Исследование компактирования высокопористой наноструктурной бериллиевой губки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

11. Won, Y.-M. Simple model of mierosegregation during solidification of steels |TeKCTj / Y.-M. Won, B.G. Thomas // Metall. Mater. Trans.- 2001, Vol. 32A, № 7,- P. 1755-1767.

12. Емельянов, К.И. Анализ полноты пери-тектичеекого превращения в зависимости от кинетики затвердевания железоуглеродистых сплавов |TeKCTj / К.И. Емельянов, В.М. Еолод // XXXIX неделя науки СПбЕПУ: Матер, межд. науч.-практ. конф. Ч. VI.— СПб.: СПбЕПУ, 2010,- С. 15-17.

13. Koseki, Т. Solidification of undercooled Fe-Cr-Ni alloys. Part 111. Phase selection in chill casting

[Текст] / T. Koseki [et al.J // Metall. Mater. Trans.— 1997, Vol. 28A, № 11,- P. 2385-2395.

14. Еолод, В.М. Метастабильная кристаллизация двойных сплавов алюминия с переходными металлами [Текст] / В.М. Еолод, П.В. Ладнов.— Сб.: Литейное производство сегодня и завтра. Труды VIII Всерос. науч.-практ. конф.— СПб.: Изд-во СПбЕПУ, 2010,- С. 356-364.

15. Еолод, В.М. Критериальный анализ конкурентной эвтектической кристаллизации многокомпонентных сплавов Ee-C-Si-Cr [Текст] / В.М. Еолод— Научно-техн. ведомости СПбЕПУ. Сер. Наука и образование. 2009,- № 2 (78). - С. 155-162."

УДК 621.762:541.1

Н.Г. Колбасников, В.В. Мишин, И.А. Шишов, A.B. Забродин, Ю.Е. Маркушкин

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОПОРИСТОЙ НАНОСТРУКТУРНОЙ БЕРИЛЛИЕВОЙ ГУБКИ

Постановка задачи. Известно, что бериллий обладает некоторыми замечательными свойствами, в том числе высокими упругими характеристиками и способностью пропускать рентгеновское излучение самого широкого спектра [1]. Это делает его исключительно привлекательным для использования в рентгеновской технике, где он нашел применение в виде фольги. Снижение толщины бериллиевой фольги и повышение чистоты ее химического состава обеспечивают значительный выигрыш в эффективности ее использования. Однако для технологий изготовления бериллиевых фольг трудности создают исключительная хрупкость, токсичность и химическая активность металла, которая приводит к сложности его очистки от примесных элементов, в первую очередь от кислорода, а также способствует разрушению на первых стадиях пластической деформации.

Для повышения деформируемости бериллия применяют метод горячей прокатки в чехлах из мягкой углеродистой или нержавеющей стали [1]. Для получения тонкой фольги используют метод химического фрезерования (полирования), теплую прокатку а для холодной неразрушаю-щей прокатки применяют специальные схемы напряженно-деформированного состояния. Тех-

нологические сложности получения высококачественной бериллиевой фольги (тонкой, сверхчистой по металлическим примесям, вакуум-ноплотной, с высоким качеством поверхности) обусловливают баснословные цены на этот вид металлопродукции.

Считается, что одной из мер по снижению хрупкости металлов и повышению их прочностных характеристик служит уменьшение размера зерна [2—4]. Развитие и освоение технологий изготовления нанокристаллических материалов может стать одним из прорывных направлений в технологиях получения и обработки бериллия. Разработка новой гидридной технологии изготовления сверхчистого высокопористого на-нокристаллического бериллия [5] может внести коррективы в соотношение сил на международном бериллиевом рынке, изменить существующие технологии изготовления тонких и тончайших фольг для аналитического и специального приборостроения. Структура бериллиевой губки, имеющей пористость до 95 %, представлена на рис. 1.

