Метод интенсивной пластической деформации

В последние годы наметился все возрастающий интерес к новому подходу в получении объемных наноструктурных металлов и сплавов, который являет­ся альтернативой компактированию. Этот подход основан на измельчении зерен до наноразмеров в объемных заготовках с использованием интенсив­ной пластической деформации (ИПД), т.е. деформи­рования в условиях высоких приложенных давлений. Заготовки из материалов, обработанные мето­дами ИПД, обладают 100%-ной плотностью, а их большие геометрические размеры позволяют прово­дить тщательные исследования механических и фи­зических свойств. В связи с этим получение объем­ных заготовок с ультрамелкозернистым (УМЗ) стро­ением из различных металлов и сплавов с помощью методов ИПД становится одним из наиболее актив­но развивающихся направлений в области наноматериалов.

С тех пор как были проведены пионерские работы по получению УМЗ структур путем обработки ИПД, два метода, позволяющие ее осуществить, при­влекли к себе особое внимание, и в последнее время по­лучили дальнейшее развитие. К этим методам относят­ся: интенсивная пластическая деформация кручением под высоким давлением и равноканальное угловое прессование.

Интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) — это метод ИПД, при котором образец, обыч­но имеющий форму диска диаметром 10—20 и толщи­ной 0.3—1.0 мм, подвергается деформации кручением в условиях высокого приложенного гидростатического давления. Диск помещается внутрь полости, прила­гается гидростатическое давление (P), и пластическая деформация кручением достигается за счет вращения одного из бойков (рис.3).

Рис.3

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

где r — расстояние от центра диска, φ— угол круче­ния в радианах, а h — толщина образца. Для сравнения с другими методами ИПД, истинная эквивалентная де­формация (ε) может быть рассчитана, используя соот­ношение:

E = (l/a)γ,

где коэффициент a либо принимает значения из кри­терия пластического течения (где a = √3 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).

При проведении ИПДК существенное измельчение структуры металлов и сплавов наблюдается при дефор­мации уже в пол- или один полный оборот. Однако для получения однородной наноструктуры со средним раз­мером зерна около 100 нм и меньше необходима дефор­мация в несколько оборотов (рис. 4).

Важная роль приложенного давления в процессе формирования более однородного НС состояния во время обработки ИПДК была продемонстрирована в недавнем исследовании, проведенном на чистом ни­келе.

Равноканальное угловое прессование (РКУП) в настоящее время является наиболее широко использу­емым методом ИПД. Как показано на рис. 5, имеющий форму прутка круглого или квадратного сечения обра­зец прессуется в матрице через сопрягающиеся под оп­ределенным углом каналы.

Деформация сдвигом происходит, когда заготовка проходит через зону их пересечения. Т. к. размеры заго­товки в поперечном сечении не изменяются, прессова­ние может производиться многократно с целью дости­жения исключительно высоких степеней деформации. Эквивалентная деформация (ε), реализуемая в прцессе РКУП, определяется соотношением, включающим угол сопряжения между дву-

Рис.5

мя каналами, Φ, и углом, пред­ставляющим собой внешний радиус сопряжения, где пересекаются две части канала Ψ. Это соотношение выглядит следующим образом:

где N — это число циклов прессования. Чаще всего, каждый проход придает обрабатываемой заготовке до­полнительную ε величиной 1—1.16.

В процессе многократно повторяющихся прессова­ний в заготовке накапливается деформация сдвигом, что в результате приводит к образованию в материале УМЗ структуры.

В процессе РКУП в обрабатываемых материалах мо­гут быть задействованы различные системы скольжения за счет вращения заготовки вокруг ее продольной оси между каждым проходом. На практике осуществля­ют четыре основных маршрута прессования: маршрут А — без вращения заготовки, маршруты B_A и B_C, пред­полагающие вращение на 90° в разных направлениях или одном направлении, соответственно, и маршрут С, предполагающий вращение на 180°. В работах экспериментально показано, что при использовании оснастки с углом пересечения каналов F = 90° реализа­ция маршрута B_C является наиболее эффективной для формирования УМЗ структуры, состоящей из однород­ных и равноосных зерен, имеющих границы с высоки­ми углами разориентировки.

