CC BY
53
УДК 539.531+53.092+544.032.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1176-1179
ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ БРОНЗЫ
© А.И. Морозова, А.Н. Беляков
Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, e-mail: morozova_ai@bsu.edu.ru
Исследовано влияние интенсивной пластической деформации, включающей равноканальное угловое прессование при температуре 400 °С до степени деформации е = 2 и холодную прокатку до степени деформации е = 0,31,2, на микроструктуру и физико-механические свойства низколегированной бронзы системы Си-Сг^г. В процессе деформационной обработки в Си-Сг^г бронзе происходит измельчение зерен, что приводит к увеличению твердости в соответствии с уравнением Холла-Петча и сопровождается снижением электропроводности. Ключевые слова: низколегированная Си-Сг^г бронза; интенсивная пластическая деформация; непрерывная динамическая рекристаллизация; уравнение Холла-Петча.
Бронзы, легированные хромом и цирконием, широко используются в электротехнике, в частности в качестве профилей для коллекторных пластин электродвигателей, требующих при эксплуатации сочетания повышенных прочностных характеристик и высокой электропроводности. Комплекс требуемых физико-механических свойств можно получить благодаря подбору легирующих элементов и оптимальной деформационно-термической обработке. Высокая электропроводность в таких материалах достигается стандартной термической обработкой (ТО), сочетающей получение пересыщенного твердого раствора и старение. Повышенные прочностные свойства получают за счет формирования в материале субмикро- и/или нанокристал-лической структуры воздействием интенсивной пластической деформации (ИПД). Равноканальное угловое прессование (РКУП) на сегодняшний день считается одним из наиболее эффективных методов измельчения структуры в медных материалах [1]. Сочетание операций непрерывного РКУП с последующей холодной прокаткой может быть использовано для производства высокопроводящих коллекторных профилей с повышенными характеристиками прочности. Целью данной работы является исследование влияния холодной прокатки на физико-механические свойства низколегированной Си-Сг-7г бронзы, ранее подвергнутой РКУП.
В качестве материала исследования выбрана низколегированная бронза системы Си-Сг-7г (Си-0,096% Сг-0,057% 7г, вес. %) после стандартной термической обработки, включающей отжиг при температуре 920 °С в течение 1 ч, закалку и старение при температуре 550 °С 4 ч. Средний размер зерен после термообработки составил 160+10 мкм, плотность дислокаций -2+0,5-108 м-2, твердость - 105+5 единиц твердости по Виккерсу (НУ), электропроводность - 82+3 % от электропроводности чистой меди (1АСБ). Затем бронзу подвергли равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температуре 400 °С по маршруту Вс (после каждого прохода РКУП образец поворачивали на 90°
относительно оси прокатки) до истинной степени деформации 8 = 2. Следующим этапом деформационно -термической обработки была холодная прокатка (ХП) до истинной степени деформации 8 = 0,3-1,2. Микроструктуру деформированной меди исследовали с помощью растрового электронного микроскопа Nova NanoSEM 450, оснащенного детектором регистрации обратно-рассеянных электронов (метод EBSD). Средний размер зерен, долю большеугловых границ (БУГ -границы зерен с углом разориентировки больше 15°), плотность дислокаций рассчитывали с использованием программы для автоматической обработки данных EBSD-анализа TSL OIM Analysis 6. Измерение твердости осуществляли методом Виккерса в соответствии с ГОСТ-2999-75 с использованием установки для измерения микротвердости MVD 402. Для оценки электропроводности материала применяли 4-зондовый метод.
Микроструктура низколегированной Cu-Cr-Zr бронзы после РКУП и последующей ХП представлена на рис. 1. Деформация в ходе РКУП приводит к измельчению зеренной структуры термообработанной бронзы. Структура после 2 проходов РКУП характеризуется высокой долей малоугловых границ (МУГ) -границ с разориентировкой 2°-15° (белые линии на рис. 1). Исходные зерна вытягиваются вдоль направления последнего прохода РКУП, внутри грубых зерен значительно увеличивается плотность дислокаций до 4+1-1014 м-2. Дислокации формируют МУГ, угол разо-риентиовки которых увеличивается в процессе деформации за счет притока новых дислокаций. Постепенно МУГ трансформируются в БУГ, формируя новые ультрамелкие зерна, размером меньше 1 мкм. Такое деформационное поведение материала можно классифицировать как непрерывную динамическую рекристаллизацию [2].
