Закономерности формирования структуры и свойств магниевых сплавов при воздействии пластической деформацией Божко Сергей Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Закономерности и механизмы формирования структуры и свойств ГПУ сплавов на основе магния при воздействии пластической деформацией 12

1.1. Структурные особенности развития пластической деформации в ГПУ металлах и их сплавах 12

1.2. Исследование особенностей пластической деформации магниевых сплавов 17

1.3. Исследования формирования кристаллографической текстуры и анизотропии механических свойств в магниевых сплавах 31

1.4. Влияние механико-термической обработки на структуру и кристаллографическую текстуру магниевых сплавов 49

2. Постановка задач и обоснование выбора материала и методов исследования 57

2.1. Материалы исследования 57

2.2. Методы исследования 62

3. Разработка количественных методов исследования магниевых сплавов 66

3.1. Метод количественного-фазового анализа 66

3.2. Количественный метод оценки анизотропии свойств на основе данных текстурного анализа 67

4. Закономерности и физические механизмы развития пластической деформации и формирования свойств в ГПУ-сплавах на основе магния 71

4.1.Исследование эволюции структурно-фазового состояния магния и сплава Mg 9,7Al в процессе механико-термической обработки 71

4.2. Закономерности формирования кристаллографической текстуры при больших пластических деформациях 87

4.3.Анализ закономерностей формирования механических свойств и их анизотропии 96

Выводы 107

Литература 1

• Исследование особенностей пластической деформации магниевых сплавов
• Влияние механико-термической обработки на структуру и кристаллографическую текстуру магниевых сплавов
• Методы исследования
• Закономерности формирования кристаллографической текстуры при больших пластических деформациях

Введение к работе

Актуальность работы. Магний и его сплавы находят широкое применение в качестве конструкционных материалов благодаря высоким показателям удельной прочности. Одной из основных проблем, с которой сталкиваются исследователи в попытках повысить прочностные характеристики деформируемых магниевых сплавов – это то, что в ходе обработки воздействием пластической деформацией происходит резкое усиление анизотропии механических свойств объемных заготовок. Для магниевых и других металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой (ГПУ) анизотропия свойств определяется кристаллографической текстурой, формируемой в результате пластической деформации из-за недостаточного набора независимых систем сдвига. У магния и его сплавов вследствие доминирования легкого базисного скольжения (в отличие от других ГПУ металлов) наиболее выраженная анизотропия механических свойств проявляется во всех видах промышленных полуфабрикатов, подвергнутых промежуточным операциям деформационной обработки. Так, например, в направлении оси экструдированного прутка факторы Шмида для базисного скольжения близки к нулю, а в поперечном направлении они близки к соответствующим для бестекстурного состояния. В результате этого при нагружении в осевом направлении прутка действуют системы сдвига, для которых напряжения в разы больше, чем для базисного скольжения, и прочность во многих случаях вдвое и даже более превышает соответствующую в поперечном направлении.

Для магниевых сплавов характерно сильное влияние легирующих элементов на их механизм деформации. Это оказывает существенное влияние на все процессы, связанные с деформацией, включая формоизменение при обработке давлением, достигаемые при этом служебные характеристики и их анизотропию. В вязи с этим активно развивается направление исследований и разработок магниевых сплавов, легированных редкоземельными металлами (РЗМ) и литием. Однако использование РЗМ не только приводит к удорожанию производства и стоимости продукции, но и заставляет использовать более сложные технологические процессы производства, связанные с экологическими рисками, как, например, в случае с Mg-Li сплавами.

В отечественной промышленности в основном используются простые операции по производству полуфабрикатов магниевых деформируемых сплавов: ковка, штамповка, листовая прокатка. Их ресурс по модернизации обладает ограниченными возможностями, в связи с чем необходим поиск новых подходов к решению проблемы улучшения свойств рассматриваемых сплавов. В качестве перспективных направлений улучшения механических свойств магниевых деформируемых сплавов можно рассматривать разработку новых методов воздействия пластической деформацией и термической обработкой (механико – термическая обработка или МТО), которые помимо контроля структурных параметров позволяли бы управлять кристаллографической текстурой и при необходимости подавлять ее усиление в процессе деформирования.

