Глава 1. Обзор способов получения высокопрочных материалов методами обработки металлов давлением.
Одним из перспективных направлений улучшения свойств конструкционных материалов является получение стабильной мелкозернистой структуры в листовых материалах. В литом состоянии промышленные сплавы состоят из зерен размером более 100 мкм.
Традиционные методы обработки, такие как холодная деформация, с последующим рекристаллизационным отжигом, термическая обработка, основанная на фазовых превращениях, и термомеханическая обработка позволяют измельчить микроструктуру до размера зерен порядка 1 – 10 мкм.
Метод деформационного измельчения структуры основывается на разделении зерен поликристаллического материала на разориентированные области меньшего размера. Достижение больших степеней деформации дает возможность осуществить такое разделение, что в свою очередь делает возможным измельчение зерен металлических материалов вплоть до наноразмеров.
Процессы получения субмикро и нанокристаллических материалов (с размером зерен менее 1мкм и менее 100 нм) с помощью пластической деформации часто называют общим термином интенсивные пластические деформации (ИПД).
Метод ИПД заключается в обжатии с большими степенями деформации и высокими приложенными давлениями при температурах ниже температуры рекристаллизации. Я. Е. Бейгельзимер вводит определение процессов накопления деформации (ПНД), применяемых для осуществления ИПД, основной их целью является накопление деформации в заготовках, а не изменение их формы. При получении нанокристаллической структуры достигнутая степень истинной деформации может равняться 4 и более. Для описания этих процессов предлагается также использовать термин мегапластические деформации. Процессы накопления деформации, используемые для измельчения структуры и получения ультрамелкозернистых и нанокристаллических материалов, представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Методы накопления деформации
Представленные процессы реализуют схему простого сдвига и дают возможность для многократного повторения деформации и измельчения структуры.
В представленных процессах можно выделить две основные группы:
- к первой группе относятся процессы, при которых пластическая деформация заготовки протекает без изменения ее поперечного сечения (кручение под высоким давлением в закрытой матрице, равноканальное и многоугловое прессование, кручение в составном контейнере под давлением, повторяющееся рифление-выпрямление);
- ко второй группе относятся процессы, при которых деформирование заготовки происходит с изменением ее поперечного сечения (всесторонняя ковка, поперечно-винтовая прокатка, волочение, песочные часы, пакетная экструзия, винтовая экструзия, уширяющаяся экструзия, многослойная прокатка).
Рассмотренные процессы можно классифицировать также по степени непрерывности. К процессам, позволяющим получать длинномерные изделия, относятся продольная прокатка, поперечно-винтовая прокатка, волочение, прессование, знакопеременный изгиб. Непрерывность процесса деформирования способны осуществить продольная прокатка и волочение.
Недостатками наиболее распространенных методов интенсивной деформации (кручение под высоким давлением, равноканального углового прессования) являются:
- сложность их применения для заготовок больших размеров; - низкая производительность;
-использование нестандартного дорогостоящего оборудования, требующего большой точности изготовления;
-использование для получения наноразмерных заготовок порошковых материалов, производство, которых является длительным и дорогостоящим;
-сложность удержания полученной наноразмерной структуры.
1.1 Кручение под высоким давлением
Кручение под высоким давлением (КВД) (Рис.1а) впервые было применено для обработки металлических материалов П. Бриджменом в 1935 году [4]. Свое второе рождение метод получил благодаря работам российских ученых в 70-90-е годы прошлого столетия, в которых он был использован для получения НС состояний многих чистых металлов, сплавов, интерметаллидов и керамик [3,5-12]. Данным методом, как правило, обрабатывается тонкий диск толщиной порядка 1 мм и диаметром до 20-30 мм. При этом кроме кручения, он претерпевает осадку и радиальную экструзию, вызванные приложенным давлением в несколько ГПа. Последнее, в свою очередь, обеспечивает необходимое трение на контактной поверхности образца с вращающимся инструментом, и соответственно, его кручение. При этом деформация образца имеет радиальную неоднородность, минимизировать которую можно большим количеством оборотов [3]. Методом КВД можно также обрабатывать заготовки в форме кольца, по схеме (Рис. 1б), предложенной С. Эрбелем [13].
