Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование структуры и свойств ГЦК-материалов в условиях холодной
деформации методами обработки давлением (обзор) „. 11
1.1. Методы деформирования. Преимущества и недостатки 11
1.2. Механические свойства, структура и текстура деформированных металлов
и сплавов с ГЦК-структурой 21
1.2.1. Механизмы пластической деформации 21
1.2.2. Пластическая деформация поликристаллов при повторном и знакопеременном нагружении 33
1.2.3. Свойства, структура и текстура деформированных полуфабрикатов 38
1.2.4. Текстура труб 44
1.2.5. Неоднородность деформации 46
1.2.6. Анизотропия свойств 47
1.3. Выводы и постановка задачи исследований
Глава 2. Материалы и методика проведения исследований. Получение деформированных
полуфабрикатов 50
2.1. Исходное состояние, химический состав исследуемых материалов и их термическая обработка 50
2.2. Получение деформированных полуфабрикатов 53
2.2.1. Деформирование материалов методом прямого прессования 56
2.2.2. Деформирование материалов методом вибромеханической обработки 58
2.3. Определение схемы напряженного и деформированного состояния 59
2.4. Проведение механических испытаний 62
2.5. Проведение металлографических исследований 63
2.6. Определение структурных и текстурных характеристик 64
2.7. Выводы 66
Глава 3. Анализ поведения механических свойств материалов в условиях вибромеханического деформирования по сравнению с прямым прессованием 68
3.1. Анализ напряженного и деформированного состояния 68
3.2. Влияние количества проходов на показатели прочности и пластичности 75
3.3. Оценка остаточного ресурса пластичности деформированной меди методом акустической эмиссии 83
3.4. Выводы 86
Глава 4. Анализ структуро- и текстурообразования деформированных материалов в
условиях вибромеханической обработки и прямого прессования 87
4.1. Влияние количества проходов на микроструктуру материалов по толщине 87 стенки 87
4.2. Изменение микроструктуры меди в очаге деформации при вибромеханическом деформировании 95
4.3. Оценка макронеоднородности материала деформированных полуфабрикатов методом рентгеновской дифракции 97
4.4. Влияние количества проходов на текстурные характеристики полуфабрикатов 105
4.5. Выводы 123
Глава 5. О причинах меньшего исчерпания ресурса технологической пластичности сплавов на основе ГЦК-металлов в условиях вибромеханического деформирования 124
Выводы 129
Заключение 130
Литература 132
- Методы деформирования. Преимущества и недостатки
- Исходное состояние, химический состав исследуемых материалов и их термическая обработка
- Анализ напряженного и деформированного состояния
- Влияние количества проходов на микроструктуру материалов по толщине 87 стенки
- О причинах меньшего исчерпания ресурса технологической пластичности сплавов на основе ГЦК-металлов в условиях вибромеханического деформирования
Введение к работе
Актуальность темы. Пластическая деформация как технологический способ обработки металлов используется для изменения формы изделий, а также структуры и свойств металла. Холодная деформация поликристаллического металла приводит к упрочнению, что затрудняет дальнейшее формообразование в ходе многопроходных технологий обработки металлов давлением. Под влиянием сил трения между деформирующим инструментом и деформируемым изделием скорость и другие условия истечения металла по сечению изделия при пластической деформации оказываются неодинаковыми. В результате наблюдается различие в дислокационной структуре и текстуре по сечению изделия, а также появляются макронапряжения между поверхностными и сердцевинными слоями, уравновешивающиеся в макрообъемах изделия.
Неоднородность текстуры и, соответственно, высокий уровень макро- и микронапряжений является крайне нежелательным на стадиях технологических переделов, поскольку ухудшается стабильность технологии в целом. Поиск схем деформации, при которых эти нежелательные факторы минимизированы, безусловно, является актуальной задачей.
Развитие методов вибрационной механики [1,2] и их приложение к различным технологическим процессам является перспективным с учетом выше изложенного. Использование вибрации для интенсификации различных технологических процессов, в том числе в процессе непрерывной разливки металлов, при запрессовке деталей, при волочении и протяжке, позволяет во многих случаях интенсифицировать процессы, улучшить качество материалов [3,4]. Например, снизить уровень остаточных напряжений, степень упрочнения металла и т.д.