Очевидно, что проблема улучшения механических и других свойств магниевых сплавов требует использования комплексного подхода, который учитывал бы знания о количественном вкладе макромеханических характеристик и микроструктурных элементов, таких как: кристаллографическая текстура, определяющая запас пластичности в зернах; размер зерна, влияющий на активность процессов двойникования, которые (в свою очередь) могут приводить к изменению ориентировки базисных плоскостей и способствую вторичной активации скольжения; наличие частиц дисперсной фазы, способной приводить к преждевременному разрушению образца за счет образования дислокационных скоплений на частицах и зарождения трещин в объеме материала и др.

При этом сложно оценить вклад какого-либо из процессов, используя только
физические методы исследований свойств материала, такие как механические
испытания в комплексе с анализом взаимосвязи и взаимовлияния комплекса
«структура–свойства». Так, например, известно, что при одной и той же текстуре в
ГПУ-сплавах различия в анизотропии прочностных характеристик могут быть
существенными, и это зависит от соотношения критических приведенных
напряжений сдвига (КПНС) для действующих систем скольжения и двойникования.
Таким образом, сильная анизотропия прочностных характеристик и сложный
характер взаимосвязи между параметрами деформационного воздействия и
механическими свойствами не позволяют обеспечить воспроизводимость таких
свойств для объемных образцов деформируемых магниевых сплавов, и это является
одной из главных причин ограничения широкого использования данных сплавов в
конструкциях ответственного назначения. Все это обусловливает важность
проведения исследований физических механизмов развития пластической

деформации в рассматриваемых сплавах, которые могут быть основой для дальнейшего совершенствования количественных методов контроля структурно-фазового состояния и текстуры магниевых сплавов, формирующихся на различных этапах деформационного воздействия при различных температурах (в ходе МТО).

В настоящее время деформируемые магниевые сплавы системы Mg-Al являются самыми распространенными в практическом использовании и имеют значительный потенциал в развитии их производства, позволяющий достичь более высоких показателей прочностных характеристик без использования легирования РЗМ. Ключом к развитию данного направления может послужить не только правильное понимание физических закономерностей развития пластической деформации в магниевых сплавах, но и наличие технических решений, позволяющих контролировать процесс деформации, развитие кристаллографической текстуры и формирование комплекса механических свойств.

Целью работы является исследование физических закономерностей

формирования структурно-фазового состояния и кристаллографической текстуры в магнии и его сплавах при механико-термической обработке прокаткой и разработка на их основе методов контроля и количественной оценки анизотропии свойств исследуемых сплавов.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Исследование закономерностей формирования структурно-фазового состояния и механических свойств ГПУ сплавов (на примере магния и сплавов системы Mg-Al) при одновременном воздействии температуры и пластической деформации (механико-термическая обработка, МТО);

2. Изучение формирования кристаллографической текстуры ГПУ сплавов на примере исследуемых систем в процессе МТО и определение основных факторов, влияющих на формирование связанной с развитием текстуры анизотропии механических свойств;

3. Анализ роли двойникования, как аккомодационного механизма пластической деформации ГПУ сплавов (на примере магния и системы Mg-Al), влияющего на деформационное поведение и уровень формирующейся в процессе деформации анизотропии механических свойств.

Научная новизна.

1. Обоснован количественный метод определения состава твердого раствора и
связанного с ним содержания вторичной фазы в сплавах системы Mg-Al на основе
измерения периодов решетки твердого раствора, известной зависимости этих величин
от состава сплава (закон Вегарда), а также уравнений баланса химического и фазового
состава.

2. Разработан способ количественной оценки коэффициента текстурной
анизотропии поликристаллических сплавов на основе магния, определяющий
величину максимально возможной для данной текстуры анизотропии прочностных
свойств на основе расчета из текстурных данных значений факторов Тейлора (М) для
базисного скольжения.

3. Определены характерные, связанные с цикличностью механизмов деформации, особенности развития в процессе пластической деформации кристаллографической текстуры магния и сплавов системы Mg-Al, отличающие их от металлов и сплавов с ГПУ решеткой на основе титана и циркония, механизм деформации которых характеризуется легким призматическим скольжением.

