СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР......................................9
1.1. Способы создания объемных наноструктурных материалов......9
1.2. Интенсивная пластическая деформация как способ получения микрокристаллических материалов.............................14
1.2.1. Деформация кручением под высоким давлением...........15
1.2.2. Винтовая экструзия...................................17
1.2.3. Винтовая прокатка....................................17
1.2.4. Равноканальное угловое прессование...................19
1.2.5. Всесторонняя ковка...................................23
1.3. Особенности структуры микрокристаллических материалов....24
1.4. Механические свойства микрокристаллических материалов....34
Выводы по главе I. Постановка задачи..........................39
ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ.......................................................40
2.1. Материалы для исследования...............................40
2.2. Экспериментальные методы исследования....................41
2.2.1. Роль высокого гидростатического давления в исследовании дефектной структуры металлов и сплавов..................41
2.2.2. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния..........44
2.2.3. Обработка данных малоуглового рентгеновского рассеяния 47
2.2.4. Методика определения плотности.......................51
2.2.5. Дополнительные методы исследования структуры.........53
2.3. Механические испытания...................................53
2.3.1. Испытания на долговечность...........................53
2.3.2. Определение микротвердости...........................55
2.3.3. Акустические исследования............................56
ГЛАВА III. ДЕФЕКТНАЯ СТРУКТУРА МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ............................................60
3.1. Образование нанопор при равноканальном угловом прессовании в А1 99.99 %....................................................60
3.2. Образование нанопор при равноканальном угловом прессовании в сплаве А1+0.2 \\г1. % Эс..........................................65
3.3. Влияние режима интенсивной пластической деформации на дефектную структуру микрокристаллических материалов.........68
3.3.1. Влияние режима интенсивной пластической деформации на дефектную структуру титана ВТ 1-0.........................68
3.3.2. Роль противодавления при равноканальном угловом прессовании на дефектную структуру микрокристаллической Си 99.99 %....73
3.4. Эволюция межзеренных границ в микрокристаллических материалах при интенсивной пластической деформации.....................75
3.5. Развитие пористости при сверхпластическом течении
микрокристаллического сплава А1 1420..........................80
Выводы по главе III...........................................83
ГЛАВА IV. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.........................85
4.1. Долговечность микрокристаллических металлов и сплавов, полученных методом равноканального углового прессования.....85
4.1.1. Влияние числа проходов при равпоканальном угловом прессовании на долговечность А1 99.99 % и сплава А1+0.2 и4.% Эс 86
4.1.2. Структурные факторы, влияющие на долговечность микрокристаллических металлов и сплавов...................90
4.2. Влияние интенсивной пластической деформации на микротвердость, прочность и пластичность микрокристаллических металлов и сплавов....94
4.3. Упруго-пластические свойства микрокристаллических металлов и сплавов.....................................................98
4.3.1. Упруго-пластические свойства Л1 99.99 %...............98
4.3.2. Упруго-пластические свойства сплава А1+0.2 \лт. % Бс.106
4.3.3. Упруго-пластические свойства титана ВТ 1-0...........113
Заключение и выводы по главе IV..............................120
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.....................................122
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................123
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Получение высокопрочных материалов является одной из важных задач современного материаловедения. В рамках решения этой задачи большое значение имеет выявление и изучение структурных характеристик и их параметров, которые обуславливают высокие физико-механические свойства материалов, в том числе их прочность, пластичность, работоспособность (долговечность). Одним из важных и хорошо известных параметров структуры поликристаллических металлов и сплавов является размер зерен (кристаллитов). Известно, что уменьшение за счет различных термомеханических обработок размера зерна от десятков миллиметров до нескольких микрометров ведет к существенному повышению предела текучести, прочности, микротвердости. Существуют различные методы получения металлов и сплавов с ультрамслкозернистой (У М3) структурой. Наиболее
распространенными являются методы, в основе которых лежит интенсивная пластическая деформация (ИНД) материалов, например, равноканальное л'гловое прессование (РКУП). В настоящее время используются также другие методы ИПД, например, особый вид винтовой прокатки.
С помощью различных методов ИПД были получены металлические материалы с размером зерна от одного микрометра и менее. Эти микро- (МК) и нанокристаллические (НК) материалы обладают значительно более высокими, чем крупнокристаллические, механическими свойствами.
Микрокристаллические металлы и сплавы, полученные методами ИПД, отличаются от обычных крупнокристаллических кроме размера зерна рядом других структурных особенностей: высокой плотностью зернограничных дислокаций, высокой концентрацией неравновесных (деформационных) вакансий,
5
высоким уровнем внутренних напряжений и рядом других структурных характеристик. Особое значение имеет большая доля в микрокристаллических материалах границ зерен, находящихся в неравновесном, аморфоподобном состоянии и имеющих поэтому пониженную плотность, то есть повышенный свободный объем. На фоне этого свободного объема, относительно равномерно распределенного по границам зерен, возможно образование областей избыточного свободного объема (ИСО), в предельном случае нанопор.
