Исследование процессов текстурообразования в меди в процессе больших пластических деформаций Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.37:620.17

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕКСТУРООБРАЗОВАНИЯ В МЕДИ В ПРОЦЕССЕ БОЛЬШИХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

© М.В. Жилина, А.В. Щербаков, И.В. Александров

Zhilina M.V., Scherbakov A.V., Alexandrov I.V. Study of texture formation in Cu during severe plastic deformation. The investigations of texture formation in metals and alloys enable lo better understand the mechanisms of plastic deformation. The given work presents the results of simulation by applying viscoplastic model of deformation. The traditional scheme of cold rolling and SPD by means of ECAP arc considered.

ВВЕДЕНИЕ

Большое внимание специалистов, занимающихся исследованием материалов, вызывают проблемы повышения уровня механических свойств материалов, в частности, таких как прочность и пластичность [1]. Известно, что свойства металлических материалов определяются их внутренним строением, при этом важную роль играет кристаллографическая текстура, т. е. ориентация в пространстве кристаллографических решеток зерен, составляющих поликристалл [2]. Характер преимущественных ориентировок во многом определяет уровень и анизотропию механических свойств материалов.

В настоящее время изучение кристаллографических текстур и процессов текстурообразования проводится на достаточно высоком научном уровне [2]. Развиты математические методы описания и анализа кристаллографических текстур, автоматизированы экспериментальные методы получения информации о преимущественных ориентировках в поликристалличе-скнх материалах. При этом для описания и анализа кристаллографических текстур используются полюсные фигуры (ПФ) и функции распределения ориентировок (ФРО) [3].

Полученные экспериментальные ПФ и ФРО зачастую весьма сложны. В связи с этим для установления механизмов формирования кристаллографических текстур крайне важно использовать компьютерное моделирование. Подключение различных механизмов деформации в процессе моделирования позволяет предсказывать вид формирующихся текстур. Сопоставление модельных текстур с экспериментальными дает возможность судить о механизмах текстурообразования.

Наиболее распространенными теориями, используемыми для анализа процессов текстурообразования при пластической деформации, являются теория Тейлора (одинаковая деформация зерен) [4], теория Закса (одинаковые напряжения в зернах) [5], и различные версии самосогласованных моделей, учитывающих взаимодействие зерен друг с другом [6].

В настоящей работе представлены результаты моделирования, полученные с применением наиболее универсальной вязкопластнческой модели деформации [6], для исследования влияния схемы напряженно-

деформированного состояния на особенности процессов текстурообразования в чистой меди при больших пластических деформациях. Рассмотрены традиционная схема холодной прокатки, а также случай интенсивной пластической деформации (ИПД), реализованный с помощью недавно развитой схемы равноканаль-но-углового (РКУ) прессования [7]. Интерес к последнему случаю обусловлен тем, что механизмы, обеспечивающие формирование необычных структурных состояний и присущих нм высоких свойств, все еще остаются не в полной мере понятыми.

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ

Моделирование процессов текстурообразования при пластической деформации проводилось с использованием пакета программ УРБС [8], предоставленным Лос-Аламосской Национальной лабораторией. УРБС -компьютерная программа, написанная на ФОРТРАНЕ 77, построена на основе самосогласуюшейся модели [6], однако допускает моделирование в рамках теорий Тейлора и Закса.

УРБС моделирует пластическую деформацию зерен, подвергнутых внешним напряжениям и деформациям, и учитывает полную анизотропию в свойствах как отдельных кристаллитов, так и их совокупности. Программа, основанная на физических механизмах деформации скольжениеми двойникованием, учитывает взаимодействие зерен друг с другом, упрочнение, переориентацию и изменение формы индивидуального зерна.

Входной файл программы состоял из 500 интенсивностей, измеренных на рентгеновском аппарате ДРОН-ЗМ с угловым интервалом 0-65", азимутальным интервалом 0-360”, с шагом 5" для обоих интервалов. Моделирование текстуры прокатки проводилось для степеней обжатия 80 % и 90 %, соответствующих хорошо сформированной текстуре. Шаг деформации равнялся Дб = 0,05.