4. Обоснованы принципы формирования высокопрочной однородной ультрамелкозернистой структуры сплавов магния системы Mg-Al с низкой анизотропией механических свойств при механико-термической обработке с использованием сложной схемы нагружения.

Практическая значимость. Полученные в ходе выполнения диссертационных исследований результаты могут быть использованы для создания новых конструкционных и функциональных материалов различного назначения на основе сплавов ГПУ металлов с заданными эксплуатационными характеристиками. В частности, использование полученных научных результатов может обеспечить существенное увеличение срока службы деталей конструкций, что сэкономит материал, снизит трудозатраты и потерю времени на замену и монтаж вышедших из строя узлов конструкций. При использовании в области медицины - к снижению риска смертности и повышению качества жизни.

Разработанные количественные методы оценки кристаллографической текстуры и фазового состава для сплавов системы Mg-Al, эффективность которых подтверждена на примере исследуемых материалов, могут быть использованы в прикладных целях при производстве полуфабрикатов из магниевых деформируемых сплавов с повышенными прочностными характеристиками и низким показателем анизотропии свойств.

Положения, выносимые на защиту:

1. Количественная оценка изменения фазового состава магниевых деформируемых сплавов системы Mg-Al, как метод оптимизации и контроля развития пластической деформации при формировании в них ультрамелкозернистой структуры и связанных с ней механических свойств.

2. Закономерности цикличности развития кристаллографической текстуры, связанные с формированием в результате базисного скольжения (на определенных стадиях пластической деформации) выраженной призматической текстуры с низким фактором Шмида для базисного скольжения и, как следствие, активации двойникования, приводящего к ослаблению призматической текстуры и активизации базисного скольжения с соответствующим усилением призматической текстуры.

3. Установление роли двойникования как основного механизма аккомодации пластической деформации, определяющего деформационное поведение ультрамелкозернистых магниевых деформируемых сплавов системы Mg-Al с призматической текстурой.

Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена на базе Научно-образовательного Центра «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» и кафедры наноматериалов и нанотехнологий Белгородского государственного национального исследовательского университета (НИУ «БелГУ») на базе Научного центра РАН в Черноголовке, а также лаборатории физико-химической инженерии композиционных материалов Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) в соответствии с планом работ по проектной части государственного задания Министерства образования ВУЗам №3.1492.2014/К по теме «Разработка научных основ создания и прогнозирования работоспособности текстурированных поверхностно-модифицированных ГПУ сплавов на основе титана и магния», 2014-2016 гг.), а также в соответствии с планом работ по договору о сотрудничестве между НИУ «БелГУ» и ИПХФ РАН.

Апробация работы. Ключевые результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Международная научная конференция «Наноструктурные материалы - 2014: Беларусь-Россия-Украина», Минск, Беларусь, 2014 г.; The International Conference on Structural, Mechanical and Materials Engineering (ICSMME 2015), Далянь, Китай, 2015.

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 5 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации (включая 4 статьи в

журналах, входящих в Перечень ВАК, и 1 статью в зарубежном периодическом издании.

Личный вклад автора состоит в освоении комплекса применяемых в работе экспериментальных методов исследования, его непосредственном участии в разработке цели, постановке задач и анализе результатов исследований, а также проработке литературных данных по выбранной тематике исследований. Все экспериментальные данные были получены самим автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 119 страниц, 49 рисунков и 8 таблиц. Содержание диссертации состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 97 наименований.

Исследование особенностей пластической деформации магниевых сплавов

В магнии наиболее часто встречается двойникование по плоскости {1012} со сдвигом в направлении (1011), реже по плоскости {1011} со сдвигом в направлении (10Ї2) (рисунок 2, в). Основные кристаллографические элементы и параметры двойникования для ГПУ-металлов обобщены в работах [35, 36]. Двойникование по плоскости {1012} называется «растягивающим», так как с его помощью осуществляется растяжение кристалла вдоль оси «с», а двойникование по плоскости {1011} и {1013} - «сжимающим», так как обеспечивает укорочение кристалла вдоль оси «с» (рисунок 1). Их активация зависит от ориентации приложенной нагрузки. Как видно из названий, «растягивающее» двойникование реализуется, когда кристаллическая решетка зерна испытывает растягивающую вдоль оси «с» нагрузку. То же самое для «сжимающего» двойникования, только нагрузка в этом случае - сжимающая.

