Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

580

состоящего из трех листов в первом случае и из двух – во втором случае. Полученная

полоса как и в предыдущем случае разрезается пополам по длине, половинки полос

укладываются друг на друга и полученный многослойный пакет вновь прокатывают с

обжатием 50%. В результате такой прокатки полос с исходной толщиной 0,8 мм в первом

случае и 3 мм – во втором случае из стали 01ЮТ с различным соотношением содержания

углерода и микролегирующих добавок Тi и Nb произошло измельчение структуры

полученной полосы толщиной 1,2 мм в первом случае и 3 мм – во втором случае от 25-30

мкм (в исходном состоянии) до 500 нм - 3 мкм, при этом резко возросла прочность

исследуемой стали (предел текучести вырос в 2-5 раз по сравнению с исходным -

недеформированным состоянием. Структура стали типа IF в исходном состоянии и после

различных режимов МПП приведена на рис. 6 .

В работе [13] исследовали сравнительное влияние высокотемпературной

термомеханической обработки (ВТМО) и пакетной прокатки по различным режимам на

энергосиловые параметры, структуру и механические свойства ультрамалоуглеродистой

стали. На основании проведенной работы установлено, пакетная прокатка приводит к

уменьшению размера зерна, к увеличению прочностных характеристик и микротвердости,

при снижении пластичности.

Двухэтапная пакетная прокатка (четыре слоя) приводит к дополнительному, но

меньшему по сравнению с двухслойной одностадийной пакетной прокаткой измельчению

зерна, увеличению прочности, и более монотонному уменьшению пластичности.

Трехэтапная пакетная прокатка (8 слоев) приводит к дальнейшему, но меньшему по

сравнению с двухслойной одностадийной пакетной прокаткой, увеличению прочности, к

сохранению, а в ряде случаев, и увеличению пластичности.

Высокотемпературная термомеханическая обработка приводит к аналогичному

увеличению прочности, к менее монотонному измельчению среднего размера зерна, при

сохранении высокой пластичности.

Металлографический метод

анализа

Метод растровой электронной

микроскопии

Метод просвечивающей

электронной микроскопии

Исх.

состоя-

ние

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

581

слоя,

600

град

6 слоев,

600

град

Рис.6. Структура стали IF в исходном отожженном состоянии и после пакетной прокатки с

различным числом проходов [12].

С возрастанием количества слоев пакета возрастает среднее контактное

напряжение при переходе от двухслойного пакета к четырехслойному. Этот рост среднего

контактного напряжения можно связать с упрочнением, которое металл получает в

процессе пластической деформации, когда процессы деформационного упрочнения

превалируют над процессами разупрочнения. Последующее увеличение количества слоев

при переходе от четырехслойного к восьмислойному пакету приводит к снижению

среднего контактного напряжения, что можно связать с превалированием процессов

разупрочнения над упрочнением.

С увеличением числа проходов при ВТМО энергосиловые параметры при прокатке

снижаются до уровня двухслойной пакетной прокатки (по среднему контактному

давлению металла на валки), по усилию при прокатке имеют двукратный запас при

сочетании высокого уровня механических свойств (сочетания прочности и пластичности)

(рис.7).

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

582

Рис.7. Среднее контактное давление металла на валки при различных режимах МПП и

ВТМО [13].

Увеличение температуры прокатки от 600 до 750

С привело к монотонному

снижению прочности, однако, сопротивление пластической деформации (по данным

среднего контактного напряжения) также уменьшилось. Увеличение количества слоев в

пакете при 600°С привело к увеличению прочности. Этот эффект, скорее всего, связаны с

проявлением совместного влияния механизма ротационной пластичности и

деформационного старения.

По результатам данной работы можно утверждать, что многослойная пакетная

прокатка и ВТМО, позволяют получить структуры с хорошим сочетанием механических

свойств, для ультранизкоуглеродистой стали типа 01ЮТ.