ХП приводит к вытягиванию исходных крупных зерен вдоль направления прокатки. Следует отметить, что с увеличением степени деформации при прокатке (рис. 1б-1г) происходит увеличение плотности боль-
шеугловых границ. Интенсивное пластическое течение проходит не только в отдельных благоприятно ориентированных зернах, а распространяется во всем объеме материала. При этом в крупных исходных зернах образуются поперечные границы с нерегулярной дислокационной структурой, их разориентировка меняется по длине границы. БУГ перемежаются сеткой МУГ, доля БУГ FБУГ растет с увеличением степени деформации (рис. 2). Внутри двойников отжига формируются поперечные МУГ, которые быстро увеличивают угол разо-риентировки в процессе деформации и уже после ХП до степени 8 = 0,3 двойники трансформируются в цепочки мелких динамически рекристаллизованных зерен.
Рис. 2 иллюстрирует изменение микроструктурных характеристик бронзы после прокатки. После РКУП размер зерен в продольном Д^ и поперечном Дп сечении значительно различается, смена схемы деформации способствует повышению равноосности кристаллитов. В процессе ХП происходит уменьшение среднего размера зерна Дср в 2 раза (до 7+0,4 мкм). Отметим, что ХП не приводит к существенному изменению плотности дислокаций р: вне зависимости от степени деформации при ХП плотность дислокаций примерно равна 4+1-1014 м-2.
Рис. 1. Микроструктура сплава системы Си-Сг-2г после РКУП (а) и ХП до степени деформации 0,3 (б), 0,7 (в), 1,2 (г)
Рис. 3. Изменение твердости HV и электропроводности IACS в процессе ХП хромоциркониевой бронзы
Рис. 4. Зависимость Холла-Петча для низколегированного Си-Сг-2г сплава
Пластическая деформация способствует повышению механических характеристик материала. РКУП приводит к росту твердости до 131+5НУ. Упрочнение Си-Сг-7г бронзы вызвано увеличением плотности дислокаций в 104 раз и уменьшением среднего размера зерна более чем в 6 раз. Последующая ХП способствует дальнейшему повышению прочностных характеристик и после истинной степени деформации 8 =1,2 твердость составляет 142+3НУ (рис. 3).
Изменение прочностных свойств с увеличением степени деформации при ХП связано со структурными преобразованиями. Рис. 2 свидетельствует о том, что плотность дислокаций не зависит от степени деформации, следовательно, повышение твердости связано с измельчением зеренной структуры Си-Сг-7г сплава. Известно, что механическая прочность пропорциональна квадратному корню обратного размера зерна и описывается следующим соотношением Холла-Петча [3]:
HV = HV0 +
к
■JaP
Рис. 2. Влияние степени деформации 8 при ХП на размер зерна Д плотность дислокаций р и долю большеугловых границ FБУг в низколегированной бронзе
где НУ - твердость в единицах твердости Виккерса; НУ0, к - константы материала и Дср - средний размер зерен. Соотношение Холла-Петча для бронзы после различных видов деформационно-термической обра-
ботки представлено на рис. 3. Зависимость Холла-Петча для низколегированной Си-Сг^г бронзы описы-
118
вается уравнением: НУ = 96 + ——= . Коэффициент
лШ
Холла-Петча k = 118 МПа-м0,5 находится в пределах значений, характерных для большинства бронз. Повышенное значение HУ0 = 96 МПа можно связать с высокой плотностью дислокаций, образующихся в материале в процессе интенсивной пластической деформации. Полученные данные коррелируют с работой [4], посвященной измельчению структуры в алюминиевой бронзе в процессе сварки трением с перемешиванием.
Пластическая деформация приводит к ухудшению электропроводности, величина которой зависит от количества точечных, линейных, и поверхностных дефектов, накопленных в материале (рис. 3). ХП сопровождается увеличением плотности линейных и поверхностных дефектов (дислокаций и БУГ, соответственно), на которых происходит рассеяние электронов. Таким образом, ХП сопровождается снижением электропроводности в предварительно деформированной бронзе.
