Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
5-оп.консп.Пл.деф..doc
Скачиваний:
83
Добавлен:
04.12.2018
Размер:
15.13 Mб
Скачать

5. Анизотропия основных свойств текстурованных материалов

Практическое значение текстур связано с вызываемой ими анизотропией свойств, которая может быть значительной не только в ма­териалах с кристаллическими решетками более низких симметрии, чем кубическая, но и в кубических материалах.

Наиболее текстурно чувствительными являются механические свойства, прежде всего упругие постоянные, а также магнитные свойства ферромагнетиков. Кроме того, для материалов с некуби­ческой решеткой — коэффициент термического расширения, электро и теплопроводность и некоторые другие свойства.

Интерес к этому вопросу со стороны специалистов в области обработки металлов давлением вызван, с одной стороны, тем, что во многих случаях важно знать, как можно изменить свойства и какие из них с помощью пластической деформации. Но есть и другой, в ряде случаев еще более важный аспект — как влияет текстура на сам процесс пластической деформации. Такое влияние оказывают прежде всего механические свойства и коэффициент термического расширения.

Предельное значение возможной анизотропии свойств в данном материале, вызванное кристаллографической текстурой, получают из данных об анизотропии свойств монокристаллов того же мате­риала. Однако сопоставление этих данных с экспериментально най­денной анизотропией свойств текстурованных поликристаллов часто дает существенно расходящиеся результаты. Вызвано это рядом причин, среди которых основными являются две: часто встречающее­ся наложение на кристаллографическую текстуру механической тек­стуры (вытянутая форма зерен и поэтому разное расстояние между границами вдоль и поперек зерна) и строчечность в расположении частиц дисперсных фаз.

Рис. 170. Ориентационная зависимость моду­ля упругости Е металлов и сплавов с г. ц. к. решеткой (Cu и Fе+48 % Ni) после рекристал­лизации (1) и холодной прокатки (2)

Рис. 171. Ориентационная за­висимость модуля упругости Е металлов с о. ц. к. решет­кой (Mo и Fе) после холод­ной прокатки (2) и рекри­сталлизации (1)

Что касается теоретического расчета анизотропии свойств, то для реальных материалов он дополнительно затрудняется многокомпонентностью текстур и их рассеянием.

Поэтому ниже наряду с данными об анизотропии свойств монокристаллов будут кратко приведены экспериментальные данные о свойствах текстурированных поликристаллов.

АНИЗОТРОПИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. Наиболее тесная корреляция с текстурой материала имеется у тех свойств, которые можно выразить тензорами четвертого ранга. Из механи­ческих свойств к ним относятся упругие характеристики. Как пра­вило, характеристики, связанные с пластическим течением, только качественно коррелируют с текстурой. Однако для упругих свойств однозначные общие закономерности установить трудно. В ряде случаев в веществах с однотипной решеткой и текстурой анизотро­пия проявляется по-разному.

На рис. 170 и 171 показана ориентационная зависимость моду­ля упругости Е листов меди, сплава Fе+Ni (48%) с г.ц.к. решет­ками, а также Fе и Мо с о.ц.к. решетками после холодной прокат­ки и после рекристаллизации. Во всех случаях экстремальные зна­чения приходятся на угол φ=45° к направлению прокатки, однако характер экстремума различен.

В материалах с г.ц.к. решеткой, прокатанных в холодном со­стоянии под углом 45° к (НП), значение Е минимально, а после рекристаллизации, когда формируется кубическая текстура, макси­мально. Иначе ведут себя о.ц.к. металлы. В железе 45° соответст­вует минимум Е в холоднокатаном и рекристаллизованном состоя­ниях, тогда как в листах молибдена значение Е в этом направлении наибольшее.

Рис. 172. Анизотропия значений ,E, а также числа гибов до разрушения n для патентированных и холоднокатаных листов стали

Следует учитывать, что, кроме текстуры, на значение Е влияет и наличие дислокаций. Последние снижают величину Е. Поэтому часто при малых степенях деформации Е уменьшается вследствие увеличения плотности дислокаций, а далее по мере усиления роли текстуры Е начинает расти.