Для ГПУ металлов, чем больше систем двойникования вовлечены в деформацию, тем большей пластичностью обладает материал. Для таких металлов как Ті, Zr, Hf, у которых в ходе деформации работает сразу две системы двойникования не зависимо от ориентации приложенной нагрузки («растягивающая {1012} и «сжимающая {10Ї1}»), пластичность не уступает ГЦК металлам. В то же время для магния наблюдается сильная ориентационная зависимость, и его пластичность существенно зависит от того, как относительно базисных плоскостей ориентирована ось нагружения. Недостаточность в дополнительных модах деформации выливается в формирование кристаллографической текстуры преимущественной ориентировки кристаллографических плоскостей решетки зерен, формируемой в процессе пластической деформации в объеме деформируемого металла. Особенно это важно для магния и его сплавов. Для чистого магния деформационное поведение поликристалла схоже с поведением монокристалла [37], а активация сжимающего двойникования {1011} {1012} требует большего значения КПНС, нежели для растягивающего {1012} {1011} , поэтому определяющее значение имеет ориентация кристаллитов в объеме материала в ходе деформации [38].

Из данных работ [39-43] можно представить графически разницу в КПНС для основных действующих систем скольжения и двойникования в магнии и его сплавах при комнатной температуре (рисунок 3).

Для монокристалла магния деформация до разрушения, осуществляемая за счет скольжения в базисной плоскости, может достигать 100%. В поликристаллических образцах всегда присутствуют такие зерна, ориентация которых неблагоприятна для скольжения, и разрушение происходит в хрупкой области при гораздо меньших степенях деформации. Доля таких зерен зависит от способа получения полуфабриката и последующей обработки.

При комнатной и более низких температурах деформация в магниевых сплавах осуществляется главным образом за счет скольжения в базисной плоскости [44], так как значение КПНС для базисной плоскости на порядки ниже, чем для плоскостей призмы {} и пирамиды {}. Повышение температуры в область 150-225С позволяет значительно понизить значение КПНС для призматических и пирамидальных плоскостей в чистом магнии, что приводит к активации скольжения в данных семействах плоскостей (таблица 2) [23, 45]. В [6] так же отмечается, что с ростом температуры в магнии наблюдается изменение параметров решетки (таблица 3).

Кроме того, КПНС для небазисных систем скольжения зависит также от типа растворенных в решетке атомов и дисперсных выделений. Активность небазисных систем скольжения комплексно зависит от температуры и концентрации растворенных атомов. Так для призмы второго рода КПНС имеет аномальную или положительную температурную зависимость [46, 47]. Значение КПНС для призматических систем скольжения может быть только в 6 раза выше, чем для базисной системы при температуре 300С, в то время как при комнатной температуре это значение на 2 порядка выше. В работе [48] исследовались системы Mg-Al и Mg-Zn и было показано, что зависимость КПНС от концентрации легирующего элемента не имеет постоянной зависимости при различных температурах (рисунок 4). Наблюдается уменьшение КПНС при увеличении концентрации легирующего элемента, что свидетельствует о проявлении эффекта твердорастворного разупрочнения. Такие данные свидетельствуют о неоднородном деформационном поведении сплавов магния при их механико-термической обработке (МТО).

На примере сплава Mg-Zn показано, что значение КПНС слабо зависит от количества легирующего элемента при малых его добавках в области низких температур (рисунок 4, б) и заметно снижается с ростом концентрации добавки. В отличии от этого при повышенных температурах малое содержание легирующих элементов наоборот увеличивает КПНС с последующим снижением его значения с повышением количества примесных металлов. При этом выше 350К КПНС всех сплавов находится ниже соответствующих значений для чистого магния (рисунок 4, а). Аналогичные зависимости наблюдались и для сплавов системы Mg-Al.

