Особенности деформационного измельчения структуры металлических материалов методами интенсивной пластической деформации

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ РАВНОКАНАЛЬНОМУ УГЛОВОМУ ПРЕССОВАНИЮ

Особенности деформационного измельчения структуры металлических материалов методами интенсивной пластической деформации

В последнее время значительный интерес материаловедов вызывает получение и использование и ультрамелкозернистых (УМЗ) и нанокристаллических (НК) полуфабрикатов. Ультрамелкозернистыми (или наноструктурированными) принято называть материалы с размером зерна менее 1000 нм, а нанокристаллическими (или наноматериалами) – до 100 нм [1-5 и др.]. Металлы и сплавы с такой структурой проявляют высокие физико-механические свойства [1-5, 18-22].

В настоящее время разработан целый ряд методов получения УМЗ материалов. Большинство из них основаны на методах порошковой металлургии [23-25], когда исходный металл или сплав предварительно измельчается, например, распылением расплава или размолом в шаровой мельнице, а затем компактируется и в результате образуется поликристаллический агрегат; методах осаждения атомов из газовой фазы на подложку или электроосаждения их из раствора электролита; методах, реализующих сверхвысокие скорости охлаждения, например сверхбыстрая закалка сплава на вращающемся диске или барабане; механическом сплавлении – высокоэнергетичном помоле порошков и т.д. [23, 25].

Полученные такими способами УМЗ материалы обладают рядом недостатков, обусловленных тем, что при их компактировании и осаждении границы микро- и нанозерен аккумулируют примеси и поры, что нежелательно и в той или иной степени отрицательно сказывается на механических свойствах. Кроме того, геометрические размеры получаемых изделий не превышают несколько миллиметров [23].

Производимые металлургическим предприятием деформированные полуфабрикаты, применяемые в качестве конструкционных материалов в машиностроении, строительстве, транспорте, в энергетических и других отраслях, имеют крупнозернистое строение. Средний размер зерен в них обычно находится в пределах от нескольких долей до нескольких единиц миллиметров, и он тем больше, чем больше поперечное сечение материала. Единственный путь получения мелкозернистой структуры в таких материалах связан с необходимостью применения пластической деформации. Добиться значительного уменьшения размера зерна и получения высокопрочного состояния без изменения химического состава и дорогостоящих термических операций в объемных образцах можно, используя методы ИПД [3, 5, 14, 26-28].

Для получения беспористых структур в объемных образцах на сегодняшний день используют целый ряд процессов накопления деформации (табл. 1.1), обеспечивая вследствие этого высокие механические свойства материалов. Принцип действия методов ИПД, указанных в табл. 1.1, достаточно хорошо понятен из приведенных схем. При их реализации имеют место пластические деформации материала сложной реологии, обеспечивающие высокие прочностные характеристики материала при подавлении развития процессов нарушения сплошности и разрушения.

Аналогичный характер воздействия может быть реализован также при последовательном сочетании способов деформирования, для которых характерны различные эпюры механических напряжений. Так, например, комбинация винтовой экструзии и последующей холодной прокатки повышает почти на 100 % прочность меди, алюминия и титана, при этом пластичность остается практически неизменной [29]. Введение угловой гидроэкструзии в схему изготовления медного провода диаметром 0,5 мм (горячее прессование, холодная гидроэкструзия и волочение) обеспечило рекордное для медных сплавов сочетание прочности (s_В= 680 Н/мм²) и электрической проводимости (87 % IACS) [29].

Большое значение для процесса измельчения зерен имеет схема деформирования, предопределяющая траекторию деформации материала. Траекто-