Рис. 1. Схемы кручения под высоким давлением диска (а) и кольца (б)
Для определения степени деформации при КВД обычно используют формулу расчета сдвиговой деформации (g) на расстоянии R от оси образца:
? ? = ? 2 R? N h , (1)
где N – количество оборотов бойка; h – толщина образца [3,10].
А для ее сопоставления с деформациями, достигаемыми другими методами, g преобразуют в эквивалентную деформацию (е):
e = ? /v3, (2)
С использованием метода КВД в десятках лабораторий мира удалось получить структуру с нанометрическими размерами зерен в огромном числе материалов, изучить ее особенности и оценить ряд их механических и физических свойств [3,9-15]. Однако перспективы использования КВД, как промышленного метода, имеют существенные ограничения, обусловленные, прежде всего, малыми размерами обрабатываемых заготовок и низкой стойкостью инструмента вследствие чрезвычайно высоких нагрузок на него.
1.2 Всесторонняя ковка
Открытая всесторонняя (многопереходная) изотермическая ковка (ВИК) широко исследовалась в ИПСМ РАН [16-22] и активно предлагается авторами как один из основных и эффективных методов наноструктурирования массивных заготовок. Принцип метода заключается в многократной деформации заготовки с изменением оси нагружения на каждом переходе (Рис. 2). При этом измельчение структуры обрабатываемого материала достигается не только за счет аккумулирования ее изменений с накоплением деформации, но также и за счет того, что используется принцип поэтапного уменьшения размера зерен при поэтапном снижении температуры деформации, проводимой в изотермических условиях. Для достижения результата на каждом этапе ковки должно обеспечиваться измельчение зерен обрабатываемого материала за счет прохождения фрагментации и/или непрерывной динамической рекристаллизации [17,18].
Формирование же все более мелких зерен, в свою очередь, повышает технологическую пластичность материала и обеспечивает возможность его дальнейшего деформирования без разрушения при более низких температурах.
Рис. 2.Схема выполнения одного этапа открытой ковки [22].
Каждый этап ВИК состоит из нескольких высотных осадок заготовки со степенью деформации 40–60% и последующей ее протяжки на исходный размер. При этом ее ось поворачивается на 900 по отношению к предыдущему положению после каждого цикла «осадка-протяжка» (Рис.2). Исходное структурное состояние материала и температурно-скоростной интервал его деформирования выбираются из соображений достижения максимально измельченной и однородной структуры заготовки на каждом этапе, а количество этапов определяется требуемым размером зерна. Методом ВИК получена ультрамелкая и наноструктура в заготовках весом более 50 кг из титана и его сплавов, сталей, никелевых сплавов и интерметаллидов [16-22].
Рис. 3.Схема закрытой ковки [23]
Для этих же целей и по тому же принципу в [23] А.Гошем была предложена закрытая многопереходная ковка (Рис. 3). В этом процессе заготовка также последовательно деформируется по двум или трем осям со степенью, определяемой из соотношения.
где Н и W высота и ширина заготовки, соответственно. Неоспоримым преимуществом обеих ковок является их простота и отсутствие необходимости использования специального дорогостоящего инструмента. Даже в закрытой схеме инструмент очень прост и дешев. Кроме того, этот процесс легко механизировать. Однако есть один непреодолимый недостаток – ограничение степени однократной деформации из-за потери устойчивости заготовки при осадке. Кроме того, осадке присуща зональная неоднородность деформации заготовки, приводящая к неоднородности ее деформационной структуры. Устранение последней требует большого числа циклов и этапов обработки.
