CC BY
339
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 11. С. 34-44.
Б01: 10.7463/1114.0738880
Представлена в редакцию: 10.11.2014
© МГТУ им. Н.Э. Баумана УДК 621.771.2
Анализ способов измельчения структуры при получении металлических конструкционных материалов
Колесников А. Г.1, Шинкарев А. С.1'* "Shinkaiyov@gmail.com
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В работе проводится анализ сильных и слабых сторон процессов накопления деформации и способов деформационного измельчения структуры металлических конструкционных материалов. Проводится классификация методов измельчения структуры с использованием процесса прокатки. Показано, что методы прокатки как наиболее производительные методы обработки давлением являются наиболее подходящими для производства крупногабаритных хсубмикро- и наноструктурированных заготовок. Прокатка дает возможность получения большеразмерных заготовок с ультрамелкозернистой структурой на существующих прокатных станах без использования специального дорогостоящего оборудования.
Ключевые слова: методы измельчения структуры, многослойные материалы, прокатка многослойных материалов, интенсивные пластические деформации(ИПД)
Одним из перспективных направлений улучшения свойств конструкционных материалов является получение стабильной мелкозернистой структуры в листовых материалах. В литом состоянии промышленные сплавы состоят из зерен размером более 100 мкм. Традиционные методы обработки, такие как холодная деформация с последующим рекристаллизационным отжигом, термическая обработка, основанная на фазовых превращениях, и термомеханическая обработка позволяют измельчить микроструктуру до размера зерен порядка 1 - 10 мкм [1]. Метод деформационного измельчения структуры основывается на разделении зерен поликристаллического материала на разориентированные области меньшего размера. Достижение больших степеней деформации дает возможность осуществить такое разделение, что в свою очередь делает возможным измельчение зерен металлических материалов вплоть до наноразмеров.
Процессы получения субмикро- и нанокристаллических материалов (с размером зерен менее 1мкм и менее 100 нм) с помощью пластической деформации часто называют общим термином интенсивные пластические деформации (ИПД). Метод ИПД заключается в обжатии с большими степенями деформации и высокими приложенными давлениями при температурах ниже температуры рекристаллизации [2,3]. Я. Е. Бейгельзимер вводит определение [4] процессов накопления деформации (ПНД),
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
применяемых для осуществления ИПД, основной их целью является накопление деформации в заготовках, а не изменение их формы. При получении нанокристаллической структуры достигнутая степень истинной деформации может равняться 4 и более. Для описания этих процессов предлагается также использовать термин мегапластические деформации [5]. Процессы накопления деформации, используемые для измельчения структуры и получения ультрамелкозернистых и нанокристаллических материалов, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Методы накопления деформации. [4]
Р
Кручение под высоким давлением
Всесторонняя ковка
Р
даа1 о I аеа
Р1
Р:
Равноканальное угловое (РКУ) прессование
Песочные часы
Р1
м
м
\Р2
Кручение в составном контейнере под давлением
Знакопеременный изгиб
Р1-
Повторяющееся рифление-выпрямление
Пакетная гидроэкструзия
даа1 о I
даа1 о I аеа
Винтовая экструзия
Многослойная прокатка
Представленные процессы реализуют схему простого сдвига и дают возможность для многократного повторения деформации и измельчения структуры. Наиболее распространенными являются такие методы ИПД как кручение под высоким давлением, основанное на принципе наковальни Бриджмена, и равноканальное угловое прессование (РКУП). Метод РКУП был предложен В.М. Сегалом в 1972 г. [2] и развит Валиевым [3].
Вместе с измельчением зёренной структуры и уменьшением размеров зерна в металлических материалах происходит увеличение объемной доли их границ. Эти структурные изменения при уменьшении размера зерен до 100 нм ведут к существенному улучшению таких механических свойств, как предел текучести, временное сопротивление, твердость. В таких материалах наблюдается эффект сверхпластичности, изменяются магнитная проницаемость, электрическое сопротивление и др. Однако установленный порог в 100 нм является условным и может варьироваться для различных материалов и свойств. Актуальным является получение и удержание мелкозернистой структуры в «объемных» заготовках, пригодных для использования в машиностроении и строительстве.
