ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2014
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 534.8:539.8:539.5:669.24
© 2014 г. Назаров А.А., Самигуллина А.А., Мулюков P.P., Царенко Ю.В.,
Рубаник В.В.
ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НАНОМАТЕРИАЛОВ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ВОЛНОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Предложена модель релаксации неравновесной структуры границ зерен в объемных наноматериалах, полученных деформационными методами, при ультразвуковом волновом воздействии. Экспериментально исследованы изменения микроструктуры и механических свойств наноструктурного никеля, полученного кручением под квазигидростатическим давлением и равноканальным угловым прессованием. Показано, что при некоторых, умеренных значениях амплитуды ультразвуковое воздействие приводит к снижению уровня внутренних напряжений, повышению термической стабильности структуры и повышению пластичности на-номатериалов.
Современное машиностроение выдвигает все более и более повышенные требования к эксплуатационным характеристикам и надежности конструкционных материалов. Основным методом повышения этих характеристик, при заданном химическом составе материала, является направленное воздействие с целью формирования определенных микроструктур. Многочисленные исследования, проведенные в последние два десятилетия, показали, что создание ультрамелкозернистой (УМЗ), в том числе наноразмерной, микроструктуры приводит к существенному повышению прочности, сопротивления усталости, характеристик сверхпластичности металлов [1, 2].
Одним из весьма перспективных методов направленного воздействия на металлы и сплавы с целью получения в них ультрамелкозернистой структуры является приложение больших пластических деформаций с использованием таких методов, как кручение под квазигидростатическим давлением (КГД), равноканальное угловое прессование (РКУП), всесторонняя изотермическая ковка и др. Эти методы позволяют осуществлять чрезвычайно большие степени пластической деформации без существенного изменения геометрических размеров и формы образцов [1, 2]. Вместе с тем, полученные материалы обладают определенными недостатками: снижение термической стабильности структуры, более низкая, чем у обычных, крупнозернистых материалов, пластичность и т.д.
Другим известным методом интенсивного воздействия на микроструктуру и механические свойства материалов является ультразвуковое волновое воздействие. В настоящее время ультразвуковая обработка (УЗО) уже имеет широкое промышленное
применение в технологии обработки материалов. Ультразвуковое воздействие приводит к формированию однородной, более мелкозернистой структуры слитка, чем без него, при кристаллизации [3], к значительному повышению пластичности при прокатке, волочении и других операциях обработки давлением [4—8], к созданию упрочненного слоя с наноразмерной структурой на поверхности материала [9—11], к снятию внутренних напряжений в сварных швах [12] и т.д.
Ряд исследований показывает, что при умеренных амплитудах осциллирующего напряжения ультразвуковая обработка способствует релаксации структуры деформированных материалов подобно отжигу [13—15]. Вместе с тем, в отличие от отжига, ультразвук действует избирательно только на дефектную структуру материала.
В связи с этим, сочетание ультразвукового воздействия с деформационным нано-структурированием может дать дополнительные возможности в управлении структурой и свойствами наноматериалов, отличные от возможностей отжига.
В настоящей статье изложены результаты исследования воздействия ультразвуковой обработки на микроструктуру и механические свойства ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов, полученных в последние годы в совместных работах ИПСМ РАН и ИТА НАНБ.
Микромеханизм воздействия ультразвука на структуру металлов. В основе воздействия ультразвука на структуру металлов лежит механическая сила, действующая на дислокации со стороны осциллирующего поля напряжений, индуцируемого ультразвуковой волной. Если в какой-либо области материала в плоскости скольжения дислокации возбуждено периодическое напряжение сдвига т = т0ео8(ю? + а), то на единицу длины дислокации в этой точке будет действовать сила / = Ьт0оо$(Ш + а). Под действием этой силы дислокации приходят в движение, характер которого определяется частотой и амплитудой ультразвука. Как правило, в промышленности используются ультразвуковые установки с частотой 18—22 кГц, поэтому основной интерес представляет зависимость характера воздействия ультразвука от его амплитуды.
Экспериментальные исследования показывают [13, 16, 17], что существует пороговое значение амплитуды знакопеременных напряжений стш, выше которого под воздействием ультразвука начинается генерация дислокаций и повышение их плотности. Эта амплитуда, называемая динамическим пределом текучести, составляет примерно 0,3—0,85 от статического предела текучести металла [13]. Следовательно, при ст0 > ультразвуковая обработка должна приводить к формированию дислокационной субструктуры и упрочнению материала.
При амплитудах ниже динамического предела текучести ультразвуковое воздействие повышает подвижность уже имеющихся дислокаций, поэтому способствует процессам возврата в предварительно деформированном материале, к его разупрочнению [13].
