CC BY
8
УДК 669.721:621.777
ВЛИЯНИЕ ТЕКСТУРЫ И МИКРОСТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА МА2-1 ПОСЛЕ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ*
В.Н. Серебряный, канд. физ.-мат. наук, С.В. Добаткин, докт. техн. наук (ИМЕТ им. А.А. Байкова
РАН), В.И. Копылов, канд. техн. наук (ФТИ НАН Беларуси)
Равноканальное угловое прессование (РКУП) использовали для измельчения зерна и изменения текстуры исходного прессованного прутка из сплава МА2-1 с целью изучения возможностей повышения низкотемпературной деформируемости исследуемого материала. Исследовали влияние различных режимов РКУП по маршрутам А, С и Вс на формирование ультрамелкого зерна, эволюцию текстуры и пластичность сплава. В результате РКУП в сплаве формируется ультрамелкозернистая структура с размером зерна в диапазоне 0,8-3,5 мкм независимо от маршрутов и режимов прессования. После РКУП также происходит радикальное изменение начальной аксиальной текстуры, обладающей острой базисной компонентой, в виде расщепления ее на несколько ориентировок, как правило, более рассеянных, чем исходная текстура. Степень рассеяния ориентировок зависит от режимов и маршрутов РКУП. Предложена оценка влияния текстуры и микроструктуры через соотношение Петча-Холла и обобщенные факторы Шмида на предел текучести и пластичность сплава после РКУП.
Ключевые слова: равноканальное угловое прессование, текстура, микроструктура, механические свойства, магниевый сплав МА2-1.
The Effect of Texture and Microstructure on Mechanical Properties of MA2-1 Alloy after Equal Channel Angular Pressing. V.N. Serebryany, S.V. Dobatkin, V.I. Kopylov.
Equal channel angular pressing (ECAP) was used for grain refinement and texture modification in the initial extruded Mg-Al-Zn alloy rod to study the possibility of an improvement in low-temperature deformability of the material. The effect of different regimes of the ECAP carried out tn accordance with A, C, and Bc routes on the submicrocrystalline grain formation, texture evolution and plasticity of the alloy has been investigated. The ECAP of the alloy results in formation of an ultrafine grained structure with a grain size of 0.8-3.5 pm irrespective of pressing routes and regimes. The ECAP also drastically changes the axial texture by splitting the initial texture characterized by a sharp basal component to several more scattered orientations. The degree of the orientation scattering depends on the ECAP regimes and routes. Estimation of the effect of the texture and microstructure on yield strength and plasticity of the alloy after the ECAP through the Hall-Petch relation and generalized Schmid factors is given.
Key words: equal channel angular pressing, texture, microstructure, mechanical properties, MA2-1 magnesium alloy.
Деформируемые магниевые сплавы системы М^-А1-7п-Мп, к которым относится сплав МА2-1, обладают высокой удельной прочностью и достаточно высокой пластичностью при
температуре испытаний 250 °С и выше. Однако при более низких температурах деформации пластичность и деформируемость сплава заметно уменьшаются из-за ограниченного
* Авторы выражают благодарность В.Н. Тимофееву (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН) за проведение электронно-микроскопических исследований. Владилен Николаевич ушел из жизни и не увидел окончательных результатов нашей работы. Мы всегда будем помнить этого высококвалифицированного специалиста и прекрасного человека.
количества действующих систем деформации. Как правило, в магниевых сплавах преобладает базисное скольжение, которое способствует при традиционных способах деформирования (прокатка, прессование и т.д.) формированию острой базисной текстуры, тормозящей в дальнейшем данное базисное скольжение. Ситуацию можно улучшить, если предварительно сформировать в материале мелкозернистую структуру, стимулирующую дополнительные системы скольжения, такие как призматическое и пирамидальное скольжение, особенно в приграничных областях зерен, и рассеянную небазисную текстуру, активизирующую вновь базисное скольжение [1-3]. Равнока-нальное угловое прессование (РКУП) является одним из способов интенсивной пластической деформации, обеспечивающих такое изменение микроструктуры и текстуры в различных магниевых сплавах [4-11].
