CC BY
15
УДК 538.971, 620.179.1
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛЕНТЫ, ПОЛУЧЕННОГО ПРИ СДВИГЕ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
СИСАНБАЕВ А.В., *ДЕМЧЕНКО А.А. *ДЕМЧЕНКО, М.В., * * ШАЛИМОВА А.В., ЗУБАИРОВ Л.Р., МУЛЮКОВ Р.Р.
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39 *Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1 **Институт металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова ГНЦ РФ ЦНИИЧермет им. И.П. Бардина, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 9/23
АННОТАЦИЯ. Исследовали особенности «стесненного» деформационного рельефа на поверхности металла с эффектом памяти формы после мегапластической деформации в камере Бриджмена. На разных структурных уровнях выявлены радиальные полосы деформации и микротрещины, перпендикулярные и параллельные направлению сдвига, соответственно. Сравнительный количественный анализ деформационных рельефов рабочих поверхностей подвижного бойка и образца проводили на лазерном сканирующем 3D-микроскопе.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: металл с эффектом памяти формы, сдвиг под высоким давлением, мегапластическая деформация, деформационный рельеф на поверхности, лазерная сканирующая 3D-микроскопия, структурные уровни, полосы деформации, микротрещины.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из способов получения наноструктурных металлов является пластическая деформация, в основе которой лежит формирование сильно фрагментированной и разориентированной структуры за счёт больших сдвиговых деформаций [1, 2]. Кручение под высоким давлением (КВД) является одним из эффективных методов сдвиговой мегапластической деформации [3]. В методе КВД сдвиговая деформация осуществляется за счет кручения образца подвижным бойком. Из-за специфики метода КВД (рис. 1) имеется радиальную неоднородность степени деформации для разных областей.
а) б)
Рис. 1. Метод КВД: а) схема и б) распределение касательных напряжений в образце
Вместе с тем, за один цикл деформации можно получать разные структуры из-за радиальной зависимости сдвиговой деформации, но при общих параметрах деформации: давления, температуры и угловой скорости сдвига. Прилагаемое соосно центру образца давление, достигающее обычно несколько ГПа, играет важную роль. Во-первых, оно создает
в центральной части образца область квазигидростатического сжатия, препятствующего разрушению однородного образца. Во-вторых, оно увеличивает силу трения между бойками и образцом. Благодаря большой силе трения, крутящий момент от подвижного бойка передается образцу. В поперечных сечениях образца возникают касательные напряжения, приводящие к чистому сдвигу. Поскольку пара «боек-образец» тесно взаимодействуют друг с другом рабочими поверхностями, то возникает необходимость выделения деформационного рельефа связанного с особенностями деформационного поведения именно исследуемого металла.
Целью настоящей работы явилось количественная оценка особенностей «стесненного» деформационного рельефа поверхности образца и подвижного бойка после КВД на разных структурных уровнях.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В качестве объекта исследования был выбран металлический сплав с эффектом памяти формы Ti - 49,8% Ni. Образец диаметром d = 10 мм и толщиной 5 = 0,2 мм деформировали сдвигом при температуре Т = 300 К и квазигидростатическом давлении Р = 5 Гпа. Деформацию чистого сдвига определяли по формуле у = nNd/5, где N - количество оборотов наковальни. Один оборот бойка с угловой скоростью ш = 1 оборот/мин позволил достигнуть на периферии образца степень логарифмической деформации етах = 5. Для получения исходного однородного рельефа поверхностей бойков и образца их рабочая поверхность подвергалась пошаговой шлифовки шкурками с разной зернистостью абразива в порядке убывания (по зарубежной классификации от Р180 до Р2500).