С использованием гидридной технологии был получен высокопористый бериллий с микроячеистой структурой, чистота которого может достигать 99,98 % без учета содержания кисло-

Рис. 1. Микроструктура высокопористого бериллия, х5000

рода. Поданным нейтроноактивационного анализа содержание кислорода, вносимого в основном с исходным порошком металла, составляет 0,3—1,5 масс. %. Химический состав нанокрис-таллического бериллия, полученного по гидрид-

ной технологии, следующий:

Содержание

Элементы примесных

атомов, ррт

и 0,03

мё 2

А1 4

К 4

Са 40

V 2

Сг 2

Мп 2,5

Бе 45

Со 0,1

Рис. 2. Микроструктура

х

Т1 0,1

Ва 0,4

Си 1,5

N1 1,7

Высокопористую бериллиевую губку, полученную гидридным способом, прессуют в вакууме при повышенных температурах и после этого получают практически беспористый бериллий, который имеет микроструктуру, представленную на рис. 2. Как видно по рис. 2, средний размер зерна спрессованной заготовки составляет 20— 30 нм. Таким образом, нанокристаллический бериллий, который согласно общепринятым представлениям должен иметь не только высокий предел текучести, но высокое сопротивление разрушению, может быть использован в качестве исходной заготовки для производства тонкой и тончайшей фольги. Однако при горячей прокатке, а затем при холодной прокатке фольги из спрессованного нанокристаллического бериллия было обнаружено, что исходная заготовка имеет формудвояковогнутой линзы, которая не меняется даже при горячей прокатке в оболочке из мягкой стали. Подобная форма заготовки приводит к неравномерности деформации при холодной прокатке и вызывает преждевременное разрушение как при извлечении горячекатаного металла из чехлов, так и при холодной прокатке.

В задачи работы входило исследование причин возникновения формы двояковогнутой линзы при прессовании высокопористной заготовки сверхчистого нанокристаллического бериллия, разработка мероприятий по выравниванию деформаций во время осадки высокопористой заготовки, атакже исследование структуры прессовки, которая служит заготовкой для дальнейшей горячей прокатки в оболочках и холодной прокатки фольги.

Исходные данные для расчета. Задачу об осадке и прессовании в закрытую матрицу высокопористой заготовки, размещенной в контейнере из мягкой стали, решали методом конечных элементов при помощи программы МиШБеГ, разработанной на кафедре пластической обработки СПбГПУ. Для анализа процесса была построена сетка конечных элементов, состоящая из 981 узла и 300 элементов, которая показана на рис. 3. Для уменьшения объема вычислений с учетом осевой симметрии заготовки представлена только правая половина продольного сечения. Показана оболочка из стали (1) и высоко пористый

бериллий (2). Геометрические параметры оболочки и пористого тела, принятые при моделировании, соответствуют реальным параметрам при прессовании.

Модель материала оболочки — упругоплас-тическое упрочняющееся тело. Температура прессования в расчетах принята равной 700 °С.

Свойства материалов заданы следующим образом:

материал оболочки (сталь-20) считается компактным, его свойства заданы коэффициентом Пуассона v = 0,3, модулем упругости Е= 167 ГПа, пределом текучести в зависимости от накопленной интенсивности пластических деформаций (рис.4);

исходный нанокристаллический бериллий считается пористым телом, перед прессованием его пористость составляет 90 %;

механические свойства высокопористого бериллия заданы пределами текучести на гидростатическое сжатие ps и на сдвиг xs в зависимости от относительной плотности; согласно данным [6] для компактного бериллия при температуре 700 °С приняты модуль упругости Е= 250 ГПа, коэффициент Пуассона v = 0,02.

В модели принято, что пористость бериллия в исходном состоянии распределена равномерно по объему и его начальная плотность р = const = = 0,1, что составляет 0,1845 г/см3.

Граничные условия заданы в перемещениях (по осих закреплены узлы, лежащие на оси симметрии) и в напряжениях (на боковой контактной поверхности действуют силы трения Г, заданные с учетом коэффициента трения/= 0,01 (при прессовании применяется графитовая смазка)).

При решении задачи прослеживается процесс прессования заготовки от исходной высоты А0 = 60 мм до конечной h = 6,0 мм за 32 шага нагружения. Толщина оболочки, в которую помещен высокопористый бериллий, составляет 1,5 мм, диаметр исходной заготовки 20 мм. На каждом этапе нагружения задавали перемещение пуансона от 0,5 до 1,7 мм. Результаты решения задачи о прессовании в оболочке представлены в виде областей равных уровней основных параметров, характеризующих процесс деформирования.

