Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 10
1.1 Фазовый состав медных сплавов системы Cu– Cr 10
1.2 Методы получения УМЗ медных материалов
1.2.1 Интенсивная пластическая деформация кручением 11
1.2.2 Деформация равноканально – угловым прессованием 15
1.2.3 Деформация равноканально – угловым прессованием по схеме «конформ» 1.3 Структура и свойства медных сплавов системы Cu– Cr, подвергнутых обработке различными методами интенсивной пластической деформации 23
1.4 Вклады различных структурных составляющих в упрочнение и электросопротивление медных материалов
1.4.1 Механизмы упрочнения 27
1.4.2 Вклады в электросопротивление 32
1.5 Постановка задач исследований 35
ГЛАВА 2 Материалы и методики исследований 37
2.1 Материалы для исследований 37
2.2 Методы ИПД 37
2.3 Методы термической обработки 39
2.4 Методики структурных исследований
2.4.1 Методика электронно– микроскопических исследований 39
2.4.2 Методика рентгеноструктурных исследований 40
2.4.3 Методика текстурного анализа
2.5 Метод исследований механических свойств 42
2.6 Метод измерения микротвердости 42
2.7 Метод измерения электропроводности 42
2.8 Метод усталостных испытаний 43
ГЛАВА 3 Структура и свойства ультрамелкозернистых образцов медного сплава системы cu– cr, полученных методом интенсивной пластической деформации кручением 44
3.1 Прочность и электропроводность медного сплава, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением 44
3.2 Микроструктура медного сплава, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением 46
3.3 Рентгеноструктурный анализ медного сплава, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением 51
3.4 Кристаллографическая текстура медного сплава, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением 56
3.5 Прочность и пластичность образцов, подвергнутых интенсивной пластической деформации кручением 57
3.6 Выводы по главе 3 59
ГЛАВА 4 Влияние равноканально – углового прессования на структуру и свойства сплава Cu– Cr 60
4.1 Структура образцов подвергнутых равноканально – угловому прессованию 60
4.2 Рентгеноструктурные исследования РКУП образцов 4.3 Кристаллографическая текстура в РКУП образцах 64
4.4 Прочность и электропроводность РКУП образцов 4.5 Усталостные свойства РКУП образцов 67
4.6 Выводы по главе 4 75
ГЛАВА 5 Структура и свойства медного сплава подвергнутого равноканально – угловому прессованию по схеме – конформ 77
5.1 Структура медного сплава подвергнутого РКУП – Конформ 77
5.2 Рентгеноструктурные исследования РКУП– Конформ образцов 78
5.3 Кристаллографическая текстура в РКУП– Конформ образцах 80
5.4 Прочность и электропроводность РКУП– Конформ образцов 81
5.5 Вклады различных структурных составляющих в упрочнение сплава системы Cu– Cr 83
5.6 Влияние различных дефектов кристаллической решетки на удельное электросопротивление УМЗ сплава системы Cu– Cr 86
5.7 Выводы по главе 5 89
Общие выводы 92
Список литературы
- Деформация равноканально – угловым прессованием
- Методики структурных исследований
- Микроструктура медного сплава, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением
- Прочность и электропроводность РКУП образцов 4.5 Усталостные свойства РКУП образцов
Введение к работе
Актуальность. Низколегированные медные сплавы системы Cu-Cr (хромовые
бронзы), используются в промышленности для изготовления электропроводов,
контактов и электродов контактной сварки. В последние годы, в связи с быстрым
развитием электротехнической промышленности, повысились требования к
свойствам этих материалов, а именно к достижению более высоких значений прочности и электропроводности.
Известно, что перспективным направлением повышения прочностных свойств металлических материалов является создание в них ультрамелкозернистого (УМЗ) состояния методами интенсивной пластической деформации (ИПД).
Вместе с тем, по литературным данным вклад легирующих элементов в электросопротивление медных сплавов может значительно превышать вклад остальных дефектов кристаллического строения, поэтому для сохранения повышенной электропроводности необходимо создание структуры, содержащей минимальное количество легирующих элементов в твёрдом растворе.
Одним из возможных путей сохранения повышенной электропроводности
является создание УМЗ структуры, в которой атомы легирующих элементов были бы
собраны в виде дисперсных частиц выделений, расположенных по границам зерен и
тройным стыкам. Формирование такой структуры возможно за счет развития
динамического старения, принимая во внимание, что выделение частиц является
диффузионным процессом, а в УМЗ материалах отмечается повышенная
зернограничная диффузия. Кроме этого, сохранению повышенной
электропроводности в УМЗ состоянии способствует использование
низколегированных медных сплавов, к которым относятся сплавы системы Cu-Cr.