Целью настоящей работы является изучение влияния различных режимов РКУП на формирование текстуры, микроструктуры и механических свойств сплава МА2-1.
В качестве исходного материала для исследований использовали прессованный и отоженный при 345 °С (в течение 1 ч с охлаждением на воздухе) пруток диаметром 30 мм из сплава МА2-1 следующего химического состава, % вес.: - основа; 4,5 А1; 1,3 7п; 0,5 Мп; 0,025 Си; 0,002 0,05 Б1; 0,001 Ве; 0,02 Ре.
РКУ-прессование сплава осуществляли с углом пересечения каналов 90° (рис. 1) на образцах 20х20х150 мм по следующим режимам:
Рис. 1. Схема РКУ-прессования сплава МА2-1
1. Режим А ( повторное прессование образца без вращения). Прессование за один проход (истинная деформация &«1,13) при температуре 260 °С; за два прохода (истинная деформация &«2,26, температура прессования в первом проходе 260 °С, а во втором 240 °С); за четыре прохода (истинная деформация £'4, 52, температура прессования в первом проходе 260 °С, во втором и третьем 240 °С, а в четвертом 220 °С).
2. Режим С (вращение образца на 180° вокруг направления прессования между проходами). Прессование за два прохода (истинная деформация &«2,26; температура прессования в первом проходе 260 °С, а во втором 240 °С); за четыре прохода (истинная деформация £«4, 52; температура прессования в первом проходе 260 °С, во втором и третьем 240 °С, а в четвертом 220 °С).
3. Модифицированный режим Вс (поворот образца на 90 ° вокруг его оси между вторым и третьим проходами с одновременным изменением направления прессования после каждого прохода). Прессование за четыре прохода (истинная деформация &'4,52; температура прессования на первом, втором, третьем и четвертом проходах равна 260 °C, 240 °C, 240 °C и 220 °C соответственно).
Микроструктуру сплава исследовали на мегавольтном электронном микроскопе JEM-1000 (JEOL) при 750 кВ.
Начальную текстуру и после различных режимов РКУП в виде четырех полных полюсных фигур {00.2}, {10.0}, {10.1}, {11.0} исследовали на стационарном реакторе с использованием нейтронного дифрактомет-ра ТЕХ-2 на образцах размером 10х10х10 мм в GKSS исследовательском центре Гестахт (Германия). Время съемки одного образца (четырех полюсных фигур) составляло около 30 ч [12].
Функции распределения ориентировок (ФРО) рассчитывали по экспериментальным полюсным фигурам с помощью гармонического метода гребневых оценок [13].
Механические свойства материала при растяжении до и после РКУП определяли при комнатной температуре на испытательной машине Instron 1196 на образцах размером 100х20х1мм.
Микроструктура прессованного и ото-женного прутка (перед РКУП) характеризуется значительным разбросом размеров зерен от достаточно крупных (превышающих 15 мкм) до мелких, составляющих 2,5-4 мкм. После РКУ-прессо-вания происходит заметное измельчение зеренной структуры, при этом разброс между минимальным и максимальным размерами зерна также уменьшается. В табл. 1 приведены выходные параметры микроструктуры для сплава в зависимости от режимов РКУ-прессова-ния. На рис. 2 приведены также типичные микрофотографии сплава после
Таблица 1
Параметры микроструктуры после различных
режимов РКУП в сплаве МА2-1
Режим РКУП Диапазон размеров зерен (среднее значение), мкм
Маршрут Истинная деформация Температура по проходам, °С
1А 1,13 260 1-2,1 (1,6)
2А 2,26 260-240 1,3-3,3 (2,3)
2С 2,26 260-240 0,8-3 (1,9)
4А 4,52 260 (1)-240 (2, 3)-220 (4) 1-3 (2,0)
4С 4,52 260 (1)-240 (2, 3)-220 (4) 1-3 (2,0)
4В с 4,52 260 (1)-240 (2, 3)-220 (4) 1,3-3,5 (2, 4)
Рис. 2. Микроструктуры сплава после РКУП по маршрутам 4А (а, б), 4С (в, г) и 4Вс (д, е). Светлопольные (а, в, д) и темнопольные (б, г, е) изображения
РКУ-прессования по маршрутам 4А, 4С и 4Вс. В результате использования представленных в табл. 1 режимов РКУ-прессования в магниевом сплаве сформировалась ультрамелкозернистая структура с размером зерен в диапазоне 0,8-3,5 мкм. Размер зерен в данном сплаве практически не зависит от режимов и маршрутов РКУП.