Изменение плотности прессуемого бериллия. По результатам решения задачи видно (рис. 5), что на первых этапах прессования уплотнение происходит слабо. Распределение плотности по

Рис. 3. Исходная сетка конечных элементов

сечению заготовки неравномерное, в центральной области плотность заготовки на 10—15 % меньше плотности участка с максимальными интенсивностями деформации.

По мере увеличения степени деформации относительная плотность бериллия растет и выравнивается по объему, достигая на заключительных стадиях прессования значений 0,76—0,82. При этом разнотолщинность заготовки практически отсутствует.

Формоизменение заготовки. Вследствие высокого начального очага деформации тонкая компактная оболочка высокопористого бериллия теряет устойчивость на первых стадиях деформации, образуется двойная бочка, которая по мере увеличения степени деформации становится

о, МПа

0-]-'--'——■——■——■——■--■—

О 5 10 15 20 25 30 5,%

Рис. 4. Зависимость сопротивления деформации стали-20 при Т = 700 °С, принятая для выполнения расчета

Зависимости для высокопористого бериллия предела текучести на гидростатическое сжатие и на сдвиг от относительной плотности

Относительная плотность 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 0,97

/>»МПа 10 12 16 28 40 60 84 100

т5 ,МПа 8,88 10,56 12,48 14,4 16,8 19,2 21,6 22,8

Рис. 5. Распределение плотности прессуемого бериллия в зависимости от степени деформации: й — 40%; 6 — 60%; в — 80%

г г-

»51

»54

»51

»45

»39

0135

о »33

• »30

»2?

»24

* »21

• »16

# »15

« »12

о »03

все более выраженной. На последних этапах на-гружения двойная бочка смыкается по внешнему контуру (рис.5, в).

На рис. 6 представлена фотография заготовки бериллия на одной из финальных стадий прессования после осадки на 80 % от исходной высоты. Как видно, форма бериллиевой заготовки, полученная при моделировании (рис. 5, в), прак-

Рис. 6. Заготовка нанокристаллического бериллия, полученная после осадки на 80 %

тически идентична представленной форме реальной прессовки. Совпадают не только форма заготовки, но и отсутствие разнотолщинности в областях, прилегающих к оболочке.

Для сравнения и уточнения характера деформации при прессовании других пористых материалов в оболочке была выполнена осадка медного порошка в медной оболочке. Геометрические соотношения прессуемого материала и оболочки были выбраны аналогично параметрам осадки высокопористого бериллия. Медный порошок после наполнения капсулы имел относительную плотность утряски р ^ 0,1, как и в случае прессования бериллия.

В процессе нагружения медной капсулы уже на первых этапах происходит потеря устойчивости трубки и образуются двойные складки во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 7, а). Это принципиально отличается от осадки высокопористого бериллия, что, очевидно, связано с низкой начальной плотностью и текучестью медного порошка, из-за чего процесс осад-

Рис. 7. Потеря устойчивости медной оболочки с медным порошком (а) и характер распределения прессуемого порошка после компактирования(б)

ки подобен осадке пустотелой трубки. Напротив, высокопористая бериллиевая губка выступает в роли достаточно жесткого стержня, который придает поперечную «жесткость» всей капсуле.

Расчеты с использованием конечноэлемент-ной модели пористого тела после степени деформации 80 % сталкиваются с трудностями, связанными с искажениями сетки конечных элементов. Для анализа последних стадий прессования заготовки сетка конечных элементов была перестроена и упрощена (рис. 8 при сохранении всех геометрических размеров прессовки и напряженно-деформированного состояния.

Темным цветом указан уплотненный на первой стадии прессования бериллий, относительная плотность которого после осадки на 80 % от исходной высоты составляет 0,8. После нескольких этапов последующей деформации относительная плотность бериллия становится равной 0,97—0,99, вследствие чего материал в модели можно принять компактным.