К моменту постановки настоящей работы были известны единичные публикации, в которых была продемонстрирована возможность повышения прочности и сохранении электропроводности медных сплавов тройной системы Cu-Cr-Zr путём формирования УМЗ структуры методами ИПД. Вместе с тем, в системе Сu-Сr-Zr присутствует несколько видов различных частиц (Cr, Cu5Zr и другие), что затрудняет изучение закономерностей их влияния на прочность, электропроводность и термическую стабильность в УМЗ состоянии. В опубликованных работах отсутствовала информация об изменениях фазового состава данных материалов как в процессе осуществления ИПД, так и при последующем термическом воздействии.
В настоящей работе в качестве материала для исследований был выбран сплав двойной системы Cu-Cr, в котором по литературным данным после старения выделяются частицы только одной фазы, а именно чистого хрома. Актуальной задачей в сплавах системы Cu-Cr являлось определение режимов ИПД, ведущих к достижению сочетания высокой прочности и электропроводности. Важным представлялось также проведение детальных исследований параметров УМЗ структуры в образцах, подвергнутых обработке методами ИПД и последующей ТО, для корректной оценки и анализа природы повышенной прочности и электропроводности.
Цель работы. Разработка научных принципов достижения высокой прочности и улучшенной электропроводности в медном сплаве системы Cu-Cr путём формирования УМЗ структуры и наноразмерных выделений второй фазы.
Задачи:
- Изучение особенностей УМЗ структуры в медном сплаве системы Cu-Cr после обработки различными методами ИПД.
- Исследование закономерностей влияния УМЗ структуры на прочность,
электропроводность и усталость.
- Анализ вкладов различных структурных составляющих в прочность и удельное
электросопротивление УМЗ сплава системы Cu-Cr.
Научная новизна работы: Впервые обнаружен эффект динамического старения
в медном сплаве системы Cu-Cr в процессе интенсивной пластической деформации,
приводящий к сочетанию высоких значений прочности, усталости и
электропроводности.
Впервые определены и научно обоснованы оптимальные режимы ИПД, способствующие формированию УМЗ состояния в медном сплаве Cu-Cr с высокими значениями прочности, усталости и электропроводности.
Практическая значимость. Полученные результаты представляют
непосредственный интерес для разработки опытно-промышленной технологии получения длинномерных прутков из УМЗ медного сплава Cu-Cr для широкого применения в электротехнической промышленности.
Положения, выносимые на защиту:
Научно-обоснованные режимы ИПД, ведущие к сочетанию высокой прочности и электропроводности в медном сплаве сиcтемы Cu-Cr. Эффект динамического старения, обусловленный снижением температуры начала выделения упрочняющих частиц в условиях деформации сдвигом под высоким давлением.
Анализ физических основ прочности УМЗ медного сплава системы Cu-Cr показавший, что наибольшее упрочнение достигается за счёт ультрамелкого размера зерна и дисперсионного упрочнения наноразмерными частицами хрома,
Анализ вкладов в удельное электросопротивление УМЗ медного сплава
системы Cu-Cr, на основе которого достигнуто улучшение электропроводности за счёт уменьшения содержания легирующего элемента хрома внутри зёрен вследствие его диффузии к границам зерен.
Структурная модель, в согласии с которой в сплаве обеспечивается уникальное сочетание высоких значений прочности (790-845 МПа) и электропроводности (81-85% IACS), при формировании УМЗ состояния и выделений дисперсных частиц хрома при последующей термической обработке.
Личный вклад. Результаты, вошедшие в диссертацию, были получены лично автором. Автор проводил структурные исследования, механические испытания, анализировал полученные результаты. Автор принимал участие в постановке цели и задач, осуществлял интерпретацию полученных результатов, формулировал основные положения, выводы, а также принимал участие в подготовке статей к публикации.
Автор признателен сотрудникам Научно-исследовательского института физики перспективных материалов УГАТУ за сотрудничество в проведении исследований.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном симпозиуме «Объёмные наноструктурные материалы BNM-2011», Уфа, 2011; 11-й Международной конференции «Высокие давления 2012. Фундаментальные и прикладные аспекты», Судак, Украина, 2012; II международной конференции по материалам для энергетики, Карлсруэ, Германия, 2013; Всероссийской молодежной школе-конференции «Современные проблемы металловедения», Пицунда, 2013; VIII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники», Уфа, 2013; Международной конференции «Интенсивные пластические деформации - Nano SPD6», Метц, Франция, 2014; Международном симпозиуме «Объёмные наноструктурные материалы BNM-2015», Уфа, 2015.
