ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 5, с. 548-556
^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 539.4.015.1
СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И РАЗРУШЕНИЮ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КАНАЛЬНО-УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ
© 2015 г. И. Г. Бродова*, А. Н. Петрова*, С. В. Разоренов**, ***, Е. В. Шорохов****
*Институт физики металлов УрО РАН, 62099 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт проблем химической физики РАН, Московская область, 142432 Черноголовка, пр. Семенова, 1 ***Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634050 Томск, пр. Ленина, 36 ****РФЯЦ — ВНИИТФ, Челябинская область, 456770 Снежинск, ул. Васильева, 13, а.я. 245
e-mail: brodova@imp.uran.ru Поступила в редакцию 26.09.2014 г.; в окончательном варианте — 26.11.2014 г.
Проведено сравнение деформационного поведения при ударном сжатии субмикрокристаллических, полученных динамическим канально-угловым прессованием, и крупнокристаллических промышленных алюминиевых сплавов АМц (химический состав Al—1.5 Mn—0.1 Zn—0.05 Cu—0.6 Si—0.7 Fe мас. %), В95 (Al—7.0 Zn—2.3 Mg—1.8 Cu—0.5 Si—0.5 Fe—0.25 Cr мас. %) и технического алюминия А7 (не менее 99.7А1—до 0.15 Fe—до 0.15 Si мас. %). Путем анализа экспериментальных профилей скорости свободной поверхности образцов были определены динамический предел упругости cthel, предел текучести Yи откольная прочность asp при скорости деформирования (1.2—3) 105 с-1. Обнаружено, что при переходе всех исследованных материалов в субмикрокристаллическое состояние (размер кристаллитов 200-700 нм) динамический предел упругости и предел текучести повышаются. Самое высокое значение Y имеет субмикрокристаллический сплав В95, а самое низкое — субмикрокристаллический алюминий А7. Влияние размера зерна на откольную прочность неоднозначно. Значения ст™ субмикрокристаллических сплавов составляют 1.32—1.36 ГПа. Субмикрокристаллические сплав В95 и технический алюминий А7 демонстрируют уменьшение откольной прочности, а от-кольная прочность сплава АМц незначительно повышается с уменьшением размера зерна.
Ключевые слова: субмикрокристаллическая структура, алюминиевые сплавы, ударное сжатие, откольная прочность, динамический предел упругости.
DOI: 10.7868/S0015323015050058
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время широкое развитие получили методы упрочнения конструкционных металлов и сплавов путем их большой (мега-) пластической деформации (МПД) — равно-канальное угловое и всестороннее прессование, кручение под давлением и другие [1]. Применение таких методов статической и квазистатической деформации позволяют значительно улучшать прочностные характеристики металлических материалов вследствие сильного измельчения их зерен-ной структуры [1—3]. Субмикрокристаллические (СМК) материалы с размером зерна от ста нанометров до одного микрометра, как показали их исследования при статических и квазистатических нагрузках, обладают повышенной прочностью, пластичностью и рядом других свойств, привлекательных для разнообразных практических применений.
Эти обстоятельства делают актуальными исследования поведения СМК-металлических материалов при более высоких (на 4—5 порядков) скоростях деформирования. Исследования механических свойств материалов в субмикросекунд-ном диапазоне длительностей воздействия при скоростях деформирования >103 с-1 проводятся в условиях ударно-волнового нагружения испытуемых образцов. Существующие экспериментальные данные о поведении металлов и сплавов, полученные в условиях ударно-волнового деформирования, показывают, что дефекты структуры (дислокации, двойники, поры и т.д.) и размер зерна могут, как увеличивать, так и уменьшать значения предела текучести материалов и их прочность на разрыв [4]. Исследования механических свойств материалов при субмикросекундных длительностях нагрузки основаны на том факте, что процессы упругопластического деформирования и разру-
шения сопряжены с изменением сжимаемости материала и проявляются в структуре волн сжатия и разрежения [5]. Динамическая прочность материалов на разрыв в субмикросекундном диапазоне длительностей нагрузки исследуется путем регистрации откольных явлений при отражении импульса одномерного ударного сжатия от свободной поверхности тела [6]. Откольная прочность не является константой материала и зависит, как от условий нагружения, так и от его внутренней структуры. В отличие от статических условий нагружения, данных о сопротивлении высокоскоростному деформированию и разрушению СМК-материалов не так много, и исследование прочностных свойств подобных материалов при ударных нагрузках остается актуальным.
В последние годы получил развитие новый метод интенсивной пластической деформации (ИПД) — динамическое канально-угловое прессование (ДКУП) [7], которым были получены СМК материалы (титан, медь, латунь, алюминий и его сплавы) с повышенными механическими свойствами [8]. Изучение механического поведения алюминиевых сплавов, полученных ДКУП, при динамическом сжатии в разрезном стержне Гопкинсона-Кольского выявило ряд специфических особенностей, а именно, их повышенную диссипативную способность и сохранение высоких прочностных свойств в интервале скоростей деформации (4—6) х 103 с-1 [9].