В работе [49] авторами предложена модель, согласно которой дислокационное скольжение в базисной плоскости приводит к образованию дислокаций «леса» с определенной плотностью. Величина радиуса определяет разность в КПНС для базисных и призматических плоскостей. При этом в цитируемой работе приводятся данные исследований как для монокристаллов, так и для различных поликристаллических сплавов. Экспериментально было показано, что значение КПНС для призматических систем скольжения зависит от плотности дислокаций в зоне образования «леса» дислокаций (рисунок 5).

Таким образом, вопрос улучшения пластичности магниевых сплавов и оптимизация режимов их механико-термической обработки с целью повышения прочностных свойств предполагает рассмотрение комплекса физических механизмов, определяющих развитие пластической деформации металлов и сплавов с ГПУ решеткой.

Влияние механико-термической обработки на структуру и кристаллографическую текстуру магниевых сплавов

Ввиду ограниченного количества систем скольжения чистый магний и традиционные сплавы магния имеют тенденцию при низких температурах деформации хрупко разрушаться по границам зерен, вдоль сдвойникованной области и в очень крупных зернах по базисной плоскости (1000). Ранее обозначено три подхода в увеличении низкотемпературной пластичности сплавов на основе магния являются [79]: 1. Измельчение зеренной структуры.

За счет использования интенсивной пластической деформации и сопутствующей ей динамической рекристаллизации (при повышенных температурах), в объеме материала формируется ультрамелкозернистая структура. Малый размер зерен препятствует движению дислокаций. При этом, в магниевых сплавах отмечается зернограничное проскальзывание, которое осложняет передачу пластической деформации от зерна к зерну за счет дислокаций и влияет на ориентировку самих зерен. Следовательно, чем больше количество зерен в объеме (меньше размер зерен), тем выше частота образования барьеров на пути движения дислокаций [80].

Для магниевых сплавов, подвергнутых термомеханической обработке типична сильная текстурированность. Одним из способов формирования рассеянной текстуры является легирование сплавов кальцием, иттрием и редкоземельными элементами (РЗМ), такими как церий, неодим и гадолиний. Основная масса работ за рубежом концентрируется на разработке новых деформируемых магниевых сплавов с использованием в качестве легирующих элементов редкоземельных металлов (РЗМ) [16, 19, 81]. Для таких РЗМ, как лантан, церий, празеодим, неодим, иттербий и самарий растворимость в магнии при комнатной температуре близка к нулю, а при повышенных температурах достигает значения в несколько десятков атомного процента (рисунок 25). Поэтому в сплавах с РЗМ в ходе термомеханической обработки формируется пересыщенный твердый раствор этих элементов, которые выделяются в виде дисперсных интерметаллидов в процессе деформации, что приводит к упрочнению и снижению интенсивности текстуры деформированных полуфабрикатов [82]. Рисунок 25 – Зависимость растворимости в магнии некоторых РЗМ [82].

В работах [83, 84] показано, что добавление в состав сплава лития позволяет сформировать двухфазную ГЦК-ГПУ структуру (при содержании лития выше 4,7 % вес.), что повышает пластичность при обработке. Кроме того, добавление лития приводит к уменьшению соотношения c/a, что также положительно сказывается на пластичности.

Исследования магниевых сплавов, полученных методами интенсивной пластической деформации (ИПД) наиболее активно ведутся в последнее десятилетие, поскольку ультрамелкозернистые (УМЗ) материалы, полученные данным способом, характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Хотя ИПД затруднена тем, что в ГПУ металлах реализуется ограниченное количество систем скольжения, тем не менее, существенное измельчение зерен вполне реализуемо.