В начале 90-х гг. в лаборатории пластической деформации ФТИ УрО РАН
5 разработан способ [5] и создана установка для вибромеханической обработки длинномерных осесимметричных изделий [6]. Основными технологическими преимуществами данного способа деформирования, по сравнению с традиционными, являются малогабаритность из-за отказа от использования прессового оборудования и деформирование без использования смазочных материалов из-за малости контактных сил трения. Первые исследования [7] механических свойств деформированных данным методом металлов и сплавов вызвали научный интерес. Меньшее исчерпание технологической пластичности при вибромеханическом деформировании, по сравнению с другими способами деформации (прессование, волочение, прокатка и т.д.), позволяет сократить количество промежуточных отжигов, проводимых между проходами для восстановления структурного состояния, что, несомненно, является экономически выгодным.
Цель работы. Целью данной работы является выявление и объяснение причин меньшего исчерпания ресурса технологической пластичности в условиях вибромеханического деформирования по сравнению с прямым прессованием путем исследования механических свойств и структуры промышленных сплавов на основе ГЦК-металлов.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: получить трубные полуфабрикаты по многопроходной технологии безоправочным редуцированием: вибромеханической обработкой и прямым прессованием; определить схему деформации путем измерения геометрических параметров полуфабрикатов и расчета степени деформации металлов в условиях безоправочного вибромеханического деформирования по сравнению с прямым прессованием; исследовать поведение механических свойств, микроструктуры и текстуры полуфабрикатов; оценить остаточный ресурс пластичности полуфабрикатов методом акустической эмиссии; исследовать уровень макро- и микронапряжений деформированных полуфабрикатов; выявить причину различия в поведении свойств и структуры в условиях вибромеханического деформирования по сравнению с прямым прессованием; сравнить качество полуфабрикатов, полученных с помощью вибромеханической обработки и прямого прессования, разработать общие рекомендации использования способа вибромеханического обжатия.
Научная новизна работы. В настоящей работе методами механических испытаний, металлографии, рентгеновской дифракции и акустической эмиссии выполнено исследование промышленных сплавов на основе ГЦК-металлов (М2, Діб, АК8 и Л62), полученных многопроходной деформацией с применением схемы прямого прессования и вибромеханического обжатия.
Локализация деформации в приповерхностных областях стенок трубы, полученной вибромеханической обработкой, значительно ниже, чем прессованной. Характер течения материала способствует формированию более однородной структуры по сечению стенки трубы.
При реализации схемы вибромеханического обжатия характер изменения текстуры по стенке трубы остается одинаковым, в то время как при прямом прессовании наблюдается качественное различие текстурного состояния с внутренней и внешней сторон трубы.
3. Согласно данным исследования акустической эмиссии плотность дислокаций в поверхностных слоях трубы полученной методом вибромеханического деформирования не достигает уровня, препятствующего выходу движущихся дислокаций на поверхность, даже при степенях деформации превышающих 60%. Это свидетельствует о формировании отличной по сравнению с прямым прессованием дислокационной структуры, в которых поверхность становится непрозрачной для выхода дислокации уже при деформации 48%.
Повышение ресурса пластичности материалов в случае вибромеханической обработки обусловлено меньшим вкладом множественного скольжения из-за облегченного движения дислокаций в пределах одной системы скольжения, вызванного знакопостоянным переменным нагружением при вибрационном воздействии.
Изменение толщины стенки при безоправочном деформировании по схеме вибромеханического обжатия незначительно по сравнению с прямым прессованием.
Найден параметр к для оценки изменения толщины стенки трубы в условиях вибромеханической обработки, не зависящий от природы материала, определяемый как коэффициент пропорциональности между величинами (h/ho)/Do и степенью редуцирования D/Do и равный k=(h/ho)/D = 0,077+0,003 м".
В работе показано, что схема вибромеханической обработки является более предпочтительной для производства труб безодравочными способами.
Практическая значимость работы. В настоящей работе получена новая информация о структурном и текстурном состоянии трубных полуфабрикатов и их изменении в процессе обработки различными методами деформации. Полученные закономерности могут быть полезными для выбора схем деформации при изготовлении длинномерных осесимметричных изделий путем многопроходной деформации. Результаты работы могут быть использованы при разработке технологии получения материалов с заданными служебными характеристиками и методов их контроля.