1.3 Равноканальное угловое прессование
Равноканальное угловое прессование (РКУП) было разработано В.Сегалом с сотрудниками и запатентовано в 1973 году [24]. Принцип метода заключается в реализации простого сдвига в зоне пересечения каналов равного сечения, выполненных в монолитной матрице и расположенных под углом 2 друг к другу, при проталкивании через них заготовки (Рис. 4). При этом заготовка удаляется из матрицы последующей заготовкой [2,24-26], а один цикл ее прессования, при условии отсутствия трения о стенки инструмента, придает материалу деформацию, равную:
Рис. 4. Схема равноканального углового прессования
При 2?=90? ее значение составляет ~ 1.16, как и в экспериментах с помощью метода сеток [2,27-30], хорошо совпадает с реально наблюдаемой сдвиговой деформацией основной массы заготовки. Такая однократная деформация заготовки эквивалентна ее прямому прессованию с коэффициентом вытяжки 3 или деформации осадкой со степенью ~70%. При многократном же повторении деформации заготовки, что как и ВИК позволяет реализовать метод РКУП, ее степень суммируется, а структурные изменения обрабатываемого материала накапливаются.
К явным преимуществам РКУП относится его простота, низкие удельные давления на инструмент и возможность придания заготовке большой сдвиговой деформации, за счет практически неограниченного числа ее повторений, для достижения регламентированной структуры и, соответственно, свойств материала.
Недостатком этого способа является малая длина получаемой заготовки, кроме того, этот способ в настоящее время является прерывистым, медленным и трудоемким, что делает получение продукта дорогим.
1.4 Равноканальное многоугловое прессование
К настоящему времени процессы равноканального многоуглового прессования (РКМУП) представляют собой новые деформационные методы интенсивного пластического деформирования (ИПД) металлов [1–4], композитов [5] и полимерных полуфабрикатов [6–7].
Технологически процессы РКМУП реализуются продавливанием обрабатываемых заготовок через штампы, содержащие несколько пар каналов одинакового поперечного сечения, пересекающихся под заданными углами [1–7].
К преимуществам РКМУП относятся возможность продавливания более длинных заготовок через многоугловые штампы, уменьшение влияния краевого эффекта на неравномерность распределения деформаций [8], снижение прерывности процесса [9], а также накоплении больших сдвиговых деформаций в объеме заготовки за один проход деформирования. При этом дальнейшее совершенствование процессов РКМУП в работах [1–7] однозначно связывается с увеличением числа пар пересекающихся каналов.
С другой стороны, увеличение количества пар пересекающихся каналов в штампах для РКМУП существенно снижает подвижность деформируемой заготовки, повышает неравномерность распределения деформаций материала по длине многоуглового канала, а также обусловливает формирование значительных градиентов скоростей течения и касательных напряжений в объеме заготовки [9–11, 14]. В результате при пластическом течении заготовки в штампе для РКМУП имеет место формирование опасных сечений, в которых имеет место исчерпание ресурса пластичности материала, повышается вероятность формирования трещин и, следовательно, возникает опасность разрушения деформируемой заготовки [15].
На уровне проектирования штамповой оснастки, решение проектно-конструкторских задач для обеспечения реализации РКМУП требует тщательного сопряжения и достаточного крепления всех частей разъемного многоуглового штампа по всей длине многоуглового канала как во избежание потерь деформируемого материала в виде облоя, так и с целью предотвращения раскрытия штампа при реализации процесса РКМУП.
Также отметим, что важнейшим показателем степени сдвиговой проработки заготовок при ИПД является величина макроскопической ротации деформируемого материала [10–14].
