CC BY
163
УДК 539.214
Д.Н. Боголюбова, асп., 89107002315, bogdarva@bk.ru.
А.Е. Гвоздев, д-р техн. наук, проф., 89105877315,
О.В. Пантюхнн, канд. техн. наук, доц., директор издательства,
(4872) 35-36-20, ntomach@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ В МЕТАЛЛАХ
Исследованы закономерности изменения структуры и свойств различных металлов при горячей деформации. Изучено влияние температуры деформирования на характеристики механических свойств бронзы БрХ2, сплава АК8 и хрома. Отмечены аномалии характеристик пластичности при горячей деформации: эффекты сверхпластичности, повышенной пластичности и провал пластичности.
Ключевые слова: горячая деформация, микроструктура, динамический возврат, динамическая рекристаллизация, повышенная пластичность.
Горячая деформация - один из распространенных способов получения полуфабрикатов различных металлов и сплавов: алюминиевых сплавов, сплавов на основе меди, никеля, кобальта, титана, хрома, а также сталей.
Динамическая рекристаллизация является одним из основных структурообразующих процессов при производстве деформированных полуфабрикатов. При этом известно, что при горячей деформации одновременно развивается целый ряд процессов, ведущих к разупрочнению. Это динамический возврат (отдых), динамическая полигонизация и, наконец, динамическая рекристаллизация.
Повышению хрупкости способствует развитие процессов ползучести и рекристаллизации в материале. Таким образом, если возможно противодействие рекристаллизации материала, то можно существенно повысить эксплуатационные характеристики конструкций.
К проблеме сохранения пластичности примыкает задача недопущения разрушения заготовок в процессе горячей обработки давлением. Известно, что с ростом температуры прочностные характеристики материала снижаются, что облегчает процесс формоизменения при производстве полуфабрикатов, но при этом за счет развития процессов рекристаллизации при горячей обработке давлением может происходить охрупчивание материала и потеря им пластичности. В этом случае, несмотря на выигрыш в работе деформирующего оборудования, потери процесса существенно увеличиваются. Все это делает необходимым рассмотрение поведения материалов в процессе горячей обработки давлением с целью формирования оптимального комплекса свойств.
Перспективными в этой связи представляются и исследования, направленные на установление функциональной зависимости между соотношением параметров зеренной структуры в исходном и конечном состояниях (так называемый коэффициент измельчения) и степенью деформации сплава при горячей обработке. Такие соотношения позволяют прогнозировать параметры зеренной структуры после горячей деформации. Поэтому важное значение имеют механизмы пластичности и деформируемости материалов при горячей деформации.
Исследования последних лет свидетельствуют о том, что большое влияние на поведение материала при горячей деформации оказывает исходная структура. Принято считать, что из-за высокой энергии дефектов упаковки алюминиевые сплавы не склонны к динамической рекристаллизации, так как в них сильно развит динамический возврат. Однако по данным ряда авторов при определенном исходном размере зерна и соответствующей температуре деформации в сплаве АК 8 может проходить в процессе горячей деформации динамическая рекристаллизация, изменится сам механизм деформирования от традиционного внутризеренного дислокационного скольжения до механизма зернограничного проскальзывания [1].
В разных материалах отмечают аномалии характеристик пластичности при горячей деформации: эффекты сверхпластичности, повышенной пластичности или провала пластичности. Поэтому установление факторов, ответственных за немонотонное изменение характеристик пластичности, имеет научное и практическое значения, так как перед горячей обработкой необходимо прогнозировать поведение материала для реализации запаса его вязкости и предотвращения хрупкого разрушения.
В работе исследованы закономерности изменения структуры и свойств бронзы БрХ2, сплавов типа АК8 и хрома при горячей деформации. Влияние температуры деформирования на механические характеристики материалов изучалось при одноосном растяжении со скоростью 10‘3 с"1. Микроструктура в исходном состоянии под влиянием температуры изучалась в продольном сечении головок разрывных образцов, а, сформированная под совместным влиянием температуры и деформации - в косом сечении вблизи места разрушения образцов.
Установлено влияние температуры деформирования растяжением со скоростями 0,1 и 3 мм/мин на поведение предела прочности и относительного удлинения бронзы марки БрХ2. Увеличение температуры деформирования от 20 до 600 °С приводит к уменьшению предела прочности в 5,6 раза. Зависимость предела прочности ов от температуры деформации Т приведена на рис. 1. Чем меньше скорость деформации, тем выше процесс разупрочнения при каждой температуре испытания. Относительное удлинение сплава БрХ2 в зависимости от температуры испытания изменяется немонотонно, достигая минимальных значений при температурах дефор-
мации, равных 400...500 °С. Зависимость относительного удлинения 5 от температуры деформации Т приведена на рис. 2.
