1.3 Методы реализации ИПД
Достижению больших степеней деформации без разрушения образца способствуют следующие условия: - неизменность начального и конечного поперечного сечения образца; - приближение деформации к простому сдвигу; - знакопеременность деформации; - высокие давления. Методы интенсивной пластической деформации, используемые при реализации указанных условий можно разделить на две группы. К первой относят схемы, где невозможно приложить большие гидростатические давления. Это схемы мультиосевой деформации, знакопеременный изгиб и аккумулируемая прокатка соединением. Ко второй группе, использующей высокие гидростатические давления, относят кручение под высоким гидростатическим давлением, винтовую экструзию и равноканальное угловое прессование.
Схемы ИПД из первой группы обычно используют в условиях теплой деформации для получения в основном субультрамелкозернистой структуры (0,1 мкм <D<1 мкм). Реализация схем ИПД второй группы обеспечивает формирование наноструктуры (0,1 мкм >D).
Мультиосевая деформация
Схема деформации, использующая многократное повторение процесса свободной ковки со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия получила название мультиосевой деформации или многократной всесторонней ковки (МВК) (рисунок 1.1). Обработку материалов начинают с повышенных температур, постепенно снижая температуру деформирования при последующих переходах (в интервале 0,3-0,6Тпл).
Реализация многократной всесторонней ковки позволяет получать материалы с размером структурных составляющих от 0,3 мкм и высокой дисперсностью частиц второй фазы [9-10]. Основным механизмом трансформации структурных составляющих является динамическая рекристаллизация. В методах указывается, что температура влияет на механизм формирования наноструктуры:
- при низких температурах происходит собственно интенсивная пластическая деформация, способствующая формированию границ зерен деформационного происхождения;
- при более высоких температурах реализуется всесторонняя изотермическая ковка с формированием границ зерен при рекристаллизационных процессах. Для обеспечения однородности структурных составляющих по всему сечению образца требуется многократная обработка [14].
Знакопеременный изгиб
Для получения ультрамелкозернистой структуры успешно используются схемы знакопеременного изгиба, реализуемого при горячей деформации. Изгиб как правило осуществляется в одной или в двух плоскостях с дальнейшим выравниванием заготовки. Использование станов планетарной прокатки со смещенными валками для осуществления одноплоскостного изгиба обеспечивает получение листа без изменения его толщины. Сочетание такой обработки с последующей закалкой способствует получению высокого комплекса механических характеристик [15-17].
Знакопеременный изгиб реализуется последовательным прессованием на рифленых и плоских штампах или прокаткой полосы последовательно на рифленых и гладких валках (рисунок 1.2). При знакопеременном изгибе изменения поперечных размеров заготовки не происходит, что позволяет производить многократную обработку с большими суммарными деформациями.
Аккумулируемая прокатка с соединением
Для получения объемных наноматериалов на обычном прокатном оборудовании применяют аккумулируемую прокатку с соединением (АПС). При традиционной прокатке суммарная деформация не может превышать 100% из-за уменьшения толщины прокатываемой заготовки. Принцип аккумулируемой прокатки заключается в том, что после прокатки заготовки разрезаются, накладываются одна на другую и повторно прокатываются. Для обеспечения соединения полос, поверхность металла должна быть хорошо очищена. В этом случае происходит диффузионная сварка заготовок и в результате получают единое твердое тело. С целью ускорения процесса соединения заготовок и снижения усилия на валки процесс реализуется при повышенных температурах, но не выше температуры рекристаллизации. Наиболее успешно процесс реализуется на алюминиевых сплавах и низкоуглеродистых сталях с получением среднего размера зерна 0,08-0,3 мкм [7, с. 142-143; 8, с. 171].
Кручение под высоким давлением
Одним из наиболее эффективных методов получения наноструктурных материалов является метод кручения под высоким давлением, который проводят на наковальнях Бриджмена или подобных установках. Кручением под высоким давлением обрабатывают образцы в форме дисков толщиной несколько мм и диаметром до 20 мм, при этом величина
давления составляет несколько ГПа (рисунок 1.4). При реализации кручения под высоким давлением нижний боек испытывает вращательное, а верхний боек поступательное движение. Иногда могут вращаться оба бойка. За счет действия сил трения происходит деформирование образца сдвигом в условиях гидростатического сжатия, в связи с чем образец не разрушается при деформировании. Основным недостатком данного процесса является перевод объемных заготовок в плоские. Обычно этот метод используют для моделирования предельного измельчения структуры материала [7, с.143-146; 8, с. 172-175].