Моделирование текстурообразования при РКУ прессовании производилось для случая угла пересечения каналов 90°. Рассмотрены маршруты РКУ прессования, при которых: ориентация заготовки остается неизменной при каждом проходе (маршрут А); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг

своей продольной оси на угол 90° по часовой стрелке (маршрут Вс); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 180° (маршрут С).

Результаты моделирования представлены в виде полных полюсных фигур (ПФ). Для расчета ПФ использован пакет программ ЬаЬоТЕХ [9].

Расчеты проводились на компьютере АОіІоп 1700/ 256 МЬ. Время счета одного состояния в среднем 2 часа.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ - И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Холодная прокатка. Исходная текстура меди представлена на рис. 1. По ПФ видно, что исходная текстура меди слабо выраженная: ярко выраженных текстурных максимумов нет, отсутствует симметрия в распределении текстурных максимумов.

На примере хорошо исследованного случая холодной прокатки было проведено сравнение результатов моделирования для случаев пластической деформации материалов, описываемой моделями в рамках теорий Тейлора, Закса, и самосогласованной модели, с имеющимися экспериментальными данными.

Результаты моделирования текстур прокатки представлены в виде полных ГІФ на рис. 2, 3. Полученные ПФ похожи друг на друга. Основными компонентами текстуры, сформировавшейся в результате прокатки.

Рис. 2. ПФ (111). Прокатка. Степень обжатия 80 %. Теория Сейлора (а), теория Закса (б), самосогласованная модель (с)

нп

Рис. 3. ПФ (III). Прокатка. Степень обжатия 90%. Теория Тейлора (а), теория Закса (б), самосогласованная модель (с)

являются компоненты {0011<110>, расположенные под углом 30° от центра ПФ в направлении прокатки (НП) и {111}<112>, расположенные в НП (рис. 2, 3). При моделировании в рамках теорий Тейлора и Закса ориентация {111 }<112> наблюдается у небольшого количества зерен, а ориентация {001 }<110> ярко выражена (рис. 2а, 26). В случае самосогласованной модели обе ориентации хорошо выражены и имеют примерно одинаковую интенсивность (рис. 2в). По мере увеличения степени деформации (рис. 3) основные компоненты текстуры не меняются, но наблюдается увеличение интенсивности текстурных максимумов.

Полученная текстура может быть представлена ориентационной трубкой с высокой плотностью ориентаций [3]. Трубка расположена между ориентациями {110}<112> и {44 11)<11 11 8>.

Сравнение результатов моделирования с доступными экспериментальными результатами [3] показало следующее. Объемные доли зерен вблизи идеальных ориентировок {110}< 112> и {4 4 11 }< 11 11 8> для 80% обжатия в случае самосогласованной модели и модели Закса близки с экспериментальным результатам.

При дальнейшем увеличении степени обжатия, до 90 %, наиболее близкими к экспериментальным получаются результаты моделирования с использованием самосогласованной модели. По модели Закса расхождения с экспериментальными данными увеличиваются. Таким образом, по-видимому, самосогласованная модель наиболее полно и точно соответствует реальным условиям протекания процессов пластической деформации.

РКУ-прессование. В процессе моделирования процессов текстурообразовання при РКУ прессовании в рамках наиболее современной самосогласованной модели обнаружено, что первый проход приводит к формированию выраженной кристаллографической текстуры (рис. 4а), описываемой набором максимумов, характерных для текстур сдвига [10]. При этом основными компонентами текстуры, сформировавшейся в результате 1 прохода РКУ прессования, являются компоненты {111 }<231 > и {334}<513>.

После второго прохода по маршруту А преимущественная ориентация зерен ослабляется (рис. 46). Од-иако увеличение числа проходов до 4 и 8 приводит к ярко выраженной симметричной текстуре сдвига (рис. 4в, 4г). При этом острота текстурных максимумов растет, что свидетельствует об увеличении количества зерен, принимающих данные ориентации.