Целесообразным является проведение анализа сильных и слабых сторон процессов накопления деформации (Таблица 2). В представленных процессах можно выделить две основные группы:
- к первой группе относятся процессы, при которых пластическая деформация заготовки протекает без изменения ее поперечного сечения (кручение под высоким давлением в закрытой матрице, равноканальное и многоугловое прессование, кручение в составном контейнере под давлением, повторяющееся рифление-выпрямление);
- ко второй группе относятся процессы, при которых деформирование заготовки происходит с изменением ее поперечного сечения (всесторонняя ковка, поперечно-винтовая прокатка, волочение, песочные часы, пакетная экструзия, винтовая экструзия, уширяющаяся экструзия, многослойная прокатка).
Рассмотренные процессы можно классифицировать также по степени непрерывности. К процессам, позволяющим получать длинномерные изделия, относятся продольная прокатка, поперечно-винтовая прокатка, волочение, прессование, знакопеременный изгиб. Непрерывность процесса деформирования возможно осуществить при знакопеременном изгибе, продольной прокатке и волочении; ведутся
эксперименты по созданию машин, осуществляющих непрерывное экструдирование по процессу конформ (Conform) [6].
Таблица 2. Характеристика процессов накопления деформации
№ п/п Методы измельчения структуры Изменение поперечного сечения Обработка большеразмер ных образцов Высокая производите льность и непрерывнос ть Потребность в специальном оборудовании и оснастке
1. кручение под высоким давлением - - - +
2. равноканальное прессование - - - +
3. кручение в составном контейнере - - - +
4. знакопеременный изгиб - - + +
5. рифление-выпрямление - - - +
6. всесторонняя ковка + + - -
7. по перечно-винтовая прокатка + - + -
8. волочение + - + -
9. пе сочные часы + - - +
10. пакетная экструзия + - - +
11. винтовая экструзия + - - +
12. многослойная прокатка + + + -
13. вакуумная прокатка + - - +
Недостатками наиболее распространенных методов ИПД (кручение под высоким давлением, РКУП и его вариаций) являются:
-низкая производительность и сложность их применения для заготовок больших размеров;
-использование нестандартного дорогостоящего оборудования, требующего большой точности изготовления;
-использование для получения наноразмерных заготовок порошковых материалов, производство, которых является длительным и дорогостоящим процессом, что сказывается на их цене;
-сложность удержания полученной наноразмерной структуры.
Интересным подходом к получению материалов с повышенными свойствами является использование знакопеременного изгиба, в частности знакопеременного изгиба при температуре горячей деформации (высокотемпературной пластической отделки). В МГТУ имени Н.Э. Баумана проводились эксперименты по использованию этого метода на низкоуглеродистых сталях 3сп и 09Г2С [7,8]. В результате исследований были получены уникальные значения прочностных характеристик: увеличение предела прочности более чем в два раза по сравнение с исходным состоянием, предела текучести - до трех раз, при незначительном падении пластических характеристик (с использованием отпуска в качестве окончательной операции упрочняющей обработки). После проведения обработки
по такому маршруту в низкоуглеродистых сталях образуется игольчатая структура типа видманштеттова феррита. Структура упрочненной полосы, возникающая после приложения ударных импульсов и периодов кратковременной релаксации, определяется не только химическим составом сплава, размерами полосы и температурой деформации, но и конструкцией деформирующей машины, от которой зависит степень, скорость деформации и время релаксационных процессов.
Методы прокатки, как наиболее производительные методы обработки давлением, являются наиболее подходящими для производства крупногабаритных субмикро- и наноструктурированных заготовок. Прокатка дает возможность получения большеразмерных заготовок: слябов, блюмов, листов и широких полос, на существующих прокатных станах - без использования специального дорогостоящего оборудования. Как отмечается в работе [9], "современный металлургический агрегат (прокатный стан, термическая печь и др.) позволяет получить продукт, который можно отнести к наноматериалам". Возможность производства большеразмерных заготовок с ультрамелкозернистой и наноразмерной структурой на стандартном оборудовании в промышленных объемах является ключевым преимуществом метода прокатки перед остальными методами обработки давлением, используемыми для создания наноструктурированных материалов.