В работе [85] рассмотрено влияние температуры кручения под высоким давлением на микроструктуру и кристаллографическую текстуру магниевого сплава AZ31. Обработку проводили при температурах 296, 373 и 473 К с количеством оборотов от 1 до 5. Для обоих случаев 1 и 5 оборотов материал, обработанный при температуре 473 К, имел структуру с существенно более крупными зернами по сравнению материалом, обработанным при 373 и 296 К. В последних случаях измельчение зерен происходило посредством процесса фрагментации зерен путем двойникования. При 473 К уменьшение среднего размера зерен происходило в следствие двух конкурирующих процессов: формирования центров рекристаллизации на исходных границах зерен и фрагментации больших зерен в результате образования двойников, которые в свою очередь служили местами зарождения новых зерен. Перед обработкой в материале наблюдалась аксиальная текстура, то есть ось «с» большинства зерен лежала в плоскости диска и перпендикулярно оси кручения. В процессе кручения под давлением ось «с» зерен поворачивалась из исходного положения в направлении к оси кручения. Связано это с тем, что процесс сжатия вдоль оси «а» сопровождается растягивающим двойникованием по плоскости {1012}, и ось «с» зерен переориентировалась в положение близкое к параллельному направлению нагружения на угол 90. При этом, как было обнаружено, угол между осью «с» и осью кручения имел определенную зависимость от температуры, при которой проводилась обработка. Так после термомеханической обработки при 296 и 373 К только в некоторых зернах ось «с» отклонялась на угол 10 от оси кручения, в то время как после кручения при 473 К практически у всех зерен данный угол составлял 5.

Методы исследования

Количественно оценить фазовый состав сплавов системы Mg-Al можно по измеренному периоду решетки твердого раствора в сочетании с известными зависимостями периода решетки от содержания алюминия (закон Вегарда) [92, 93]. Рентгеноструктурный анализ модельного сплава Mg-9,7A1 способен показать присутствие отражений от твердого раствора на основе магния с ГПУ решеткой (-фаза) и интерметаллида MgnAl (-фаза). Цинк и марганец, присутствующие в сплаве небольшом количестве (до 0,5 мас. %), входят в -твердый раствор на основе магния и не образуют новых фаз. Таким образом, с большой долей вероятности сплав Mg-9,7A1 можно рассматривать в качестве двойного сплава системы Mg-Al с небольшой поправкой периодов решетки твердого раствора на растворение в нем цинка и марганца (aZn, мп, cZn, мп). Для двойных двухфазных сплавов количество интерметаллидной фазы и состав твердого раствора однозначно связаны с параметрами решетки. Тогда в соответствии с законом Вегарда для твердого раствора алюминия в магнии получим выражения (3) для определения параметров решетки а и с:

Здесь атд = аМд + AaZnMn и стд = сМд + &cZnMn, ( и ( ) - изменение параметра решетки «а» и «с» на 1 массовый процент А1; Ха - массовый процент алюминия в твердом растворе (-фазе); аМд = 3,2073 А, сМд = 5,2028 А. На основании данных [94] получены зависимости параметров решетки от состава и рассчитаны величины: (-) =0,367 10-2 /% и (-) = 0,488 10-2 /% Соотношение фаз в двухфазной области (MgnAb) двойного сплава может быть определено из уравнений баланса химического и фазового составов (4): wa+ We=1000 (4) Wa + Wp =100 где: Wa - масс. % -фазы; 0 - масс. % -фазы; - массовый % А1 в -фазе; = 43,93% -массовый % А1 в -фазе (следует из стехиометрии интерметаллида Mgi7Ali2); 0 - массовый % А1 в сплаве. Таким образом, содержание алюминия в -фазе определяем непосредственно из (3) и (3.1), используя при этом только измеренный параметр решетки «а», и далее, зная химический состав сплава, рассчитываем из (4) количество интерметаллидной фазы. Точность оценки зависит от точности определения параметров решетки и наклона вегардовских зависимостей ( —) . В рассматриваемом случае при ошибке определения параметра решетки 0,001 точность определения состава твердого раствора и количества -фазы составляет 3—5% измеряемых величин [95].

Анализ кристаллографической текстуры проводился по построенным обратным полюсным фигурам (ОПФ), о которых ранее упомянуто в разделе 1.4. главы 1. Построение ОПФ получали путем регистрации дифрактограмм в фокусировке Брегга-Брентано в Си-К и Со-К излучениях в диапазоне углов 2=30-150 и расчету полюсных плотностей как отношений интегральных интенсивностей соответствующих рефлексов текстурированного образца и бестекстурного эталона с последующей нормировкой. Преимущество данного метода заключается в

возможности проведения анализа на любом этапе пластической деформации с целью определения степени структурных изменений. В работе такие дифрактограммы снимались с продольного и поперечного сечений катанных прутков сплава Mg-9,7A1 и образцов, подвергнутых последующей деформации сжатием в осевом направлении в диапазоне 2-8%, после предварительного отжига и до него.