Анизотропия модуля упругости нашла практическое примене­ние в пружинах, максимальная энергия которых равна

где — объем пружины; — предел упругости; Е — модуль нормальной упругости.

достигается в материалах с высоким , т. е. с высоким Е.

На рис. 172 в качестве примера показана анизотропия значений , E и , а также числа гибов n до разрушения для патентированных и холоднокатаных листов стали. Видно, что направления НП и ПП (угол 0 и 90° соответственно) характерны максимальным значениям упругих характеристик, тогда как п максимально под углом 30° к НП, а минимально в направлении ПП.

Эта закономерность хорошо объясняется кристаллографически. Направление <112> близко к направлению <111>, вдоль кото­рого Е максимально. Направление <100>, вдоль которого Е ми­нимально в текстурах г.ц.к. металлов (Аl, Сu), располагается под углом, близким к 45° к <111> и <112>.

Рекристаллизация г.ц.к. металлов, приводящая к образованию кубической текстуры, должна изменить характер указанной выше анизотропии.

В прокатанных листовых материала с о.ц.к. решеткой анизо­тропия и , а также δ выражена не очень резко. Но закономер­ность сводится к тому, что прочность ( и ) максимальна в на­правлении ПН, а удлинение в НП.

Особо важное значение имеет влияние текстуры на способность листовых материалов к деформации глубокой вытяжкой без разрушения. При наличии текстуры возможно образование фестонов (рис. 173), удаление которых реза­нием приводит к потерям метал­ла, разнотолщинности и удорожанию изделий.

Рис. 173. Фестонистость, возникающая при глубокой вытяжке листовой меди с кубической текстурой, вследствие ани­зотропи пластичности:

а — без текстуры; б — с текстурой

Рис. 174. Зависимость и числа гибов я в плоскости листа цинка (г.п.у. решетка) от угла к направ­лению прокатки φ

Фестонистость характеризуется высотой фестона или глубиной впадины между фестонами в мм или в , а также числом фестонов по окружности и их взаиморасположением.

Так, в листах меди и других г.ц.к. металлов при наличии кубиче­ской текстуры фестонистость проявляется особенно резко. При этом число фестонов равно четырем, они располагаются под углами 0 и 90 к НП.

Кроме того, для листовой меди существует линейная связь меж­ду высотой фестонов и долей кристаллов с кубической компонентой. Поэтому отсутствие кубической текстуры — одно из важнейших ус­ловий борьбы с фестонистостью.

Пониженная способность к вытяжке листов, в которых парал­лельно плоскости листа ориентирована плоскость куба {100} уста­новлена и для стали. Значительно более пластичным является лист с текстурой {111}.

При текстуре прокатки, характерной для меди и алюминия {110}<112>+{112}<111>, четыре фестона располагаются под углом 45° к НП.

На степень и характер фестонистости влияют много факторов.

С текстурой связано известное явление пресс-эффекта, заклю­чающееся в том, что при определённых условиях прессования алю­миниевых сплавов их прочностные свойства в направлении прессова­ния оказываются значительно более высокими, чем в направлении течения металла при иных схемах деформаций, например при про­катке.

Гексагональные монокристаллы, обладающие более низкой сим­метрией, чем кубические, характеризуются соответственно более сильной анизотропией свойств. Сказанное справедливо и в отноше­нии текстурированных поликристаллов с гексагональной решеткой. Однако в данном случае почти нет единых закономерностей. Для металлов и сплавов с разным соотношением с/а эти отношения раз­личны.

Наиболее изучены цинк и его сплавы, слабее магний, бериллий и титан.

Как правило, предел нормальной упругости Е максимален в плоскости базиса и минимален в направлении шестого порядка. По­этому в зависимости от того, как при деформации будет ориентиро­вана плоскость базиса, будет зависеть и направление образца, в ко­тором Е максимально. В плоскости же прокатки Е максимально в направлении НП и меньше в ПП. Прочность выше в ПП, а плас­тичность (число гибов до разрушения) в НП (рис. 174).