Диссертационная работа выполнена в рамках государственного контракта № 16.740.11.0315 «Разработка методов повышения прочности и электропроводности медных сплавов» и соглашения № 14.B37.21.0738 «Разработка метода получения
термически стабильных ультрамелкозернистых медных сплавов с повышенными характеристиками прочности и электропроводности для промышленного применения», выполненных в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы»; проекта «Наноинженерия в машиностроении», выполненного в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2012-2013 гг.), проекта ведущей научной школы НШ-7996.2016.8 «Исследование и разработка наноструктурных проводниковых материалов на основе меди и алюминия с повышенной прочностью и электропроводностью».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 5 научных статей в рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ, 2 статьи в сборниках трудов конференций, получен 1 патент.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 89 наименований. Общий объём диссертации 103 страниц, в том числе 67 рисунков и 13 таблиц.
Деформация равноканально – угловым прессованием
Известно, что в сплаве Cu - Сг в твердом состоянии существуют две фазы: а– твердый раствор хрома в меди и твердый раствор на основе хрома (рисунок 1.1) [8, 9]. Максимальная растворимость хрома в меди в твердом состоянии при температуре 1050С - 0,6 вес.% и уменьшается практически до нуля при более низких температурах. Однако вследствие ничтожной малой растворимости хрома в меди в твердом состоянии второй твердой фазой является практически чистый хром.
При нагреве сплава Cu - Cr до температуры 1050 С сплав попадает в однофазную ос область. Последующая закалка приводит к формированию пересыщенного твердого раствора, который распадается при старении. По литературным данным, температура старения в сплаве с содержанием хрома менее 0,6 вес.% лежит в диапазоне температур 350 - 550 С [1, 10]. Рисунок 1.1 – Диаграмма фазового равновесия системы Cu – Cr
Известно, что для формирования УМЗ структур в последние годы широко используются методы ИПД [3 – 6], в основе которых лежат большие деформации сдвигом в условиях высоких гидростатических давлений и относительно низких гомологических температур [11]. К настоящему времени экспериментально установлено, что в результате применения ИПД во многих металлических материалах, в том числе в медных сплавах, формируется УМЗ структура со средним размером зерен менее 1 мкм, содержащая преимущественно большеугловые границы зерен [3 – 6, 12 – 24].
К началу постановки диссертационной работы, большинство исследований по изучению структуры и свойств УМЗ материалов было выполнено на образцах, полученных методами интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) и равноканального углового прессования (РКУП). Ниже, рассмотрены основные принципы, лежащие в основе ИПДК и РКУП.
В методе ИПДК образец помещается между бойками и подвергается осадке под давлением в несколько ГПа, а затем прилагается деформация кручением с большим количеством оборотов [3, 5, 25]. В этой схеме (рисунок 1.2), деформация начинается за счет вращения нижнего бойка, и в результате воздействия сил поверхностного трения происходит сдвиг в объеме заготовки. Деформируемый образец имеет вид диска диаметром 20 мм и толщиной 0,5 – 1 мм. После обработки методом ИПДК средний размер зерен уменьшается до 100 – 500 нм и определяется режимами обработки: давлением, температурой, скоростью деформации и твердостью обрабатываемого материала [3, 5, 25 – 28].
Логарифмическая степени деформации в процессе ИПДК может быть описана формулой [4, 5, 25]: е = In (cpr/h), (1.1) где ф - угол вращения, рад; г - радиус диска; h - толщина диска. По этой формуле при типичном диаметре образцов 20 мм, толщине 0,6 мм, количестве оборотов равном 5, величина е « 6,3. Для расчета величины сдвиговой деформации применяют формулу [4,5,25]: у = 2тгпг/п, (1.2) где п - количество оборотов; г - радиус диска; h - толщина диска. Из этой формулы вытекает, что при типичном диаметре образцов 20 мм, толщине 0,6 мм, количестве оборотов равном 5, величина у « 523.
Для сопоставления величины сдвиговой деформации при ИПДК с величиной деформации при других схемах деформирования во многих публикация используется понятие эквивалентной деформации, за которую принимается значение [4,5,25]: s = y/V3. (1.3) Это выражение справедливо только для небольших деформаций сдвига. Для больших деформаций используется выражение [5]: s = (2/V3)ln[(l + fl\)m + у/2]. (1.4) Используя это выражение, а также формулу y = 27inr/h, (1.5) можно построить теоретический график зависимости величины эквивалентной деформации от количества оборотов (рисунок 1.3).