Исследования зарубежных ученых, проведенные по подобной технологии на

различных металлических материалах, включая стали, свидетельствуют о достижении

размеров зерен от 80 до 300 нм, т.е. получении как субмикрокристаллического, так и

наноструктурного состояния. К сожалению, все эксперименты по реализации МПП (АПС)

до настоящего времени были выполнены в лабораторных условиях, что позволило создать

научные основы изготовления ультрамелкозернистого листа данным способом.

Следующим этапом разработки данного процесса следует считать создание

технологических основ применительно к промышленному оборудованию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К настоящему времени методы ИПД получили активное развитие как способы,

предназначенные для получения наноструктур в массивных образцах из различных

металлов и сплавов. Тем не менее, вопрос о получении массивных заготовок большого

размера и более однородных по микроструктуре остается весьма актуальным. Актуальны

также проблемы разработки новых технологически более эффективных схем ИПД,

cовершенствования оснастки и расширения номенклатуры материалов, в которых можно

сформировать наноструктурное состояние.

Термомеханическая обработка и многоэтапная пакетная прокатка в режимах ТМО

являются наиболее эффективными и перспективными методами создания

субмикрокристаллического вплоть до наноструктурного состояния в листовом прокате

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

583

Характер формирующейся наноструктуры определяется как самими материалами

(исходной микроструктурой, фазовым составом, типом кристаллической решетки), так и

условиями интенсивной деформации (температура, скорость, метод деформации и т.д.). В

целом, снижение температуры, увеличение приложенного давления, степень легирования

способствуют измельчению структуры и достижению наименьшего размера зерен.

Объемные наноматериалы могут найти (и уже находят)применение практически в

любой отрасли народного хозяйства, где решающую роль играют высокие механические

(сверхпрочность, ударная вязкость, усталостная выносливость) и функциональные

(магнитные сверхупругие, эффект памяти формы) свойства. Согласно аналитическим

прогнозам особого внимания заслуживают перспективы применения наноструктурных

материалов в медицине и технике конструирования авиационных двигателей нового

поколения и в высокоскоростной формовке сложных деталей для новых автомобилей и

самолетов.

Литература

1.Р.З.Валиев, И.В.Александров. Объемные наноструктурные металлические материалы.

Москва, ИКЦ»Академкнига», 2007. 397 с.

2.А.И.Рудской. Нанотехнологии в металлургии. С.-Петербург.,Наука, 2007, 185 с.

3.М.Л.Бернштейн, В.А.Займовский, Л.М.Капуткина. Термомеханическая обработка стали.

Москва, Металлургия, 1983.480 с.

4. Г.Е.Коджаспиров, А.И.Рудской, В.В.Рыбин. Физические основы и ресурсосберегающие

технологии изготовления изделий пластическим деформированием. С-Петербург,

Наука,

2007, 350с.

5. В.В.Рыбин Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.,

Металлургия,

1986, 224 с.

6.С.В. Добаткин, С.В. Шагалина, Ю.Ф. Иванов,Е.В. Найденкин, Г.Г. Захарова

Е.Г. Астафурова.Структурные и фазовые превращения в наноструктурной стали

10Г2ФТ в

ходе холодной деформации кручением под давлением и последующего нагрева.

Российские нанотехнологии (4), 2009, 1-2, с.162-173.

7. С.В.Добаткин, П.Д.Одесский, Г.И.Рааб и др. Теплое и горячее раноканальное угловое

прессование низкоуглеродистых сталей.. Металлы, 2004, №1, с.105-110.

8. Р.З.Валиев,И.В.Александров.Наноструктурные материалы, полученные интенсивной

пластической деформацией. М., Логос, 2000, 271 с.

9. R.Z.Valiev, A.V.Korznikiv, R.R.Mulyukov. Mater.Sci.Eng. 1993, v.A186, p.141.

10.Y. Iwahashi., Z. Horita, M.Nemoto, T.G.Langdon. Acta Mater.1998.v.46.p.3317.

11. Y. Saito, H. Utsunomiya, N. Tsuji, Т. Sakai. Novel Ultra-High Straining Process For Bulk

Materials - Development Of The Accumulative Roll-Bonding (ARB) Process. Acta mater.

1999, Vol. 47, No. 2, pp. 579-583,.

12.