1.5 Винтовая экструзия
Одним из методов интенсивной пластической деформации (ИПД) является винтовая экструзия, реализация которой предполагает проталкивание заготовки квадратного или прямоугольного сечения через матрицу с винтовым каналом, при этом активна только сила воздействия пуансона на образец. (Рис. 5)
Рис. 5. Схема винтового канала при ВЭ
Поперечные сечения заготовки по мере продвижения по каналу последовательно поворачиваются на одинаковый угол относительно положения, которое они занимали в исходном недеформированном состоянии, сдвигающий момент образуется от сил реакции стенок винтового канала.
Приращение деформации при винтовой экструзии обеспечивается многократными проходами образца через каналы контейнера. Среди основных технологических факторов процессов ИПД скорость деформации, гидростатическое давление и степень деформации. При повышенных скоростях деформации появляются дополнительные источники дислокаций, уменьшается длина их пробега, увеличивается число действующих систем скольжения в кристаллической решетке и плотность дислокаций.
Степень деформации, которая приводит к формированию зёрен и образованию текстуры, зависит не только от числа проходов и материала, но и от угла пересечения каналов, их формы и ориентации заготовки по отношению к плоскости пересечения. Однако большие степени деформации в металлах могут привести к нарушению сплошности.
Этого не происходит только потому, что в процессах ИПД реализуются благоприятные схемы всестороннего неравномерного сжатия, сопровождающиеся высоким гидростатическим давлением.
1.6 Песочные часы
Циклическая экструзия ("песочные часы" или СЕС процесс). Этот метод заключается в многократном деформировании металла экструзией (СЕС-cyclic extrusion-compression), или прессованием, через суженое отверстие оснастки, продольное сечение которой имеет форму песочных часов.
Метод впервые был применен М. Рихерт с соавторами (Краковский Университет, Польша) для накопления больших пластических деформаций в алюминии при комнатной температуре. Эксперименты показывают, что насыщение напряжений наступает уже через 4-5 циклов экструзии. В образце накапливаются огромные деформации, реализуемые путем чистого сдвига, при этом размеры заготовки не изменяются. Истинная степень накопленной деформации определяется формулой:
j = 4 n ln (do / dm),
где do и dm диаметры цилиндрической и сужающейся рабочей части матрицы соответственно, n - число циклов деформации, приложенных к образцу.
При использовании СЕС метода можно накапливать сколь угодно большие деформации благодаря благоприятной схеме нагружения.
К настоящему времени метод был применен только для деформации чистого алюминия, но уже несколько групп исследователей работают над расширением возможностей данного метода применительно труднодеформируемых сплавов и повышенных температур деформации.
1.7 Кручение в составном контейнере под давлением
Известен способ, в котором заготовку укладывают в полость контейнера между торцами двух пуансонов, установленных соосно с возможностью осевого перемещения и вращения относительно друг друга с угловой скоростью ?, затем заготовку сжимают между пуансонами путем приложения осевого усилия и подвергают ее кручению под давлением путем вращения пуансонов относительно друг друга, затем пуансоны раздвигают и одним из них выталкивают заготовку из контейнера.
Использование контейнера приводит к появлению сил контактного трения на боковой поверхности заготовки, которые препятствуют закручиванию ее слоев. В связи с этим деформация локализуется вблизи вращающегося пуансона. Причем высота очага деформации не превышает величину диаметра заготовки, что вытекает из следующих соображений.
Момент, передаваемый от вращающегося пуансона заготовке
M = 2? · r2dr = ?R3·? , (1)
где R = d/2 - радиус заготовки, ? - сопротивление сдвигу материала заготовки.
Момент сил контактного трения, приложенный к боковой поверхности заготовки, равен
Mтр = ?тр ? Sбок ? R (2)
где Sбок = 2 ? R ? h - площадь боковой поверхности, на которой действуют силы контактного трения, а ?тр - удельная сила трения.
Для удельной силы трения справедлив закон Зибеля
?тр = ? ? ?т, (3)
где ? - коэффициент трения, ?т - предел текучести материала, связанный с ? соотношением ? = ?т / ? 3 = 0,577 ?т.