Расчетная зависимость эквивалентной деформации от количества оборотов и расстояния до центра ИПДК диска [5, 14] Экспериментальные исследования показали, что насыщение в эквивалентной деформации достигается после n = 2 (рисунок 1.4) [5, 14]. При этом вблизи центра диска наблюдается заметное снижение величины эквивалентной деформации. Рисунок 1.4 - Распределение микротвердости вдоль диаметра для ИПДК образцов чистого А1 полученных под давлением 1 ГПа, при различном количестве оборотов. Нижняя линия представлена для отожженного исходного образца подвергнутого нагрузке 1 ГПа без вращения [5, 14]
Видно, что при количестве оборотов 2 наблюдается отчетливый минимум в центре образцов, тогда как при п 4 распределение микротвердости является достаточно однородным (рисунок 1.5). Структуры в центре и на краю диска достаточно похожи, что свидетельствует об однородности структуры ИПДК образцов.
Экспериментальные исследования показали также, что во многих чистых металлах (Ni, Al, Fe, Cr, Mo, W, Ті, Mg, Си) наблюдается насыщение среднего размера зерна (рисунок 1.6) в зависимости от степени деформации, которое зависит от многих факторов: твердость материала, температура плавления, тип кристаллической решетки и т.д. [28].
Первые установки для равноканального углового прессования были созданы в 80– х годах, на которых были начаты фундаментальные исследования структурообразования в процессе больших пластических деформаций, а также исследования влияния УМЗ структуры на физико– механические свойства металлических материалов [3, 29 – 31].
Известно, что в методе РКУП заготовки диаметром 10 – 60 и длиной 100 – 350 мм деформируются сдвигом в зоне пересечения каналов равного сечения (рисунок 1.7) [6].
При равноканальном угловом прессовании заготовка может подвергаться сколь угодно большим деформациям сдвига, практически не изменяя при этом своих размеров.
К настоящему времени достоверно установлено, что на формирование УМЗ структуры в металлах и сплавах влияют следующие особенности РКУП: – маршрут прессования – угол пересечения каналов – количество проходов – температура прессования Маршрут прессования. В литературе [3,6] подробно описаны различные маршруты РКУ прессования, используемые при обработке металлических материалов. Обычно выделяют четыре основных маршрута прессования: маршрут А – без вращения заготовки, маршруты BA и BC, использующие вращение на 90 в разных направлениях или одном направлении, соответственно, и маршрут С, в котором образец вращается на 180 (рисунок 1.8). В работе [6] приведены экспериментальные данные о том, что на оснастке с углом пересечения каналов 90 наиболее эффективным для создания ультрамелкозернистой структуры является маршрут B C, который приводит к формированию однородных и равноосных зерен, с большеугловыми границами.
Принципиальная схема обработки методом РКУП (а); геометрия канала прессования и схема деформации при РКУП – (б); схема действующих сил (в); маршруты обработки при РКУП (г) [4,6]
Деформация сдвигом происходит, когда заготовка проходит через зону пересечения каналов. При этом размеры заготовки в поперечном сечении не меняются. Вследствие этого обработка может производиться многократно с целью накопления большой эквивалентной деформации. Деформация сдвигом при РКУ прессовании за N проходов, описывается формулой [4,6]: 8N =N\ L s Г 2ctg( p/2 + w/2) + y, cos ec((pl2 + yf/lj] (1.6) Отсюда следует, что, например, при углах = 90 и = 20 каждый проход соответствует дополнительной степени деформации, примерно равной 1. При внешнем угле = 0 формула приобретает упрощенный вид: N st Nctg( p/2). (1.7)
Угол пересечения каналов. Угол пересечения каналов является одним из самых важных параметров РКУ прессования непосредственно влияющих на степень деформации и микроструктуру деформируемых образцов (рисунок 1.9). По литературным данным [3, 6], наиболее эффективным сочетанием параметров РКУП, приводящим к образованию равноосных зерен с преимущественно большеугловыми границами, является деформация по маршруту ВС с углом пересечения каналов 90. В случае, труднодеформируемых образцов, часто используется также угол пересечения каналов 120. Но в этом случае степень деформации за один проход становится заметно меньше (рисунок 1.10).
Методики структурных исследований
В качестве исходного материала был выбран горячекатанный пруток медного сплава Cu – Cr производства компании Wieland (Германия). По результатам оптико– эмиссионного анализа, выполненного на спектрометре Bruker Q4 TASMAN, исходный материал имел элементный состав, в приведенный ниже таблице 2.1.
Элемент Cr Ag Fe P Si Cu вес.% 0,5 0,12 0.06 0.06 0,05 остальное Формирование ультрамелкозернистой структуры проводили на установке для ИПДК в диапазоне температур 20 - 450 С под давлением 6 ГПа при количестве оборотов, равном 10 на образцах 20 мм и толщиной 1 мм. Эквивалентная степень деформации, рассчитанная по формулам 1.2, 1.3, составила є = 604. Логарифмическая степень деформации, рассчитанная по формулам (1.1) составила 6,3. Обработку методом РКУП выполняли1 на оснастке с углом пересечения каналов 90 градусов при температурах 20 и 300 оС на образцах диаметром 10 мм и длиной 60 мм (рисунок 2.1. б), используя 8 проходов по маршруту Вс. Эквивалентная степень деформации, рассчитанная по формуле (1.7) составила 5,33.