о*
Рис. 1. Влияние температуры деформации Т на предел прочности ов бронзы БрХ2:1 - скорость деформации 0,1 мм/мин,
2 - скорость деформации 3 мм/мин
Рис. 2. Влияние температуры деформации Т на относительное удлинение б бронзы БрХ2:1 - скорость деформации 0,1 мм/мин,
2 - скорость деформации 3 мм/мин
Известны две наиболее распространенные гипотезы, объясняющие провал пластичности в меди и сплавах на ее основе при испытаниях в интервале температур 400...500 °С. Первую из них - «водородную болезнь» - нельзя рассматривать как основную причину охрупчивания изучаемой бронзы, так как содержание кислорода в ней не превосходит критического значения 0,03 %, необходимого для развития процесса взаи-
модействия оксида меди с водородом с образованием водяного пара, под давлением которого в металле возникают микротрещины.
Для установления обоснованности второй гипотезы - охрупчивания при старении в результате выделения избыточных фаз - проводили статистическую обработку имеющихся в литературе данных и собственных результатов по изучению влияния температуры испытания на значение относительного сужения и (или) относительного удлинения меди и бронз разных марок , заключающуюся в построении моделей изменения относительного удлинения 8 и (или) относительного сужения \|/ в зависимости от температуры испытания и нахождении точки экстремума (температуры, соответствующей минимальному значению показателя пластичности). Установлено, что, несмотря на существенную разницу составов анализируемых сплавов, температуры испытания, при которых отмечены минимальные значения относительного удлинения, не различаются более чем на 50 °С.
Значимый рост зерна в головках разрывных образцов бронзы марки БрХ2 (продольное сечение), испытывающих только температурное воздействие, отмечен при нагреве выше 400 °С. Поведение параметров микроструктуры на шлифах, приготовленных вблизи места разрыва, которые формируются под совместным влиянием температуры и деформации, свидетельствует о развитии процесса динамической рекристаллизации в бронзе при высокотемпературных испытаниях по механизму миграции границ зерен. Размер зерна в косом сечении вблизи места разрушения в 1,2 раза больше, чем размер зерна в головках разрывных образцов.
Высказанная гипотеза о природе охрупчивания бронзы БрХ2, согласно которой при температурах нагрева, начиная с 400 °С, увеличивающаяся растворимость примесей и легирующих элементов в а-твердом растворе способствует началу развития процесса перераспределения чужеродных атомов, ранее располагающихся на границах зерен. Последний приводит к образованию упрочненной приграничной зоны с сопротивлением деформирования, отличающимся от сопротивления внутренней части зерна. Наличие подобной упрочненной приграничной прослойки препятствует эстафетной передаче деформации от зерна к зерну, что приводит к падению характеристик пластичности. Увеличивающаяся равномерность распределения чужеродных атомов при температуре выше 500 °С приводит к выравниванию сопротивления деформированию в приграничных участках и в объеме зерна, результатом которого является восстановление характеристик пластичности.
Изучено влияние температуры деформирования (300...500 °С) при одноосном растяжении со скоростью 10‘3 с"1 на характеристики механических свойств сплава АК 8 и сплава аналогичного состава, не содержащего медь, предварительно отожженных при 500 °С в течение 1, 2, 3 ч. На рис. 3 показано, что с увеличением температуры деформации предел прочности
ав монотонно уменьшается. Зависимость относительного удлинения 5 от температуры деформации приведена на рис. 4. Относительное удлинение изменяется немонотонно, достигая максимальных значений (60 %) при температуре деформирования 400 °С.
JUU 3DD -1DD 503 Т\*С!
Рис. 3. Влияние температуры деформации Т на предел прочности ов сплава АК8 отжиг 500 °С: 1 -1 ч; 2 - 2 ч; 3 - 3 ч
?(1Л лпп нлп чпп Т, 'С
Рис. 4. Влияние температуры деформации Т на относительное удлинение 3 сплава АК8 отжиг 500 °С: 1 -1 ч; 2 - 2 ч; 3 - 3 ч
Температура деформации оказывает существенное влияние на форму, размер и строение границ зерен алюминиевых сплавов. После деформации при 300 °С вблизи поверхности разрушения фиксировали преимущественно вытянутые вдоль оси деформации зерна (рис. 5).
Рис. 5. Микроструктура сплава АК8 (*500% отожженного при 500 °С в течение 3 чи разрушенного при 300 °С, вблизи места разрушения
Неоднородная структура получена при 400 °С (рис. 6): наряду с вытянутыми зернами появляются области равноосных мелких зерен.
