ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 9, с. 1001-1008
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.3:539.89
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ УСЛОВИЙ ДЕФОРМАЦИИ В НАКОВАЛЬНЯХ БРИДЖМЕНА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ
В МЕДИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЧИСТОТЫ
© 2015 г. Д. К. Орлова, Т. И. Чащухина, Л. М. Воронова, М. В. Дегтярев
Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: highpress@imp.uran.ru Поступила в редакцию 24.02.2015 г.; в окончательном варианте — 11.03.2015 г.
Исследована медь технической чистоты (99.9 мас. % Cu), деформированная сдвигом под давлением при комнатной температуре. Установлена связь структуры меди с температурно-скоростными условиями деформации. Показано, что примесное торможение препятствует росту зерна при постдинамической рекристаллизации. Это позволило в меди технической чистоты в отличие от высокочистой меди (99.99 мас. %) определить условия, при которых происходит преимущественно либо наклеп деформируемого материала, сопровождающийся непрерывным повышением твердости и измельчением элементов структуры, либо динамическая рекристаллизация, приводящая к стабилизации значений твердости и среднего размера зерна. Показано, что в условиях наклепа структура исследованной меди определяется величиной истинной деформации, а в условиях динамической рекристаллизации — температурно-скомпенсированной скоростью деформации.
Ключевые слова: деформация, структура, твердость, динамическая рекристаллизация, медь. DOI: 10.7868/S0015323015090132
ВВЕДЕНИЕ
Существуют разные мнения о механизмах формирования дисперсной разориентирован-ной структуры при большой пластической деформации [1—7]. Одним из механизмов рассматривается динамическая рекристаллизация (ДР). Разные авторы находили признаки развития динамической рекристаллизации в металлах и сплавах, для которых температура деформации ~20°С является как высокой [8, 9], так и низкой гомологической температурой [10]. В этих работах определяли зависимость структуры и свойств материалов от степени деформации, как это принято при исследовании холодной деформации. В работе [11] был предложен другой подход к анализу эволюции структуры, который обычно применяется в случае горячей деформации, когда развитие структуры рассматривается в зависимости от температурно-скоростных условий деформации. Такой подход позволил выявить стадийность структурообразования в условиях проявления ДР. При этом в работе [11] была исследована медь высокой чистоты (99.99 мас. %), существенное влияние на формирование структуры которой оказывает постдинамическая рекристаллизация (ПДР), приводящая к росту отдельных очень крупных зерен. Поскольку изменение структуры в этом материале не прекращается после оконча-
ния деформации, установление закономерностей развития динамической рекристаллизации затруднено. Известно, что легирование малым количеством примеси — эффективный способ торможения роста зерна [12]. Поэтому целью настоящей работы было исследование стадийности структу-рообразования в условиях проявления динамической рекристаллизации в меди технической чистоты.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы меди чистотой 99.9 мас. % диаметром 5 мм и толщиной 0.3 мм деформировали сдвигом под давлением 6 ГПа при комнатной температуре со скоростями вращения наковальни 0.3 и 1 об./мин. Угол поворота наковальни изменяли от 15° до 15 оборотов. Величину деформации вычисляли по формуле:
е = *сд + *ос = 1п(1 + (Ф^)2)1/2 + 1п(йоМ,), (1)
где есд — деформация сдвига, еос — деформация осадки, ф — угол поворота наковальни, к0, к, — толщина образца до и после деформирования на расстоянии , от центра. Истинная деформация достигала значения е = 12, с экспериментальной погрешностью определения ±0.2 [13].
Измерения микротвердости проводили по двум взаимно перпендикулярным диаметрам образцов на приборе ПМТ-3 при нагрузках 0.25 и 0.125 Н. При размере структурных составляющих менее 1 мкм эта характеристика по существу является твердостью. Для построения усредненной зависимости твердости от истинной деформации все значения, полученные на разных образцах, разбивали по интервалам Ае = 0.4, и в каждом интервале определяли среднее значение.
Структуру исследовали с помощью электронного микроскопа JEM 200CX на расстоянии 1.5 мм от центра образцов. Размер элементов структуры определяли по электронно-микроскопическим светлопольным изображениям и темнопольным изображениям в рефлексе (111)Y по результатам более 200 измерений с погрешностью менее 10% [14]. Рассчитывали коэффициент вариации линейных размеров зерен, как отношение среднеквадратичного отклонения к среднему размеру зерна. С использованием программы "STATISTICA" строили гистограммы распределения элементов структуры по размерам. Определяли максимальный, минимальный и наиболее вероятный размер элемента структуры.