Вид образцов, полученных после интенсивной пластической деформации: а – после ИПДК 20 мм; б – после РКУП 10 мм Исходным материалом для проведения обработки методом РКУП – К (рисунок 1.14) служил закаленный пруток диаметром 16 мм. Прутки были подвергнуты восьми циклам РКУП – К при двух различных температурах 20 и 300оС на оснастке с квадратным поперечным сечением рабочего канала 1515 мм и углом пересечения каналов 120 градусов. Эквивалентная степень деформации, рассчитанная по формуле (1.7) составила 5,43.
Для предотвращения окисления поверхности, перед закалкой на поверхность исходных заготовок наносили защитное покрытие. Затем образцы подвергали нагреву на воздухе до температуры 1050С в трубчатой электропечи типа ПТД– 1,2 – 70 в течение 2 часов с последующей закалкой в воду.
Термическая обработка проводилась в лабораторной печи типа СНОЛ в жидкой ванне – в калийно– натриевой селитре в диапазоне температур 100 – 500 С. Погрешность определения температуры составляла ±5 С.
Изучение структуры проводили на сканирующем электронном микроскопе JEM– 6390, просвечивающих электронных микроскопах JEM– 2100 и FEI Tecnai F20 ST (200 кВ FEG– TEM– STEM оснащенном приставками для ASTAR и EDX анализа).
Тонкие фольги для ПЭМ исследований готовили на установке «Tenupol– 5» с использованием электролита состава: 920 мл воды (Н2О), 70 мл ортофосфорной кислоты (Н3РО4), 15 мл глицерина (C3H5(OH)3) при напряжении 22– 27 В. Структуру РКУП образцов исследовали в поперечном сечении. Структуру ИПДК образцов изучали на середине радиуса образца (диаметр 20 мм, толщина 1 мм).
Средний размер структурных элементов (фрагментов, зерен, частиц) оценивали путем измерения средних диаметров [58] не менее 100 зерен с помощью программного пакета «GrainSize» с доверительной вероятностью P = 0,95. Абсолютная ошибка измерений не превышала 5 %. Размер структурных элементов определяли в светло– и темнопольном изображениях. Электроннограммы снимали с разных площадей. Идентификация фаз проводилась путем расчета межплоскостных расстояний dHKL, по электроннограммам [59].
Ренгеноструктурный анализ (РСА) использовался для оценки структурного состояния медного сплава системы Cu– Cr для крупнозернистых (КЗ) образцов и образцов после обработки методами интенсивной пластической деформации. Поверхность образцов, перед съемкой, шлифовалась и полировалась.
Исследования образцов производили на дифрактометре Rigaku Ulyima IVс в Cu– K излучении с длиной волны =1,5441 .
Рентгеноструктурным анализом определены параметр кристаллической решетки (а), величина среднеквадратичной микродеформации ( e2 1/2) и размер областей когерентного рассеивания (D). Рентгенограммы были сняты с шагом сканирования 0,05 град и временем экспозиции 5 сек в каждой точке. Прецизионные съемки для выделенных рентгеновских пиков был осуществлен с шагом 0,02 град и временем экспозиции 20 сек. Анализ уширения профиля рентгеновских пиков был проведен при помощи пакета программ, в основе которого лежит метод гармонического анализа физических уширений пиков [60].
2 Рентгеноструктурные исследования были выполнены совместно с к.ф.– м.н. Ситдиковым В.Д, в лаборатории рентгеноструктурного анализа ИФПМ НИЧ УГАТУ. Для изучения областей когерентного рассеяния, среднеквадратичных микроискажений кристаллической решетки и плотности дислокаций использовали методы РСА, которые базируются на анализе профилей уширения рентгеновских пиков. Программы обработки рентгеновских данных основаны на использовании следующей формулы Рт = тг / Вш + shkl 2 т т. (2.1) Для разделения вкладов областей когерентного рассеяния и среднеквадратичного микроискажений кристаллической решетки, где Д. равняется РРж cos в /А,, (Зр - интегральная ширина физического профиля, вектор рассеяния т=4л sin9 /А Для вычисления плотности дислокаций была использована следующая формула : phkl = 2 3 shkl 2 1/2/(Dhklxb), (2.2) где Dhkl усредненный по объему размер зерен- кристаллитов, shkl 2 1/2 микроискажения кристаллической решетки, Ъ - вектор Бюргерса.