Текстура прессованного и отоженного прутка (перед РКУП) характеризуется острыми аксиальными компонентами [1010] и [0001] с ориентационной плотностью Р, равной 18,0 и 8,0, соответственно. После РКУ-прессования по разным режимам происходит поворот исходной аксиальной текстуры на угол 45-62°
вокруг поперечного направления, который также сопровождается некоторым рассеянием текстурных максимумов. Этот поворот является следствием больших сдвиговых деформаций, происходивших под углом 40-55° к первоначальному направлению прессования из-за поворота канала прессования на 90°.
После РКУП по различным режимам ФРО, рассчитанным по полюсным фигурам (рис. 3), выявляют три основные компоненты текстуры. Параметры текстуры после различных режимов РКУП в сплаве представлены в табл. 2. Анализ результатов, представленных в табл. 2, показывает, что после РКУП магниевого сплава происходит радикальное изменение на-
Рис. 3. Сечения ФРО для угла /2=45° для режимов РКУП 4А (а), 4С (б) и 4Вс (в). Линии равной ориентационной плотности: 1/2/3/4/5/6
Таблица 2
Параметры текстуры после различных режимов РКУП в сплаве МА2-1
Режим РКУП Основные ориентировки Ориентационная
Маршрут Истинная Температура по проходам, в виде тройки эйлеровых плотность
деформация °С углов по Бунге ориентировок Р
(1) {0, 90, 45} 5,3
1А 1,13 260 (2) {180, 90, 45} 2,5
(3) {180, 50, 45} 3,0
{0, 90, 45} 4,5
2А 2,26 260-240 {180, 90, 45} 5,5
{180, 58, 45} 2,0
{0, 90, 45} 4,5
2С 2,26 260-240 {180, 90, 45} 4,5
{180, 45, 45} 3,0
{0, 90, 45} 1,5
4А 4,52 260 (1)-240 (2, 3)-220 (4) {180, 90, 45} 6,0
{180, 62, 45} 2,0
{0, 90, 45} 3,0
4C 4,52 260 (1) -240 (2, 3)-220 (4) {180, 80, 45} 3,5
{180, 50, 45} 7,5
{0, 90, 45} 1,5
4B 4,52 260 (1)-240 (2, 3)-220 (4) {180, 90, 45} 1,5
{180, 48, 45} 5,0
чальной аксиальной текстуры, обладающей ярко выраженной базисной компонентой. Текстурные изменения после РКУП сходны при различных режимах РКУП. Однако можно отметить некоторые закономерности текстурообразова-ния в зависимости от режимов прессования.
При РКУП по режиму А с ростом суммарной деформации за счет увеличения числа проходов происходит увеличение ориентационной плотности ориентировки {180, 90, 45}, уменьшение ориентационной плотности ориентировки {0, 90, 45}. Что касается третьей ориентировки, то ее ориентационная плотность практически не изменяется, однако меняется ее положение за счет увеличения угла .