Истинную логарифмическую степень деформации ε можно определить из выражения (1.2):
ԑ=ln(ωr/h) (1.2)
где ω – угол вращения, рад,
r– радиус диска,
h – толщина диска.
Согласно выражению 1.2 в центре образцов ε равна нулю. Однако эксперименты показывают измельчение размеров зерна в центральных частях образцов [7, с. 144; 8, с.173; 20-27].
Для расчета степени сдвиговой деформации εc используют выражение 1.3:
ԑ_c=2RN/h (1.3)
где N – число оборотов,
h – толщина образца.
При сравнительных расчетах согласно критерию Мизеса используют эквивалентную деформацию εэкв:
ԑ_экв=ԑ_с/√3 (1.4)
Винтовое прессование
Для измельчения структурных составляющих и повышения механических характеристик используется метод винтового прессования (рисунок 1.4).
Принцип метода заключается в продавливании заготовки через винтовой канал матрицы. В результате размеры поперечного сечения заготовки не изменяются, что позволяет повторять процесс деформирования многократно. Степень деформации определяется углом γ наклона винтовой линии к направлению оси экструзии. Величина деформации характеризуется этим углом. На начальном и конечном участке канала инструмента он равен нулю [7, с. 146; 8, с. 175].
1.1.6 Равноканальное угловое прессование
Традиционные процессы прессования в последние годы логично дополняются новыми технологическими схемами: прессование чистым сдвигом, непрерывное прессование, прессование с условным названием «песочные часы» [28].
В этом методе рассматривается технология ИПД основанную на предложении применения трубоканального углового прессования (ТКУП) для деформирования цилиндрических труб в условиях больших деформаций без изменения их размеров. Трубы прессуются под действием внутреннего и внешнего инструмента полым пуансоном, как показано на рисунке 1.5. Также на рисунке 1.5 указаны три зоны деформируемой заготовки. Канал имел углы 135°, 90° и 135°. Деформирование осуществлялось при температуре 300°С со скоростью 5 мм/мин. ТКУП отличается от РКУП добавлением радиального напряжения и сжимающей деформации в связи с изменением диаметра трубы в процессе деформации и переход в первоначальное состояние в конце деформации. Размер структурных составляющих изменяется с 150 мкм до 1,5 мкм уже после 1 цикла ТКУП. Микротвердость сплава также возростает по сравнению с исходным состоянием.
Другим, получившим наибольшее развитие методом создания субультрамелкозернистых и наноструктурных материалов является равноканальное угловое прессование (РКУП). Способ был впервые предложен профессором В.М. Сегалом для упрочнения заготовок. Принцип метода заключается в продавливании заготовки пуансоном через два канала, пересекающиеся под определенным углом. Угол стыка каналов инструмента варьируется от 90° до 120°. Входной и выходной каналы инструмента имеют равное поперечное сечение, что позволяет многократно повторять процесс прессования для достижения требуемого уровня накопленной деформации (рисунок 1.6).
К основным параметрам РКУП относят:
- температуру заготовки при прессовании;
- степень накопленной деформации;
- угол стыка каналов инструмента; - маршрут прессования [7, с. 146; 8, с. 176].
Температура деформации должна обеспечивать формирование мелкого зерна при деформировании. Степень деформации подбирается в зависимости от требуемого уровня механических характеристик и параметров структуры образца. Показано, что для формирования новой зеренной структуры с большеугловыми границами зерен обычно требуется 4-8 проходов при угле пересечения каналов 90о в зависимости от температуры и материала [7, с.146-147; 8, 176-177].
Для определения приращения степени деформации при РКУП часто используют следующее выражение (рисунок 1.7):
P/σ_T =〖∆ε〗_i=2/√3 ctg(ф/2) (1.5)
где Р – приложенное давление,
σт – напряжение течения деформируемого материала,
ф – угол стыка каналов инструмента [7, с. 147; 8, с. 176].
