Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной задачей физики прочности и пластичности является изучение процессов, происходящих во время пластической деформации твердых тел. Особый интерес представляют вопросы, связанные с формированием рекристаллизованных зерен. Понимание физической природы данного явления возможно только на основе комплексного и последовательного изучения структурных изменений и действующих механизмов деформации. Кроме того, это дает возможность разработать общий подход к управлению структурой в материалах различных классов. К сожалению, несмотря на имеющуюся обширную литературу, посвященную различным аспектам динамической рекристаллизации (ДР), до постановки, настоящей работы не был выполнен анализ феноменологии, кинетики и механизмов формирования новых зерен в тесной взаимосвязи с механизмами пластической деформации. Как результат, целый ряд особенностей ДР не_ имели однозначной интерпретации, а попытки предложить физически обоснованные механизмы образования новых зерен оказывались малопродуктивными. По этим причинам совместное исследование ДР и механизмов деформации представляет собой важную и актуальную задачу. Ее решение имеет большое научное значение, так как позволяет, внести заметный вклад в развитие теоретических представлений о пластической деформации.
Помимо этого, данное исследование представляет значительный практический интерес. Использование феномена ДР открывает широкие возможности для создания принципиально новых технологических процессов, которые обеспечивают получение изделий с гарантированным высоким уровнем служебных свойств за счет формирования различных видов структурных состояний. Одновременно удается повыситьч обрабатываемость материалов за счет их перевода в состояние сверхпластичности. Становится возможным получение качественно новых материалов с нанокристаллической (ds50iiM) и субмелкозернистой структурой (сЫмкм) в виде . массивных заготовок. Такие материалы имеют уникальный комплекс свойств, которые отличаются от свойств обычных металлов и сплавов.
Таким образом важность и актуальность темы диссертации обусловлены необходимостью выяснения причин и условий формирования рекристаллизованных зерен во время пластической деформации с целью расширения возможностей управления микросруктурой материалов. Выполнить такую работу можно только на основе проведения комплексных исследований структурных изменений в материале и механизмов пластической деформации.
Цель її задачи работы. Целью настоящей работы явилось установление, физики процессов структурообразования.н разработка на этой основе общих подходов к управлению структурой материала. Для достижения поставленной задачи было проведено систематическое исследование закономерностей ДР в широком темнературно-скоростном интервале с использованием нового методического приема:
характер эволюции структуры в процессе деформации всегда соотносился с ее механизмами. В качестве объектов исследования были использованы как модельные материалы, так и промышленные сплавы. Было изучено влияние структуры, .химического и фазового состава на ДР. Пристальное внимание было уделено рассмотрению формирования зерен во время холодной деформации. В работе решались следующие задачи.
1. Определение связи между механизмами деформации и общими
закономерностями ДР в материалах.
-
Оценка влияния структурных факторов, химического л фазового состава материалов на ДР, через их воздействие на механизмы пластической деформации.
-
Исследование механизмов структурообразовання действующих во время деформации, анализ их связи с механизмами пластического течения и роли в ДР, рассмотрение их особенностей.
4. Выявление общих закономерностей развития ДР во время холодной
деформации и разработка на этой основе подходов к получению
субмикрокристаллической и нанокристаллической структуры в различных классах
материалов.
Научная новизна и положения выносимые на защиту. В диссертации разработан и применен новый методологический подход Тс изучению процессов структуробразовання. Процессы ДР рассматриваются и анализируются только в совокупности с механизмами деформации. Применение такого подхода при исследовании магниевых сплавов, сталей различных классов, монокристаллов LiF и керамического соединения УВагСиз07-х позволило разработать и доказать следующее теоретическое положение: феноменология, кинетика и механизмы ДР определяются действующими механизмами пластической деформации. Это дало возможность объяснить целый ряд особенностей ДР в материалах различных классов, понять ее физическую сущность. Одновременно были получены новые данные о механизмах деформации. Изучено влияние на них химического состава материала и температурно -скоростных условий. Это существено расширило наши представления о физике прочности її пластичности. Полученные результаты были использованы для разработки методов управления структурой материалов, в том числе, методов формирования ультрамелкозернлетой и нанокристаллической структуры в металлах и сплавах. Выполненные исследования дали возможность сформулировать ряд положении, которые являются новыми и выносятся на защиту.
' 1. Па примере магниевых сплавов, феррнтных сталей с высокой и низкой ЭДУ. ионных кристаллах LiF, сверхпроводящей керамике YBa2Cu.>07-.\ установлено, что имеет место жесткая корреляция 'между механизмами пластической деформации и феноменологией, кинетикой ДР для различных классов материалов. Причем для каждого класса материалов эта связь проявляется по разному. На примере магния и ферритноп стали I5X25T показано, что прямопропорцнональная зависимость между размером рекрпегаллнзовапных зерен и приложенными напряжениями, а также.
з характер влияния условий деформации на кинетику ДР, остаются неизменными только в тех температурно-скоростных интервалах, где действующие механизмы деформации не изменяются. В этих материалов, процесс, который контролирует пластическую деформацию, будет одновременно контролировать и структурные изменения.
-
Исходная структура оказывает сильное влияние на эволюцию структуры во время пластического течения и размер рекристаллнзованных зерен в том случае, когда ее вариации приводят к смене механизмов деформации. Это было показано как на примере влияния исходной, кристаллографической текстуры на кинетику ДР и размер рекристаллизованных зерен в области высоких температур в сплаве Mg-6%Zn-0,65%Zr, так и на примере влияния размера исходных зерен на ДР в области промежуточных температур ,в стали 15Х25Т. Если же вариации исходной структуры не приводят к существенному изменению действующих механизмов деформации, то влияние структурных факторов на процессы ДР и параметры рекристаллизованноп структуры невелико. Последнее показано на примере влияния исходной микроструктурой на кинетику ДР и размер рекристаллизованных зерен в области высоких температур в сплаве Mg-6%Zn-0,65%Zr.