Выводы. Интенсивная пластическая деформация при холодной прокатке, сопровождающаяся непрерывной динамической рекристаллизацией, приводит к уменьшению размера зерен до 7+0,4 мкм. В соответствие с законом Холла-Петча, записанным для Си-Сг^г
118
бронзы в виде HV = 96 + ——=, измельчение зерен со-
4D
провождается увеличением твердости до 142 HV. Холодная прокатка до истинной степени деформации е = 1,2 приводит к снижению электропроводности, однако ее значение сохраняется на высоком уровне, приемлемом для промышленного применения, и составляет 70 % IACS.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Zhilyaev A.P., Shakhova I., Morozova A., Belyakov A., Kaibyshev R. Grain refinement kinetics and strengthening mechanisms in Cu-0.3Cr-0.5Zr alloy subjected to intense plastic deformation // Mater. Sci. Eng. A. 2016. V. 654. P. 131-142.
2. Sakai T., Belyakov A., Kaibyshev R., Miura H., Jonas J.J. Dynamic and post-dynamic recrystallization under hot, cold and severe plastic deformation conditions // Prog. Mater. Sci. 2014. V. 60. P. 130-207.
3. Lu K., Sui M.L. An explanation to the abnormal Hall-Petch relation in nanocrystalline materials // Scrip. Met. Mat. 1993. V. 28. P. 14651470.
4. Rizi M.S., Kokabi A.H. Microstructure evolution and microhardness of friction stir weldedcast aluminum bronze // J. Mat. Proc. Tech. 2014. V. 214. P. 1524-1529.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14Т31Л6.8446-НШ).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.531+53.092+544.032.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1176-1179
EFFECT OF COLD ROLLING ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTISE OF LOW-ALLOWED BRONZE
© A.I. Morozova, A.N. Belyakov
Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, e-mail: morozova_ai@bsu.edu.ru
The effect of severe plastic deformation including the equal channel angular pressing at a temperature of 400 °C to a true strain of e = 2 and the cold rolling to true strains of 8 = 0.3-1.2 on the microstructure and the physical/mechanical properties of a low-allowed Cu-Cr-Zr bronze was studied. The severe deformation was accompanied by grain refinement. The fine grain formation during severe deformation increased the hardness of the bronze in accordance with the Hall-Petch relationship, while the electroconductivity decreased. Key words: low-allowed Cu-Cr-Zr bronze; severe plastic deformation; continuous dynamic recrystallization; Hall-Petch relationship.
REFERENCES
1. Zhilyaev A.P., Shakhova I., Morozova A., Belyakov A., Kaibyshev R. Grain refinement kinetics and strengthening mechanisms in Cu-0.3Cr-0.5Zr alloy subjected to intense plastic deformation. Mater. Sci. Eng. A, 2016, vol. 654, pp. 131-142.
2. Sakai T., Belyakov A., Kaibyshev R., Miura H., Jonas J.J. Dynamic and post-dynamic recrystallization under hot, cold and severe plastic deformation conditions. Prog. Mater. Sci., 2014, vol. 60, pp. 130-207.
3. Lu K., Sui M.L. An explanation to the abnormal Hall-Petch relation in nanocrystalline materials. Scrip. Met. Mat., 1993, vol. 28, pp. 1465-1470.
4. Rizi M.S., Kokabi A.H. Microstructure evolution and microhardness of friction stir weldedcast aluminum bronze. J. Mat. Proc. Tech., 2014, vol. 214, pp. 1524-1529.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Ministry of Education and Science of Russian Federation (agreement no. 14.Y31.16.8446-Hm).
Received 10 April 2016
Морозова Анна Игоревна, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, аспирант, кафедра материаловедения и нанотехнологий, e-mail: morozova_ai@bsu.edu.ru
Morozova Anna Igorevna, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Post-graduate Student, Materials Science and Nanotechnology Department, e-mail: morozova_ai@bsu.edu.ru
Беляков Андрей Николаевич, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент кафедры материаловедения и нанотехнологий, e-mail: belyakov@bsu.edu.ru
Belyakov Andrey Nikolaevich, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor of Materials Science and Nanotechnology Department, e-mail: belya-kov@bsu.edu.ru