Таблица 1.1

Процессы накопления деформации, используемые для обработки объемных заготовок

Схема	Название (аббревиатура)
русское	английское
	Кручение под высоким давлением (КВД) [3-4, 26, 30]	High Pressure Torsion(HPT)
	Равноканальная угловая экструзия (РКУЭ) или равноканальное угловое прессование (РКУП) [3-4, 31 и др.]	Equal channel angular extru­sion (ECAE)
	Равноканальная многоугловая экструзия (РКМУЭ) [32]	Equal channel multiangular extrusion (ECMAE)
	Продолжение таблицы 1.1 , 2
	Винтовая экструзия (ВЭ) [33, 34]	Twist extrusion (TE)
	Уширяющая экструзия [35]	Spread Extrusion
	«Песочные часы» (ПЧ) [36]	Sandglass (SG)
	Кручение в составном контейнере под давле­нием (КСКД) [36]	Torsion in a compound container under pressure (TCCP)
	Повторяющееся рифле­ние-выпрямление (ПРВ) [36]	Repetitive corrugation and straightening (RCS)
	Окончание таблицы 1.1 , 2
	Принудительное рифле­ние прессованием (ПРП) [37]	Constrained Groove Pressing (CGP)
	Пакетная гидроэкструзия (ПГ) [35, 38]	Bale hydro extrusion (BH)
	Накапливающееся соединение прокаткой (НСП) [39]	Accumulative Roll Bonding (ARB)
	Всесторонняя ковка (ВК) [3-4, 40]	3D forging

рия с малой кривизной свойственна монотонным процессам, в которых главная ось тензора деформации не поворачивается относительно координатных осей, связанных с образцом [14]. С увеличением кривизны траектории немонотонность возрастает. В теории обработки металлов давлением (ОМД) к немонотонным относят такие процессы, в которых угол между направлениями деформирования в двух последовательных проходах меняется соответственно на 90^о и 180^о. Все многопереходные процессы в ОМД являются немонотонными. Тем не менее, в таких процессах, как прямое прессование, прокатка и волочение заготовка вытягивается в одном направлении – вдоль продольной оси, и в этом случаи повороты главной оси деформации относительно этого направления незначительны, что позволяет отнести эти процессы к квазимонотонным [14]. В металлах при квазимонотонной деформации образуется ярко выраженная аксиальная текстура и в основном мелкие субзерна, а не зерна. Преимущественно односторонней вытяжке подвергается материал и при плоской схеме деформации – холодной прокатке листов.

Методы ИПД, такие как РКУП, КВД, ВК – это немонотонные схемы деформирования. Течение материала в этих условиях имеет ротационный, «вихревой» характер. Перемена направления деформирования при каждом проходе ведет к преимущественному образованию (по сравнению с квазимонотонными процессами) зерен, а не субзерен. И, что важно отметить, при тех же степенях деформации в результате изменения направления сдвига формируется большее количество мелких равноосных зерен, чем при квазимонотонных деформациях. Таким образом, главным отличием интенсивных деформаций является формирование практически одинаковых в размерах зерен и субзерен с преобладанием доли первых и, соответственно с преобладанием доли большеугловых границ [14], на которых угол между выходящими на них сходными атомными плоскостями смежных зерен, как принято считать, превышает 12-15^о [41].

На определенном этапе деформирования как традиционными методами, так и методами ИПД структурные изменения в металлических материалах, как отмечают многие исследователи, во многом аналогичны [14, 42 и др.]. При деформации со степенью e < 0,2-0,3 формируется ячеистая структура, для которой характерны небольшая плотность дислокаций внутри ячеек по сравнению с их границами и небольшая разориентировка между ними, составляющая доли градуса. При дальнейшем увеличении степени деформации (e > 0,2-0,3) для развития дислокационного сдвига требуется непрерывное повышение внешних напряжений, так как поля напряжений, создаваемые несовершенными границами ячеек, противодействуют движению дислокаций. Кроме них к повышению напряжения сдвига приводит рост напряжений, необходимых для генерации решеточных дислокаций в мелких ячейках. С образованием последних дальнейшая эволюция структуры при обычной и интенсивной деформациях отличается.

При обычных деформациях почти одновременно с образованием ячеек во многих металлах (меди, никеле, железе) наблюдают появление продольных полос, ориентированных в направлении вытяжки материала заготовки [14, 43], что обусловлено разной кинематикой течения внешних и внутренних областей материала в очаге деформации. С увеличением степени деформации деформационные полосы уменьшаются в поперечном сечении и дробятся по длине, а их границы набирают большеугловые разориентировки. Границы ячеек, кроме совпадающих с границами полос, остаются малоугловыми, но при этом совершенствуются путем преобразования из составляющего их толстого (~10 а) хаотического скопления дислокаций в тонкие (~2 а) упорядоченные дислокационные стенки.