Основные положения, выносимые на защиту:
Схемы деформации при вибромеханическом деформировании и прямом прессовании одинаковы, что дает основание для исследования особенностей процесса вибромеханической обработки в сравнении с методом прямого прессования.
Вибромеханическая обработка обеспечивает меньшее утолщение труб при безоправочной деформации по сравнению с прямым прессованием.
При вибромеханической обработке по сравнению с прямым прессованием ресурс пластичности сохраняется до больших степеней деформации, формируется более равноосная зеренная структура, а развитие текстуры затруднено.
При вибромеханической обработке, по сравнению с прямым прессованием зеренная структура и текстура по сечению стенки трубы формируются более однородно.
По результатам исследования акустической эмиссии при одноосном растяжении плотность деформационных дефектов в стенке трубы из меди М2, полученной при вибромеханической обработке, меньше, чем при прямом прессовании.
Меньшее исчерпание ресурса пластичности промышленных сплавов на основе ГЦК-металлов (техническая медь М2, латунь Л62, алюминиевые сплавы Діб и АК8) в условиях вибромеханического деформирования обусловлено формированием однородной зереннои структуры, а развитие текстуры затруднено из-за цикличного изменения уровня силы радиального давления и связанных с этим циклических изменений направлений деформационного сдвига.
Личный вклад автора. Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором, а также полученные в соавторстве. Автором диссертации лично проведены термическая обработка труб до деформирования, механические испытания, металлографические и дифракционные исследования. Приготовление образцов для исследований и их поверхности (электроискровая резка,
9 механическая и химическая полировка, травление) проведено лично автором. На основе полученных дифракционных данных автором проведены рентгеноструктурный анализ для оценки деформированного состояния слоев материала исследуемых объектов, расчет значений полюсной плотности и построение обратных полюсных фигур для оценки текстуры деформации. Получение деформированных трубных полуфабрикатов методами вибромеханической обработки и прямого прессования проведено совместно с
Гайворонским А. А. (ФТИ УрО РАН, г. Ижевск); исследования с использованием метода акустической эмиссии - Разуваевьш А. А. (ТГУ, г. Тольятти). Общая и конкретные задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы научным руководителем - Демаковым С. Л. (УГТУ - УПИ, г. Екатеринбург).
Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводилась совместно с научным руководителем, научным консультантом Титоровым Д. Б. (ФТИ УрО РАН, г. Ижевск) и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:
II, III, IV, V Уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2000 - 2003 г.;
5-ой Российской университетско-академической научно-практической конференции, Ижевск, 2001 г.;
I - V Конференциях молодых ученых ФТИ УрО РАН, Ижевск, 2001 - 2005 гг.; XXXVIII и XXXIX Международных семинарах «Актуальные проблемы прочности», Санкт-Петербург, 2001; VI Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Компьютерное моделирование», Барнаул, 2001 г.;
II и III Выездных молодежных семинарах «Проблемы физики конденсированного состояния вещества», Екатеринбург, 2001 г. и 2002 г.; XVI и XVIII Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Уфа, 2002 г., Тольятти, 2006г.;
IX Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов - 'ДСМС-2002'», Екатеринбург, 2002; X Московском семинаре «Физика деформации и разрушения твердых тел», Черноголовка, 2002 г.; VII Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (МНТ - VII)», Обнинск, 2003 г.; XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» Тольятти, 2003 г.;
I и II Международных школах «Физическое материаловедение», Тольятти, 2004 и 2005г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 7 статей в рецензируемых журналах [162-170].
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 146 страницах машинописного текста, включая 68 рисунков, 8 таблиц и библиографический список, содержащий 173 названий.
class1 Формирование структуры и свойств ГЦК-материалов в условиях холодной
деформации методами обработки давлением (обзор) class1
Методы деформирования. Преимущества и недостатки
Традиционные методы обработки материалов давлением (ОМД), такие как волочение [8], прессование [9], радиальная и ротационная ковка [10], прокатка [11] широко используют в производстве для получения деформированных полуфабрикатов в виде точных сложных профилей, при чем необходимость последних затребована промышленностью в различных отраслях, и в большом объеме, в виде трубных изделий из различных металлов и сплавов [12-17].
В основе многопроходных методов ОМД для изготовления осесимметричных длинномерных изделий (труб) заложены классические схемы: прокатка, волочение, ковка, прессование.