Учитывая, что пористость может оказывать большое влияние на механические свойства, выявление в микрокристаллических материалах нанопор, определение их параметров, связи с другими структурными характеристиками (например, разориентацией границ зерен) и изучение'в конечном итоге влияния указанных факторов на механические свойства представляется достаточно актуальной задачей.
При изучении влияния дефектной структуры на механические свойства основное внимание в данной работе уделялось долговечности и упруго-пластическим свойствам. Эти характеристики механических свойств для микрокристаллических материалов являются наименее изученными и в тоже время, несомненно, важными для оценки их работоспособности. Указанное обстоятельство также свидетельствует об актуальности данной работы.
Для определения связи отмеченных характеристик дефектной структуры и механических свойств изучались металлы и сплавы, полученные при различных режимах ИПД.
Целью работы является экспериментальное исследование влияния дефектной структуры на долговечность, упруго-пластические свойства и прочность микрокристаллических алюминия и его сплавов, технического титана, меди, приготовленных при различных режимах ИПД - равноканального углового прессования и винтовой в сочетании с продольной прокатках.
6
Научная новизна состоит в выявлении связи дефектной структуры, особенно нанопористости, образующейся при различных методах ИПД, с механическими свойствами, определяющими работоспособность (долговечность, модуль упругости)
микрокристаллических металлических материалов. '
Научная значимость работы.
В работе установлено, что при ИПД (равноканальном угловом прессовании или винтовой в сочетании с продольной прокатках) металлических материалов образуются элементы избыточного свободного объема, в предельном случае нанопоры. Интегральный объем нанопористости зависит от режима интенсивной пластической деформации (числа проходов при РКУП или условий винтовой и продольной прокаток). Выявлено влияние И СО на долговечность при испытаниях в режиме ползучести и на упруго-пластические* свойства, в частности, модуль Юнга.
Практическая значимость работы.
Обнаружено, что образование ИСО может по-разному влиять на характеристики кратковременной прочности (к примерз', предел текз'чести) и длительной прочности (долговечность). Это обстоятельство необходимо учитывать при практическом использовании микрокристаллических металлов в различных З'словиях их эксплуатации. Подавление порообразования, например, за счет противодавления при РКУП или после ИПД за счет залечивания нанопор, позволит повысить эффект З'прочнения микрокристаллических материалов.
Основные положения, выносимые на защиту.
■ Выявлено образование элементов ИСО в микрокристаллических металлах и сплавах, полученных при различных режимах ИПД, и определены их параметры.
■ Обнаружено влияние нанопористости на долговечность микрокристаллических материалов при испытаниях в режиме ползучести.
■ Установлено, что уменьшение нанопористости, например, за счет приложения гидростатического давления или применения противодавления в процессе равноканального углового прессования, приводит к повышению механических
характеристик микрокристаллических материалов.
■ Проведен анализ вклада в упруго-пластические свойства (особенно модуль упругости) избыточного свободного объема и других структурных факторов, обусловленных ИПД.
Вклад автора. Соискателем лично или при его непосредственном -участии выполнены исследования параметров дефектной структуры микрокристаллических металлов и сплавов, а также их механических свойств. Автор принимал участие в анализе и обсуждении результатов и подготовке научных публикаций.
Достоверность результатов диссертационной ‘ работы подтверждается использованием нескольких методов исследования для определения параметров дефектной структуры микрокристаллических материалов. Механические и акустические характеристики исследуемых образцов были изучены после различных режимов ИПД на образцах одинакового типа и размера. Интерпретация результатов механических испытаний основывалась также на данных микроструктурных исследований.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XL11I и XLV1 Международных конференциях «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2004 и 2007 гг.); XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 2005 г.); XVI Международной конференции «Петербургские чтения по проблемам прочности» (С.-Петербург, 2006 г.); The 7,h International Conference «High technologies in advanced metal science and engineering» (S.-Petersburg, 2006 г.); XVII
Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2009 г.); International Scientific and Technical
8
Conference “Nanotechnologies of functional materials” (S.-Petersburg, 2010 r.); 50 Международный научный симпозиум «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2010 г.); XIX Международной
конференции «Петербургские чтения по проблемам прочности», (С.-Петербург, 2010 г.), а также на семинаре кафедры «Физика
прочности и пластичности материалов» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 13 работ [1-13], из них - 2 статьи в изданиях, включенных в перечень журналов ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 143 страницах, содержит 54 рисунка, 9 таблиц. Библиографический список включает 178 наименований.
9
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ОБЪЕМНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
В последние десятилетия существенно возрос интерес к исследованиям, связанный с поиском новых способов повышения механических свойств материалов [14 - 19]. Современное состояние развития промышленности требует создания более экономичных технологий получения высококачественных материалов - повышения их механических характеристик при снижении себестоимости получения. Создание металлов и сплавов с ультрамелкозернистой структурой является эффективным способом повышения их прочностных свойств [20]. В соответствии с [21]: «Нан о матери алы -это разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с манометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов». В настоящее время разработано значительное количество методов получения объемных нано- и микрокристаллических материалов [22-25]. Среди них можно выделить следующие технологические группы:
• методы порошковой металлургии;
• методы с использованием аморфизации;
• методы интенсивной пластической деформации;
• комплексные методы.