Процесс формирования продольных деформационных полос завершается при e ≈ 3-4 [41]. При таких степенях поперечные размеры (толщина) полос и расположенных в них ячеек уменьшаются до десятых долей микрона (~ 0,1- 0,3 мкм). Вследствие уменьшения напряжений, требуемых для продолжения деформации путем сдвига, начинают возникать полосы сдвига, которые по мере развития деформации так же, как и деформационные полосы, утоняются до десятых долей микрометров, и их границы так же набирают большеугловые разориентировки. Пересечение микрополос сдвига с ранее возникшими продольными микрополосами приводит к образованию мелких зерен размером около 0,1 мкм, однако это происходит при существенном утонении материала в целом (до размеров 0,1 мкм и менее), что сильно ограничивает область полученных таким образом УМЗ материалов.

В отличие от традиционных методов при ИПД после деформирования со степенью e ≈ 3-4 во многих материалах обычно выявляется не полосовая, а равноосная зеренно-субзеренная структура [7]. В отдельных зонах остаются также и мелкие ячейки. С дальнейшим нарастанием деформации последняя исчезает вовсе, а доля предельно измельченных зерен в смешанной структуре возрастает и становится преобладающей.

Особенности структуры УМЗ материалов до сих пор являются предметом интенсивных исследований. В соответствии с моделью известного немецкого металлофизика Г. Гляйтера наноматериалы можно рассматривать как композит, состоящий из двух фаз: зеренной и зернограничной (ЗГФ) [44]. При этом ЗГФ включает не только собственно границу, но и некоторую приграничную зону, строение и свойства которой отличаются от таковых в отдаленных от границы бездефектных областях металла. Необходимо отметить, что такой подход является упрощенным, и он не гарантирует безошибочных оценок. Природа границ раздела вообще, и в особенности применительно к наноматериалам, продолжает до сих пор оставаться предметом дискуссий. В действительности реальное строение наноматериалов может отличаться от «двухфазного» состояния большим разнообразием структурных состояний.

На сегодняшний день известно несколько представлений о механизме образования при ИПД большеугловых границ. Одно из них основано на прохождении процесса низкотемпературной рекристаллизации [45], которую называют также «холодной» [46] и рекристаллизацией на месте [47]. Считается, что в пользу рекристаллизационного механизма образования большеугловых границ свидетельствует также известная закономерность снижения температуры начала рекристаллизации в металлах вплоть до температуры возврата с увеличением степени деформации при ИПД. Однако, в работе [41] отмечается, что для тотального совершенствования границ необходим общий нагрев материала, по меньшей мере, до температуры возврата, а для формирования большеугловых границ при этом требуется также значительный приток решеточных дислокаций в границы ячеек. Учитывая, что при ИПД деформация носит немонотонный (разнонаправленный) характер, для образования большеугловых границ согласно [48] даже не требуется накопление в деформированном материале чрезвычайно высокой концентрации точечных дефектов. Роль низкотемпературной диффузии в этом случае играет ротационная (турбулентная) мода деформации, возникающая под воздействием моментов внешних напряжений.

К более поздней стадии формирования большеугловых границ мелких зерен относят модель, основанную на процессе двойникования [49]. Этот процесс активизируется, когда возникающие при деформации области разориентации (ячейки, субзерна, зерна) приобретают настолько малые размеры, что по вышеотмеченным причинам генерация в них решеточных дислокаций становится невозможной. Однако в работе [41] указывается, что приводящие к образованию двойниковых границ специфичные кристаллографические сдвиги не вносят заметного вклада в активную деформацию материала. В этой связи двойникование, по-видимому, может быть лишь вспомогательным (аккомодационным) механизмом доизмельчения зерен.

Основная роль в формировании мелких зерен принадлежит тем или иным видам линейных дефектов, без участия которых невозможна ни собственно активная деформация материала, ни образование в нем произвольных большеугловых границ, в том числе путем преобразования в них двойниковых границ. Выделяют два представления о формировании мелких зерен, обусловленных эволюцией линейных дефектов в ходе деформации. Одно из них рассматривает процесс образования границ зерен и субзерен как результат большего или меньшего насыщения несовершенных границ ячеек решеточными дислокациями. Возникающий при этом избыток дислокаций одного знака приводит к повышению энергии границ ячеек, которая снижается путем релаксационной перестройки зернограничной структуры, так что границы ячеек совершенствуются и увеличивают угловые разориентировки до большеугловых [7].