Одним из подходов к классификации методов измельчения структуры с использованием пластической деформации в ходе процесса прокатки для создания субмикро- и нанокристаллических материалов является разделение методов ИПД (ПНД), используемых для измельчения микрокристаллитов и методов пакетной деформации слоистых заготовок, осуществляющих сварку прокаткой (рисунок 1).
Рисунок 1. Способы измельчения структуры методами прокатки для создания ультрамелкозернистых и
наноструктурированных материалов.
В литературе опубликованы сведения о получении мелкозернистых материалов при помощи поперечно-винтовой прокатки на трехвалковых станах и сортовой прокатки [10]. Этот способ позволяет создать однородную субмикрокристаллическую структуру со средним размером порядка 150 нм. Такая структура может характеризоваться наличием большеугловых границ зерен и дает возможность достичь высоких механических свойств. В Институте металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН [11] разработан метод фрагментации металлических материалов при помощи электростимулированной прокатки.
Методы пакетной прокатки в свою очередь могут быть разделены на способы получения монолитных материалов [12-14] с ультрамелкозернистой структурой и способы создания композиционного слоистого материала с несмешиваемыми слоями [15-18] для осуществления возможности измельчения слоев. Все существующие методы измельчения структуры в ходе пакетной прокатки подразумевают использование сходного технологического маршрута, включающего:
- мерную резку заготовок из листов,
- подготовку поверхности заготовок,
- сборку нарезанных листов в пакет,
- пластическую деформацию.
В зависимости от числа заготовок в исходном пакете цикл повторяется определенное число раз с целью накопления больших деформаций и получения равномерной ультрамелкозернистой структуры.
Способами получения монолитных материалов с однородной ультрамелкозернистой структурой являются методы многоэтапной пакетной прокатки (МПП [13,14]) или соединения накопительной прокаткой (ARB [12]). Под несмешиваемыми слоями в данном случае понимаются слои, обладающие различным кристаллическим строением, позволяющим исключить взаимное смешивание. Возможно несколько вариантов: исходные слои, собираемые в пакет, могут либо изначально иметь различное кристаллическое строение (слои разнородных металлов [15-18]), либо находиться в различных кристаллических фазах в интервале температур обработки, при которых осуществляется их пакетная прокатка [19,20]. Последнее характерно для сплавов одного металла, например, при создании композитов на основе сталей.
Принципы создания стальных супермногослойных композиций разработаны в МГТУ им. Н. Э. Баумана и отражены в патентах РФ № 2380234 и № 2428289. Предложен и обоснован метод получения листа со стабильной ультрамелкозернистой структурой из чередующихся сплавов на основе одного металла. Получаемое в конструкционных материалах стабильное ультрамелкозернистое состояние дает возможность благодаря повышению уровня механических, эксплуатационных и специальных свойств, усовершенствовать различные машиностроительные конструкции, значительно улучшить технические характеристики машиностроительных изделий.
Список литературы
1. Быков Ю.А., Карпухин С.Д. Способы получения конструкционных наноматериалов. Часть 1 // Наноинженерия. 2012. № 6. С. 11-19.
2. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И., Павлик Д.А., Малышев В.Ф. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск: Наука и техника, 1994. 232 с.
3. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 271 с.
4. Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н., Орлов Д.В., Сынков С.Г. Винтовая экструзия -процесс накопления деформации. Донецк: ТЕАН, 2003. 87с.
5. Глезер А.М. Общие принципы стадийности пластической деформации твердых тел // 52-я Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности»: сб. тезисов докладов. Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. С. 248-250.