Таким образом, ультразвук может иметь двоякое воздействие на микроструктуру металлов. При высоких амплитудах он упрочняет материал, формируя в нем дислокационную субструктуру. При умеренных амплитудах ультразвуковая обработка приводит к усовершенствованию дислокационной структуры деформированных металлов.
Теоретическая модель усовершенствования дислокационной структуры под воздействием ультразвука была предложена в работе [18]. Согласно этой модели, ультразвук приводит в движение дислокации, которые при предшествующей монотонной деформации остановились под действием сухого трения, образуя "рыхлую" дислокационную стенку. В результате происходит постепенное выстраивание дислокаций в совершенную, плоскую дислокационную стенку, не создающую дальнодействующих напряжений. При этом следует ожидать снижения внутренних напряжений, повышения пластичности материала. Результат воздействия, во многом аналогичный результату отжига, может отличаться от последнего, что и показывают эксперименты, проведенные на наноструктурных материалах.
Рис. 1 Рис. 4
Рис. 1. Схематическое изображение релаксации квадруполя стыковых дисклинаций в наноструктурном материале: А — повышение подвижности решеточных дислокаций; Б — релаксация дисклинаций путем формирования малоугловой границы; В — "гашение" дисклинаций; т = т + т0ео8(ю/1 + а) — суммарное напряжение сдвига, действующее на дислокации Рис. 4. Схема ультразвуковой обработки образцов ультразвукозернистого никеля, полученного равнока-нальным угловым прессованием: 1 — концентратор, 2 — полуволновой образец, 3 — схема образца для механических испытаний, вырезаемого после ультразвуковой обработки; пунктирный график изображает распределение амплитуды напряжений в стоячей ультразвуковой волне, возбуждаемой в образце в режиме резонанса; образец прикручен к концентратору резьбовым соединением, обеспечивающим полный акустический контакт
Модель структуры наноматериалов и их релаксации под воздействием ультразвука.
Структурная модель объемных наноматериалов, полученных деформационными методами, была предложена в работах [19, 20] на основе представлений, развитых В.В. Рыбиным при исследовании больших пластических деформаций [21]. Согласно этой модели, захват границами зерен дислокаций при пластической деформации приводит к формированию в них мезодефектов, которые описываются системами тангенциальных зернограничных дислокаций, имеющих вектор Бюргерса, лежащий в плоскости границы, и мультиполями стыковых дисклинаций.
На рис. 1 белыми и черными треугольниками изображены стыковые дисклинации, составляющие квадруполь. Этот квадруполь создает внутренние напряжения, простирающиеся в тело зерен и стремящиеся притянуть в границы новые дислокации, которые бы "гасили" дисклинации, но решеточные дислокации могут оставаться неподвижными из-за действия сил типа сухого трения. В результате полученный пластической деформацией наноматериал унаследует эти дефекты и создаваемые ими внутренние напряжения, которые, в свою очередь, могут существенно изменить свойства материала [2].
Если теперь воздействовать на такой материал знакопеременными напряжениями, то решеточные дислокации смогут преодолеть тормозящие силы и придут в колебательное движение. Поскольку на дислокации действуют и статические внутренние напряжения т, то одновременно эти дислокации будут совершать дрейфовое движение к положению равновесия, в котором они экранируют внутренние напряжения, т.е. приводят к релаксации стыковых дисклинаций. Это может происходить либо путем образования малоугловых дислокационных границ, продолжающих оборванную границу, соответствующую дисклинациям (участки Б, рис. 1), либо к "гашению" дисклинации путем поглощения границей зерен дислокаций со знаком, противоположным знаку дислокаций, образующих дисклииационный диполь (участок В). В обоих случаях ча-
а б в г
Рис. 2. Электронно-микроскопические фотографии структуры наноструктурного никеля, полученного КГД (а) и подвергнутого последующей ультразвуковой обработке с амплитудами 40 (б), 80 (в) и 140 МПа (г)
стично или полностью снимаются дальнодействующие поля напряжений, создаваемые стыковыми дисклинациями.
При недостаточно высокой амплитуде ультразвука не все дислокации могут стать подвижными, а также плотности уже существующих дислокаций в зернах может оказаться недостаточно для того, чтобы компенсировать дисклинации. В этих случаях релаксация будет только частичной. Более полной релаксации можно достичь, повышая амплитуду ультразвука так, чтобы все имеющиеся дислокации стали подвижными и, более того, под совместным воздействием внутренних и приложенных напряжений стала возможной генерация дислокаций. Если и далее повышать амплитуду, то интенсивная генерация дислокаций приведет к накоплению новых дислокаций и к обратному эффекту — повышению внутренних напряжений.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.