CC BY
89
Список литературы
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.
2. Болыпев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М: Металлургия, 1979. 496 с.
3. Гвоздев А.Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1992. 176 с.
4. Пустовгар А.С. Исследование эффекта сверхпластичности сталей и сплавов с помощью математических моделей: автореф. дис. ...канд. техн. наук. М.: 1981. 23 с.
5. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1971. 312 с.
6. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1978. 535 с.
7. Гвоздев А.Е., Кузовлева О.В., Кондрашина А.В. Деформация, структурообразование и разрушение стали Р6М5 // Деформация и разрушение материалов. М.: 2007. С. 25-31.
8. Гвоздев А.Е. Сверхпластичность и структурообразование сталей в состоянии предпревращения диффузионных и бездиффузионных фазовых переходов для ресурсосберегающих технологий. 2-е изд., перераб. и доп. Тула: Тул. гос. ун-т, 2007. 217 с.
A.E. Gvozdev, G. V. Serzhantova, A. V. Afanaskin, V.E. Blazhenets
EXTREME EFFECTS IN METALLIC ALLOY PHASE TRANSFORMA TIONS
The peculiarities of super-elasticity and extra elasticity effects development in hardly-deformed heterophase alloys, specifically, in the high-alloy HSS R6M5, have been considered
Key words: temperature, deformation, super-elasticity, phase transformation
УДК 623.451.4.082.6
Т.П. Дронова, асп., (4872) 35-05-50,1апуа 141721 @гатЬ1ег,ги (Россия, Тула, ТулГУ)
МИКРОСТРУКТУРА МАТЕРИАЛА КУМУЛЯТИВНОЙ ОБЛИЦОВКИ
В статье рассмотрено изменение микроструктуры материала кумулятивной облицовки в процессе ее изготовления, влияние структуры материала на динамический предел текучести.
Ключевые слова: критический размер зерна, соотношение Холла-Петча, геометрически необходимые дислокации, динамический предел текучести.
Рассмотрим изменение микроструктуры материала кумулятивной облицовки в процессе ее изготовления, а также влияние структуры материала на динамический предел текучести.
Сопротивление деформации зависит от природы деформированного материала, температуры, степени и скорости деформации и является одной из основных составляющих, оказывающих существенное влияние на точность расчета энергосиловых параметров кумулятивной струи. Большой вклад в создание методов расчета напряжения течения металла внесли: Зюзин В.И., Бровман М.Я., Андреюк А.В. и др.
Податливость кумулятивной облицовки (КО) деформирующим усилиям оценивается пределом текучести. Металлы обладают различным сопротивлением деформации, что связано с химическим составом, строением атомов, кристаллической решеткой и микроструктурой. Металл состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов неправильной формы -зерен. Одним из дефектов кристаллической решетки являются дислокации - линии, вблизи которых найдено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла [5]. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации.
Одной из особенностей микрокристаллических материалов, полученных методами интенсивного пластического деформирования, является существенная нестабильность их структуры при нагреве [3]. Так, медь М1 с размером зерна 50 мкм после равноканального углового прессования (РКУП) имеет структуру, представленную на рис. 1, где - объемная доля, (1 - размер зерна. После отжига при температуре 280 С° в течение одного часа происходит увеличение размеров зерен (рис. 2).
й/,нм2 3000000
Рис. 1. Гистограмма распределения зерен е структуре меди М1 е состоянии после РКУП
2500000 -2000000 1500000 -1000000 -500000 0
п
і . 1
ІІ
Пі . .1 .11
ш 9 ІГІ'Ш 1 і — —
СІ, нм
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Рис. 2. Гистограмма распределения зерен е структуре меди М1 в состоянии после отжига
Для учета влияния микроструктуры материала кумулятивной облицовки на динамический предел текучести необходимо знать не только размер зерна материала, но и распределение долей баллов (О) в нем. При взаимодействии достаточно сильных ударных волн в отожженных металлах с гранецентрированной кубической решеткой возникает двойникова-ние, конкурирующее с дислокациями. Сформировавшаяся структура металла однозначно влияет на его механические свойства. На рис. 3 пред-
ставлены гистограммы распределения долей баллов зерна на единицу площади /в металле с баллом зерна № 6 (средний диаметр 0,044 мм) в соответствии с ГОСТ 21073.
а б
Рис. 3. Гистограмма распределения долей баллов зерна: а - меди; б - алюминия
После термообработки разнозернистость материала может стать бо лее неоднородной, что приведет к увеличению разброса параметров куму ЛЯТИВНОЙ струи И соответственно К снижению эффективности действия ИЗ' делия. Так на рис. 4 представлена гистограмма распределения долей бал лов зерна № 4-7.
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 G
а
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 G
б
Рис. 4. Гистограмма распределения долей баллов зерна № 4-7:
а - меди; б - алюминия
і.%
1.%
В поликристаллических металлах влияние среднего размера зерна d на величину предела текучести принято описывать с помощью соотношения Холла-Петча:
k
СТгр — С70 +
где сгп- напряжение, характеризующее сопротивление пластической деформации со стороны кристаллической решетки и дефектов решетки, пре-
пятствующих движению решеточных дислокаций; к - коэффициент, характеризующий вклад в упрочнение со стороны границ зерен, <3 - средний размер зерен.