Целью настоящей работы является продолжение исследований механических характеристик СМК-алюминиевых сплавов, полученных ДКУП, при скоростях деформирования более 104 с-1, реализуемых при ударно-волновом нагружении.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕРИАЛЫ
Для получения алюминиевых сплавов с СМК-структурой был использован метод ИПД — ДКУП, отличающийся от квазистатического метода РКУП тем, что нагружение материала осуществляется в сложных полях внешних воздействий (ударной волны и механического сдвига). В процессе прессования материала в нем реализуются скорости деформации 104—105 с-1 [7]. При прессовании алюминиевых сплавов для данных экспериментов использовали матрицу с каналами, пересекающимися под углом Ф = 90°. Начальная скорость движения образца в матрице (Кнач) задавалась массой порохового заряда и варьировалась от 50 до 300 м/с, число циклов (V) изменяли от 1 до 4. Повторные циклы осуществляли по маршруту Вс. В геометрии оснастки изменяли диаметр каналов, в зависимости от размера заготовки (14 и 30 мм).
Ударник (~630 м/с)
Образец
VISAR
Экран
20 мм i_i
Рис. 1. Схема эксперимента по ударно-волновому на-гружению и регистрации профилей скорости свободной поверхности образцов алюминиевых сплавов лазерным интерферометром VISАR.
Металлографические исследования макроструктуры образцов до и после ДКУП были проведены с помощью оптического микроскопа "Neophot-32". Микротвердость Hц измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.2 H (погрешность не превышала 10%), а твердость по Бринеллю при нагрузке 250 кг (диаметр шарика — 10 мм). Электронно-микроскопические исследования осуществляли на электронных просвечивающих микроскопах (ПЭМ) JEM-200CX и Philips CM-30. Размер кристаллитов определяли по темнопольным изображениям, полученным с фольг, и строили гистограммы распределения кристаллитов по размеру. Рентгенострук-турный анализ проводили на дифрактометре D8 Avance в Cu ^-излучении в геометрии параллельного пучка и дифрактомере ДРОН-3 в Co ^а-излу-чении.
Исходные крупнокристаллические (КК) образцы и образцы с СМК-структурой толщиной ~2 мм нагружались ударом плоской алюминиевой пластины толщиной ~0.4 мм, разогнанной до скорости 620 ± 30 м/с с помощью взрывных устройств [5]. Схема эксперимента представлена на рис. 1.
При данных условиях нагружения максимальное давление ударного сжатия алюминиевых образцов составляло от 4 до 5 ГПа, а скорость деформирования в разгрузочной части волны сжатия перед от-кольным разрушением варьировалась в пределах (1.2—3) х 105 с-1. Во всех экспериментах регистрировались профили скорости свободной поверхности UfS(t) с помощью лазерного Доплеровского измерителя скорости VISAR [10], имеющего временное разрешение ~1 нс и пространственное разрешение ~0.1 мм2.
Ударно-волновому нагружению подвергали образцы из СМК-сплава В95 диаметром 16 мм
Таблица 1. Химический и фазовый состав исследованных материалов
Марка сплава Химический состав, мас. % Фазовый состав
А7 не менее 99.7А1-до 0.15 Бе-до 0.15 Однофазный А1-твердый раствор (НВ = 15)
АМц (А3003) A1-1.5Mn-0.1Zn-0.05Cu-0.6Si-0.7Fe Слаболегированный однофазный А1-твердый раствор (НВ = 45)
В95 (А7075) A1-7.0Zn-2.3Mg-1.8Cu-0.5S1-0.5Fe-0.25Cr Пересыщенный А1-твердый раствор, дисперсоиды тугоплавких металлов, упрочняющая фаза MgZn2 (НВ = 68)
после однократного ДКУП (начальная скорость движения образца в канале Унач = 150 м/с), образцы СМК-сплава АМц диаметром 30 мм после однократного ДКУП (Кнач ~ 300 м/с) и технического алюминия А7 диаметром 16 мм после четырех циклов ДКУП (Кнач ~ 100-200 м/с). Цилиндрические заготовки для ДКУП длиной 65-100 мм, диаметром 14-30 мм были получены из горяче-прессованных прутков перечисленных выше сплавов после различных термических обработок. В исходном состоянии крупнокристаллический технический алюминий А7 имел ячеистую структуру, а крупнокристаллические сплавы имели полосчатую субзёренную структуру (средний размер субзёрен 2 мкм). Химический и фазовый состав алюминиевых сплавов в исходном КК состоянии приведен в табл. 1.
ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУР ДЕФОРМАЦИОННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ДКУП АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ РАЗНОГО СОСТАВА
Технический алюминий А7
В техническом алюминии А7 один цикл ДКУП при Кнач = 100 м/с инициирует эволюцию исходной ячеистой структуры (рис. 2а) в смешанную структуру субмикронного масштаба. Основной объем занимает зеренно-субзеренная сильно деформированная структура, образованная механизмом фрагментации в результате развития кристаллографического скольжения решеточных дислокаций и ротационных мод деформации при перемещении частичных дисклинаций. Внутри кристаллитов выявляется большая плотность дислокаций (рис. 2б). Средний размер структурных фрагментов составляет 900 нм.
В результате четырех циклов ДКУП при скорости Кнач = 200 м/с формируется СМК-структура, однако, в основном объеме об
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.