При многократном РКУП общая степень деформации будет равна:
ε_N=N*ε_i (1.6)
где N – число проходов [7, с. 147; 8, с. 177].
Для снижения концентрации напряжений при реализации РКУП применяют скругление стыка каналов инструмента. С учетом угла скругления степень деформации образца при РКУП можно определить из выражения:
ε_N=N[((2ctg(ф/2+ᴪ/2)+ᴪ cos(ф/2+ᴪ/2) ))/√3] (1.7)
где Ψ – угол скругления [7, с. 147; 8, с. 177].
На характер структурообразования при РКУП существенное влияние оказывает маршрут деформирования (рисунок 1.8). Наиболее распространены четыре маршрута:
- маршрут А – ориентация заготовки не меняется;
- маршрут ВА – заготовка кантуется после каждого прохода на 90° вокруг продольной оси поочередно по часовой стрелке и против;
- маршрут ВС – заготовка кантуется после каждого прохода на 90° вокруг продольной оси в одну сторону;
- маршрут С – заготовка кантуется после каждого прохода на 180° вокруг продольной оси [7, с. 148-149; 8, с. 178-180].
В зависимости от выбора маршрута меняется направление сдвига при РКУП и таким образом может быть создана либо ламинарная, либо равноосная структура.
Как следует из вышесказанного, процесс РКУП является весьма сложным многофакторным экспериментом. При этом его успешная реализация зависит от:
- геометрии оснастки (угол пересечения каналов, их форма и размеры, внешний и внутренний радиусы закругления в зоне пересечения каналов и др.);
- параметров РКУП (скорость, число проходов, маршрут, температура, смазка, определяющая коэффициент трения между заготовкой и оснасткой, и др.);
- природы деформируемого материала (порядковый номер в периодической таблице Д.И. Менделеева, тип кристаллической решетки, исходные структура, пластичность и прочность и др.) [7, с. 149; 8, с. 181-182].
Достижению больших степеней деформации без разрушения образца способствуют следующие условия: - неизменность начального и конечного поперечного сечения образца; - приближение деформации к простому сдвигу; - знакопеременность деформации; - высокие давления. Методы интенсивной пластической деформации, используемые при реализации указанных условий можно разделить на две группы. К первой относят схемы, где невозможно приложить большие гидростатические давления. Это схемы мультиосевой деформации, знакопеременный изгиб и аккумулируемая прокатка соединением. Ко второй группе, использующей высокие гидростатические давления, относят кручение под высоким гидростатическим давлением, винтовую экструзию и равноканальное угловое прессование.
Схемы ИПД из первой группы обычно используют в условиях теплой деформации для получения в основном субультрамелкозернистой структуры (0,1 мкм <D<1 мкм). Реализация схем ИПД второй группы обеспечивает формирование наноструктуры (0,1 мкм >D).
Мультиосевая деформация
Схема деформации, использующая многократное повторение процесса свободной ковки со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия получила название мультиосевой деформации или многократной всесторонней ковки (МВК) (рисунок 1.1). Обработку материалов начинают с повышенных температур, постепенно снижая температуру деформирования при последующих переходах (в интервале 0,3-0,6Тпл).
Реализация многократной всесторонней ковки позволяет получать материалы с размером структурных составляющих от 0,3 мкм и высокой дисперсностью частиц второй фазы [9-10]. Основным механизмом трансформации структурных составляющих является динамическая рекристаллизация. В методах указывается, что температура влияет на механизм формирования наноструктуры:
- при низких температурах происходит собственно интенсивная пластическая деформация, способствующая формированию границ зерен деформационного происхождения;
- при более высоких температурах реализуется всесторонняя изотермическая ковка с формированием границ зерен при рекристаллизационных процессах. Для обеспечения однородности структурных составляющих по всему сечению образца требуется многократная обработка [14].
