Введение к работе
Актуальность темы исследования. Последние годы характеризуются широким изучением методов интенсивной пластической деформации (ИПД), в том числе равноканально-углового прессования (РКУП), предназначенных для полуения объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) и наноструктурных (НС) состояний в различных металлических материалах.
Степень, температура и скорость деформации являются тремя важнейшими параметрами, определяющими особенности формирующихся в результате ИПД УМЗ/НС микроструктурных состояний в различных металлических материалах. Известно, что реализация традиционных методов ИПД, приводящих к измельчению микроструктуры объемных металлических материалов, осуществляется при невысоких скоростях деформации. Довольно многочисленные проведенные исследования свидетельствуют о том, что УМЗ металлические материалы характеризуются высокой прочностью и достаточной пластичностью при квазистатических скоростях деформации. С целью дальнейшего уменьшения размера зерен, формирования более однородных УМЗ/НС структур с большей долей высокоугловых границ зерен в последнее время разработаны комплексные методы ИПД, например, РКУП + кручение под высоким давлением, РКУП + экструзия, РКУП + прокатка и т.д.
Недавно на основе схемы РКУП разработан метод динамического ка-нально-углового прессования (ДКУП), использующий в качестве источника внешней нагрузки энергию пороховых газов, что обеспечило повышение скорости деформации на 4-5 порядков (104 - 105 с"1), по сравнению с РКУП. Результаты исследований показали, что метод ДКУП можно рекомендовать для практического использования с целью эффективного измельчения структуры и повышения прочностных характеристик объемных заготовок алюминиевых сплавов разного состава. В частности, этим способом были получены объемные заготовки из алюминиевых сплавов с УМЗ структурой и размером кристаллитов 200-600 нм. Прочность алюминиевого сплава, деформированного методов ДКУП, выше на 30%, а пластичность выше в 2 раза, чем у сплава в нагартованном состоянии. Однако, использование такой технологии для получения массивных УМЗ/НС заготовок малопроизводительно из-за ограничений ресурса оснастки при динамическом нагружении (ДН).
Еще одним их подходов, используемых в последние годы для формирования УМЗ/НС состояний, является метод динамических пластических деформаций. Принцип данного метода состоит в реализации осадки заготовки с высокой скоростью при температуре жидкого азота. В результате совмещения высокой скорости и низкой температуры деформации были получены НС медные образцы с высокой объемной долей деформационных двойников, что привело к высокому пределу текучести, равному 600 МПа. Однако пластичность полученных заготовок при квазистических испытаниях оказалась невысокой, что было обусловлено формированием наноразмерных полос сдвига.
Динамическое деформационное поведение УМЗ металлических материалов, полученных в результате применения метода ИПД, исследовано в значительно меньшей степени, чем их деформационное поведение при квазистатических испытаниях. До момента постановки задач данной диссертационной работы такого рода исследования были сосредоточены на анализе деформационных кривых, определении прочностных характеристики, коэффициентов деформационного упрочнения и скоростной чувствительности напряжения течения при различных температурах. Было установлено, что материалы в УМЗ/НС состояниях характеризуются высоким пределом текучести и скоростной чувствительностью напряжения течения, низким деформационным упрочнением по сравнению с аналогичными материалами в крупнокристаллическом состоянии.
Следует отметить, что исследования эволюции микроструктуры УМЗ материалов в результате ДН очень немногочисленны и ограничены. К таковым относятся исследования динамического разрушения, которое связывают с формированием адиабатических полос сдвига в результате сдвиговой деформации при динамическом кручении. При этом установлено, что мелкие зерна способны затруднять формирование и распространение адиабатических полос сдвига и возможно способствовать сохранению ресурса пластичности.
В результате проведенного анализа литературных источников были сделаны выводы о важности и актуальности проведения исследований динамического деформационного поведения, эволюции микроструктуры, кристаллографической текстуры, деформационных механизмов УМЗ металлических материалов на примере меди как модельного материала в условиях ДН.
Цель работы.
Целью настоящих исследований является анализ влияния скорости и температуры деформации на эволюцию микроструктуры, кристаллографическую текстуру и деформационные механизмы УМЗ меди при ДН, реализованном при различных скоростях и температурах.
