Эффект скоростного разупрочнения субмикрои нанокристаллических алюминиевых сплавов при динамических режимах нагружения Текст научной статьи по специальности «Физика»

Структура и свойства наноструктурных сплавов и композитов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 70-73

УДК 538.951

ЭФФЕКТ СКОРОСТНОГО РАЗУПРОЧНЕНИЯ СУБМИКРО-И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ

© 2010 г. В.Н. Перевезенцев1, М.Ю. Щербань2, А.М. Брагов2, Т.Г. Карнавская

1 Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН 2Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

[email protected]

Поступила в редакцию 14.05.2010

Проведены исследования механического поведения субмикро- и нанокристаллических алюминиевых сплавов при динамических режимах нагружения. Обнаружено уменьшение напряжения пластического течения с ростом скорости деформации (при фиксированной степени деформации) в интервале скоростей деформации (2^8)103 с 1.

Ключевые слова: нанокристаллические материалы, прочность, пластичность.

Введение

Интерес к субмикро- и нанокристаллическим (СМК и НК) материалам обусловлен их уникальными физико-механическими свойствами и перспективами применения в машиностроении, авиации, медицине и др. областях. Тот факт, что измельчение зёрен способствует увеличению прочности материалов, хорошо известен. Однако увеличение прочности обычно сопровождается уменьшением пластичности. Вместе с тем эта закономерность может нарушаться при переходе к субмикро- и нанометровому размеру зёрен. Было высказано предположение, что повышенная пластичность таких материалов может появляться за счёт кооперативного зернограничного проскальзывания (ЗГП) [1]. В условиях характерной для СМК и НК материалов аномально высокой плотности границ зёрен,

развитие кооперативного ЗГП может привести к заметным изменениям механического поведения материалов по сравнению с крупнозернистым состоянием, в частности к возможности реализации высокоскоростной сверхпластичности.

В настоящей работе проведено исследование закономерностей пластического течения в алюминиевых СМК и НК сплавах при динамических нагрузках и дано объяснение особенностей их механического поведения.

Материалы для исследования и результаты испытаний

Для исследований были выбраны промышленные сплавы 1570 (Al-5.6Mg-0.4Mn-0.32Sc (вес. %)) АМГ-6 (Al-6Mg) и модельный сплав Al-6Mg-0,3Sc-0,08Zr. Динамические испытания

о1—

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

,це фпр ГА ВЦ и я

деформация

Рис. 1. Диаграммы напряжение-деформация (а)и скорость деформации-величина деформации (б) СМК сплава А11570

£ 800

I

і 600

400

200

0

а)

40000 -

и

35000

£

30000 '

І ъ

25000

Ч

20000 ■

о о. о

5 15000 ■

10000

5000 | 0 1-

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

дгфарліпция

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

ДефюрРАЗЦИЯ

Рис. 2. Диаграммы напряжение-деформация (а) и скорость деформации-величина деформации (б) НК сплава А1 1570

1000

10000 , скорости ДЕ-фармашн и Г1/с1

100000

Рис. 3. Зависимости напряжения от логарифма скорости деформации СМК сплава АМГ-6 (а) и НК сплава А1 1570 (б)

проводились на установке РСГ-20, реализующей метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона диаметром 20 нм. Скорость ударника в экспериментах зависела от давления воздуха, закаченного в баллон. Давление от 0,5 до 6 атм. соответствовало скорости ударника от 5 до 50 м/с, что обеспечивало скорость деформации образца от 103 до 3-104 с-1. Алюминиевый сплав 1570 испытывался при комнатной температуре в двух различных структурных состояниях: субмикрокристалли-ческом (СМК) с размером зерен 200 нм и на-нокристаллическом (НК) с размером зёрен порядка 100 нм. СМК структура образцов была сформирована методом равноканального углового прессования (РКУП) по схеме Вс при температуре 200 0С (количество проходов N=8), НК структура - методом интенсивной пластической деформацией кручением (10 оборотов) при той же температуре и давлении 6 ГПа. СМК струк-

туры сплавов АМГ-6 и модельного были сформированы методом РКУП по схеме Вс при температуре 200°С при 6 проходах. Средний размер зерна в этих сплавах составил 400 и 300 нм соответственно [2]. Для изучения влияния температуры эти сплавы испытывались при 300 0С.