Анализ процессов текстурообразования в медном сплаве системы Cu-Cr выполнен с использованием дифрактометра ДРОН-3М, оснащенного автоматической текстурной приставкой. При съемке полюсных фигур (ПФ) использовалось фильтрованное рентгеновское излучение Си Ка1 (0,15406 нм). Съемка на отражение проводилась в пределах изменения радиального угла у от 00 до 75о и азимутального угла дот 0о до 360о.
Диаметр облучаемой области соответствовал 0,6 мм. В случае РКУП и РКУП- К исследование проводилось в геометрическом центре продольного сечения заготовки, а в случае ИПДК в плоскости диска (диаметр 20 мм, толщина 1 мм). Результаты экспериментальных исследований представляли в виде полных ПФ в плоскости сдвига, рассчитанных с использованием пакета программ LaboTEX (www.labosoft.com.pl). 2.5 Метод исследований механических свойств Испытания на растяжение проводили на установке для деформации малых образцов при T = 20оC со скоростью 110– 3 с– 1 [61]. В каждом состоянии испытывали по два образца с размерами рабочей базы 4,0х1,0х0,7мм3, вырезанными в продольном сечении РКУП заготовок. Рабочая база ИПДК образцов находилась в плоскости диска и проходила через середину радиуса. Образцы вырезали электро– искровой резкой по эскизу, представленному на рисунок 2.4. с последующей шлифовкой и полировкой.
Микроструктура медного сплава, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением
В закаленном образце параметр решетки имел заметно большую величину, чем в остальных состояниях, что свидетельствовало о присутствии примесей внедрения Cr в решетке Cu (таблица 3.4). После ИПДК при всех использованных температурах параметр решетки уменьшился и стал сопоставимым с таковым для случая чистой меди (а=2,6150 ). Это свидетельствовало о том, что имеющиеся ранее примеси внедрения покинули кристаллическую решетку. При увеличении температуры ИПДК выше 250 оС параметр решетки незначительно увеличился и, начиная с 300 оС, практически не менялся.
Анализ уширения рентгеновских пиков показал, что ИПДК, реализованное при 20 оС значительно измельчило зеренную структуру до размера областей когерентного рассеяния (ОКР) равного 77,4 нм (таблица 3.4). Таблица 3.4 – Значения параметра решетки, размера ОКР и среднеквадратичных микроискажений кристаллической решетки в медном сплаве Cu – Cr
Состояние Параметр решетки а, Средний размер ОКР, нм Среднеквадратичныемикроискажениякристаллическойрешетки, % Закаленное 3,6245±0,0002 — 0,1056±0,0384 ИПДК при 20оС 3,6150±0,0001 77,4±4,9 0,0600±0,0093 ИПДК при 250оС 3,6145±0,0002 65,6±8,1 0,0734±0,0210 ИПДК при 300оС 3,6154±0,0001 70,9±5,4 0,0660±0,0121 ИПДК при 350оС 3,6154±0,0002 78,4±10,5 0,0791±0,0169 ИПДК при 400оС 3,6156±0,0002 103,6±33,2 0,1035±0,0269 ИПДК при 450оС 3,6154±0,0003 116,8±43,9 0,1247±0,0310 В то же время значения среднеквадратичных микроискажений кристаллической решетки после такой обработки уменьшились в 1,76 раз по сравнению с закаленным состоянием (таблица 3.4). Увеличение температуры ИПДК выше 20оС привело к росту размеров ОКР и величины среднеквадратичных микроискажений кристаллической решетки. После ИПДК при 450оС значения микронапряжений достигли максимального значения.
Такое увеличение значений среднеквадратичных микроискажений кристаллической решетки в ИПДК образцах может свидетельствовать об образовании наноразмерных частиц выделений, которые в соответствии с рисунком 3.6 являются частицами Cr. При этом значительное повышение значений среднеквадратичных микроискажений кристаллической решетки при выделении частиц хрома может быть связано с большим различием в величине постоянной решетки меди (3.6150) и хрома (3,885). 3.4 Кристаллографическая текстура медного сплава подвергнутого ИПДК
Вид экспериментальной ПФ, соответствующей исходной закаленной заготовке, свидетельствовал о хаотичном расположении текстурных максимумов (рисунок 3.14 а).
Положения идеальных ориентировок, соответствующих состоянию после простого сдвига (а) и рекристаллизованному состоянию (б) в чистой меди. Применение ИПДК при температуре 20оС привело к формированию текстурных компонент A 1 ,A 2, А, В и С (рисунок 3.15 б), характерных для текстуры простого сдвига (рисунок 3.15, а) [67, 68].