-
На примере магниевых сплавов, стали I5X25T и керамического соединения УВагСиз07-х было показано, чтр тип механизма ДР зависит от действующих механизмов деформации, причем последние определяют не только действующие механизмы ДР, но и схему их работы. На основе проведенных исследований магния, сплава Mg-6%Zn-0,65%Zr и ферритной стали I5X25T были предложены несколько физических' моделей образования новых зерен, каждая из которых связана с действием определенного механизма деформации. Использование этих моделей позволило объяснить ряд экспериментальных фактов, которые не имели ранее удовлетворительной трактовки. ' .
-
На примере магния, сплаве Mg-6%Zn-0.65%Zr и стали 15Х25Т установлено, что существует особый типа'ДР - низкотемпературная ДР, которая приводит к интенсивному упрочнению материалов. Ее особенности связаны с присутствием в сверхмелкой рекристаллизованноп структуре полей высоких упругих напряжений. Показано, что для низкотемпературной ДР магниевых сплавов характерно необычно сильное влияние химического состава материала и исходной микроструктуры на размер рекристаллизованных зерен и кинетику ДР. Установлено, низкотемпературная ДР развивается только в том случае, если скольжение идет по одной преобладающей системе и носит гомогенный характер. Она реализуется при напряжениях течения, которые превышают нормализованные напряжения,, соответствующие' критерию
-Sherby-Burke. На основе проведенных исследований были разработаны подходы к получению нанокристаллпческой структуры в массивных заготовках..
Научная и практическая ценность. На примере магния и его сплавов, феррнтных .и аустеннтной сталях, ионного кристалла LiF- и сверхпроводящего керамического соединения YBajCu.iOi проведены систематические исследования влияния механизмов пластического течения на феноменологию, кинетику и механизмы
6 ДР. Развиты представления о физической природе структурных изменений во время деформации, которые позволяют объяснить не только известные экспериментальные данные, но и предсказать закономерности процессов ДР на широком классе материалов. Подробно изучены механизмы пластической деформации в этих материалах. Исследованы влияние химического н фазового состава материалов на ДР в широкой температурно-скоростной области. Рассмотрено влияние структурных факторов на ДР. Изучены наиболее распространенные механизмы ДР. Значительное внимание было уделено процессам структурообразования в области низких температур. На основе результатов иследований были сформулированы основные принципы управления структурой материала. в общем. и принципы получения субмнкрокрнсталлической и нанокристаллической структуры, в частности.
Полученные научные результаты имеют Heiiocpoiiciis^iiiioc ліа-ісші- *і-;.і разработки методов управления структурой материалов. На их основе были разработаны способы обработки, защищеные авторскими свидетельствами, которые нашли применение при создании новых технологий получения материалов с особыми свойствами. Сформулированы конкретные технологические рекомендации.
В целом, результаты работы представляют основу для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований в области физики пластической деформации и позволяют разрабатывать новые методы получения субмикро- и нанокристаллической структуры в целом ряде материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на следующих Международных и Всесоюзных конференциях, совещаниях и семинарах:
1. Ill, IV. V Всесоюзных конференциях по сверхпластичностн металлов и сплавов
(Тула 1986. Уфа 1989. Уфа 1992).
-
XII, XIII Всесоюзных конференциях по физике прочности и пластичности (Куйбышев 1989. Самара 1992).
-
V. VI Всесоюзной конференции "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах" (Уфа 1987. Свердловск 1991).
-
II Всесоюзной конференции " Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках", Воронеж, 1987.
-
IV Всесоюзной конференции " Снльновозбужденное состояние в кристаллах". Томск. 198S.
(і. IV Научно-технической конференции "Современные достижения в теории и технологии пластической деформации металлов, термической обработки и повышение долговечности изделий" (Горький. 1989).
7. Постоянном семинаре "Пластическая деформация сплавов и порошковых материалов" (Барнаул. 1988).
S. International Conferences on Recrystallization in Metallic Materials (Re-crystallization' 90, Wollongon. Australia, 1990: Recrystalleation'92. San - Sebastian. Spain. 1992).
9. International Conferences on Superplasticity in Advanced Materials (Blain. USA.
I98K: Osaka, Japan, 1991; Moscow, Russia, 1994).
-
International Conferences "Intergranular and Interface Boundaries in Materials" (Paris. France, 1989: Lisbon, Portugal. 1995).
-
International Symposium on Strip, Casting. Hot and Cold Working of Stainless Steels, Montreal, Canada, 1993.
-
6,h International Symposium on Plasticity of Metals and Alloys, Prague', Czech Republic, 1994.
-
II International Conference ott Nanostructured Materials "Nano'94", Stuttgart, Germany, 1994.
-
Научных семинарах ИПСМ РАН и Уфимского авиационного института. Уфа, Россия, в 1986-1994 годах, ИФМ УрО АН СССР, Свердловск, Россия в 1985-1990 годах и научно-технических семинарах Universita degli Studi di Ancona, Ancona, Italy. 1992.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 37 статьи, получено
три авторских свидетельства на изобретения и выпущена одна технологическая
рекомендация. .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 316 страницах, содержит 30 таблиц и 155 рисунков. Список использованной литературы состоит из 469 наименовании.