Знакопеременный изгиб
Для получения ультрамелкозернистой структуры успешно используются схемы знакопеременного изгиба, реализуемого при горячей деформации. Изгиб как правило осуществляется в одной или в двух плоскостях с дальнейшим выравниванием заготовки. Использование станов планетарной прокатки со смещенными валками для осуществления одноплоскостного изгиба обеспечивает получение листа без изменения его толщины. Сочетание такой обработки с последующей закалкой способствует получению высокого комплекса механических характеристик [15-17].
Знакопеременный изгиб реализуется последовательным прессованием на рифленых и плоских штампах или прокаткой полосы последовательно на рифленых и гладких валках (рисунок 1.2). При знакопеременном изгибе изменения поперечных размеров заготовки не происходит, что позволяет производить многократную обработку с большими суммарными деформациями.
Аккумулируемая прокатка с соединением
Для получения объемных наноматериалов на обычном прокатном оборудовании применяют аккумулируемую прокатку с соединением (АПС). При традиционной прокатке суммарная деформация не может превышать 100% из-за уменьшения толщины прокатываемой заготовки. Принцип аккумулируемой прокатки заключается в том, что после прокатки заготовки разрезаются, накладываются одна на другую и повторно прокатываются. Для обеспечения соединения полос, поверхность металла должна быть хорошо очищена. В этом случае происходит диффузионная сварка заготовок и в результате получают единое твердое тело. С целью ускорения процесса соединения заготовок и снижения усилия на валки процесс реализуется при повышенных температурах, но не выше температуры рекристаллизации. Наиболее успешно процесс реализуется на алюминиевых сплавах и низкоуглеродистых сталях с получением среднего размера зерна 0,08-0,3 мкм [7, с. 142-143; 8, с. 171].
Кручение под высоким давлением
Одним из наиболее эффективных методов получения наноструктурных материалов является метод кручения под высоким давлением, который проводят на наковальнях Бриджмена или подобных установках. Кручением под высоким давлением обрабатывают образцы в форме дисков толщиной несколько мм и диаметром до 20 мм, при этом величина
давления составляет несколько ГПа (рисунок 1.4). При реализации кручения под высоким давлением нижний боек испытывает вращательное, а верхний боек поступательное движение. Иногда могут вращаться оба бойка. За счет действия сил трения происходит деформирование образца сдвигом в условиях гидростатического сжатия, в связи с чем образец не разрушается при деформировании. Основным недостатком данного процесса является перевод объемных заготовок в плоские. Обычно этот метод используют для моделирования предельного измельчения структуры материала [7, с.143-146; 8, с. 172-175].
Истинную логарифмическую степень деформации ε можно определить из выражения (1.2):
ԑ=ln(ωr/h) (1.2)
где ω – угол вращения, рад,
r– радиус диска,
h – толщина диска.
Согласно выражению 1.2 в центре образцов ε равна нулю. Однако эксперименты показывают измельчение размеров зерна в центральных частях образцов [7, с. 144; 8, с.173; 20-27].
Для расчета степени сдвиговой деформации εc используют выражение 1.3:
ԑ_c=2RN/h (1.3)
где N – число оборотов,
h – толщина образца.
При сравнительных расчетах согласно критерию Мизеса используют эквивалентную деформацию εэкв:
ԑ_экв=ԑ_с/√3 (1.4)
Винтовое прессование
Для измельчения структурных составляющих и повышения механических характеристик используется метод винтового прессования (рисунок 1.4).
Принцип метода заключается в продавливании заготовки через винтовой канал матрицы. В результате размеры поперечного сечения заготовки не изменяются, что позволяет повторять процесс деформирования многократно. Степень деформации определяется углом γ наклона винтовой линии к направлению оси экструзии. Величина деформации характеризуется этим углом. На начальном и конечном участке канала инструмента он равен нулю [7, с. 146; 8, с. 175].
1.1.6 Равноканальное угловое прессование
Традиционные процессы прессования в последние годы логично дополняются новыми технологическими схемами: прессование чистым сдвигом, непрерывное прессование, прессование с условным названием «песочные часы» [28].