Температурно-скоростные условия деформации характеризовали параметром Зинера—Хол-ломона (З—Х) [15, 16] в виде:
ln Z = ln е + AH/RT,
(2)
где е — истинная скорость деформации, с-1; АН — энергия активации высокотемпературной деформации, для чистых металлов ее значение близко к энергии активации самодиффузии; Я — газовая постоянная; Т — температура деформации, К. Принимали АН = 107 кДж/моль [17]; Я = = 8.31 Дж(моль К)-1; Т = 300 К. Предполагали, что в каждом деформированном образце сначала проходили структурные изменения, как при деформации с меньшим углом поворота наковальни, а различия возникали при продолжении деформации в ходе дальнейшего поворота. Поэтому скорость деформации рассчитывали по формуле:
е = Ае/Ат,
(3)
где Ае — деформация, при которой произошло изменение структуры по сравнению с образцом, деформированным с меньшим углом поворота наковальни, Ат, с — время, за которое достигается соответствующее приращение деформации.
Разброс значений параметра З—Х, связанный с воспроизводимостью экспериментальных результатов при переходе от одной серии образцов к другой, не превышал 1. Поэтому в дальнейшем принята абсолютная погрешность измерения А1п^ = ±0.5.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для меди высокой чистоты установлено [11], что динамическая рекристаллизация начинается по достижении истинной деформации е = 2, и дальнейшее ее развитие зависит от параметра 1п Z. В интервале 34 < 1п 38 динамическая рекристаллизация проходит во всем объеме материала (стадия полностью ДР структуры), при 1п 42 признаков динамической рекристаллизации не обнаружено (стадия ячеистой структуры), при промежуточных значениях 38 < 1п Z < 42 объемная доля структуры, претерпевшей динамическую рекристаллизацию, уменьшается с увеличением 1п Z. На рис. 1 приведены значения параметра З—Х для меди технической чистоты, рассчитанные на различном расстоянии от центра образцов, деформированных с разным углом поворота наковальни, при двух скоростях ее вращения. Также указаны границы стадий структурных состояний, определенные в работе [11] для высокочистой меди. Экспериментальные результаты показывают, что значения 1п Z могут как изменяться по радиусу образца, так и оставаться постоянными. Видно, что при снижении скорости вращения наковальни от 1 до 0.3 об./мин происходит смещение зависимостей в область меньших значений 1п Z.
Так, если при скорости вращения наковальни ю = 1 об./мин и углах поворота 15° и 30° темпера-турно-скоростные условия соответствуют области (1), где в высокочистой меди ДР не развивается, то при ю = 0.3 об./мин зависимости для этих углов уже лежат в промежуточной области (2), где должны формироваться отдельные ДР зерна. При деформации на 5 оборотов наковальни, в зависимости от скорости вращения, температурно-ско-ростные условия деформации соответствуют либо области (2), либо области (3) — полной ДР. После 10 оборотов независимо от скорости вращения наковален ДР охватывает весь объем образца.
Ранее, в работе [18], при исследовании меди чистотой 99.99% было установлено, что влияние скорости вращения наковальни на структуру становится наиболее явным, если при деформации с одинаковым углом поворота температурноско-ростные условия оказываются в разных областях структурных состояний. Можно выделить два наиболее характерных случая, когда угол поворота наковальни составляет 15° и 180°. Так, деформация с ф = 15° при разных скоростях вращения наковальни обеспечивает получение близкой истинной деформации е = 1.5—2, но температурно-скоростные условия сильно различаются. При ю = 1 об./мин (1п Z = 42.5) образуется дислокационная ячеистая структура. Уменьшение скорости вращения наковальни до 0.3 об./мин приводит к снижению 1п Z до 41.5, что соответствует переходу к стадии частичной ДР и, действительно, на фоне
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ УСЛОВИЙ ДЕФОРМАЦИИ (а) (б)
N й
38
34
48
е
15° - а 1
30°
сг » » » 45° 2
и 180°
'У 1 об.
3 * ^10 об. об. |
12 0
48
е
12
Рис. 1. Температурно-скоростные условия деформации меди технической чистоты при разной скорости вращения наковален:
а — ю = 1 об./мин, б — ю = 0.3 об./мин.
0
Рис. 2. Микроструктура меди технической чистоты на стадии наклепа (1п Z > 42); а, б — ф = 15°, е = 1.9, 1п Z = 42.7, ю = = 1 об./мин; в — ф = 45°, е = 2.9, 1п Z = 41.8, ю = 1 об./мин.
ячеистой структуры наблюдаются отдельные зародыши рекристаллизации (микрокристаллиты). Деформация с ю = 0.05 об./мин характеризуется 1п Z = 39.5 и обеспечивает условия для образования большого количества микрокристаллитов, часть из которых приобретает геометрически правильную форму и полосчатый контраст на границах [18].
Электронно-микроскопическое исследование меди технической чистоты показало, что тип структуры также согласуется с температурно-ско-ростными условиями деформации. На первой стадии структура образована дислокационными
ячейками с постепенно изменяющейся малоугло-
1
вой разориентировкой (таким значениям 1пZ соответствует структура меди, деформированной на 15° и 30° при скорости вращения наковальни 1 об./мин). На рис. 2а, 2б представлены микрофотографии подобной структуры, причем на рис. 2б темнопольное изображение, полученное в рефлексе типа (111)у, демонстрирует непрерывно меняющуюся о
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.