При маршруте Вс увеличение числа проходов приводит к формированию сложной несимметричной текстуры (рис. 56). По-видимому, это связано с пересечением плоскостей сдвига в результате изменения ориентаций заготовки между проходами. После четвертого прохода основными компонентами текстуры являются {591 }<105>. После восьмого - распределение текстурных максимумов становится еще менее симметричным, но при этом наблюдается устойчивый рост интенсивности текстурных максимумов. Перераспределение интенсивности максимумов, а следовательно, преимущественных ориентацией зерен с увеличением количества проходов по маршруту Вс, возможно, свидетельствует о более сложном характере полей напряжений в деформируемом материале.

Рис. I. Исходная текстура меди

Рис. 4. 11Ф (111). Маршрут Л. I проход (а), 2 прохода (б), 4 прохода (в), 8 проходов (г)

' V-. hi

ПК

*пн (о *2 я*

Xty

s р

Рис. 5. ПФ (111). Маршрут Вс. 1 проход (а), 2 прохода (б), 4 прохода (в), 8 проходов (г)

НП

ЯП

/Л. ^ А

Рис. 6. ПФ (111). Маршрут С. I проход (а), 2 прохода (б). 4 прохода (в), 8 проходов (г)

Для маршрута С после второго прохода основными компонентами текстуры являются {111 }<761> и {212}<928> (рис. 66). При дальнейшем увеличении степени накопленной деформации, связанной с увеличением числа проходов, распределение текстурных максимумов становится менее симметричным (рис. 6в, 6г), что напоминает характер формирования текстур в случае маршрута Вд. Основные компоненты текстуры после четвертого прохода {314}<152> и {128}<1 4 12>. После восьмого прохода (рис. 6г) основные компоненты текстуры {121 }<012>.

Таким образом, в результате исследования эволюции кристаллографической текстуры обнаружено, что уже первый проход при РКУ прессовании чистой меди приводит к формированию выраженной преимущественной ориентации кристаллитов, характерной для текстур сдвига. С увеличением числа проходов характер текстурообразования определяется выбранным маршрутом. Наиболее симметричная текстура формируется в случае маршрута А. Более сложным является тип текстуры, формирующейся при реализации маршрутов Вс и С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты моделирования процессов текстурообразования для холодной прокатки близки к экспериментальным. Обнаружено увеличение интенсивности основных текстурных максимумов с увеличением степени обжатия.

Сравнительный анализ текстур, сформировавшихся при моделировании текстурообразования для различных маршрутов РКУ прессования, показал, что текстура при маршруте А обладает устойчивым характером. Увеличение степени деформации с ростом числа проходов практически не изменяет ее тип. В случае маршрутов Bt и С с увеличение числа проходов приводит к менее симметричному распределению текстурных максимумов. Однако при этом для всех маршрутов наблюдается устойчивый рост интенсивности текстурных максимумов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полухин П.И.. Горелик С.С. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. С. 291-298.

2. Кудрявцев И.П. Текстуры в металлах и сплавах. М.: Металлург ия. 1965. С. 120-148.

3. Папиров И.П. Новые методы исследования текстуры поликри-сталлических материалов. М.: Металлургия, 1985. С. 185-200.

4. Taylor G.l. IIJ. Inst. Mel. 1938. V. 62. P. 307.

5. Schmid E. I/ Proc. Ini. Cong. Appl. Mech. 1924. P. 342.

6. Kocks U.F. Tome C.N. Wenk H R. Texture and Anisotropy. Cambridge University Press, 1998. P. 676.

7. Валиев Р.З. Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. С. 10-19.

8. Lebensolw R.A., Tome C.N. II Manual for (.'ode VPSC. 2000. V. 5. P. 23.

9. Pawlik K.. Ozga P. LaboTcx: The Texture Analysis Software. ’GOttingcr Arbeiten zur Geologic und Palaontologic', SB4. 1999.

10. Wenk HR.. Canova G. II Acta metal. 1989. V. 37. № 7. P. 2017.