Зависимости напряжения пластического течения и скорости деформации от величины истинной деформации для СМК и НК сплава А1 1570 представлены на рис. 1 и 2. Аналогичные свойства демонстрируют модельный алюминиевый сплав и сплав АМГ-6. Из рис. 1 и 2 видно, что во всём исследованном диапазоне скоростей деформации напряжение пластического течения у НК сплава приблизительно вдвое выше, чем у СМК. Отметим, что этот факт не может быть объяснён с позиции зависимости Холла-Петча, связывающей напряжение пластического течения с размером зерна. По Холлу-Петчу уменьшение размеров зёрен от

б)

Рис. 4. Фотография полированной боковой поверхности СМК сплава АМГ-6 до (а) и после (б) динамического деформирования (электронный сканирующий микроскоп)

200 до 100 нм, должно привести к росту напряжения течения всего в 1.4, (а не в 2) раза. Как для СМК, так и для НК сплавов величина достигнутой (остаточной) деформации увеличивается с ростом давления в пневматической системе и средней скорости деформации. При этом величина остаточной деформации при одном и том же приложенном давлении у НК сплава выше, чем у СМК.

Весьма интересным является поведение напряжения пластического течения от скорости деформации при одной и той же величине истинной деформации (рис. 3). Оказалось, что эта зависимость ведёт себя немонотонно и в определённом, достаточно широком, интервале скоростей деформации, имеет спадающий участок с отрицательным коэффициентом скоростной чувствительности. Другими словами, исследованные СМК и НК сплавы в условиях динамического нагружения демонстрируют эффект скоростного разупрочнения, не наблюдающийся у крупнокристаллических аналогов.

Электронно-микроскопическое изучение структуры деформированных образцов, показывают, что размер и форма зёрен не претерпевают заметных изменений. Это может свидетельствовать о существенном вкладе ЗГП в общую деформацию. При увеличении температуры деформирования следует ожидать, что в силу активизации диффузионных процессов ЗГП станет более выраженным. На рис. 4 представлены микрофотографии полированной боковой поверхности СМК сплава АМГ-6 до (а) и после (б) динамического испытания сжатием при темпе-

ратуре 3000С. После испытания на ней образовался извилистый рельеф из-за ступенек при выходе сдвигов, реализующихся, по всей видимости, вдоль границ конгломератов зёрен.

Обсуждение результатов

Рассмотрим кратко возможные причины появления обнаруженной в данной работе особенности механического поведения СМК и НК сплавов в виде падения деформирующего напряжения с ростом скорости деформации в определённом интервале динамических скоростей деформации. Одна из них может быть связана с уменьшением порогового напряжения, необходимого для развития атермического проскальзывания за счёт «разрыхления» границ, содержащих большую плотность дефектов, внесённых в границы в процессе ИПД и дестабилизации её атомной структуры потоками дислокаций, интенсивность которых увеличивается с ростом скорости деформации.

При повышенных температурах активизация ЗГП может быть связана не только с уменьшением порогового напряжения проскальзывания, но и с включением диффузионных механизмов аккомодации проскальзывания по границам зёрен. Как было показано в работе [3], одновременное протекание процесса внутризёренной и межзёренной деформации приводит за счёт увеличения неравновесного свободного объёма границ к значительному (на несколько порядков) увеличению коэффициента зернограничной диффузии, величина которого растёт про-

порционально скорости деформации. Таким образом, с ростом скорости деформации можно ожидать резкого уменьшения характерного времени аккомодации проскальзывания и, следовательно, облегчения процесса проскальзывания и уменьшения напряжения, требующегося для его реализации.

Приведённые выше рассуждения являются, однако, лишь качественными и требуют дальнейшего обоснования.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 09-02-97032-р).

Список литературы

1. Valiev R.Z., Aleksandrov I.V., Zhu Y.T. et al. Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation // J. Mater. Reseach. 2002. V. 17. P. 5-8.

2. Dobatkin S.V., Kopylov V.I, Perevezentsev V.N. et al. Comparative analysis of the submicrocrystalline Al-6%Mg and Al-6%Mg-0.3%Sc alloys after ECA pressing // Proc. of the 15th International Symposium on Plasticity and its Current Applications. St. Thomas, U.S. Virgin Islands, 2009. P. 397-399.

3. Перевезенцев В.Н., Пупынин А.С. Свирина Ю.В. Анализ влияния пластической деформации на диффузионные свойства границ зёрен // ФММ. 2005. Т. 100. № 1. С. 17-23.

STRAIN RATE DEPENDENT SOFTENING OF SUBMICRO- AND NANOCRYSTALLINE ALUMINUM

ALLOYS UNDER DYNAMIC LOADING

V.N. Perevezentsev, M. Yu. Scherban, A.M. Bragov, T. G. Karnavskaya

Mechanical behaviour of submicro- and nanocrystalline aluminum alloys under dynamic loading has been investigated. The decrease in plastic flow stress with strain rate increase (at a constant degree of strain) in the strain rate interval 2-103 to 8 103 s-1 has been revealed.

Keywords: nanocrystalline materials, strength, plasticity.