Рис. 6. Микроструктура сплава АК8 (\200), отожженного при 500 °С в течение 2 ч и разрушенного при 400 °Свблизи места разрушения
На гистограммах распределения площадей зерен по размерам четко зафиксированы два максимума (бимодальное распределение). Гистограмма распределений зерен по размерам, для образца, деформированного при температуре 400 °С приведена на рис. 7.
25
20 -
Л Ю -
5 -
0 1------1-|-1—1---1-а---1-и-------1-*—'—I-1
О 500 1000 1500 2000 в, мМ*.
Рис. 7. Гистограмма распределения площадей зерен по размерам сплава АК8 после испытания при 400 °С после предварительного отжига при 500 °С в течение 3 ч
При высокотемпературной деформации (500 °С) микроструктура представлена равновеликими зернами (рис. 8), в некоторых случаях обнаружены границы зерен, имеющие зубчатое строение.
Рис. 8. Микроструктура сплава АК8 (\200), отожженного при 500 °С в течение 3 чи разрушенного при 500 С, вблизи места разрушения
Проведенный комплекс исследований позволил идентифицировать природу процессов разупрочнения сплавов типа АК 8 при горячей деформации. Деформация при 300 °С сопровождается развитием динамического возврата. При повышенных температурах деформации протекает динамическая рекристаллизация по разным механизмам. Дробление вытянутых зерен с образованием субзерен происходит в процессе деформации при 400 °С. Динамическая рекристаллизация по механизмам образования зародышей и миграции границ характерна для деформации при 500 °С.
Рассчитана энергия активации () процессов, развивающихся при горячем деформировании образцов исследованных сплавов в интервале температур 300...400 °С: 45 кДж/моль для сплава АК 8 и 33 кДж/моль для сплава, не содержащего медь. Полученные значения по порядку величины соответствуют зернограничному проскальзыванию. По моделям Набарро -Херринга и Кобле на основе литературных данных получены значения размеров зерен, необходимых для реализации процессов диффузионной ползучести. Показано, что в образцах, деформированных при 400 °С, мелкозернистые области имеют размер зерна ~ 20 мкм, достаточный для развития ползучести Кобле, которая может способствовать зернограничному проскальзыванию, приводящему к наблюдаемой повышенной пластичности.
Испытания на растяжения образцов хрома чистотой 99,95 % в интервале температур деформации 600... 1500 °С выявили немонотонное изменение характеристик механических свойств. В интервале температур деформации 300...600 °С происходит увеличение предела прочности примерно на 40 %, дальнейшее повышение температуры сопровождается разупрочнением материала (рис. 9). При температуре деформации 1100 °С относительное удлинение достигает величины 160 % (рис. 10). Провал значений относительного сужения отмечен при температуре 1350 °С (рис. 11).
т, “с
Рис. 9. Влияние температуры испытания Т на предел прочности ое
хрома
т, °с
Рис. 10. Влияние температуры испытания Т на относительное
удлинение 3 хрома
283
Т,.Ч
Рис. 11. Влияние температуры испытания Т на относительное
сужение у/ хрома
В головках разрывных образцов, не подвергающихся деформации при испытаниях на растяжение, изучено влияние температуры нагрева на изменение параметров зеренной структуры, микротвердость и характеристики ее рассеяния. Показано, что существенное (на порядок величины) увеличение размера зерен наблюдается при температурах нагрева выше 1250 °С. На неоднородность внутреннего строения обнаруженных укрупненных зерен указывает рост дисперсии микротвердости и коэффициента ее вариации в образцах, нагретых в интервале температур 1250... 1500 °С.
Микроскопические исследования разрушенных образцов вблизи поверхности излома свидетельствуют о существенных изменениях в структуре. При температурах испытания 600 и 800 °С вблизи поверхности разрушения наблюдали волокнистую структуру. Динамическая рекристаллизация по механизму дробления вытянутых зерен с образованием субзерен происходит в процессе деформирования вблизи 1100 °С, следствием процесса является эффект серхпластичности. Динамическая рекристаллизация по механизму образования зародышей и миграции границ характерна для выскоктемпературной деформации (1250... 1500 °С) и сопровождается падением относительного сужения.
Методом термоактивационного анализа определены энергии активации процесса пластической деформации в разных интервалах температур. В низкотемпературном интервале до 800 °С энергия активации равна 13,5 кДж/моль и соответствует процессу дислокационного скольжения. Значение энергии активации 38,5 кДж/моль в интервале температуры испытания 8010...1150 °С близко к энергии активации зернограничного проскальзывания. При высокотемпературной деформации (выше 1250 °С) значение энергии активации (220 кДж/моль) соответствует по порядку величины энергии активации объемной диффузии.