Последнее свидетельствует об активизации возврата и рекристаллизации [69] в процессе больших степеней деформации и повышенной температуры обработки 300 оС, то есть существенно выше температуры 175 оС, с которой по литературным данным [70] начинается рост зерен в ИПДК образцах чистой меди. Причем в ИПДК, при больших степенях деформации медного сплава, наблюдается размытие текстурных компонентов А и В, что возможно связано с началом рекристаллизации. [71]. При этом компонента В была более устойчивой к рекристаллизации, чем компонента А
Испытания на растяжение показали, что в состоянии после стандартной обработки (закалка и старение при температуре 500 С в течение 30 минут) крупнозернистый сплав имел прочность 430 МПа и относительное удлинение 24 % (рисунок 3.16).
После ИПДК при Т = 20 С предел прочности увеличился до 530 МПа, а относительное удлинение составило 13 % (рисунок 3.16). После ИПДК при Т = 300 С прочность увеличилась до 590 МПа. С дальнейшим повышением температуры ИПДК наблюдали постепенное снижение прочности (рисунок 3.16).
Применение дополнительных термообработок привело к существенному повышению прочностных свойств образцов подвергнутых ИПДК. В частности, после ИПДК при Т = 20 С и последующего старения при Т = 450 С величина предела прочности достигла 845 МПа, относительное удлинение составило 9 % (рисунок 3.17). После ТО при более высокой температуре 500 С прочность снизилась до 795 МПа, а относительное удлинение до 8 %. 800 700 600 500 400 300 200 100 стандартная обработка ИПДК при 20С ИПДК при 300С ИПДК при 350С ИПДК при 400С ИПДК при 450С 0 5 10 15 20 Относительное удлинение, % Рисунок 3.16 – Диаграммы растяжения после ИПДК при различных температурах 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1 - ИПДК 20oC + 450оС 30 мин 2 - ИПДК 20oC + 500оС 30 мин 3 - ИПДК 300oC + 450oC 30 мин 4 - ИПДК 300oC + 500oC 30 мин 4 4 6 8 10 12 Относительное удлинение, % Рисунок 3.17 – Диаграммы растяжения в УМЗ состоянии после ИПДК с последующим старением Аналогичное повышение прочностных свойств наблюдали также после дополнительной ТО ультрамелкозернистых образцов, полученных применением интенсивной пластической деформации кручением при 300 С, но в этом случае эффект повышения прочностных свойств был выражен значительно меньше (рисунок 3.17).
Микроструктурные исследования позволили обнаружить процесс динамического старения, связанного с выделением частиц хрома при более низкой температуре (300 оС) в процессе ИПД, чем в крупнозернистых образцах (400 оС). Динамическое старение непосредственно повлияло на увеличение прочности и улучшение электропроводности УМЗ медного сплава системы Cu – Cr.
Исследования свойств ИПДК образцов медного сплава системы Cu – Cr выявили, что наиболее благоприятная температура для проведения интенсивной пластической деформации является 300 оС. При этой температуре при больших деформациях сдвигом в условиях высоких давлений формируется УМЗ структура со средним размером зерен 200 нм и частицами около 5 нм, при этом достигаются высокие значения электропроводности 88,4 % IACS при максимальной микротвердости 1960 МПа.
Формирование УМЗ состояния при деформации сдвигом под высоким давлением и выделение дисперсных частиц в результате дополнительной термообработки способствует достижению уникального сочетания высокой прочности 790 – 845 МПа и повышенной электропроводности 81 – 85% IACS. Достигнутые значения существенно превосходят предел прочности 430 МПа и электропроводность 68 % IACS крупнозернистых образцов этого сплава, подвергнутых стандартной обработке закалкой и старением.
Прочность и электропроводность РКУП образцов 4.5 Усталостные свойства РКУП образцов
Рентгенограмма сплава Cu – Cr в исходном литом состоянии (рисунок 5.3) включала в себя набор основных рентгеновских пиков меди с индексами Миллера (111), (200), (220), (311), (331) и (420).
После закалки и термической обработки параметр ГЦК решетки медного сплава равнялся a = 3.6154±0.0007 , что близко к значению параметра решетки чистой меди (a=3,615 ) [1].
Обработка методом РКУП – К при температурах 20оС и 300оС привела к существенному увеличению полуширины на полувысоте рентгеновского пика (рисунок 5.3.). Кроме того, наблюдалось перераспределение интенсивности рентгеновских пиков. В частности, интенсивность рентгеновского пика (111) снизилась, а интенсивность пика (220) заметно выросла, что свидетельствует об изменении преимущественных ориентировок зерен. Реализация РКУП– К привела к заметному увеличению параметра решетки до 3.61729±0.00015 и 3.61747±0.00014 , что заметно выше, чем для чистой меди. Данный факт свидетельствует о большом количестве примесных дефектов в РКУП– К образцах, в которых ГЦК решетка находится под действием сжимающих напряжений.
