научная статья по теме ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОУГЛОВЫХ ГРАНИЦ ЗЕРЕН И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СПЛАВА FENI Физика

Текст научной статьи на тему «ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОУГЛОВЫХ ГРАНИЦ ЗЕРЕН И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СПЛАВА FENI»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2014, том 78, № 10, с. 1273-1281

УДК 539.374

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОУГЛОВЫХ ГРАНИЦ ЗЕРЕН И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СПЛАВА FeNi © 2014 г. А. М. Глезер1,2,3, В. Н. Варюхин4, А. А. Томчук1,3, Н. А. Малеева2

E-mail: a.glezer@mail.ru

Методами просвечивающей электронной микроскопии и дифракции обратно рассеянных электронов проанализирована эволюция структурных параметров деформационных фрагментов и динамически рекристаллизованных зерен в процессе мегапластической деформации при комнатной температуре в камере Бриджмена по мере увеличения числа полных оборотов. Показано, что формирование в структуре значительного количества высокоугловых границ зерен обусловлено главным образом процессом низкотемпературной динамической рекристаллизации.

DOI: 10.7868/S036767651410007X

ВВЕДЕНИЕ

Экстремальные воздействия оказывают существенное влияние на структуру и свойства твердых тел [1]. К их числу, безусловно, следует отнести воздействие очень больших пластических деформаций. За последние годы интерес к этому способу обработки материалов существенно возрос, поскольку он дает возможность существенно повысить физико-механические свойства металлических материалов [2]. В значительной мере это связано с образованием наноструктурных состояний различного вида и, в частности, с процессами фрагментации.

Термин "большие пластические деформации" был введен П.У. Бриджменом [3] — пионером в изучении подобных процессов. В дальнейшем в зарубежной научной литературе начали использовать термин "severe plastic deformation" [4], который можно перевести на русский язык как "строгая", "жесткая", "глубокая", а скорее всего "сильная" пластическая деформация" [5]. К сожалению, в русскоязычной научной литературе для определения больших деформаций появился термин "интенсивная пластическая деформация" [6], который, c физической точки зрения, недостаточно корректен. В работе [7] был предло-

1 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И.П. Бардина, Москва.

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Москва.

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет приборостроения и информатики.

4 Донецкий физико-технический институт имени А.А. Галкина НАН Украины, Донецк.

жен другой, физически более строгий русскоязычный термин. Новый термин восходит к общефило-совской концепции наших представлений об окружающей материи. Как хорошо известно [8], естествознание рассматривает три масштабных уровня материального мира: МИКРОмир, где реализуется масштаб отдельных атомов и молекул, МАКРОмир — масштаб человеческого восприятия мира: метр, килограмм, секунда и МЕГАмир — астрономический масштаб. Существует прямая аналогия между описанными выше масштабными уровнями организации материи и стадиями пластической деформации. В самом деле, хорошо известен процесс МИКРОпластической деформации, наблюдающийся до достижения значения макроскопического предела текучести [9], и процесс МАКРОпластической деформации, реализующийся при напряжениях выше предела текучести [10]. Таким образом, продолжая отмеченную аналогию, следует называть очень большую пластическую деформацию МЕГАпластической деформацией (МПД), что отвечает общей логике развития любого материального явления.

К настоящему времени наибольшее распространение получили четыре способа создания гигантских степеней деформации [11]: кручение под высоким давлением (КВД) в камере Бридж-мена, равноканальное угловое прессование, аккумулированная прокатка и винтовая экструзия. В первом случае образец помещается между двумя наковальнями, одна из которых медленно вращается при одновременном создании очень высоких квазигидростатических давлений (несколько ГПа). Во втором случае образец продавливается через два равных по размерам канала, расположенных под определенным углом друг к другу (до 90°). Реализуемые при этом пластические деформации столь значительны, что теряют

смысл обычные значения относительных степеней деформации, и следует перейти к истинным логарифмическим деформациям е. Для КВД их значения определяются в следующем виде [12]:

,2Л0-5

е = 1п

1+(?

+1п (И

(1)

V * "" V

где г и к — соответственно радиус, высота образца в виде диска, обрабатываемого в камере Бридж-мена, и ф — угол поворота подвижной наковальни. Число полных оборотов подвижной наковальни N соответствует деформации, при которой ф = 2пК

Формирующиеся при столь гигантских деформациях структурные состояния весьма необычны и трудно предсказуемы. К сожалению, подавляющее большинство авторов ограничиваются использованием МПД лишь как способом механической обработки и изучением конечных структур и соответствующих свойств материалов, не анализируя по существу тех физических процессов, которые протекают непосредственно при гигантских степенях пластического течения. По нашему мнению, классические дислокационные и даже дисклинационные подходы к пониманию структурных процессов при сверхвысоких пластических деформациях представляются недостаточно эффективными и требуют серьезного переосмысления.