При РКУП по режиму С с ростом суммарной деформации за счет увеличения числа проходов происходит также увеличение ориентационной плотности ориентировки {180, 90, 45} и уменьшение ориентационной плотности ориентировки {0, 90, 45}. Положение третьей ориентировки колеблется по углу от 45 до 50°, а ее ориентационная плотность слегка возрастает.
При РКУП по режиму 4Вс, по сравнению с режимами 4А и 4С, происходит уменьшение ориентационной плотности ориентировок {0, 90, 45} и {180, 90, 45}, а значение ориентационной плотности третьей ориентировки находится между соответствующими величинами для режимов 4А и 4С. Угол для третьей ориентировки уменьшается до 48°.
Механические свойства сплава после РКУП по режимам 4А, 4С и 4Вс представлены в табл.3.
Таблица 3
Механические свойства сплава МА2-1
после РКУП
Предел Предел Относитель-
Маршрут РКУП текучес- прочнос- ное удли-
ти, МПа ти, МПа нение, %
Исходное состояние 244 304 10,4
4А 252 275 3,8
4С 201 255 15,2
4Вс с 184 246 15,9
Видно, что механические свойства существенно зависят от машрутов РКУП при одинаковых суммарных деформациях и температурах деформации по проходам. С ростом
порядкового номера состояний сплава происходит монотонное уменьшение предела прочности. Предел текучести и равномерное относительное удлинение не монотонно изменяются с ростом порядкового номера состояний. После состояния 2 (маршрут РКУП 4А) происходит возрастание предела текучести и резкое падение пластичности сплава. В дальнейшем, после состояний 3 и 4 (маршруты РКУП 4С и 4Вс соответственно), предел текучести монотонно уменьшается, а относительное удлинение возрастает, превышая исходное состояние в 1,5 раза. По-видимому, в исходном состоянии после горячего прессования и отжига сохраняется доля полигонизо-ванной структуры, что и определяет повышенную прочность. При сравнении влияния маршрутов РКУП на структурообразование в алюминии ранее было показано [14], что наиболее равноосная структура с большеугловыми границами формируется по маршруту Вс, суб-зеренная с повышенной плотностью дислокаций - по маршруту А, и промежуточная - по маршруту С. Поэтому можно предположить, что пластичность по маршрутам С и Вс повышается за счет увеличения доли большеугло-вых границ, а уменьшение прочности - за счет уменьшения плотности свободных дислокаций и некоторого подрастания размеров структурных элементов.
Значительное увеличение пластичности и уменьшение предела текучести и предела прочности в образцах после режимов 4С и 4Вс сопровождается заметным изменением текстуры сплава при близких значениях размеров зерен. Влияние текстуры и микроструктуры на предел текучести можно оценить с помощью известного соотношения Холла-Петча и расчета обобщенных факторов Шмида применительно к определенным преимущественным ориентировкам для действующих систем деформации. В магнии и магниевых сплавах в процессе пластической деформации при комнатной и повышенных температурах действуют следующие основные системы деформации: базисное и призматическое скольжение в направлении <а> и двойникование по системе {1012}<1011>. Активность этих систем в значительной степени зависит от критических напряжений сдви-
га на них. Отношения критических напряжений сдвига на различных системах скольжения для данной температуры испытаний зависят от исходного размера зерна и типа текстуры. При более мелком зерне в сплаве отношение критических напряжений сдвига на небазисных плоскостях к базисным снижается, если текстура при этом остается неизменной. В нашем случае после РКУП наряду с измельчением зерна происходит радикальное изменение текстуры, благоприятное для базисного скольжения при последующем растяжении образцов магниевого сплава, особенно после маршрутов 4С и 4Вс. Зто должно дополнительно повышать активность базисного скольжения. Для магниевых сплавов в уравнении Холла-Петча величина ^определяет вклад в предел текучести, обусловленный базисным скольжением [15]: и0=Мта1ф , где М - ориентационный фактор для базисного скольжения, та - критическое напряжение сдвига для базисного скольжения. Применим соотношение Холла-Петча к состояниям 3 и 4. Для них характерны близкие значения пластичности, а значения предела текучести немного меньше для случая 4Вс, что можно объяснить несколько большим значением среднего размера зерна. Результаты расчетов приведены в табл. 4.