Граничные условия заданы аналогично первым стадиям прессования. С использованием

данной модели рассчитано 11 этапов нагружения от высоты заготовки А0 = 10,6 мм до А = 6,0 мм, перемещения пуансона составляли 0,5—1,3 мм. Формоизменение заготовки показано на рис. 9

Видно, что уже с первых этапов нагружения появляется разнотолщинность бериллиевого слоя. Бериллий становится практически компактным и начинает за счет более высокой прочности и модуля упругости продавливать менее прочную оболочку. К концу прессования толщина бериллиевой прослойки составляет по центру Их = 2,29 мм, по краю И2 = 2,86 мм, а разнотолщинность — 0,57 мм.

Таким образом, расчеты показали, что материал оболочки (сталь-20), используемой для прессования высокопористого нанокристалли-ческого бериллия, обладает недостаточно высокими прочностными и упругими свойствами, а полученная форма бериллиевой заготовки малопригодна для дальнейшей горячей прокатки вследствие разнотолщинности, которая вызывает неравномерность деформации (рис. 10) и преждевременное разрушение фольги.

Рис. 8. Сетка конечных элементов после дополнительной перестройки: а — до перестройки сетки; 6 — после перестройки

Рис. 9. Распределение относительной плотности бериллия на заключительных этапах компактирования

Для устранения разнотолщинности прессовки были выполнены расчеты формоизменения заготовки на последних стадиях осадки для более высоких упругих свойств материала оболочки (модули упругости 200, 300, 400 ГПа), а также для более высоких пределов текучести. Расчеты показали, что, используя в качестве оболочки высокомодульный металл (вольфрам или молибден, или металл со значительно более высоким пределом текучести, например на 300 МПа выше, чем у стали-20), можно получить заготовку в форме диска практически без разнотолщинности (рис. 11).

Сплошность спрессованной заготовки. Полученные заготовки из сверхчистого нанокристал-

лического бериллия были прокатаны в горячем состоянии в оболочке из мягкой стали, а затем в холодном состоянии. Была изучена структура и отмечены признаки расслоения заготовки в результате холодной прокатки (рис. 12, а). Подобный вид начальных стадий разрушения свидетельствует о том, что, подготавливая заготовки под прокатку, не обеспечили условия полной консолидации материала. Диффузионные процессы, приводящие обычно при спекании к формированию монолитной беспористой структуры, при температуре прессования протекали недостаточно интенсивно. Консолидации частиц могут препятствовать и неметаллические наноразмер-ные частицы, предположительно гидрооксиды бериллия, расположенные по границам стенок бериллиевой губки (см. рис. 1). На рис. 12, б представлен участок поверхности межзеренно-го разрушения и след от выкрошенного зерна размером около 1 мкм, поверхность которого покрыта неметаллическими включениями размером 20—30 нм.

Если считать, что для соединения частиц бериллия (сваркадавлением) при прессовании необходимо образование новой межзеренной границы с удельной энергией у' - 0,8у3, то для описания условий консолидации можно вос-

Рис. 10. Формоизменение заготовки бериллия на заключительных этапах прессования при модуле упругости оболочки Е = 167 ГПа (а) и Е = 200 ГПа (б)

Рис. 11. Конечная форма прессованной заготовки из нанокристаллического бериллия после прессования в оболочке с модулем упругости 400 ГПа

б)

Рис. 12. Структура бериллия: а — после холодной прокатки с суммарным обжатием е 6— неметаллические включения на поверхности раздела частиц бериллия; в — структура бериллия после горячей прокатки при 870 °С

12 %;

пользоваться критерием соединения, предложенным в [7]:

а

"" 2а,

(2у5-у'5)

ф

6а,

(1)

ф

где < — сжимающие нормальные напряжения; яф — среднее межатомное расстояние на вновь образованной межзеренной или межфазной границе; у'5 — удельная энергия этой границы; у5 — удельная поверхностная энергия; Ау5 — изменение поверхностной энергии при соединении.

При выполнении соотношения между поверхностной энергией и модулем упругости в виде

у,

Еа

(2)

8я(1 -и) '

коэффициент Пуассона, выражение (1)

где и сводится к виду

оу > 1750 МПа

при Е= 250000 МПа, и = 0,02.

Как показывают расчеты, во время прессования на последней стадии уплотнения пористой бериллиевой заготовки напряжения < до-

стигают значения 1450 МПа, что недостаточно для получения монолитного материала.