Суммируя большое количество экспериментальных исследований по изучению структуры чистых металлов и слаболегированных твердых растворов, подвергшихся МПД, можно констатировать, что наблюдается сложное сочетание дефектных структур, содержащих малоугловые и высокоугловые структуры внутри зерен различной степени совершенства. Кроме того, информация о структуре, к сожалению, довольно противоречива и неоднозначна, поскольку в различных экспериментах авторы наблюдают, как правило, различные структурные состояния на одних и тех же материалах при сходных условиях деформирования, что обусловлено, по всей видимости, нетождественными условиями проведения экспериментов. При этом истинное наноструктурное состояние (^ < 0.1 мкм) формируется далеко не всегда. В сталях и сплавах МПД нередко сопровождается фазовыми переходами (выделение и растворение фаз, мартенситное превращение, аморфизация) [13]. Последняя, как правило, происходит в ин-терметаллидах или многокомпонентных системах при относительно невысоких температурах.

Наиболее стройную концепцию структурооб-разования при больших пластических деформаций предложил В.В. Рыбин [14]. На основе представлений о доминирующей роли дисклинационной моды и связанных с ней процессах фрагментации ему

удалось корректно описать явления, протекающие при значительных степенях деформации, близких к е ~ 1. Анализ многочисленных экспериментальных данных, особенно для ОЦК-кристаллов, привел автора к представлению о предельной (критической) фрагментированной структуре, дальнейшая эволюция которой в рамках дискли-национной моды становится невозможной [14]. Очаги разрушения образуются по границам фрагментов, которые разделяют области, как правило, свободные от дислокаций. Критическая фрагмен-тированная структура — это конечный продукт пластической деформации, которая не способна сопротивляться усиливающемуся воздействию внешних и внутренних напряжений и должна привести к разрушению. Подобное рассмотрение относится по существу к ранним стадиям МПД (е < 2) и, следовательно, не в состоянии описать структурные изменения на более поздних стадиях деформации.

В работе [15] обращается внимание на то обстоятельство, что для случая технически чистого железа переход к МПД сопровождается скачкообразными изменениями в структуре материала, которые происходят при некотором критическом значении ес ~ 1. Кроме того, меняется механическое поведение материала: деформационное упрочнение вместо параболического закона при больших деформациях подчиняется линейному закону. В работе [16], в которой подвергали МПД медную проволоку (е = 1.6 и 3.7), наблюдалась цикличность в изменении структуры по мере увеличения деформации: фрагментированная структура (^ = 0.2 мкм) ^ рекристаллизованная структура ^ фрагментированная структура (^ = = 0.1 мкм), где d — средний размер фрагментов. По существу к настоящему времени имеются лишь отдельные серьезные попытки строго описать явления, протекающие при больших деформациях, которые находятся "на пороге" МПД [17].

В работе [18] были рассмотрены энергетические аспекты поведения твердого тела под нагрузкой. При этом была высказана принципиально важная мысль о том, что МПД может наблюдаться не только при особых схемах деформирования, как считалось ранее [19], а является по существу последовательной стадией общего процесса деформации при любом способе деформирования (например, при прокатке), которая реализуется вслед за микропластической и макроскопической стадиями при очень больших степенях деформации, если, конечно, при этом удается избежать процесса макроскопического разрушения (рис. 1). Если представить твердое тело конечных размеров как механическую диссипативную систему [18], то можно считать, что при деформационном воздействии мы "закачиваем" в него определенную механическую энергию. Очевидным "кана-

лом диссипации (релаксации)" этой энергии является пластическая деформация. При исчерпании ее диссипативных возможностей должен быть реализован другой канал диссипации — механическое разрушение. Однако при значительных величинах накопленной упругой энергии могут быть инициированы дополнительные "каналы диссипации": динамическая рекристаллизация, фазовые превращения и выделение тепловой энергии. В случае МПД, когда велика компонента напряжений всестороннего сжатия, образование и рост раскалывающих трещин частично или полностью подавляются и, следовательно, существенно затрудняется реализация процесса разрушения. Иными словами, используя КВД или аналогичные схемы нагружения, мы "заставляем" твердое тело деформироваться, не разрушаясь.

Если концепция предельных структур [14] верна, то дислокационно-дисклинационная аккомодация эффективна до определенного предела, соо

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.

Показать целиком