Связано это с тем, что прочность максимальна в образцах, у Которых базисная плоскость лежит в долевом направлении, т. е. у которых угол между гексагональной осью и продольным направ­лением образца близок к 90°.

В связи с тем что базисная плоскость в листах цинка поверну­та вокруг направления ПН, образцы, вырезанные поперек направ­ления прокатки, более прочны, чем вырезанные вдоль направления прокатки. Такая же закономерность (прочность ПП больше, чем в НП) установлена для магния и его сплавов. В целом же магний более анизотропен, чем цинк. Можно было ожидать, что в металлах с с/а< 1,633 зависимость .будет обратной. Однако прямых подтверж­дений этого пока нет. Для прокатанного титана анизотропия проч­ности и удлинения в плоскости базиса не установлена.

Для многих гексагональных металлов и сплавов отчетливо про­является анизотропия пластичности (деформируемости).

Так, бериллиевая проволока наиболее пластична, когда гекса­гональная ось расположена перпендикулярно оси проволоки, а бериллиевый лист —когда базисные плоскости расположены парал­лельно плоскости листа.

Для ряда металлов гексагональной симметрии обнаружен ин­тересный эффект упрочнения тёкстурированием, под которым пони­мают упрочнение за счет создания такой текстуры, которая трудно деформируется. Наиболее четко этот эффект должен проявиться на металлах с с/а≤ 1,633 (Мg, Тi, Zr), для которых идеальной тексту­рой прокатки является {0001} <1010>. При растяжении полосы с такой текстурой все сдвиги располагаются в плоскости полосы (плос­кости базиса), в которой будут действовать три направления сколь­жения, соответствующие призматическому {1010} и гексагональному {1011} скольжению.

Но стойкость против утонения, оцениваемая параметром R (, где и — соответственно деформация по ширине и толщине), характеризует степень упрочнения материала. В пол-ностью изотропном поликристалле R=1. В полностью идеальной гек­сагональной текстуре с ориентировкой {0001} <1011>R=∞. В реальных случаях вследствие отклонения ориентировки от идеаль­ной 1<R<∞. Обычно встречающиеся значения R для гексагональ­ных металлов составляют 3—7, при этом Я слабо зависит от на­правления в плоскости базиса.

При деформации по схеме двухосного растяжения (его можно рассматривать. как результирующую гидростатического растяжения и одноосного сжатия) пластическое течение начнется только тогда, когда растягивающее напряжение превысит сжимающее, перпенди­кулярное поверхности листа.

Для сильно текстурованных гексагональных материалов отсут­ствие подходяще ориентированной системы скольжения для утоне­ния и приводит к высокому пределу текучести при сжатии, а зна­чит к заметному упрочнению при двухосном растяжении.

Практическое использование подобного упрочнения текстурованием может представлять интерес при производстве баллонов из листов для поверхностей, которые должны быть стойкими против удара. Перспективными в этом плане являются сплавы на основе титана, бериллия и др.

Для специалистов в области обработки металлов давлением важны сведения о том, как сказывается текстура на поведении ме­талла при пластической деформации, в том числе на таких парамет­рах, как уширение, форма заготовки, давление металла на валки и др. Данные, имеющиеся в литературе по этому вопросу, весьма ограниченны, но свидетельствуют, несомненно, о наличии такого влияния.

Изучалось поведение железа и сплава Fе+Si (2,16%) с акси­альной текстурой <100>, а также искусственно созданных с по­мощью аргонодуговой сварки квазибикристаллов, состоящих из вы­резанных под разными углами полосок листа электротехнической стали ЭИ330 с совершенной ребровой текстурой {110}<001>.

Анализ анизотропии пластического течения в кристаллитах <100> для случая, когда основной системой скольжения является {110}<111>, приводит к выводу о том, что наиболее благоприят­ным направлением деформации является ребро куба <100>, наи­менее благоприятным <110>. Остальные направления занимают промежуточные положения. Экспериментальные данные хорошо объ­ясняются, исходя из этих представлений.