Для съемок исходных и деформационных рельефов поверхностей бойков и образца применяли конфокальный лазерный 3D-микроскоп «LSM-Exciter» (Carl Zeiss, Germany) с программой 3D-анализа «ZEN» [4 - 11]. Система сканирования позволяет создавать 3D-изображение, используя до ~ 103 снимков оптических срезов рельефа поверхности с шагом по высоте до ~ 10 нм при разрешении в плоскости до ~ 100 нм. На разных структурных уровнях измеряли параметры «дисперсии» рельефа поверхности: локальные Ra (среднеарифметическое отклонение от среднего значения профиля) и интегральные RSa (усредненное Ra для множества профилограмм сканируемой площади). Под разным структурным уровнем подразумевался масштаб измеряемой «дисперсии» с помощью набора увеличений объективов «m»: 5x, 10x, 20х, 50х и 100х. Т.е., «мезо» ~ 10 мкм, «микро» ~ 1 мкм и «нано» ~ 100 нм. Для более детального анализа особенностей деформационного рельефа поверхности образца использовали оптический 3D-микроскоп «Axio-Imager-Vario» с возможностью непрерывного изменения кратности увеличения и сканирующий электронный микроскоп «Merlin» (Carl Zeiss, Germany).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
Процесс деформации образцов в условиях КВД сопровождался отчетливым потрескиванием, связанным с акустической эмиссией характерной при образовании микротрещин. На рис. 2 показано лазерное 3D-сканирование «стесненной» рабочей поверхности образца после КВД: а) общий вид деформационного рельефа и б) типичная радиальная профилограмма рельефа от центра к краю. На микроуровне (рис. 3) видны как нерегулярные полосы деформации перпендикулярные направлению сдвига, так и области с микротрещинами. Проведенная через эти области поперечная профилограмма отчетливо регистрирует глубокие впадины в местах микротрещин. Рельеф имеет неоднородную периодичность, связанную с нерегулярным расположением параллельных полос деформации. Направление микротрещин коррелирует с промежуточным углом между направлением сдвига и полосами деформации, которые в свою очередь ортогональны. В наших деформационных условиях он близок к углу ~ 45°. Оптическое и электронное
3D-сканирование (рис. 4 и 5) «стесненной» рабочей поверхности образца после КВД на разных структурных уровнях позволило выявить в другом контрасте морфологию тонкой структуры аккомодационных поперечных полос деформации. В области границы между круговыми зонами сдвига отчетливо видны признаки течения кристаллического твердого тела и возникновение в зонах несовместной деформации аккомодационных разрывов и несплошностей.
Рис. 2. Лазерное 3D-сканирование поверхности образца после КВД: а) общий вид и б) профилограмма рельефа от центра к краю
Рис. 3. Лазерное 3D-сканирование области между центром и краем поверхности образца после КВД: нерегулярные полосы деформации перпендикулярные направлению сдвига и поперечная профилограмма с глубокими впадинами в местах микротрещин
Рис. 4. Оптическое 3D-сканирование области между центром и краем поверхности образца после КВД
разными объективами: а) 10х, б) 20х, в) 50х и г) 100х
в)
Рис. 5. Электронное 3D-сканирование области между центром и краем поверхности образца после КВД: а) микроструктура области границы между круговыми зонами сдвига, б) и в) микроструктура поперечных полос деформации при разных увеличениях
Измерения показали (таблица), что на микроуровне деформационный рельеф образца после КВД соответствует рельефу подвижной наковальни. Т.е., в паре контактирующих поверхностей «боек-образец» их дисперсии рельефа практически совпадают (в пределах неоднородности). Неоднородность хорошо видна при сопоставлении интегральной и локальной дисперсий рельефа. На мезо- и наноуровне отношение RSa для образца и бойка заметно отличаются (~ 2 раза). Аномалию в повышенном значении дисперсии рельефа образца на мезоуровне можно объяснить влиянием дополнительного рельефа от поперечных полос деформации. Сравнительный анализ дисперсий рельефа рабочей поверхности бойка до и после КВД показал уменьшение RSa, т.е. происходит сглаживание исходного рельефа. На рис. 6 представлены зависимости интегральной дисперсии от структурного уровня исследования рельефа поверхности бойка (до и после КВД) и образца. Линии тренда этих кривых наиболее близки к степенной зависимости типа RSa = 65т-1'4 с диапазоном значений ~ 0,1.. .15 мкм.
Таблица
Параметры «стесненного» рельефа рабочих поверхностей
Структурные уровни (т) Боек ЯБа (Яа), мкм Образец ЯБа, мкм
исх. после КВД после КВД
мезо (5х) 9,4 8,7 (7,0) 15,0
микро (10х) 2,9 1,3 (1,0) 1,2
микро (20х) 1,6 1,2 (1,4) 1,1
микро (50х) 0,4 0,2 (1,2) 0,2
нано (100х) 0,2 0,1 (0,1) 0,2
Рис. 6. Зависимость дисперсии от структурного уровня исследования рельефа поверхности:
а) бойка и б) образца
ВЫВОДЫ
Проведена количественная аттестация на разных структурных уровнях параметров рельефа поверхности бойка и образца с использованием лазерной сканирующей 3D-микроскопии. На основании сравнительного анализа интегральных дисперсий рельефа после КВД для бойка и образца установлено, что на мезо- и наноуровне отношение величин RSa отличается ~ 2 раза. Исследования образца с помощью сканирующей лазерной, оптической и электронной микроскопии выявили в структуре деформационной поверхности наличие аккомодационных поперечных полос деформации ортогональных направлениям сдвига.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сегал В.М., Резников В.И., Дробышевский Ф.Е., Копылов В.И. Пластическая обработка металлов простым сдвигом // Известия АН СССР. Металлы. 1981. № 1. С. 115-123.