Г.Е.Коджаспиров, С.В.Добаткин, А.И.Рудской, А.А.Наумов. Получение

ультрамелкозернистого листа из ультранизкоуглеродистой стали пакетной прокаткой.

Металловедение и термическая обработка металлов.2007,12, с.13-16.

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

584

13. G.E.Kodzhaspirov, D.M.Tavrikov. The effect of multistage pack rolling and

thermomechanical

processing on the structure and mechanical properties of ultralow carbon microalloyed steel

XI-International scientific conference “New Technologies and Achievements in Metallurgy

and Material Engineering”, Czestochowa, 2010, p.42-46.

14.A.V.Korznikov, Yu.V.Ivanishenko, D.V.Lapovok and etc. Nanostructured Materials.1994,

v.4.p.159.

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

585

ОСОБЕННОСТИ СТАТИЧЕСКОГО И ЦИКЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ

СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО Al-Mg-Sc СПЛАВА

Терентьев В.Ф.

1,а)

, Добаткин С.В.

1,б)

, Копылов В.И.

2,в)

Просвирнин Д.В.

, Бакунова Н.В.

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, 119991, Россия,

Москва, Ленинский проспект, 49

Физико-технический институт НАН Беларуси, 220141, Беларусь, Минск, ул. Купревича,

а) E- mail: fatig@mail.ru б) E- mail: dobatkin@imet.ac.ru в) E-mail: kopylov.ecap@gmail.com

Исследована статическая и усталостная прочность алюминиевого сплава Al –Mg –

Sc (сплав 1570) после отжига и после равноканального углового прессования (РКУП).

Показано, что ультрамелкозернистая(УМЗ) структура, полученная после РКУП, повышает

предел текучести и предел прочности, несколько понижает пластичность материала при

статическом растяжении, увеличивает циклическую долговечность до разрушения в

области малоцикловой усталости и практически не снижает предела выносливости.

Изучены механизмы распространения трещин при циклическом деформировании

Введение

В ряде работ [1 - 8] изучали повышение комплекса служебных характеристик

конструкционных алюминиевых сплавов за счет формирования в полуфабрикатах

ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры путем использования интенсивной пластической

деформации (ИПД), а также последующей термообработки. Так, в работах [1 - 3] было

исследовано влияние равноканального углового прессования (РКУП) на структуру и

свойства двух быстро закристаллизованных (~ 10

град/с) сплавов Al – 4%Mg – 1,5%Mn –

0,4%Zr и Al – 4%Mg – 1,5%Mn – 0,4%Zr – 0,4%Sc. РКУП осуществляли в литом и

отожженном состояниях. Было показано, что в процесс РКУП (t = 300

C, число проходов

6) в литом сплаве системы Al – Mg – Mn – Zr – Sc формируется УМЗ структура с

размером зерна 850+ 65 нм, а в отожженном 860+ 55 нм. После РКУП Al – Mg – Mn – Zr -

сплава средний размер зерна составлял 1060+ 75 нм для литого состояния и 1240 + 65 нм

для отожженного. РКУП дробит крупные кристаллизационные интерметаллиды и

ориентирует их в цепочки в направлении прессования. Структурные изменения привели к

одновременному увеличению прочности и пластичности у обоих сплавов в указанных

состояниях. Максимальные механические характеристики были достигнуты для сплава Al

– Mg – Mn – Zr – Sc:

= 425МПа, δ = 17%. Похожие прочностные механические свойства

были получены после РКУП и комплексного углового прессования (КУП) и

последующего отжига при 200 и 350

С для УМЗ фрагментированной структуры

промышленных алюминиевых сплавов 1560 (Al – 6,5%Mg – 0,6%Mn) и 5083 (Al – 4,4%Mg

– 0,7%Mn – 0,15%Сr): σ

= 467МПа для сплава 1560 и σ

= 420МПа для сплава 5083.

Однако относительное удлинение в этих сплавах после ИПД снизилось вдвое [7].

Рекордное повышение прочностных механических свойств было получено в работе

[5] в результате интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) при

комнатной температуре и температуре 100 и 200

С на образцах из алюминиевого сплава

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

586

1570 (Al – 5,7%Mg – 0,4%Mn – 0,32%Sc).