Таблица 4
Параметры уравнения Холла-Петча и ориентационные факторы для базисного и призматического скольжения сплава МА2-1 после различных режимов РКУП
Маршрут РКУП МПа к ч а-1'2, м-1'2 М N
4 А 10,4 0,342 707,2 8,8 5,2
4 С 5,8 0,276 707,2 5,1 5,5
48 С 5,8 0,276 645,6 4,7 5,8
Ориентационные факторы для базисного (М) и призматического (/V) скольжения можно оценить как величины, обратные обобщенным факторам Шмида для текстурных состояний сплава:
11м1 1
М = - = --; -' (1)
^ Ы ХтД
)=1 м
где т6 и тпр - обобщенные факторы Шмида для базисного и призматического скольжения; т. - ориентационный фактор Шмида, рассчитанный для /-ой компоненты текстуры; ^ - вес /'-ой компоненты текстуры; р - число компонент текстуры.
В табл. 5 представлены результаты расчета факторов Шмида для базисного и призматического скольжения для текстурных компонент сплава после РКУП по маршрутам 4А, 4С и 4Вс применительно к испытаниям на растяжение при комнатной температуре.
Из табл. 5 видно, что режимы РКУП 4С и 4Вс активизируют базисное скольжение по сравнению с режимом 4А в -1,4 раза, при этом призматическое скольжение слегка тормозится. Это следствие формирования после данных режимов РКУП текстуры, благоприятной для базисного скольжения. Ориентационные факторы Ми IV, рассчитанные по формулам (1) и данным табл. 5, приведены в табл. 4. Следует отметить достаточно близкие значения этих факторов для режимов 4С и 4Вс, что подтверждает обоснованность предлагаемой оценки параметров уравнения Холла-Петча. Величина коэффициента ку в уравнении Холла-Петча, характеризующего способность границ зерен передавать деформацию, заметно отличается для образцов, деформированных по режиму 4А, по сравнению с образцами, обработанными по режимам 4С и 4Вс. Она выше в -1,24 раза для режима 4А РКУП. При этом средний размер зерен приблизительно одинаков для всех исследуемых режимов. Эти данные косвенно свидетельствуют о том, что в случае 4А границы зерен тормозят развитие деформации в большей степени, чем в случаях 4С и 4Вс. Требуется специальное исследование типов границ зерен для данных режимов РКУП, что является предметом дальнейших наших исследований.
В целом проведенный анализ позволяет выявить два основных фактора, объясняющих значительное повышение пластичности и снижение прочностных свойств магниевого сплава после РКУП по режимам 4С и 4Вс. Это - активизация базисного скольжения за счет формирования благоприятной текстуры и формирование типов границ зерен, обеспечивающих облегченную передачу деформации.
Таблица 5 Факторы Шмида для сплава МА2-1 после различных маршрутов РКУП
Маршрут РКУП Основные ориентировки f 1 т. тб m пр
(0001) [1120] (1010) [1120]
4А {0, 90, 45} {180, 90, 45} {180, 62, 45} Бестекстурная компонента 0,03 0,294 0,082 0,594 0 0 0,27 0,154 0,244 0,244 0,26 0,154 0,114 0,191
4С {0, 90, 45} {180, 80, 45} {180, 50, 45} Бестекстурная компонента 0,061 0,057 0,319 0,563 0 0,11 0,32 0,154 0,244 0,323 0,196 0,154 0,195 0,183
4B c {0, 90, 45} {180, 90, 45} {180, 48, 45} Бестекстурная компонента 0,01 0,045 0,419 0,526 0 0 0,32 0,154 0,244 0,244 0,184 0,154 0,215 0,171
Можно предположить, что это высокоугловые границы, обеспечивающие повышенную пластичность при примерно одинаковых размерах структурных элементов.