Для количественной оценки текстуры в работе использовались усредненные по всем рефлексам обратные значения фактора Шмида (Ф), которые с некоторыми допущениями можно считать факторами Тейлора (М) (5). Последними более удобно пользоваться при интерпретации анизотропии прочностных свойств, поскольку прочность обратно пропорциональна фактору Шмида, но пропорциональна фактору Тейлора: о-т = Тк/ф = ткм (5) где т — напряжение текучести; к — критическое приведенное напряжение сдвига. Усреднение проводят по фактору Шмида (формула (6), а затем определяют среднюю величину М как обратную среднему значению фактора Шмида (ф) : Мнв(пн) = 1/Фнв(пн); Фнв(пн) = 1/п (Р,НкТН) «) (6) п Связано это с тем, что факторы Шмида варьируются в пределах от 0 до 0,5, а факторы Тейлора от 2 до бесконечности, что делает невозможным непосредственное усреднение по факторам Тейлора.

В таблице 5 приведены значения для различных рефлексов магния и пример расчета средних значений фактора Тейлора для направления вытяжки (НВ) и поперечного направления (ПН) прутка из модельного сплава. Согласно расчетным данным, базисным и призматическим ориентировкам соответствуют нулевые значения , при том, что значения для них равны бесконечности. На самом деле для этих ориентировок факторы Тейлора имеют конечную величину, поскольку в реальности при нулевых значениях для базисного скольжения начинают действовать другие системы сдвига — с более высокими значениями к по сравнению с базисным скольжением. При этом чем больше величина соотношения значений к для систем сдвига и базисного скольжения, тем выше реальная анизотропия при одной и той же текстуре. Тем не менее расчеты факторов Тейлора для базисного скольжения дают количественную информацию именно о текстурном вкладе в анизотропию, и по ним можно оценить, насколько эффективно технологи снизили эффект анизотропии за счет текстуры.

Для количественной характеристики сформированной кристаллографической текстуры в работе использовалась величина коэффициента текстурной анизотропии Kj = Мнв/Мпн, который количественно характеризует текстурный потенциал материала к проявлению анизотропии свойств, т.е. такова была бы анизотропия свойств, если бы базисное скольжение было бы единственным механизмом деформации [95]. В этом случае зерна, которые имели бы ориентировки с близкими к нулю значениями факторов Шмида (близкие к призматическим и базисным направлениям) должны были бы давать огромное текстурное упрочнение. На самом деле это не так, и зерна с низкими факторами Шмида для базисного скольжения деформируются другими механизмами пластической деформации, критические напряжения сдвига для которых выше, чем для базисного скольжения и чем больше эта разница, тем выше анизотропия при той же самой текстуре. Таким образом, отношение средних факторов Тейлора для базисного скольжения свидетельствует о максимально возможной анизотропии для данной текстуры, т.е. характеризует чисто текстурный вклад в анизотропию. При этом реальная анизотропия, измеренная с помощью механических испытаний, зависит кроме текстуры еще и от механизма деформации данного сплава, т.е. от реальных значений отношений критических напряжений сдвига для небазисных систем сдвига к базисному скольжению.

Закономерности формирования кристаллографической текстуры при больших пластических деформациях

Помимо существенного влияния процессов рекристаллизации и выделения дисперсных частиц вторичной фазы на формирование зеренно-субзеренной структуры важное значение имеет процесс двойникование, которое в большинстве случаев имеет место при развитии пластической деформации в магниевых сплавах.

Из-за выделения большого количества -фазы в сплаве Mg-9,7Al проведение тонких исследования образования и развития двойниковой структуры в матрице является сложной задачей. Поэтому для сопоставления с имеющимися для сплава данными в настоящей работе были проведены исследования изменения деформированной структуры в чистом магнии, подвергнутом аналогичной обработке.

