научная статья по теме СРАВНЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ БОЛЬШОЙ И ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ Физика

Текст научной статьи на тему «СРАВНЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ БОЛЬШОЙ И ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 11, с. 1378-1383

УДК 669.71 74 721:539.89.536.425

СРАВНЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ БОЛЬШОЙ И ИНТЕНСИВНОЙ

ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ © 2012 г. И. Г. Бродова, А. Н. Петрова, И. Г. Ширинкина

Учреждение Российской академии наук Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург

E-mail: brodova@imp.uran.ru

Проведено сравнение деформационного поведения и особенностей структурообразования двух алюминиевых сплавов: АМц и В95 при мега- (МПД) и интенсивной пластической деформации (ИПД). Установлено, что при ИПД методом динамического канально-углового прессования формируется субмикрокристаллическая структура с размером зерна от 200 до 600 нм, а при МПД сдвигом под высоким квазигидростатическим давлением — наноструктура с размером зерен 55—100 нм. Установлена последовательность фазовых и структурных переходов при увеличении степени и скорости деформирования материалов. Определены механизмы релаксации упругой энергии в зависимости от степени подвижности дислокаций.

В настоящее время разработка научных основ технологий улучшения физико-механических свойств конструкционных материалов является важной научно-технической задачей. Результаты большого числа научных работ [1—5], посвященных этой тематике, показывают, что при обработке металлических материалов методами мега- и интенсивной пластической деформации можно получать ультрамелкокристаллическое (УМК) и нанокристаллическое (НК) состояния, характеризующиеся повышенными механическими, физическими и функциональными свойствами. Исследование процессов структурообразования при больших степенях деформации и при высокоэнергетических внешних воздействиях вызывает большой интерес ученых, так как, подбирая параметры деформации, можно управлять структурой материалов и их физико-механическими свойствами.

МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ

Объектами исследования выбраны два алюминиевых сплава: АМц и В95 — их составы приведены в табл. 1. Исходными образцами служили горя-чепрессованные прутки после различных термических обработок: низкотемпературного отжига для сплава АМц и старения и гетерогенизирующего отжига для сплава В95.

Интенсивная пластическая деформация осуществлялась методом динамического канально-углового прессования (ДКУП), использующим схему, близкую к РКУ-прессованию, и создающим скорости деформации порядка 105 с-1 за счет энергии импульсных источников. В этой техно-

логии [6-8] для продавливания образца через каналы матрицы вместо пресса в качестве рабочего тела используются продукты сгорания пороховых газов. В экспериментах использовалась поршневая схема деформации, при которой движение образца через каналы осуществлялось за счет постоянно действующего давления пороховых газов на поршень. В процессе эксперимента варьировались начальная скорость движения образца через каналы V = 150 м • с-1 и V = 300 м • с-1, число проходов через два взаимно перпендикулярных канала N - от одного до четырех. Исходными заготовками служили прутки диаметром 14 мм и длиной 60-65 мм.

Мегапластическую деформацию образцов (КГД) диаметром 10 мм и исходной толщиной 0.6 мм осуществляли в наковальнях Бриджмена путем кручения со скоростью 1 об/мин при квазигидростатическом давлении Р = 4-8 ГПа и комнатной температуре. Число оборотов наковальни варьировалось от 0.5 до 15, что соответствовало истинной логарифмической деформации е ~ 3.9-6.9.

Таблица 1. Химический состав исследованных сплавов, вес. %

Сплав Al Mn Zn Mg Cu

АМц Основа 1.3 0.1 0.2 0.1

В95 Основа 0.4 6.0 2.3 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ

Металлографические исследования образцов до и после деформации были проведены с помощью оптического микроскопа "Neophot-32". Рентгеноструктурный анализ (РСА) проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в Co-^а-излучении. Обработка профилей рентгеновских линий, качественный фазовый анализ и прецизионное определение параметра решетки Al-матрицы образцов до и после нагружения проводили с помощью программ PROFILE, OUTSET и PHAN. Электронно-микроскопические исследования проводились на электронных просвечивающих микроскопах (ПЭМ) JEM-200CX и СМ-30, сканирующем электронном микроскопе QUANTA-200. Размеры фрагментов матрицы в деформированных материалах рассчитывались по темнопольным электронно-микроскопическим снимкам с помощью пакета программ SIAMS-700. Чтобы исключить неоднородность деформации по радиусу КГД-образ-цов, которая имеет место при таком методе деформации, все структурные характеристики определялись на половине радиуса образца.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

После низкотемпературного отжига пруток из сплава АМц имел структуру слаболегированного Al-твердого раствора с твердостью HB = 39. В структуре сплава В95 наряду с легированной Al-матрицей (НВ = 68) наблюдалось большое количество разных по составу вторичных фаз, являющихся результатом распада пересыщенного твердого раствора при закалке и старении (дисперсоиды алюминидов тугоплавких металлов, упрочняющая фаза MgZn2) и их последующей коагуляции при отжиге.

