Принципы получения объемных ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов методом всесторонней изотермической ковки

Р.М. Имаев, А.А. Назаров, Р.Р. Мулюков

Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа

Аннотация

На основании обобщения результатов исследований, выполненных в ИПСМ РАН, сформулированы принципы получения однородной ультрамелкозернистой и наноразмерной структуры в объемных материалах методом всесторонней изотермической ковки. Показано, что этот метод является высокоэффективным деформационным методом измельчения зерен, наиболее полно использующим потенциал динамической рекристаллизации, и перспективным для практических применений.

Введение

Научные и прикладные задачи, связанные с обработкой металлов и сплавов с целью измельчения их микроструктуры, всегда находились в центре внимания специалистов ИПСМ РАН, поскольку, собственно, сам эффект сверхпластичности проявляется только в мелкозернистых поликристаллах. Для получения объемных металлических полуфабрикатов с однородной мелкозернистой структурой в институте применялись методы горячей изотермической деформации. При этом температурно-скоростные условия деформации подбирались таким образом, чтобы обеспечить интенсивное развитие процесса динамической рекристаллизации [1]. Первые публикации Гляйтера о нанокристаллах дали новый импульс этим работам. Возникла идея получения объемных наноструктурных (НС) материалов путем изотермической деформации металлов и сплавов при повышенных температурах. Эта идея оказалась довольно плодотворной и привела к разработке метода всесторонней изотермической ковки, который позволяет относительно легко наноструктурировать материалы в довольно больших масштабах. К настоящему моменту в этом направлении в ИПСМ РАН накоплен значительный научный материал и практический опыт. В данной статье сделано обобщение полученных результатов и изложены принципы измельчения микроструктуры металлов и сплавов вплоть до НС уровня методом всесторонней изотермической ковки.

Классификация деформационных методов измельчения микроструктуры металлов и сплавов

Большинство промышленных сплавов в литом состоянии состоит из относительно крупных зерен (d>100 мкм). В промышленности для измельчения микроструктуры сплавов используются такие традиционные методы, как холодная обработка с последующим рекристаллизационным отжигом, термическая обработка, основанная на фазовых превращениях, и термомеханическая обработка, которые позволяют измельчить микроструктуру до уровня размера зеренd1-10 мкм. Как показали недавние исследования, это ограничение по предельному размеру зерен, достижимому традиционными методами, может быть преодолено применениембольших пластических деформаций, которые позволяют измельчить микроструктуру до уровняd10-100 нмнепосредственно в ходе деформации.

Часто, говоря о больших пластических деформациях, смешивают монотонные и циклические методы деформационной обработки материалов. Их различение целесообразно не только с точки зрения геометрии получаемых полуфабрикатов, но и с точки зрения формируемой микроструктуры. К монотонным методам деформационной обработки относятся такие промышленные методы, как прокатка, экструзия, волочение и др., ведущие при больших пластических деформациях к двумерным и одномерным полуфабрикатам. Cпецификой этих методов является большое контактное трение, возникающее между инструментом и заготовкой, создающее значительное растягивающее напряжение. При относительно низких гомологических температурах это способствует формированию удлиненных фрагментов / субзерен / зерен. При этом после накопления определенной критической фрагментированной структуры, еще далекой от равноосной наноструктуры, часто происходит преждевременное разрушение. При повышенных гомологических температурах монотонная деформация способствует локальному развитию динамической рекристаллизации и проскальзыванию нерекристаллизованных объемов друг относительно друга вдоль рекристаллизованных зерен, что также вызывает локализацию деформации и преждевременное разрушение. Наиболее существенным ограничением, накладываемым монотонными методами, является то, что они, несмотря на большие степени деформации, обычно не в состоянии обеспечить получение изотропного ультрамелкозеристого (УМЗ) и НС материалаcвысокой долей большеугловых границ зерен как при низких, так и высоких гомологических температурах.

Вместе с тем, для расширения возможностей применения УМЗ и НС материалов в качестве конструкционных и функциональных материалов, для изготовления изделий с уникальными механическими и физическими свойствами необходимо разработать метод, который бы позволял получать полуфабрикаты с большим сечением, с однородной по размеру зерен равноосной ультрамелкозернистой / наноразмерной структурой в любом сечении, высокой долей большеугловых границ зерен, без острой текстуры и областей с кристаллографически близкой ориентировкой зерен. При этом новый метод должен учитывать заводские реалии, то есть должен быть легко адаптируемым к существующему прессовому оборудованию, оснащенному простой и недорогой технологической оснасткой, и иметь рыночный потенциал, что предполагает минимизацию внесенной энергии деформации на единицу массы УМЗ и НС продукта.

Такой метод, по-видимому, следует искать среди циклических методов деформационной обработки металлов, к которым относятся всесторонняя изотермическая ковка, равноканальное угловое прессование, винтовая экструзия и др., позволяющие в ходе деформационной обработки сохранять или восстанавливать исходную трехмерную форму заготовки, вне зависимости от степени деформации. Максимальная степень деформациие_мах, которой можно подвергнуть материал при применении этих методов, зависит от величины контактного трения между деформирующим инструментом и заготовкой и величины возникающего при этом растягивающего напряжения. При циклических деформационных методах обработки материалов, основанных на прессовании или экструзии, значительное контактное трение является причиной более быстрого разрушения образцов (если еще раньше не происходит разрушения деформирующего инструмента). В работе [2], например, при прессовании и экструзии медие_махсоставило соответственно 29 и 14. Из всех перечисленных метод всесторонней изотермической ковки позволяет избежать значительного контактного трения и, как следствие этого, значительного растягивающего напряжения на боковой поверхности, которое может привести к образованию трещин. Благодаря этому, как было показано в работе [2] на примере меди, материал можно подвергнуть весьма большим пластическим деформациям (е=50) при комнатной температуре, не вызывая разрушения ни образцов, ни деформирующего инструмента.