Предел текучести и предел прочности

составляли соответственно 905МПа и 950МПа при относительном удлинении 4,7%.

Таким образом, с помощью ИПД и последующей термической обработки можно

существенно повысить прочностные механические свойства при комнатной температуре

алюминиевых сплавов системы Al – Mg c различными легирующими добавками. При этом

на конечные характеристики этих свойств влияют ряд факторов: химический состав,

исходное структурное состояние, вид и режимы ИПД, последующая термическая или

термомеханическая обработка. От этих факторов также сильно зависит пластичность этих

материалов после ИПД.

Поскольку алюминиевые сплавы широко используются в авиационной,

автомобильной и других отраслях техники очень важно, чтобы после ИПД, наряду с

повышением статических механических свойств, в этих сплавах была достаточно высокая

усталостная прочность. В последние годы исследованию усталостной прочности этих

сплавов, и, в частности, сплавов системы Al – Mg c легирующими добавками, посвящены

ряд исследований [4, 9 - 17]. Уже в ранних исследованиях [5, 6] было показано, что в этих

сплавах, подвергнутых ИПД, нет однозначной корреляции между статическими

механическими свойствами и характеристики циклического деформирования. Так, в

работе [11] исследовали статическую и циклическую прочность УМЗ сплава 5056 Al – Mg

(4,80%Mg; 0,06%Si; 0,12%Fe; 0,07%Mn; 0,06%Cr; ост. Аl) после РКУП (размер зерна 130 –

200

нм). Было показано, что многократное РКУП приводит к существенному повышению

статических прочностных свойств по сравнению с стандартной термической обработкой

(размер зерна 25 мкм), но к снижению пластичности. Предел текучести УМЗ материала в

3 – 4 раза больше, чем у сплава после стандартной механической обработки. Тем не менее,

предел выносливости на базе 10

циклов нагружения, определенный в условиях

испытания с постоянной амплитудой напряжений, практически одинаковый для

стандартного материала и сплава с УМЗ структурой. Испытания на малоцикловую

усталость в условиях постоянной пластической амплитуды деформации за цикл

нагружения показали, что УМЗ состояние приводит к снижению долговечности по

сравнению со стандартной обработкой [11]. Из результатов этой работы видно, что нет

однозначной зависимости между статическими механическими свойствами и

характеристиками усталости алюминиевых сплавов, подвергнутых РКУП.

В обзорной статье Ю. Естрина и А. Виноградова [15] справедливо отмечается, что

для повышения усталостной прочности легких сплавов часто бывает не достаточно

получить УМЗ структуру без учета ряда других определяющих факторов: химического

состава, исходного структурного состояния, оптимальных режимов интенсивной

пластической деформации и ряда других. В дисперсионно - упрочняемых алюминиевых

сплавах большую роль также играет текстура, распределение вторых фаз и дисперсных

включений. В сплаве системы Al-Mg-Sc большое влияние на усталостную прочность

играет количество магния и скандия, а также температура проведения РКУП. Если у

сплава Al – 1,5Mg – 0,2Sc – 0,2Zr после РКУП с 8 проходами по маршруту В

при 150

предел выносливости составляет 120МПа, то у сплава Al – 6Mg – 0,32Sc после РКУП при

325

С при прочих равных условиях деформирования он повысился до 190МПа [15].

Таким образом, выбор для исследования алюминиевого сплава системы Al –Mg –

Sc – Zr

в настоящей работе связан с особенностями влияние Sc и Zr на структурное

состояние и механические свойства алюминиевых сплавов. Механизм влияния добавки

Секция 6. Формирование струк

такого редкоземельного элемента

полуфабрикатов из алюминиевых

Sc входит в перес

ыщенный

технологических операциях

дисперсность этих частиц

превосходит дисперсность

марганец. Вторичные частицы

зерен, но и благодаря высокой

сплавы. Частицы Al

циркония, марганца и хрома

повышения их термической

цирконием, который растворяется

[1 – 3].