6. Гундеров Д.В., Поляков А.В., Ситдиков В.Д., Чуракова А.А., Головин И.С. Внутреннее трение и эволюция ультрамелкозернистой структуры при отжиге титана GRADE-4, подвергнутого интенсивной пластической деформации // Физика металлов и металловедение. 2013. Т. 114, № 12. С. 1136-1143.
7. Крылов М.Н. Разработка и исследование процессов термопластической обработки полосового проката с деформированием в планетарных машинах: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1991. 22 с.
8. Крылов Н.И., Китайский В.Е., Дресвин А.С., Смирнов А.В. Исследование упрочнения полосового проката // Создание, исследование и внедрение машин для получения проката высокого качества: сб. науч. тр. М.: ВНИИМЕТМАШ, 1982. С. 48-52.
9. Глезер А.М. Основные направления использования нанотехнологий в металлургии // Металлург. 2010. № 1. С. 5-7.
10. Колобов Ю.Р. Технологии формирования структуры и свойств титановых сплавов для медицинских имплантатов с биоактивными покрытиями // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4, № 11-12. С. 69-81.
11. Климов К.М. О суперфрагментации металлических материалов методами электростимулированной прокатки // Металлург. 2011. № 9. С. 62-65.
12. Tsuji N., Saito Y., Lee S.H., Minamino Y. ARB (Accumulative Roll-Bonding) and Other New Techniques to Produce Bulk Ultrafine Grained Materials // Advanced Engineering Materials. 2003. Vol. 5, no. 5. P. 338-344. DOI: 10.1002/adem.200310077
13. Рудской А.И., Коджаспиров Г.Е. Перспективные технологии изготовления листа с субмикрокристаллической и наноструктурой // Вопросы материаловедения. 2009. № 3 (59). С. 188-192.
14. Коджаспиров Г.Е., Добаткин С.В., Рудской А.И., Наумов А.А. Получение ультрамелкозернистого листа из ультранизкоуглеродистой стали пакетной прокаткой // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 12. С. 13-16.
15. Майборода В. П., Копань В. С. Свойства тонкослойного проката сталь-медь // Известия АН СССР. Металлы. 1973. № 3. С. 132-136.
16. Копань В. С., Лысенко А. В. Об электросопротивлении и механических свойствах многослойных композиций на основе меди и алюминия // Физика металлов и металловедение. 1970. Т. 29, № 5. С. 1074-1080.
17. Карпов М.И., Внуков В.И., Волков К.Г., Медведь Н.В., Ходос И.И., Абросимова Г.Е. Возможности метода вакуумной прокатки как способа получения многослойных композитов с нанометрическими толщинами слоев // Материаловедение. 2004. № 1. С. 48-53.
18. Неклюдов И.М., Белоус В.А, Воеводин В.Н., Диденко С.Ю., Ильченко Н.И., Диденко Ю.С., Ильченко Ю.Н. Перспективы производства и использования металлических микроламинатов, получаемых вакуумной прокаткой // Вопросы атомной науки и техники. 2010. № 5. С. 89-94.
19. Колесников А. Г, Мечиев Ш. Т., Панова И. Ю. Состояние и перспективы применения многослойных металлических заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 1. С. 42-43.
20. Колесников А.Г., Плохих А.И., Комиссарчук Ю.С., Михальцевич И.Ю. Исследование особенностей формирования субмикро- и наноразмерной структуры в многослойных материалах методом горячей прокатки // МиТОМ. 2010. № 6. С. 44-49.
Science ¿Education
of the Bauman MSTU
Analysis of Metal Structure Refinement Methods
in Creating Metal Engineering Materials
1
A.G. Kolesnikov , A.S. Shinkaryov
Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 11, pp. 34-44.
DOI: 10.7463/1114.0738880
Received: 10.11.2014
© Bauman Moscow State Technical Unversity
1,*
ShinkarvoviS gmail.com 1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: structure refinement methods, multilayer materials, multilayer rolling, Equal channel
angular pressing (ECAP), productivity of rolling method, Severe plastic deformation (SPD), rolling
method
The paper conducts a strength and weakness analysis of deformation accumulation processes and methods of deformation structure refinement of metal engineering materials. The processes used to have ultrafine-grained structure materials (submicro- and nanocrystal ones with a size of grains less than 1p,m and less than 100 nm) through the plastic deformation are called the general term 'severe plastic deformation' (SPD) or the term 'mega-plastic deformation' (MPD). The structure refinement methods using rolling process are classified.