В этом методе рассматривается технология ИПД основанную на предложении применения трубоканального углового прессования (ТКУП) для деформирования цилиндрических труб в условиях больших деформаций без изменения их размеров. Трубы прессуются под действием внутреннего и внешнего инструмента полым пуансоном, как показано на рисунке 1.5. Также на рисунке 1.5 указаны три зоны деформируемой заготовки. Канал имел углы 135°, 90° и 135°. Деформирование осуществлялось при температуре 300°С со скоростью 5 мм/мин. ТКУП отличается от РКУП добавлением радиального напряжения и сжимающей деформации в связи с изменением диаметра трубы в процессе деформации и переход в первоначальное состояние в конце деформации. Размер структурных составляющих изменяется с 150 мкм до 1,5 мкм уже после 1 цикла ТКУП. Микротвердость сплава также возростает по сравнению с исходным состоянием.
Другим, получившим наибольшее развитие методом создания субультрамелкозернистых и наноструктурных материалов является равноканальное угловое прессование (РКУП). Способ был впервые предложен профессором В.М. Сегалом для упрочнения заготовок. Принцип метода заключается в продавливании заготовки пуансоном через два канала, пересекающиеся под определенным углом. Угол стыка каналов инструмента варьируется от 90° до 120°. Входной и выходной каналы инструмента имеют равное поперечное сечение, что позволяет многократно повторять процесс прессования для достижения требуемого уровня накопленной деформации (рисунок 1.6).
К основным параметрам РКУП относят:
- температуру заготовки при прессовании;
- степень накопленной деформации;
- угол стыка каналов инструмента; - маршрут прессования [7, с. 146; 8, с. 176].
Температура деформации должна обеспечивать формирование мелкого зерна при деформировании. Степень деформации подбирается в зависимости от требуемого уровня механических характеристик и параметров структуры образца. Показано, что для формирования новой зеренной структуры с большеугловыми границами зерен обычно требуется 4-8 проходов при угле пересечения каналов 90о в зависимости от температуры и материала [7, с.146-147; 8, 176-177].
Для определения приращения степени деформации при РКУП часто используют следующее выражение (рисунок 1.7):
P/σ_T =〖∆ε〗_i=2/√3 ctg(ф/2) (1.5)
где Р – приложенное давление,
σт – напряжение течения деформируемого материала,
ф – угол стыка каналов инструмента [7, с. 147; 8, с. 176].
При многократном РКУП общая степень деформации будет равна:
ε_N=N*ε_i (1.6)
где N – число проходов [7, с. 147; 8, с. 177].
Для снижения концентрации напряжений при реализации РКУП применяют скругление стыка каналов инструмента. С учетом угла скругления степень деформации образца при РКУП можно определить из выражения:
ε_N=N[((2ctg(ф/2+ᴪ/2)+ᴪ cos(ф/2+ᴪ/2) ))/√3] (1.7)
где Ψ – угол скругления [7, с. 147; 8, с. 177].
На характер структурообразования при РКУП существенное влияние оказывает маршрут деформирования (рисунок 1.8). Наиболее распространены четыре маршрута:
- маршрут А – ориентация заготовки не меняется;
- маршрут ВА – заготовка кантуется после каждого прохода на 90° вокруг продольной оси поочередно по часовой стрелке и против;
- маршрут ВС – заготовка кантуется после каждого прохода на 90° вокруг продольной оси в одну сторону;
- маршрут С – заготовка кантуется после каждого прохода на 180° вокруг продольной оси [7, с. 148-149; 8, с. 178-180].
В зависимости от выбора маршрута меняется направление сдвига при РКУП и таким образом может быть создана либо ламинарная, либо равноосная структура.
Как следует из вышесказанного, процесс РКУП является весьма сложным многофакторным экспериментом. При этом его успешная реализация зависит от:
- геометрии оснастки (угол пересечения каналов, их форма и размеры, внешний и внутренний радиусы закругления в зоне пересечения каналов и др.);
- параметров РКУП (скорость, число проходов, маршрут, температура, смазка, определяющая коэффициент трения между заготовкой и оснасткой, и др.);
- природы деформируемого материала (порядковый номер в периодической таблице Д.И. Менделеева, тип кристаллической решетки, исходные структура, пластичность и прочность и др.) [7, с. 149; 8, с. 181-182].
Показать текст полностью