В работе последовательно решались следующие задачи:
-
Получить объемные медные заготовки с различной микроструктурой в результате РКУП с разным числом проходов.
-
Реализовать ДН полученных заготовок с различными скоростями и при различных температурах деформации.
-
Установить закономерности высокоскоростного деформационного механического поведения меди при различных скоростях и температурах ДН.
-
Установить закономерности влияния размера зерен, скорости и температуры высокоскоростной деформации на микроструктуру, кристаллографическую текстуру меди.
5. Оценить активность различных механизмов деформации в меди,
подвергнутой РКУП, при различных скоростях и температурах высокоско
ростной деформации.
-
Разработать физическую модель процессов, сопровождающих высокоскоростной деформацию УМЗ меди.
-
Исследовать особенности квазистатического деформационного поведения меди в различных структурных состояниях, полученных в результате РКУП, РКУП и ДН.
-
Установить режимы ДН заготовок УМЗ меди, приводящие к формированию высокопрочного состояния с достаточной пластичностью.
Научная новизна.
В настоящее работе впервые выполнен анализ высокоскоростного деформационного поведения УМЗ меди при ДН, реализованном при различных скоростях и температурах деформации с учетом эволюции микроструктуры и кристаллографической текстуры. Впервые продемонстрировано, что применение комплексного метода, включающего РКУП и ДН, приводит к формированию в меди бимодального УМЗ/НС состояния, обеспечивающего более высокие прочность и пластичность по сравнению с таковыми, характерными для меди, подвергнутой только РКУП.
Практическая ценность.
Полученные результаты позволили установить особенности деформационного поведения УМЗ меди при ДН и могут оказать помощь в оптимизации механических свойств УМЗ меди за счет формирования специфической бимодальной микроструктуры в результате реализации динамической рекристаллизации в ходе РКУП и ДН.
На защиту выносятся следующие положения и результаты.
-
Предел прочности УМЗ меди, полученной РКУП, повышается при уменьшении размера зерен, увеличении скорости деформации или понижении температуры деформации при ДН.
-
В УМЗ меди при ДН протекают процессы динамической рекристаллизации и деформационного двойникования.
-
ДН приводит к уменьшению параметра кристаллической решетки и размера областей когерентного рассеяния (D), увеличению упругих микроискажений кристаллической решетки, росту плотности дислокаций и деформационных двойников в УМЗ/НС меди.
-
Одновременное увеличение прочности и пластичности меди обусловлено формированием бимодальной микроструктуры в результате применения комплексного метода РКУП и ДН.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием современных взаимодополняющих экспериментальных методик, широким набором экспериментальных данных и применением апробированных способов их обработки, воспроизведением результатов при совместном использовании комплекса современных методов физического металловедения. Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, хорошо согласуются между собой и не противоречат известным научным представлениям и результатам.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на международной конференции «The 5th international conference on nanomaterial's by severe plastic deformation», Nanjing, China, 2011 г., Международной конференции «The 3rd international symposium bulk nanostructured materials: BNM-2011», Ufa, Russia, 2011 г., V Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, Россия, 2011 г., XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, Россия, 2012 г., VII Всероссийской зимней школе аспирантов и молодых учёных, Уфа, Россия, 2012 г., Юбилейных XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных памяти профессора В.А. Лихачева, Санкт-Петербург, Россия, 2012 г., 52-й Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Уфа, Россия, 2012 г., VI Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, Россия, 2012 г., Третьей открытой школе-конференциистран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы" (УМЗНМ-2012), Уфа, Россия, 2012 г.
Личный вклад автора и роль соавторов.
Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим диссертантом, либо китайским магистром В.В. Ванг, работающей под руководством диссертанта. Исследования выполнены при научной консультации и под руководством научных руководителей профессоров И.В. Александрова и Дж. Т. Ванга. Рентгеноструктурные исследования и исследования кристаллографической текстуры проводились совместно с доцентом В.Д. Ситдико-вым.
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах, из них 4 статьи в изданиях, включенных в Перечень ВАК.
Структура в объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и списка литературы. Объем работы 123 страницы. Она включает в себя 61 рисунок и 8 таблиц. Список цитированной литературы включает 121 наименований.