В качестве материала

Al-Mg-Sc (6,2Mg; 0,24

состоянии. Термическая обработка

охлаждением в воде. Такая

равноканальном угловом

исходное состояние - –

нагрев

РКУП, которое проводили

истинной деформации

ε ~ 6,8)

на образцах 20 х

электроэрозионной резкой

изготавливались образцы для

Рис. 1. Форма образца

повторн

ом растяжении (а

Механические свойства

определяли на механической

усталость проводили на сер

Секция 6. Формирование струк

туры и свойств металлопродукции.

587

редкоземельного элемента как

на структуру и свойства

алюминиевых сплавов связан с тем, что при кристаллизации

ыщенный твердый раствор, который распадается

операциях с образованием дисперсных частиц

частиц, определяющая тормозящую силу передвижения

дисперсность циркониевых а

люминидов Al

и алюминидов

Вторичные частицы

не только эффективно тормозят

благодаря высокой дисперсности непосредственно упрочняют

не обладают столь высокой стабил

ьностью

и хрома, и при нагревах они быстро укрупняются

термической стабильности скандий вводят в алюминиевые

растворяется в фазе

и повышает ее термическую

Материал и методика исследования

материала исследования был взят алюминиевый

; 0.08Zr; 0,17Fe; 0,45Mn; 0,09Si

; вес.%)

Термическая обработка

Al-Mg-Sc сплава –

нагрев на 530

Такая термообработка способствовала лучшей

угловом (РКУ) прессовании.

Исследовались две

нагрев на 530

С (выдержк

а 2 часа) с охлаждением

проводили при Т = 220

С с шестью проходами

ε ~ 6,8)

по маршруту, близкому к Вс, с углом

х 20 х 120 мм. Из полученных после

резкой вырезались плоские пластины толщиной

образцы для статических и усталостных испытаний

образца для испытания на статическое растяжение

растяжении (а);

хема вырезки пластин из заготовки, полученной

(б)

свойства образцов из сплава 1570 при статическом

механической 10

–

тонной машине Инстрон 3380,

на сер

вогидравлической 10 –

тонной машине

туры и свойств металлопродукции.

свойства деформированных

при кристаллизации расплава

распадается при последующих

частиц

Sc. При этом

передвижения границ зерен,

алюминидов, содержащих

тормозят миграцию границ

непосредственно упрочняют алюминиевые

ьностью, как алюминиды

быстро укрупняются. С целью

алюминиевые сплавы вмести с

термическую стаб

ильность

алюминиевый сплав 01570 системы

вес.%) в термообработанном

на 530

С (выдержка 2 часа) с

лучшей деформируемости при

Исследовались две серии образцов: 1

–

охлаждением в воде; 2

– после

проходами

N=6 (соответствует

углом пересечения каналов

после

РКУП заготовок

толщиной 1 мм, из которых

испытаний (рис. 1).

растяжение и усталость при

заготовки, полученной после РКУП

статическом растяжении

3380, а испытания на

машине Инстрон 8801 в

Секция 6. Формирование структуры и свойств металлопродукции.

588

условиях повторного растяжения с минимальным напряжением цикла 20МПа с

частотой нагружения 30Гц.

Результаты и их обсуждение

Структурное состояние. Структура исходного горячепрессованного сплава

01570 перед термической обработкой полностью не рекристаллизована и характеризуется

присутствием большого количества кристаллизационных интерметаллидов Al

(Sc, Zr).

Отдельные интерметаллиды достигают размеров 20-30 мкм. После термической

обработки горячепрессованного сплава 01570 (нагрев на 530

С с выдержкой 2 часа и

охлаждением в воде) наблюдали частично рекристаллизованную, несколько

ориентированную структуру со средним размером зерна ~ 30 мкм (рис. 2, а). Структурный

анализ методом оптической микроскопии выявил наличие большого количества частиц

интерметаллидов как первичного (при кристаллизации), так и вторичного (при нагреве)

происхождения со средним размером включений 8-10 мкм и плотностью таких включений

~ 700 мм

-2

(рис. 2, б) [2]. Микроэлементный анализ состава частиц на электронном

сканирующем микроскопе KYKY-2800 обнаружил два типа частиц - Al

(Sc, Zr) и Al(Fe,

Mn) с превалированием первых. Крупные частицы кристаллизационного происхождения

размером 20-30 мкм соответствуют интерметаллидам Al

(Sc, Zr).