Таким образом, специальный выбор сплавов и проведенная термическая обработка дали возможность получить два материала на основе алюминия с одной и той же ГЦК-кристаллической решеткой, но с разной степенью легированности Al-твердого раствора, характером распределения вторичных фаз и прочностными характеристиками.

Известно, что алюминий — это материал с высокой энергией дефектов упаковки, в котором дислокационные перестройки происходят очень легко [9, 10]. Учитывая, что легирующие элементы (Zn, Mg, Cu, Mn) снижают энергию дефектов упаковки [11] и энергию активации зернограничной диффузии, а находящиеся по границам частицы служат источником блокировки дислокаций, можно считать, что сплав АМц является модельным материалом, в котором процессы дислокационной перестройки об-

легчены, а сплав В95 — материалом с более низкой подвижностью дислокаций.

Оба материала подвергали одинаковой деформационной обработке по двум схемам и режимам, описанным выше. В процессе эксперимента исследовалась эволюция структуры и фазового состава сплавов, подверженных деформации при разных условиях, и выявлены характерные механизмы формирования УМК- и НК-состояний в сплавах разного состава.

В [12, 13] показаны основные закономерности структурообразования сплава АМц при разных методах деформации. Так, при ДКУП при следующих условиях деформации: V< 300 м • с-1, N = 1 — образуется фрагментированная УМК-структура с большеугловыми (БУГ) и малоугловыми (МУГ) границами, с высокой плотностью дислокаций и средним размером кристаллитов 600 нм. При увеличении скорости деформации и числа проходов ДКУП (V> 300 м • с-1, N = 4) наблюдается укрупнение кристаллитов в материале и типичной становится рекристаллизованная структура с БУГ, т. е. с ростом накопленной деформации наблюдается смена механизма образования УМК-структуры.

Более богатая палитра структур была обнаружена при КГД сплава АМц [13]. Так, при истинной деформации е = 3.9 наблюдается смешанная структура, состоящая из образовавшихся ранее (при меньших е) сохранившихся единичных фраг-ментированных зёрен с БУГ и МУГ (400 нм) и менее дефектных рекристаллизованных зёрен. Далее в интервале истинных деформаций е = 4.1—5.5 становится преобладающей рекристаллизован-ная структура и, наконец, при е = 6.4—6.9 снова появляется смешанная структура, в которой основной объем занимают вторично фрагментиро-ванные зёрна с развитой внутренней субструктурой и размером 150 нм. В тройных стыках таких кристаллитов возникают единичные, свободные от дислокаций рекристаллизованные зёрна. Таким образом, в сплаве АМц при квазистатическом методе деформации обнаружен циклический характер формирования УМК-состояний. При этом в материале понижаются уровень внутренних напряжений и степень упрочнения. Установленная для УМК-сплава АМц последовательность структурообразования, ранее обнаруженная в меди [14], сейчас подробно обсуждается и находит подтверждение для других УМК-материалов [15].

Иная картина наблюдается при деформировании многофазного сплава В95. При высокоскоростном деформировании этого материала [16, 17] с ростом накопленной деформации (числа циклов ДКУП) средний размер структурных составляющих существенно не изменяется и сохраняются дисперсные вторичные фазы, располагающиеся

1380

БРОДОВА и др.

по границам кристаллитов. На ПЭМ-снимках наблюдаются кристаллиты с неоднородным внутренним контрастом, разделенные неравновесными размытыми БУГ и высокой плотностью решеточных дислокаций. По изменению вида картины микродифракции можно судить о том, что доля БУГ в структуре материала увеличивается с ростом накопленной деформации. Уровень микронапряжений второго рода, определенный по данным РСА, также повышается. Все перечисленные выше признаки свидетельствуют об образовании УМК-структуры в результате фрагментации и ее стабилизации при повторных циклах ДКУП. Одной из причин стабилизации фрагментирован-ной структуры с ростом накопленной деформации является блокировка дислокаций выделениями вторичных фаз.

Природа физических процессов, протекающих при МПД сплава В95 (метод деформации КГД), изменяется в зависимости от режима деформации [18], а именно: фрагментация остается преобладающим механизмом релаксации внутренних напряжений в широком интервале истинных деформаций е < 6.4 и измельчает структуру до наноуровня. Средний размер зерна при е = 6.4 равен 55 нм. При е > 6.9 в сплаве начинает действовать другой канал диссипации упругой энергии — низкотемпературная динамическая рекристаллизация. В этом случае в смешанной структуре, состоящей преимущественно из фраг-ментированных зерен с БУГ, появляются менее дефектные зёрна с равновесными границами.

Смена одного вида структур на другой в сплаве В95 происходит на фоне двух индуцированных пластической деформацией и конкурирующих между собой фазовых превращений: деформационного растворения дисперсоидов алюминидов тугоплавких металлов и фазы М^п2 (4.1 < е < 4.8) и деформационного кинетического старения с выделением метастабильной упрочняющей п'-фазы (е > 5.5). Таким образом, переход от

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