Величина очага деформации будет определяться из того условия, что величина скручивающего момента, приложенного к торцу заготовки, в любом случае должна превышать сопротивление скручиванию со стороны сил контактного трения. Из условия М ? Мтр и учитывая (3), получаем для h соотношение:
h ? (4)
Величина коэффициента трения ? колеблется в пределах 0,12-0,4 в зависимости от чистоты поверхности инструмента и условий деформации.
1.8 Накапливающееся соединение прокаткой
Японскими учеными предложен метод многопроходной деформации с использованием соединения слоев прокаткой (accumulative roll bonding) [53, 54]. Пакетирование (наложение) материалов и сварка прокаткой многократно повторяются в процессе (рис.6).
Исходный лист зачищается и режется пополам, затем заготовки укладываются друг на друга и прокатываются при температуре ниже температуры рекристаллизации, тем самым создавая возможность измельчения структуры в ходе деформации.
Пакет деформируют до исходной толщины, после чего полученную полосу вновь разрезают и снова подвергают поверхностной обработке, пакетированию и прокатке. Весь процесс повторяется до получения заданной структуры и свойств материала.
Рис. 6. Схема соединения слоев прокаткой
Данный метод использовался для листов из алюминиевых, магниевых и медных сплавов, был опробован на IF-стали [25]. В результате были получены ультрамелкозернистые структуры с размером зерна порядка 500 нм и меньше.
В литературе приводятся качественные данные о влиянии количества проходов и степени деформации на увеличение давления при теплой прокатке многослойного пакета, составленного из слоев одной стали, что объясняется протеканием сложных процессов эволюции в дислокационной субструктуре стали [56].
Микроструктура материала имеет ламинарное строение, которое можно характеризовать как попеременно чередующиеся между собой слои как в продольном, так и поперечном сечении заготовки, имеющие близкий химический состав и разделенные между собой большими угловыми границами, с толщиной слоев от 100 до 0,8 мкм.
Дополнительное использование холодной пластической деформации позволяет получать в ламинарных материалах некоторых составов слои толщиной 100-200нм [9,10].
1.9 Метод знакопеременного изгиба
В 2000 году в Калифорнийском университете по гранту Министерства энергетики США был разработан «Способ получения ультрамелкозернистых материалов с использованием повторяющегося гофр и их выпрямления» (рис.7).
Рис. 7. Схема поперечного гофрирования[2]
Изобретение включает устройство, которое измельчает структуру зерна заготовки при первом гофрировании, а затем выпрямлении полученных гофр без изменения поперечного сечения первоначальной заготовки за счет реализации деформации сдвига.
Также известно устройство для упрочнения длинномерных заготовок
(патент № 2419501)
Устройство для упрочнения длинномерных заготовок содержит блок 2 для выпрямления заготовки 1, нагреватель 3, червячные колеса 4, выпрямляющие валки 5.(рис. 8)
Рис.8. Схема устройства для упрочнения длинномерных заготовок
Длинномерная заготовка 1, например, в виде полосы или ленты подается во вращающийся с высокой частотой блок 2 между выступами с эксцентриситетом и выпрямляется за счет ударного воздействия вращающихся выступов при поступательном продвижении заготовки. Далее заготовка проходит через нагреватель 3. Предварительно нагретая до нужной температуры заготовка подводится к валкам, вращающимся в разные стороны, и втягивается в зазор между червячными колесами 4 за счет сил трения на контактной поверхности, в котором подвергается изгибу, затем заготовка проходит через выпрямляющий валок 5, после чего выпрямляется.