Кратко рассмотрим некоторые аспекты перечисленных методов.
Методы порошковой металлургии. Методы, применяемые в порошковой металлургии, можно разделить на две большие группы. К первой группе относятся методы создания нанопорошков, ко второй группе - компактирование напопорошков.
10
В настоящее время применяется значительное количество способов получения нанопорошков, такие как: различные способы испарения (электронно-лучевое, магнетронное, лазерное, в плазме, электровзрывом); химическое растворение с последующей конденсацией в атмосфере инертного или иного газа, химическое или физическое осаждение из паровой фазы; высокоэнергетический синтез; а также закалка из расплава, измельчение порошков в шаровых мельницах, взрывом и др. [26, 27]. Для последующего компактирования объемных наноматериалов к получаемым нанопорошкам предъявляются повышенные требования по контролю и управлению параметрами процесса их получения. Необходимо обеспечить довольно узкий диапазон распределения получаемых частиц по размерам, а также стабильность их размеров (до 100 нм); при этом должна обеспечиваться высокая скорость образования центров зарождения частиц при малой скорости роста самих частиц.
Перечисленные методы получения нанопорошков имеют ряд недостатков. Например, в случае их получения технологией химического осаждения из растворов - это использование больших объемов, значительное содержание примесей в порошках и большой разброс частиц по размерам. Получение нанопо’рошков, основанное на методе физического осаждения из паровой фазы, используется более широко. Это связано с тем, что такая технология получения достаточно отработана, легко контролируется и обеспечивает высокие требования по чистоте получаемых нанопорошков, особенно при использовании вакуумных камер или камер, заполненных инертным газом. В процессе испарения в такой камере атомы металла, перешедшего в газовую фазу, стремятся к объединению в частицы порядка нескольких манометров, которые затем осаждаются на охлаждаемую подложку.
Недостатком метода физического осаждения является низкая производительность процесса (термическое испарение) или
значительный расход энергии и, как следствие, высокая стоимость материала.
Механическое измельчение материала принадлежит к числу наиболее распространенных методов изготовления порошков. Порошки исходных материалов (обычно различных металлов) могут измельчаться в шаровых мельницах: уменьшение размеров частиц происходит • в результате интенсивного раздавливания между рабочими частями мельницы. Главный недостаток метода -загрязнение порошка вследствие износа рабочих частей оборудования.
Широко известен метод получения объемных НС материалов, предложенный Глейтером [28]. Полз'ченные этим способом наноматериалы в зависимости от условий испарения и конденсации состоят из частиц со средним размером от 1-2 до 80-100 нм. Несомненным преимуществом данного метода является отсутствие контакта с окружающей средой как в процессе приготовления нанопорошков, так и при их компактирования. Однако, низкая производительность установки Глейтера, ограниченная преимущественно невысокими скоростями испарения, снижает возможность использование данного метода в промышленных масштабах, но является весьма важным для получения наноструктурных материалов в исследовательских целях.
К следующим операциям порошковой металлургии после получения нанопорошков, относят компактирование порошков. Данные технологии - прессование, спекание, горячее прессование -обеспечивают изготовление образцов заданных параметров. Для получения объемных наноматериалов из порошков в основном используется формовка при комнатной температуре с последующим спеканием. В порошковой металлургии применяется множество технологий формовки, которые широко освещены в литературе, например в [27].
12
Для получения высокоплотных формовок используется прессование, при котором условия сжатия материала близки к всестороннему (гидростатическое, газостатическое, квазигидро-статическое).
Таким образом, некоторые методы порошковой металлургии успешно использовались /для создания объемных нанострз'ктурных материалов. Это, конечно, газовая конденсация с последующим компактирование и получение нанопорошков в шаровой мельнице с последующей консолидацией. Однако существуют нерешенные проблемы в практическом применении данных методов. В первую очередь, это возможное загрязнение нанопорошков в процессе их приготовления или на этапе консолидации. Во-вторых, при создании наноматсриалов методом компактирования нанопорошков в образцах наблюдается некоторая пористость материала. Ограничением при практическом использовании некоторых методов в промышленных масштабах является и ограничение по геометрическим размерам получаемых изделий с требуемыми свойствами.
Методы с использованием аморфизации. Принципиально другой способ достижения НС-состояния - закалка из расплава. Материалы, полученные таким методом (порошки, ленты, проволоки и др.) являются предметом большого научного интереса и практического применения [29]. При таком способе, кроме микрокристаллической структуры, в ряде сплавов возможно формирование аморфного состояния. Разработаны и используются разнообразные методы, реализующие сверхвысокие скорости охлаждения в различных средах (вакуум, воздух, инертные среды) [30].
Наиболее распространенные из них:
быстрое охлаждение жидкого расплава; конденсация паров или напыление атомов на охлаждаемую поверхность;
- Київ+380960830922