It is shown that rolling methods, as the most productive ones for the pressure metal treatment, are the most appropriate to produce large-sized, submicro- and nanostructured billets. Rolling allows production of large-sized billets, namely slabs, blooms, sheets, and wide strips on the existing rolling mills without using the special costly equipment.
Processes can be broken into two main groups:
- processes without changing cross section of a billet;
- processes with its changing cross section.
The considered processes can be also classified by a continuity degree. Lengthwise rolling, cross-screw rolling, drawing, pressing, and reverse bending belong to the processes allowing production of long components. A continuous deformation process can be possible in reverse bending, lengthwise rolling, and drawing; experiments are under way to create equipment to provide continuous extruding by Conform process.
Shortcomings of the most known SPD methods (torsion under high pressure, equal channel angular pressing (ECAP), and its variations) are:
- poor productivity and their complicated application to the large-sized billets;
- use of the non-standard expensive equipment demanding high manufacturing accuracy;
- use of lengthy- and costly-produced powder materials for nanodimensional billets, thus affecting their price;
- complexity of retention of received nanodimensional structure.
Possibility for producing the large-sized billets with ultrafine-grained and nanodimensional
structure on the standard equipment in industrial scales is key advantage of the rolling method
against the other methods of processing by pressure used to create nanostructured materials.
References
1. Bykov Yu.A., Karpukhin S.D. Methods of manufacturing of constructional nanomaterials. Part 1. Nanoinzheneriya, 2012, no. 6, pp. 11-19. (in Russian).
2. Segal V.M., Reznikov V.I., Kopylov V.I., Pavlik D.A., Malyshev V.F. Protsessy plasticheskogo strukturoobrazovaniya metallov [Plastic structure formation processes of metals]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1994. 232 p. (in Russian).
3. Valiev R.Z., Aleksandrov I.V. Nanostrukturnye materialy, poluchennye intensivnoy plasticheskoy deformatsiey [Nanostructured materials produced by severe plastic deformation]. Moscow, Logos Publ., 2000. 271 p. (in Russian).
4. Beygel'zimer Ya.E., Varyukhin V.N., Orlov D.V., Synkov S.G. Vintovaya ekstruziya -protsess nakopleniya deformatsii [Screw extrusion as a process of accumulation of deformation]. Donetsk, TEAN Publ., 2003. 87p. (in Russian).
5. Glezer A.M. General principles of stages of plastic deformation of solids. 52-ya Mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya "Aktual'nye problemy prochnosti": sb. tezisov dokladov [52 International Scientific Conference "Actual Problems of Strength": abstracts]. Ufa, BashSU Publ., 2012, pp. 248-250. (in Russian).
6. Gunderov D.V., Polyakov A.V., Sitdikov V.D., Churakova A.A., Golovin I.S. Internal friction and evolution of ultrafine-grained structure during annealing of Grade-4 titanium subjected to severe plastic deformation. Fizika metallov i metallovedenie, 2013, vol. 114, no. 12, pp. 1136-1143. (English translation: The Physics of Metals and Metallography, 2013, vol. 114, is. 12, pp. 1078-1085. DOI: 10.1134/s0031918x13120041 ).
7. Krylov M.N. Razrabotka i issledovanie protsessov termoplasticheskoy obrabotki polosovogo prokata s deformirovaniem v planetarnykh mashinakh: avtoref. Kand. dis. [Development and research of processes of thermoplastic processing of rolled strip with deformation in planetary machines. Cand. dis.]. Moscow, 1991. 22 p. (in Russian).