Другое представление основано на образовании и движении уже на ранней стадии деформации при e ≥ 0,2-0,3 сильно взаимодействующих коллективных форм дислокаций – частичных дисклинаций (ЧД). В отличие от дислокаций ЧД перемещаются не по кристаллографическим плоскостям, а по плотным скоплениям дислокаций, каковыми и являются несовершенные границы ячеек. При этом результатом перемещения ЧД является образование большеугловых границ микрополос, или (по терминологии [50]) фрагментов. К формированию зерен, как показано в [51], приводят дробление продольных микрополос и их множественное пересечение с возникающими впоследствии поперечными полосами сдвига.

Под «фрагментацией», как указывает автор работы [50], следует понимать процесс разбиения кристалла на микрообласти, разориентированные на углы порядка несколько градусов. Чем больше степень деформации, тем мельче должны становится фрагменты, тем сильнее они должны разворачиваться один относительно другого. При этом подчеркивается, что термин «фрагментация» иногда используют в широком смысле безотносительно к природе микропроцессов, вызывающих это разбиение: будь то рекристаллизация (зерна), полигонизация (блоки, субзерна), деформация (ячейки) и т.п. Автор работы [50], чтобы придать более узкое и конкретное звучание, подчеркнуть качественную новизну такой структуры, оттенить то обстоятельство, что она не входит в принятую классификацию структурных состояний, предложил терминам «фрагментация» и «фрагментированная» структура придать более узкое и конкретное звучание. Фрагментированными он предложил называть разориентированные структуры, возникающие в условиях пластической деформации при больших степенях деформации.

Пороговое значение степени деформации, приводящее к началу фрагментации e ~ 0,2-0,3, является экспериментально установленным фактом для многих материалов [50]. Фрагменты (субзерна) приобретают минимальный поперечный размер и далее этот размер остается неизменным до окончания фрагментации – образования во всем объеме материала УМЗ субзерен и зерен. С таким выводом согласуются результаты ряда экспериментов. Для предельного измельчения структуры достаточно деформации со степенью e ~ 3-4. Так во многих металлах (медь, алюминий, никель) после трех-четырех проходов РКУП со степенями e ~ 3-4 формируется структура, в которой при дальнейшем продолжении деформации сформированные зерна минимальных размеров (обычно примерно 0,2 мкм) далее практически не уменьшаются [3-4, 14]. При увеличении числа проходов измельчение структуры продолжается до тех пор, пока во всем сечении прутка зерна не приобретут такой же минимальный размер [14].

Автор работы [41] считает, что основным фактором, определяющим размеры формируемых зерен, являются минимальные размеры ячеек. К ним без большой ошибки можно приравнять размеры зерен и субзерен, получаемых как при непосредственном насыщении границ ячеек дислокациями, так и вследствие прохождения по ним частичных дисклинаций, поскольку в последнем случае размеры ячеек определяют расстояния между границами полос и периодичность их пересечений.

Размеры ячеек-субзерен зависят от скалярной плотности дислокаций . Связь между этими величинами отражена в эмпирическом соотношении Д.Л. Холта [52]:

,

где = 2-16 – постоянная, наибольшее значение которой характерно для чистых металлов, а наименьшее значение – для концентрированных твердых растворов.

Из этого соотношения следует, что для предельного измельчения важно обеспечить достижения в деформируемом материале максимальной плотности дислокаций и однородности ее распределения.

Следует отметить, что при монотонных процессах деформирования могут формироваться зерна с размером меньшим, чем при ИПД. В частности, при волочении с относительной степенью деформации 99,98 % (что соответствует истинной степени деформации 8), выполненном на никеле и других материалах, в проволоке формируются фрагменты с размером 0,2 мкм [14]. Однако проволока по мере увеличения степени деформации при волочении удлиняется, т.е. уменьшает свое поперечное сечение.