Комплекс проведенных исследований свидетельствует о существенном влиянии энергии дефектов упаковки на аномалии характеристик пластичности при горячей деформации. В материалах с повышенной энергией дефектов упаковки динамическая рекристаллизация на ранних этапах
происходит по механизму образования развитой субзеренной структуры. Появление мелких кристаллов способствует развитию межзеренного проскальзывания, следствием которого является эффект повышенной пластичности (сплавы типа АК8) и даже сверхпластичности (хром). При температурах деформации, совпадающих с заметным увеличением растворимости чужеродных атомов в матрице исследуемых объектов, динамическая рекристаллизация происходит по механизму зарождения центров и миграции границ зерен. Перераспределение чужеродных атомов и их уход от дефектов кристаллического строения в твердый раствор приводят к образованию упрочненной приграничной зоны и затруднению передачи деформации от зерна к зерну, следствием чего является падение пластичности. Такое развитие событий характерно для материалов с низкой энергией дефектов упаковки (сплав на основе меди) или при повышенных температурах материалов с повышенной энергией дефектов упаковки (хром).
Необходимо отметить, что металлы и сплавы, обладающие уникальным сочетанием низкой энергии Пайерлса и высокой энергии дефектов упаковки, представляются наиболее подходящими для разработки на их основе сверхпластических систем и малоотходных ресурсосберегающих процессов и технологий.
Опираясь на полученные данные, можно предположить, что в зависимости от температурно-временных условий обработки материала давлением практически в любом материале развивается цепь процессов, состоящая из явлений возврата, рекристаллизации на субъзеренную структуру и рекристаллизации, связанную с ростом зерна. При этом определяющую роль играет соотношение уровня накопленной внутренней энергии материала и термически активируемой скорости ее сброса. Таким образом, подбирая температуру и скорость деформирования, можно обеспечить формирование различной структуры и, следовательно, различных характеристик материала от тонковолокнистой структуры до равноосной крупнозернистой. Как одно из проявлений данного механизма могут быть сформированы условия для повышенной пластичности и сверхпластичности материалов, а также для горячей деформации материалов за несколько этапов деформирования. Это должно привести как к созданию материалов с уникальными свойствами, например, изменяющихся по заданной схеме в пределах одного изделия, так и к получению заготовок повышенной точности.
Список литературы
1. Трифонов В.Г., Бобрук Е.В. Динамическая рекристаллизация алюминиевого сплава АК8 // Физика металлов и металловедение. 2004. Т. 97. №2. С.74-78.
2. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 432 с.
3. Шоршоров М.Х., Гвоздев А.Е., Тихонова И.В. Расчет энергии активации процессов сверхпластической деформации сталей и сплавов при одноосном растяжении // Известия ТулГУ. Сер. Материаловедение. Вып. 2. 2002. С. 222 - 226.
4. Грабский М.В. Структурная сверхпластичность металлов и сплавов: пер. с польского. М: Металлургия. 1975. 272 с.
D.N. Bogolyubova, А.Е. Gvozdev, О. V. Pantukhin
RESEARCH OF LAWS OF DISPLAY EFFECT DYNAMICAL RECRYSTALLIZATION IN THE METALS
Laws of change of structure and properties of various metals are investigated at hot deformation. Influence of temperature of deformation on the mechanical properties of bronze БрХ2, the alloy of AK8 and Chrome has been researched. Anomalies of characteristics of plasticity are noted at hot deformation: effects of the superplasticity, the raised plasticity and a plasticity failure.
Key words: hot deformation, microstructure, dynamical recovery, dynamical recrystallization, hyperplasticity.
Получено 14.07.11
УДК 539.2:669.15:338
О.В. Кузовлева, асп., (4872) 35-08-81, kusovleva@vandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
АНОМАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В СОСТОЯНИИ ПРЕДПРЕВРАЩЕНИЯ
Установлены закономерности изменения структуры и свойств металлических систем при термомеханическом воздействии перед фазовыми переходами I и II рода. Проведена оптимизация режимов ресурсосберегающих способов формоизменения труднодеформируемых объектов, основанных на использовании резервов пластичности предпереходного состояния.
Ключевые слова: металлы, модели, пластичность, прочность, состояние предпревращения, сплавы, стали, структура, температура превращения, термомеханическая обработка, термоциклирование.
Теория фазовых превращений изучает процессы формирования и изменения структуры твёрдых тел. Изучение закономерностей развития фазовых превращений важно для научного и практического использования, поскольку некоторые фазы могут проявлять уникальные свойства.