При горячей прокатке различно ориентированных образцов с аксиальной текстурой <100> показано, что наибольшее уширение имеет место у образцов, в которых ось <100> расположена по­перек прокатки (по ширине образцов). Образцы, в которых ось <100> была ориентирована вдоль образцов, уширялись меньше (47 и 36% соответственно). С увеличением обжатия разница в уширении уменьшается.

Холодная прокатка образцов с исходной плоской текстурой ку­ба (плоскость {100} параллельна поверхности образца, а направле­ние <001> повернуто на разные углы α относительно направления прокатки) показала, что полоса изгибается в плоскости прокатки, но по-разному в зависимости от угла α. При α = 0 изгиб отсутство­вал, при α=30° изгиб был наибольшим (ось образца по выходе из валков отклонялась относительно исходного направления на 25°).

Причина изгиба в том, что при направление течения ме­тала в очаге деформации не совпадает с осью прокатки.

Если же направление <100> наклонено к плоскости прокатки, то и полоса будет изгибаться в вертикальной плоскости (плоскость изгиба не будет совпадать с плоскостью прокатки).

Различная ориентировка систем скольжения относительно действующих напряжений вызывает и различие в сопротивлении дефор­мации, т. е. в давлении металла на валки.

Поэтому при прокатке образцов {110}<001> вдоль ребра ку­ба требуются минимальные усилия для деформации.

Прокатка сварных квазибикристаллов, в одной части которых системы скольжения ориентированы иначе, чем в другой, приводит к тому, что векторы главных деформаций в этих частях оказывают­ся непараллельными, кроме того, различными окажутся и упругие деформации валков. Это вызывает искажения в ориентировке и форме полосы, выходящей из валков в виде разнотолщинности по ширине, продольного и горизонтального изгиба, коробоватости, вол­нистости и закручивания. Конкретный характер макроискажений определяется взаимным расположением преимущественных систем скольжения и соответственно векторов главных деформаций в обе­их частях бикристалла.

Некоторые характерные случаи отклонения формы полос от плоской в образцах, состоящих; из макроучастков с разными тексту­рами, показаны на рис. 175.

Рис 175. Характерные отклонения формы прокатанных полос от плоской, воз­никающие вследствие различия текстур в разных макрообъемах у исходных заготовок: 1—4 — вид сбоку; 1’—4’ — вид сверху

АНИЗОТРОПИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ- Этот случай анизотропии может привести к существенным изменениям в структуре, а значит и в свойствах,, если тело подвергается термоциклированию. Такая обработка с небольшим числом циклов может встретиться в процессе пластической деформации.

Коэффициент а термического расширения (КТР) существенно анизотропен для некубических кристаллов. В гексагональных кри­сталлах эта анизотропия тем сильнее, чем больше с/а отличается от 1,633. КТР соответственно при параллельном и перпендикулярном расположении к оси С равен: для Мg (с/а= 1,624) 25-10-6 и 25,4Х10-6, для Zn (с/a= 1,856) 63,9-10-6 и 14,1-10-6, для Sn (с/а = 1,546) 30,5 10-6 и 15,5- 10-6 -1.

При нагреве поликристаллов с некубической решеткой в них воз­никают значительные внутренние локальные напряжения. Они тем больше, чем больше анизотропия КТР. Они вызываются тем, что изменению размеров отдельных кристаллитов в соответствии с их КТР препятствуют соседние, иначе ориентированные зерна. Эти на­пряжения могут вызвать пластическую деформацию в отдельных кристаллитах, повышение плотности дислокаций и точечных дефек­тов, а при определенных условиях привести к трещинообразованию.

Особенностью рассмотренных эффектов в текстурированиых материалах является то, что термоциклирование может вызвать ани­зотропное изменение макроскопических размеров образца.

РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Вассерман Г., Греоен И. Текстуры металлических материалов. М., «Металлургия», 1969. 654 с. с ил.

Кудрявцев И. П. Текстуры в металлах и сплавах. М., «Метал­лургия», 1965. 292 с. с ил.

Смирнов В. С, Дурнев В. Д. Текстурообразование металлов при прокатке. М., «Металлургия», 300 с. с ил.

Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М., «Мир», 1972. 408 с. с ил.