Среди новых направлений в РКУП — обработка труднодеформируемых материалов, которая может быть осуществлена при использовании противодавления или за счет увеличения угла пересечения каналов (Ф > 90°). Экспериментальное и теоретическое моделирование механики РКУ прессования, связанное с исследования­ми напряженно-деформированного состояния, кон­тактных напряжений и условий трения, позво­лило сконструировать оснастки для получения методом РКУП больших по размеру заготовок из различных ме­таллов, включая труднодеформируемый титан и его сплавы, с однородной ультрамелкозернистой структурой. Были успешно обработаны заготовки тита­на диаметром до 60 мм и длиной 200 мм. Для более эф­фективного получения штучных/мерных заготовок с УМЗ структурой разработан модифицированный метод РКУП в параллельных каналах. Другим новым направлением, является получение длинномерных полуфабрикатов (прутков, листов) с использованием непрерывного РКУП или РКУП в сочетании с другими методами тер­момеханической обработки (рис. 6). Это важ­ный шаг для успешной коммерциализации наноструктурных металлов.

Сильное измельчение микроструктуры в процессе РКУП, как правило, достигается уже при деформации за один или за несколько проходов как в чистых метал­лах, так и в сплавах. Но получение однородных УМЗ структур с помощью этого метода все еще остается спе­циальной технологической проблемой. При ее решении должны быть учтены особенности обрабатываемого ма­териала, определены оптимальные маршруты и режимы его обработки, а также проведена оптимизация геомет­рии деформирующего инструмента оснастки.

Размер и форма ультрамелких зерен — очень важные, но не единственные характеристики структуры метал­лов, полученных ИПД. Структура границ зерен — важ­нейшая характеристика для достижения новых свойств.

Современные электронно-микроскопические мето­ды, такие как микроскопия в режиме прямого разреше­ния или в обратных отраженных электронах, позволили доказать присутствие 70—80% высокоугловых границ в микроструктуре образцов, подвергнутых многократно­му РКУП или ИПДК в пять и более оборотов при отно­сительно низких температурах (обычно ниже 0.3 Т). Однако ГЗ такого типа формируются только при больших накопленных деформациях ε ≥ 6—8.

Среди других важных характеристик микроструктуры металлов, обработанных ИПД, следует также выделить их кристаллографическую текстуру и существова­ние высоких внутренних напряжений, вызванных высо­кой плотностью дефектов внутри кристаллов и на их границах. Образование неравновесных ГЗ, содер­жащих многочисленные зернограничные дефекты, — прямое следствие интенсивной деформации, но оно мо­жет контролироваться последующими отжигами и/или специальными термомеханическими обработками. На­пример, анализ микроструктуры УМЗ титана, получен­ного ИПД, методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, показал, что ГЗ ис­кажены и содержат многочисленные дефекты (рис. 7). Более того, существует отклонение в угле разориенти­ровки вдоль одной и той же границы примерно на 5°, которое возможно как результат существования дисклинации в границе.

Наблюдения структуры ГЗ при отжиге при темпера­турах 250—300°С (до температуры начала роста зерен) показали перераспределение дислокаций: они переме­щаются из объема зерна к области возле ГЗ. Схематиче­ская иллюстрация изменения дефектной структуры представлена на рис. 8.

Схема, приведенная на рис. 8, наглядно показывает, что хотя общая плотность дислокаций в процессе низкотемпературных отжигов понижается, их локальная плотность на ГЗ может возрасти, тем самым увеличивая неравновесность границы.

Все это может иметь боль­шое влияние на процессы, протекающие в границах зе­рен, такие как проскальзывание, диффузия и взаимо­действие с решеточными дислокациями. Таким об­разом, недавние исследования показали, что УМЗ ме­таллы, образованные при ИПД, обладают сложной ком­плексной микроструктурой, и их микроструктурные ха­рактеристики зависят от особенностей проведения ИПД, последующих отжигов и термомеханических воз­действий. Эти особенности нужно учитывать при полу­чении объемных наноструктурных материалов с улуч­шенными свойствами.