Количественные исследования структуры зерна и свойств поликристаллов микроуровня позволили выделить три основных критических размера зерна, в окрестности которых происходят значительные изменения свойств поликристаллического металла. При первом критическом размере зерна с11кр изменяется знак коэффициента Холпа-Петча (с/ > с11кр к 0, при
< б/,Кр к < 0). Величина с!1кр для чистых металлов А1, Си, №, Бе, Т\ близка к
10 нм [1, 2]. Смена знака коэффициента к означает смену зернограничного упрочнения зернограничным разупрочнением. Другими словами, дальнейшее измельчение зерна влечет за собой не рост предела текучести, а его уменьшение. Второй критический размер зерна с12кр связан с образованием
бездислокационных зерен. Взаимодействие границы зерна с дислокациями становится таким значительным, что дислокации вытягиваются из тела зерна полями напряжений. Затем дислокации перемещаются на границу зерна. Для чистых металлов с12кр приблизительно равен 100 нм. Третий
критический размер зерна <1Ъкр связан со сменой роли параметров дислокационной структуры. Если <3 > ¿¡Ъкр, то преобладают статистически запасенные дислокации, которых больше, чем геометрически необходимых дислокаций. Величина (¡Ъкр близка к 1000 нм. Прохождение через этот размер
зерна (с/ < (¡Ъкр) изменяет происхождение большей части дислокаций.
Коэффициент Холпа-Петча к является важной характеристикой зернограничного упрочнения. Он определяет рост предела текучести и напряжение разрушения при изменении размера зерна.
На основании экспериментальных данных работ [1, 2, 4] была выведена степенная зависимость коэффициента Холла-Петча от размера зерна (рис. 5) в диапазоне:
а) 0,00002 < (Л < 0,00006: к = А21п(¿/) + А3;
б) 0,00006 < с1 < 2 мм: к = А4 * йГ4 ,
где А2, А3, А4, т4 - эмпирические коэффициенты.
Режимы горячей обработки металлов и сплавов заданного химического состава давлением определяются в основном температурой, скоростью и степенью деформации, которые влияют в процессе деформирования на механические характеристики. Одной из них является сопротивление деформации, которое определяется при средних значениях параметров в области динамических испытаний, а затем с помощью термомеханиче-
ских коэффициентов (температурного к1, скоростного ки и степенного к,,) распространяется на всю исследуемую область динамических испытаний.
медь
алюминии
Рис. 5. Влияние размера зерна на коэффициент Холла-Петча
В работе [5] приведены кривые изменения термомеханических коэффициентов для определения сопротивления деформации при горячей прокатке. Базисное значение сопротивления деформации (<зод) в динамической области для меди и алюминия принято при средних параметрах
(? = 600 °С, и = 5с“1, в = 40%). Расчетное значение сопротивления деформации в зависимости от температуры, скорости и степени деформации определяется по формуле: <5 = <5од к1кеки.
Эмпирические формулы для определения сопротивления деформации при горячей обработке давлением получены на основе термомеханических коэффициентов. Для меди и алюминия зависимость относительного сопротивления деформации от температуры может быть выражена в экспоненциальной форме: kt = Вхе~тХг, а зависимость от степени и скорости
деформации - в степенной форме: ке = В2Ет2, ки = В3ит?>. Диапазон изменения аргументов функций термомеханических коэффициентов: ? = 20...1200°С, и = 14...5*10 бс ', е = 10 9...2.
После выявления зависимости сопротивления деформации от термомеханических параметров на основании метода термомеханических коэффициентов находятся расчетные эмпирические формулы для определения сопротивления деформации.
Зная сопротивление деформации металла, распределение в нем долей баллов зерна с помощью соотношения Холла-Петча можно найти
изменением предела текучести: А =
к„
k
а затем динамическии
предел текучести:
а.
Таким образом, микроструктура материала КО влияет не только на динамический предел текучести, но и на стабильность действия всего изделия. Уменьшение разнозернистости материала и размера зерна (до 10 нм) приводит к увеличению сопротивления деформации и повышению эффективности действия изделия. Использование эмпирических зависимостей в расчетах энергосиловых параметров кумулятивной струи позволяет снизить себестоимость изделия за счет уменьшения количества проведенных испытаний.
Список литературы
1. Козлов Э.В., Конева H.A., Попова H.A. Зеренная структура, геометрически необходимые дислокации и частицы вторых фаз в поликристаллах микро- и мезоуровня // Физическая мезомеханика. 2009 12. 4. С.93-106.
2. Механические свойства нано- и микрокристаллических металлов: учебно-методические материалы по программе повышения квалификации «Новые материалы электроники и оптоэлектроники для информационно-телекоммуникационных систем» / A.B. Нохрин [и др.]. Нижний Новгород, 2007. 46 с.
3. Рекристаллизация нано- и микрокристаллических металлах, полученных методами интенсивного пластического деформирования / И.М. Макаров [и др.] // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. Серия «Физика твердого тела». 2001. №1. С. 136151.
4. Козлов Э.В., Жданов A.H., Конева H.A. Механизмы деформации и механические свойства наноматериалов // Физическая мезомеханика. 2007. 10.3. С.95-103.
5. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением: справочник. М.: Металлургия, 1973. 224 с.
T.I. Dronova
MICROSTRUCTURE OFMETALL A HOLLOW CHARGE
The paper considers the microstructure of metal a hollow charge change at a industrial process. Particular attention is given to the effect of grain size on dynamic yield stress.
Key words: critical grain size, Hall-Petch relations, geometrically necessary dislocations, dynamic yield stress.
