуждении с руководителем результатов диссертации, написании статей и тезисов докладов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ и 18 статей и тезисов в сборниках трудов конференций.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения в виде обсуждения результатов исследования и общих выводов, списка условных обозначений и сокращений и списка литературы из 205 наименований. Общий объем диссертации: 132 страницы, в том числе 57 рисунков и 16 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам лаборатории цвегных сплавов ИФМ УрО РАН Ширинкиной И. Г., Яблонских Т. И., Астафьеву В. В., сотрудникам лаборатории физических основ прочности ИМСС УрО РАН Наймарку О. Б., Плсхову О. А., Ляпуновой Е. А., а также сотруднику РФЯЦ-ВНИИТФ Шорохову Е. В.
11
ГЛАВА 1 ВЛИЯНИЕ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ И ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В дайной главе представлен обзор литературы о формировании УМК и НК структур в металлах и сплавах при мегапластической деформации (МИД), структурных особенностях и ее влиянии на механические свойства, рассмотрены наиболее известные методы МПД, а также структура и механические свойства металлических материалов при высокоскоростной деформации.
1.1 Алюминиевые сплавы системы А1-Мп и их применение
Сплавы системы А1-Мп получили широкое применение в промышленности, благодаря хорошему сочетанию механических свойств с высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Сплавы АМц обладают повышенной по сравнению с алюминием прочностью, но сохраняют высокую пластичность. Несмотря на введение марганца, прочность остается не высокой. Так как сплавы А1-Мп не упрочняются термической обработкой, для упрочнения прибегают к холодной деформации. Эти сплавы применяют в отожженном, полунагартованиом и нагартованном состояниях. Сплавы в отгоженном состоянии имеют высокую пластичность, в полунагартованиом - среднюю, в нагартованном - низкую. Для повышения пластических свойств применяют два режима отжига: 200-300°С и 300-500°С [I]. Сплавы обладают высокими показателями штампусмости, они деформируются в горячем и холодном состояниях, а также хорошей свариваемостью.
Для сплавов алюминия с марганцем характерно образование пересыщенных твердых растворов при быстрых скоростях кристаллизации [2] и распад твердого раствора при последующих нагревах. В работе [3] было показано что при прессовании при температурах 400-450°С создаются условия выделения дисперсных частиц марганцовистых фаз. Эти частицы выделяются по плоскостям скольжения а также но границам зерен. Таким образом, при наличии текстуры деформации обеспечивается повышение уровня прочностных свойств прессованных полуфабрикатов, особенно в продольном направлении. При холодной деформации и последующих нагревах происходит интенсивная коагуляция марганцовистых фаз, ранее выпавших, из твердого раствора. В результате прочность прессованных полуфабрикатов резко снижается.
- Київ+380960830922