Термическая обработка при температуре 450оС в течении часа образцов после РКУП– К при 300оС привела к частичному восстановлению параметра решетки до 3.61656 . Отжиг в течении часа при температуре 500оС привел к заметному увеличению параметр решетки до 3.61830 по сравнению с исходным закаленным состоянием, т.е. к увеличению сжимающих напряжений в кристаллической решетке (таблица 5.1).
Сравнительный анализ характеристик микроструктуры, полученных методом РСА, показал, что в состоянии после РКУП – К (Т = 20 С и 300 С) размер областей когерентного рассеяния (ОКР), уровень упругих микроискажений кристаллической решетки в фазе меди существенно отличается от таковой в исходном состоянии (таблица 5.1).
Состояние Параметр решетки, ОКР, нм Є2 , х10"4 р, 1014 м"2 Исх+закалка + ТО 500С 3.6154(7) — 2,1±0,3 0,33±0,1 РКУП- К 20С 3.61729(15) 43±3,1 18.6±4,1 5,85±0,9 РКУП- К 300С 3.61747(14) 48±3,2 15.ШД 4,25±0,8 РКУП- К 300С, ТО 450С 3.61656(17) 76±5,3 5.4±1,1 0,96±0,2 РКУП- К 300С, ТО 500С 3.61830(30) 72±5,1 7.1±1,5 1,33±0,3 В частности, после РКУП - К при температурах 20 С и 300 С наблюдалось уменьшение размера ОКР от 82 до 43 и 48 нм, соответственно. При этом величина среднеквадратичных микроискажений є2 увеличилась примерно в 4,5 раза при температуре 20С РКУП- К (таблица 5.1). Отметим, что высокое значение микроискажений свидетельствует о высокой плотности дефектов кристаллической решетки. В частности, плотность дислокаций после РКУП- К (Т = 20 С) достигает величины 5,85 10"14 м"2. В то же время термическая обработка образцов, как в исходном состоянии, так и состоянии после РКУП- К приводит к росту размеров ОКР в среднем до 76- 86 нм, а величина среднеквадратичных микроискажений падает в 2- 3 раза.
Экспериментальная ПФ (111) после восьми проходов РКУП - К при Т = 300 С характеризовалась двумя главными максимумами, расположенными на периферии ПФ под углами, примерно равными 60 по отношению к оси RD (рисунок 5.4 а). Расположение текстурных максимумов подобно тому, что наблюдалось в четвертой главе при обычном РКУП с углом пересечения каналов 120 . Такую текстуру можно охарактеризовать с помощью идеальных ориентировок A {111} UVW , В {hkl} 110 и С {001} 110 , соответствующих текстуре простого сдвига (рисунок 5.4 б). Максимумы свидетельствуют об активности дислокационного скольжения по плоскостям {111} и {001} скольжения. Вместе с тем наблюдаются смещения ориентировок А и A к ориентировкам В и B с усилением последних, что свидетельствует о протекании процессов динамической рекристаллизации в процессе РКУП – К при 300С.
Прямые ПФ (111) медного сплава Cu – Cr в состоянии после восьми проходов РКУП – К при Т = 300 оС (а). Положения идеальных ориентировок, соответствующих состоянию после простого сдвига с учетом поворота на угол 60о против часовой стрелки (б)
Микротвердость медного сплава, подвергнутого РКУП– К составила 144 НV, после дополнительного отжига при температуре 500оС значительно повысилась до значения 199 НV вследствие дополнительного выделения упрочняющих частиц (рисунок 5.1, 5.2).
Электропроводность медного сплава подвергнутого РКУП – К 14,3 Мсм/м, (24,7 % IACS) после дополнительного отжига при температуре 500оС существенно повысилась до значения 47,9 Мсм/м (82,7 % IACS) (рисунок 5.5, 5.6) вследствие выхода атомов легирующих элементов из твердого раствора при дополнительном выделении упрочняющих частиц (рисунок 5.1, 5.2).
После РКУП– Конформ при 300 С+волочение и дополнительного отжига при 500С достигаются наилучшее сочетание предела прочности 570 МПа и электропроводности 82,7 % IACS, что более, чем на треть выше значений после стандартной обработки (таблица 5.2). Отметим, что повышение прочности и улучшение электропроводности в образцах подвергнутых РКУП – Конформ уже наблюдалось на примере алюминиевых сплавов [87– 89].