Выводы
1. В магниевом сплаве МА2-1 после рав-ноканального углового прессования при различных режимах и маршрутах формируется ультрамелкозернистая структура с размером зерен в диапазоне 1-3 мкм, величина которых практически не зависит как от маршрутов прессования, так и от изменения режимов деформации в пределах каждого маршрута.
2. Текстура сплава после РКУП существенно видоизменяется и характеризуется тремя основными ориентировками {0, 90, 45}, {180, 90, 45} и {180, а, 45}, ориентационная плотность которых и величина угла а (а изменя-
ется в диапазоне 45-62°) существенно зависят от выбранного маршрута прессования.
3. Пластичность и прочностные свойства сплава после РКУП до истинных деформаций 8=4,52 при температурах 220-260 °С значительно зависят от маршрутов прессования (относительное равномерное удлинение при растяжении при комнатной температуре для маршрутов 4С и 4Вс достигает 15 %, что в 4 раза выше, чем для маршрута 4А; предел текучести для маршрутов 4С и 4Вс в 1,3 и 1,4 раза соответственно ниже, чем для маршрута 4А).
4. Оценка влияния микроструктуры и текстуры через уравнение Холла-Петча и обобщенные факторы Шмида на механические свойства сплава выявляет два основных фактора повышения пластичности и снижения прочностных свойств: активизацию базисного скольжения и формирование типов границ зерен, обеспечивающих облегченную деформацию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gottstein G., Samman T.Al.//Materials Science Forum 2005, V. 495-497. P. 623-632.
2. Serebryany V.N., Kochubei A.Ya., Mel'ni-kov K.E.//Proceedings of the I & II France-Russia Seminar «New Achievements in Materials Science». - Moscow, November 2005. P. 25-27.
3. Серебряный В.Н., Кочубей А.Я., Курта-сов С.Ф., Мельников К.Е.//Металлы. 2007. № 1. C. 87-93.
4. Сегал В.М., Резников В.И., Дробышев-
ский А.Е., Копылов В.И.//Известия АН СССР Металлы. 1981. № 1. C. 115-123.
5. Mukai T., Yamanoi M., Watanabe H., Higashi K. //Scripta Materialia. 2001. V. 45. P. 89-94.
6. Kim W.J., An C.W., Kim Y.S., Hong S.I.//Scripta Materialia. 2002. V. 47. P. 39-44.
7. Agnew S.R., Horton J.A., Lillo T.M., Brown D.W. //Scripta Materialia. 2004. V. 50. P. 377-381.
8. Stoica G.M., Agnew S.R., Payzant E.A. at al.// Proceedings of the International Symposium
«Ultrafine Grained Materials III», TMS, Charlotte, March 2004. P. 427-432.
9. Lin H.K., Huang J.C., Langdon T.G.//Materials Science Engineering. 2005. V. A402. P. 250-257.
10. Серебряный В.Н., Иванова Т.М., Гордеев А.С. и др.//металлы. 2008. № 3. C. 91-98.
11. Serebryany V.N., Popov M.V., Gordeev A.S. at al.//Materials Science Forum. 2008. V. 584586. P. 375-379.
12. Serebryany V.N., Dobatkin S.V., Kopylov V.I.//
Materials Science Forum. 2009, in press.
13. Серебряный В.Н., Куртасов С.Ф., Литвино-
вич М.А.//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73, № 4. C. 2935.
14. Iwahasi Y., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G.
//Acta Materialia. 1998. V. 46. P. 3317-3331.
15. Sambasiva Rao G., Y.V.R.K. Prasad//
Metallurgical Transactions. 1982. V. 13A. P. 2219-2226.