2. Ахмадеев Н.А., Валиев Р.З., Копылов В.И., Мулюков Р.Р. Формирование субмикрозернистой структуры в меди и никеле с использованием интенсивного сдвигового деформирования // Известия РАН. Металлы. 1992. № 5. С. 96-101.
3. Глезер А.М., Сундеев Р.В., Шалимова А.В. Циклический характер фазовых превращений типа кристалл ö аморфное состояние при мегапластической деформации сплава Ti50Ni25Cu25 // Доклады Академии наук. 2011. Т. 440, № 1. С. 39-41.
4. Ямщикова С.А., Кравцов В.В., Сисанбаев А.В. Огнезащита металлических конструкций модифицированными вспучивающимися покрытиями // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2009. № 2. С. 41-43.
5. Круглов А.А., Руденко О.А., Сисанбаев А.В. Сверхпластическая формовка листов наноструктурного титанового сплава // Сб. трудов Междунар. НТК «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением». СПб. : Изд-во БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова., 2009. С. 92-95.
6. Ямщикова С.А., Кравцов В.В., Сисанбаев А.В., Искандеров А.Р. Повышение огнестойкости металлических конструкций нанесением интумесцентных составов // Сб. трудов Междунар. НТК «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук». Уфа : Изд-во УГНТУ, 2009. Вып. 4. С. 112-114.
7. Бакиев А.В., Сандаков В.А., Сисанбаев А.В. Структурная природа деградации механических свойств металла газопроводов системы газоснабжения // Ростехнадзор. Приуралье. 2010. № 2, С. 12-15.
8. Круглов А.А., Руденко О.А., Сисанбаев А.В. Температурная зависимость деформационного рельефа наноструктурного титанового сплава после сверхпластической формовки // Перспективные материалы. 2011. № 12. Спец. вып. С. 258-261.
9. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Наумкин Е.А., Кузеев И.Р. Взаимосвязь деформационного рельефа поверхности и степени поврежденности стали при малоцикловом нагружении // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 3, С. 426-429.
10. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Кузеев И.Р. Исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали лазерным сканирующим методом // Химическая физика и мезоскопия.
2012. Т. 14, № 4, С. 569-573.
11. Демченко А.А., Демченко М.В., Сисанбаев А.В., Наумкин Е.А., Кузеев И.Р. Исследование взаимосвязи деформационного рельефа и степени поврежденности стали // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.
2013. Т. 79, № 2, С. 42-44.
FEATURES OF STRAIN RELIEF OF THE SURFACE OF THE METAL STRIP, OBTAINED BY THE HIGH PRESSURE SHEAR
Sisanbaev A.V., *Demchenko A.A., *Demchenko M.V., **Shalimova A.V., Zubairov L.R., Mulyukov R.R.
Institute for Metals Superplasticity Problems of Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia *Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia
**G. V. Kurdjumov Institute of Metals Science and Physics, State Research Center of the Russian Federation "I. P. Bardin Central Research Institute of Ferrous Metallurgy", Moscow, Russia
SUMMARY. Investigated the characteristics of the «constrained» of strain relief on the metal surface with a shape memory effect after megaplastic strain in the chamber Bridgman. At different structural levels detected radial deformation bands and microcracks are perpendicular and parallel to the shear direction, respectively. Comparative quantitative analysis of the strain relief work surfaces rolling pin and the sample was performed on laser-scanning 3D-microscope.
KEYWORDS: metal with a shape memory effect, shear under high pressure, megaplastic deformation, strain relief on the surface, laser scanning 3D-microscopy, structural levels, strip strain, microcracks.
Сисанбаев Альберт Василович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПСМРАН, тел. (347) 282-37-10, e-mail: sisan-av@yandex.ru
Демченко Артем Альбертович, аспирант УГНТУ, e-mail: dem-sis@yandex.ru
Демченко Мария Вячеславовна, аспирант УГНТУ
Шалимова Анна Владимировна, кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией ИМиФМ ГНЦ РФ ЦНИИчермет им. И.П. Бардина
Зубаиров Линар Раисович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИПСМ РАН Мулюков Радик Рафикович, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией ИПСМ РАН