8. Krylov N.I., Kitayskiy V.E., Dresvin A.S., Smirnov A.V. Study of hardening of rolled strip. Sozdanie, issledovanie i vnedrenie mashin dlya polucheniya prokata vysokogo kachestva: sb. nauch. tr. [Creation, research and introduction of machines to produce high quality rolled products: collected of scientific articles]. Moscow, VNIIMETMASh Publ., 1982, pp. 48-52. (in Russian).
9. Glezer A.M. Main directions of nanotechnologies use in metallurgy. Metallurg, 2010, no. 1, pp. 5-7. (in Russian).
10. Kolobov Yu.R. Nanotechnologies for the formation of medical implants based on titanium alloys with bioactive coatings. Rossiyskie nanotekhnologii, 2009, vol. 4, no. 11-12, pp. 69-81.
(English translation: Nanotechnologies in Russia, 2009, vol. 4, no. 11-12, pp. 758-775. DOI: 10.1134/S1995078009110020 ).
11. Klimov K.M. Super-fragmentation of metallic materials by methods based on electrostimulation rolling. Metallurg, 2011, no. 9, pp. 62-65. (English translation: Metallurgist,, 2012, vol. 55, is. 9-10, pp. 668-672. DOI: 10.1007/s11015-012-9485-z ).
12. Tsuji N., Saito Y., Lee S.H., Minamino Y. ARB (Accumulative Roll-Bonding) and Other New Techniques to Produce Bulk Ultrafine Grained Materials. Advanced Engineering Materials, 2003, vol. 5, no. 5, pp. 338-344. DOI: 10.1002/adem.200310077
13. Rudskoy A.I., Kodzhaspirov G.E. Perspective methods of manufacturing sheet with submicrocrystalline and nanostructure. Voprosy materialovedeniya = Problems of materials science, 2009, no. 3 (59), pp. 188-192. (in Russian).
14. Kodzhaspirov G.E., Dobatkin S.V., Rudskoy A.I., Naumov A.A. Production of ultrafine-grained sheet from ultralow-carbon steel by pack rolling. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, 2007, no. 12, pp. 13-16. (English translation: Metal Science and Heat Treatment, 2007, vol. 49, iss. 11-12, pp. 561-565. DOI: 10.1007/s11041-007-0103-9 ).
15. Mayboroda V. P., Kopan' V. S. Properties of thin rolled steel-copper. Izvestiya AN SSSR. Metally, 1973, no. 3, pp. 132-136. (in Russian).
16. Kopan' V. S., Lysenko A. V. On the electric resistance and mechanical properties of multilayer composites based on copper and aluminum. Fizika metallov i metallovedenie = Physics of Metals and Metallography, 1970, vol. 29, no. 5, pp. 1074-1080. (in Russian).
17. Karpov M.I., Vnukov V.I., Volkov K.G., Medved' N.V., Khodos I.I., Abrosimova G.E. Potentialities of method of vacuum rolling as method of producing the multilayer composite materials with nanometric thicknesses of layers. Materialovedenie = Materials Science, 2004, no. 1, pp. 48-53. (in Russian).
18. Neklyudov I.M., Belous V.A, Voevodin V.N., Didenko S.Yu., Il'chenko N.I., Didenko Yu.S., Il'chenko Yu.N. Prospects of manufacturing and use of metal mikrolaminates obtained by vacuum rolling. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki = Problems of Atomic Science and Technology, 2010, no. 5, pp. 89-94. (in Russian).
19. Kolesnikov A. G, Mechiev Sh. T., Panova I. Yu. Future trends of multi-layer metallic blanks. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii, 2008, no. 1, pp. 42-43. (in Russian).
20. Kolesnikov A.G., Plokhikh A.I., Komissarchuk Yu.S., Mikhal'tsevich I.Yu. A study of special features of formation of submicro- and nanosize structure in multilayer materials by the method of hot rolling. Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov (MiTOM), 2010, no. 6, pp. 44-49. (English translation: Metal Science and Heat Treatment, 2010, vol. 52, is. 5-6, pp. 273-278. DOI: 10.1007/s11041-010-9266-x ).