Исследование деформированной структуры технически чистого магния, подвергнутого идентичной обработке, показало наличие линзовидных двойников, внутри которых наблюдается полигонизованная структура (рисунок 40 а и б). Образование такой структуры может быть результатом активного протекания процессов зародышеобразования и роста новых зерен в объеме двойников в результате рекристаллизации как динамической, так и статической в ходе механико-термической обработки и при охлаждении сплавов на воздухе. Активацию рекристаллизации можно объяснить тем, что двойникование характеризуется большим изменением ориентировки двойников по отношению к матрице, что приводит к значительной несовместности деформации при прокатке и, как следствие, повышенной запасенной энергии. Это стимулирует процессы рекристаллизации в результате локализации пластической деформации в двойнике. Таким образом, на основании полученных данных можно ожидать, аналогичное развитие микроструктуры при пластической деформации матрицы сплава Mg-9,7Al, где двойникование также способно привести к активизации процесса рекристаллизации уже на начальных этапах прокатки. Однако в отличие от магния рост зерен в ходе последующей обработки сдерживают выделения дисперсных частиц -фазы.

Для определения типа кристаллографической текстуры сплава Mg-9,7A1, сформированной в ходе МТО, использовали метод построения прямых полюсных фигур (ППФ) путем съемки с поперечного относительно оси прокатки сечения образцов.

Исследования показали, что сформированная на первом этапе обработки аксиальная текстура призматического типа не изменяет своей симметрии в ходе дальнейшей прокатки, о чем свидетельствуют полюсные фигуры (1120) (рисунок 41). Наблюдаемое на полюсных фигурах рассеяние текстуры на втором и третьем этапах МТО (снижение интенсивности полюсной плотности в центре фигуры) свидетельствует о фрагментации деформированных зерен или образовании новых зерен с измененной ориентировкой, а также активизации процессов двойникования (рисунок 41, в и г).

В связи с этим актуальным является вопрос о возможности количественной оценки сформированной кристаллографической текстуры, так как именно количественная характеристика остроты текстуры позволяет более подробно раскрыть закономерности формирования структуры и механических свойств, включая их анизотропию.

Для количественной оценки и выявления закономерностей изменения текстуры в ходе МТО рассчитывали факторы Тейлора Мон для осевого и поперечного направлений прутков и коэффициент анизотропии К для чистого магния, исследуемого сплава Mg-9,7A1 и близкого к нему по элементному составу промышленного сплава марки «МА5». Все расчеты и вычисления проведены в соответствии с методикой, приведенной, описанной в разделе 2.2. главы 2.

Показано, что все образцы после МТО обладают призматической текстурой аксиального типа средней и малой интенсивности (Мон=6,23-6,7). Коэффициент текстурной анизотропии К варьируется в ходе прокатки в интервале от 1,25 до 2,3 (таблица 6, рисунок 42).

Следует отметить, что исследованные сплавы характеризуются различной интенсивностью текстуры в исходном состоянии, и в процессе деформации текстурные изменения носят немонотонный характер. Так наиболее выраженная призматическая текстура сплава МА5 в исходном состоянии (рисунок 42) становится существенно менее интенсивной на финишной стадии прокатки. Сплав с 9,7%А1 и чистый магний, напротив характеризуются усилением призматической текстуры и на финишной стадии, где интенсивность текстуры становится выше, чем у сплава МА5 (рисунок 42, таблица 7).

Наиболее важной особенностью текстурообразования в сплавах магния является именно немонотонность развития текстуры в процессе прокатки. Эта особенность текстурообразования до сих пор игнорировалась исследователями, хотя она имеет принципиальное значение и обусловлена особенностями механизма деформации сплавов магния. Как уже отмечалось, для магния характерна легкость базисного скольжения по отношению к другим системам сдвига, при этом базисное скольжение в плотноупакованном направлении приводит к формированию призматической текстуры в направлении вытяжки точно такой же, как и при призматическом скольжении, которое доминирует в ГПУ металлах с более низким значением осевого отношения с/а, чем в магнии. К таким металлам относятся титан и цирконий. Однако поведение последних отличается от магния тем, что для них характерно непрерывное усиление призматической текстуры по мере увеличения степени деформации.