Структурный анализ методом оптической микроскопии Al-Mg-Sc сплава 01570

после РКУП показал, что исходная зеренная структура еще больше ориентируется

параллельно оси образца, а интерметаллиды несколько дробятся и выстраиваются в

цепочки, также параллельные оси образца (рис.2 в).

Электронномикроскопический анализ сплава после РКУП выявил внутри исходных

вытянутых зерен формирование преимущественно субмикрокристаллической структуры

(

рис. 2, г). Субмикрокристаллической структурой называют структуру с размером зерна от

100 нм до 1 мкм и имеющую высокоугловую разориентировку границ. Дифракционная

картина на электронограммах свидетельствует о преимущественно большеугловой

разориентировке границ зерен, хотя наблюдается и субзеренная структура с

малоугловыми границами. Размер структурных элементов у сплава 01570) составил 200-

400

нм.

Секция 6. Формирование струк

Рис. 2. Структура Al

Статические

механические

статического растяжения

механические свойства в

физический предел текучести

РКУП предел прочности

относительное удлинение

четкая площадка текучести

и прерывистая текучесть

сразу после достижения

деформационного упрочнения

растяжения. У материала после

прерывистой текучести наблюдается

Рис. 3. Кривые статического

Характерно также

больше в материале после

системыAL – Mg – Sc

–

показано, что в алюминиевом

температуры термообработки

легирующего элемента, или

модели скачкообразной

пластического течения

напряжения течения

микроскопической моделью

динамического деформационного

временами: временем ожидания

связанным с характерным

Секция 6. Формирование струк

туры и свойств металлопродукции.

589

Структура Al

-Mg-

Sc сплава 01570 после термической обработки

последующего РКУ прессования (в, г)

механические свойства.

На рис. 3 представлены

растяжения исследованного материала. Были получены

свойства в исходном состоянии: предел прочности

текучести

= 187МПа, относительное удлинение

прочности

= 438МПа; условный предел текучести

удлинение

= 13,4%. Видно, что у исходного материала

текучести (деформация Людерса

–

Чернова составляет

текучесть

– эффект Портевена –

Ле Шателье (ЭПЛ

достижения физического предела текучести

упрочнения и проявляется на протяжении всей

материала после РКУП отсутствует физический предел

текучести наблюдается, начиная с относительной деформации

статического растяжения сплава

AL –6,0Mg –

0,3

структурном состоянии.

также то, что размах скачков прерывистой деформации

после РКУП. ЭПЛ также наблюдали на алюминиевых

–

с различным содержанием магния [5].

алюминиевом сплаве системы

Al – Cu

проявление

термообработки на твердый раствор и может быть связано

элемента, или с содержанием упрочняющей фазы

скачкообразной деформации основаны на концепции

течения вследствие отрицательной скоростной

течения

от скорости пластической деформации

моделью такой нелинейности в настояшее время

деформационного старения, которая оперирует

ожидания дислокации перед препя

тствием и временем

характерным временем диффузии примеси к дислокации

туры и свойств металлопродукции.

термической обработки (

а, б) и

. 3 представлены кривые

Были получены следующие

прочности

= 367Мпа;

удлинение

δ = 22,5%. После

текучести

0,2

= 320Мпа,

исходного материала наблюдается

составляет примерно 2,5%)

ЭПЛ), которая начинается

текучести и начала стадии

всей кривой ста

тического

предел текучести, а эффект

деформации ~ 2,5%.

0,3

Sc – 0,08 Zr в разном

прерывистой деформации в два раза

на алюминиевых сплавах

магния [5]. В работе [18] было

проявление ЭПЛ зависит от

быть связано

c концентрацией

фазы. Феноменологические

концепции неустойчивости

скоростной чувствительности

деформации. Общепринятой

настояшее время является модель

оперирует двумя характерными

тствием и временем ее старения,

дислокации [19]. Особенности