Исследования данного способа приведены (www.archivesmse.org/vol47_2/4725.pdf), которые показали
Рис.9. Микроструктура сплава CuCr0,6, начальное состояние после частичного перенасыщение
Рис.10 Микроструктура сплава CuCr0,6 после 74 циклов
Рис.11 Субструктура сплава CuCr0,6 в исходном состоянии
Рис.12 Субструктура сплава CuCr0,6 после 74 циклов
Рис.13 Распределение состава зерна сплава CuCr0,6 в исходном состоянии
Рис.14 Распределение состава зерна сплава CuCr0,6 после 74 циклов
Вывод к главе 1
Проведенный анализ технологий для получения материалов с ультрамелкозернистой структурой показал целесообразность использования метода повторяющейся формовки-выпрямления характеризующий высокой производительностью, отсутствием ограничений по длине заготовки, простотой используемого оборудования.
Глава 2. Исследование процесса повторяющейся формовки-выпрямления.
2.1 Описание метода
Способ поперечной формовки-выпрямления как показывает моделирование, не обеспечивает равномерности деформации (рис.15б), у полученной плоской заготовки возникает полосчатая упрочненная структура, которая определяет анизотропию свойств полученной заготовки, т.е. чередованием упрочненных участков с неупрочненными. Полученная упрочненная заготовка является новым конструкционным материалом, в которой происходит полосчатое внутреннее упрочнение.
а б
Рис. 15. Поле распределения пластической деформации в заготовке
а – ожидаемое; б – моделируемое;
1 – зона накопленных деформаций от поперечной формовки
Для снижения анизотропии свойств получаемой заготовки предложен способ получения упрочненных листовых заготовок (рис.16) осуществляемый следующим образом.
Рис. 16. Схема процесса деформационного упрочнения листовой заготовки [3]
Листовая заготовка 3 перемещается подающими валками 1, 2 и профилируется валками-шестернями 4, 5,обеспечивающими гибку поперечных гофр. При этом в зоне изгиба за счет реализации деформации сдвига происходит упрочнение заготовки. Далее заготовка выпрямляется гладкими валками 6, 7. После чего формуются продольные гофры 8, 9 которые вновь выпрямляются в гладких валках 10, 11. В результате у подвергающейся попеременно в разных направлениях деформации заготовки повышается однородность микроструктуры, обеспечивается изотропность свойств, заготовка упрочняется, что в дальнейшем обеспечивает повышенную надежность изготовляемых изделий.
а б
Рис. 17. Поле распределения пластической деформации в заготовке
а – ожидаемое; б – моделируемое;
1 - зона накопленных деформаций от поперечной формовки;
2 - зона накопленных деформаций от продольной формовки
Кроме того, сетка образованная поперечными и продольными упрочненными полосами (рис.17), придает листовому прокату свойства подобные свойствам композитного материала, упрочненного армирующими волокнами, он получает изотропность свойств, а его прочностные свойства возрастают.
2.2. Моделирование поперечной формовки
Программный комплекс QForm7.2 предоставляет возможность визуализировать процесс деформирования. Что, в свою очередь, можно использовать для проведения анализа процесса получения упрочненной длинномерной листовой заготовки.
QForm7.2 позволяет моделировать траекторию движения инструмента, произвести оценку кривизны заготовки в процессе изгиба, величину и распределение полей напряжений и деформаций по сечению, а также предсказать возможное утонение до критической величины и разрушение заготовки в процессе формоизменения.
Для выявления наиболее подходящей конфигурации деформирующего инструмента выполненного в виде шестерни, проанализируем несколько модулей влияющих на кривизну заготовки в процессе изгиба указанных ниже в таблице. В качестве материала исходной заготовки примем сталь 20 для холодного деформирования из библиотеки материалов программы QForm7.2.
Выбираем характерные точки на поверхности заготовки:
т.А-соответствует внутреннему радиусу
т.В-соответствует наружному радиусу
Моделирование процесса формоизменения в валках-шестернях, при модуле m=2,5
Рис.18. График среднего напряжения и степени деформации в точке - А
Рис.19. График среднего напряжения и степени деформации в точке - В
Как показывают графики напряжения в слоях подвергающихся сжатию (т.А)
достигают 330 МПа.