Создание условий для повышения напряже-

<

формированного состояния путем ограничения горизонтального перемещения осаживаемой заготовки в закрытой матрице привели к ликвидации несплошностей и отсутствию расслоения при прокатке.

Отметим, что прессование высокопоприс-того гидридного исходно нанокристаллимче-ского бериллия при Т= 700 "С для получения сплошной заготовки, а также многократная горячая прокатка при Т= 800 "С привели к росту зерна. Нарис. 12, в видно, что средний размер зерна горячекатаного бериллия составляет 1—2 мкм.

Выводы

Разнотолщинность прессуемой заготовки высокопористого нанокристаллического бериллия возникает на последних этапах прессования из-за относительно низких упругих свойств материала оболочки (сталь-20), которую начинает продавливать уплотненный бериллий.

Потеря устойчивости пластической деформации оболочки в процессе прессования высокопористой нанокристаллической бериллиевой губки и порошковой меди как в эксперименте, так и при моделировании принципиально отличаются; за счет высокой жесткости и прочности бериллиевая губка препятствует потере устойчивости деформации в поперечном направлении.

Для снижения величины разнотолщинности и полного ее устранения необходимо использо-

вать материалы оболочки с высоким модулем упругости и пределом прочности.

Для повышения качества прессовки нанокристаллической бериллиевой губки и устранения расслоения заготовки при последующей прокатке необходимо достигать максимальных напряжений сжатия не менее 1750 МПа при температуре 700 "С и предохранять внутренние поверхности губки от образования гидрооксидов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бериллий / Под ред. Д. Уайта, Дж. Берка. Пер. с англ. под ред. М.Б. Рейфмана.— М.: Издательство иностранной литературы, i960.— 616 с.

2. Бериллий. Наука и технология / Под ред. Д. Вебстера; Пер. с англ. под ред. Г.Ф. Тихинского и И.И. Папирова.— М.: Металлургия, 1984.— 624 с.

3. Кайбышев, O.A. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируе-мых сплавов / O.A. Кайбышев, Ф.З. Утяшев; Отв. ред. O.A. Банных,— М.: Наука, 2002,— 438 с.

4. Папиров, И.И. Получение и свойства мелкозернистого бериллия ¡Текст| / И.И. Папиров, И.А. Тараненко, Г.Ф. Тихинский // Атомная энергия,- 1974. Т. 37, вып. 3,- С. 220-223.

5. Костылев, Ф.А. Получение и свойства высокопористого бериллия с микроячеистой структурой | '[с кст | / Ф.А. Костылев, В.В. Горлевский, М.Д. Сенин [и др.J // Неорганические материалы,- 1995. Т. 31, №4,- С. 479-482.

6. Beaver, W.W. Mechanical properties of the beryllium received by methods of powder metallurgy [Текст] / W.W. Beaver, KG. Wikle // J. Metals.-1954. № 5. P. 559-573.

7. Колбасников, Н.Г. Энтропия. Структура. Фазовые превращения и свойства металлов [Текст] / Н.Г. Колбасников, С.Ю. Кондратьев.— СПб.: Наука, 2006,- 360 с.

УДК621.039.53:669.14

О.Ю. Ганзуленко, Н.Б. Кириллов, А.П. Пешкова, М.В. Яковицкая

ВОДОРОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ В ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ

Проблема создания аустенитных коррозионно-стойких свариваемых сталей для изготовления тонкостенных конструкций высокотемпературных технологических систем атомной и водородной энергетики, подвергающихся длительному воздействию различных хлорсодержа-щих и водородосодержащих сред, по-прежнему актуальна.

Основным недостатком стабилизированных аустенитных хромоникелевых сталей типа 18—8 и подобных композиций является их склонность

к снижению водородостойкости и преждевременной потере герметичности тонкостенных сварных конструкций высокотемпературных технологических систем атомной и водородной энергетики, обусловленная структурной неоднородностью (скопления, строчечность) и низкой сцепляемостыо титансодержащих фаз внедрения с матрицей.

Недостатками известных отечественных и зарубежных нестабилизированных коррозион-ностойких хромоникелевых сталей типа 18—10,