ПРОКАТКА [11,14,18-35] - процесс деформации металла, осуществляемый сдавливанием металла между вращающимися валками. Прокаткой изготовляют трубы как с продольным сварочным швом, так и бесшовные (цельнотянутые). Прокатка бесшовных труб состоит из операций а) получения отверстия в сплошном теле и б) превращения полученного полого тела в тонкостенную трубу. Холодную прокатку проводят с целью получения изделий малой толщины, которую невыгодно получать горячей прокаткой; готового продукта точных размеров и с чистой поверхностью; надлежащих механических свойств для отдельных видов готового продукта. Для изготовления труб применяют следующие виды прокатки: поперечная, винтовая, продольная, непрерывная, пилигримовая, холодная периодическая.
class2 Материалы и методика проведения исследований. Получение деформированных
полуфабрикатов class2
Исходное состояние, химический состав исследуемых материалов и их термическая обработка
Алюминиевые и медные сплавы [151,152] широко применяются в различных отраслях промышленности (строительстве, судостроении, авиации, электротехнике и т.д.), в виде деформированных изделий. Для этого промышленностью выпускаются полуфабрикаты различных видов (листы, профили, прутки, трубы, поковки, штамповки и т.д.). Также широкое применение алюминиевые сплавы нашли в нефтяной и химической промышленности в виде бурильных, насосно-компрессорных труб и трубопроводов для транспортировки сернистых нефти и газа, а медные сплавы - в виде деталей машин к механизмов, в теплообменниках и т.д. Трубы из алюминиевых и медных сплавов из-за хорошего сочетания коррозионных и технологических свойств широко применяют для несущих конструкций, работающих в агрессивных условиях и (или) под воздействием длительных нагрузок.
Для исследования прочностных и пластических свойств существуют стандартные методы механических испытаний [98,153]. Основными методами для исследования структуры деформированных материалов применяют метод металлографический, рентгеновской дифракции и электронно-оптической микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, метод акустической эмиссии.
Анализ напряженного и деформированного состояния
Известно [155,156], что метод акустической эмиссии (АЭ) является тонким инструментом для изучения неоднородностей пластической деформации материалов. Таким образом, регистрацию АЭ-сигналов проводили при механических испытаниях на растяжение. Для регистрации сигналов АЭ использован широкополосный пьезодатчик П-113, который крепили посередине рабочей части образца через слой трансформаторного масла с целью улучшения акустического контакта. С помощью прибора АВН-3 выделяли огибающую сигналов АЭ. Общий коэффициент усиления АЭ сигналов 1,6х104, Регистрацию АЭ осуществляли с помощью анализатора сигналов АВН-3 и набора стандартной регистрирующей аппаратуры [157]. Для устранения паразитных акустических шумов, возникающих из-за трения головок образцов в захватах испытательной машины, головки предварительно обжимали нагрузкой 1,5о"в. В процессе испытаний синхронно записывали механическую Р-Д1 и акустико-эмиссионную Y-ДІ, где Y-огибающая сигналов АЭ. В качестве параметра, характеризующего энергетичность АЭ процессов определяли суммарную АЭ, как площадь под кривой Y-A1. Регистрируемый диапазон частот 160-250 кГц. Резонансная частота пьезопреобразователя (пьезокерамика ЦТС-19) 217 кГц. Известно [155], что огибающая сигналов АЭ является чувствительной к концентрации примесей в меди. Методом вторично-ионной масс-спектрометрии Гильмутдиновым Ф,3. (ФТИ УрО РАН, г.Ижевск) определена концентрация примесей в меди, которая соответствует марке М2 (табл.1). Выводы к главе 2.
Таким образом, с помощью многоцикловых методов вибромеханической обработки и прямого прессования по многопроходной технологии уменьшения внешнего диаметра безоправочным способом без использования промежуточных термических обработок, смазочных материалов и предварительных нагревов деформируемого металла и деформирующего инструмента и оснастки с одинаковой скоростью деформирования получены из труб с внешним диаметром 26-20 мм и толщиной 1,35-3 мм, предварительно подвергнутых рекристализационному отжигу, деформированные полуфабрикаты в виде трубных образцов со степенями деформации до 63% (с количеством проходов 1-4); а) из технической меди М2, латуни Л62, алюминиевых сплавов АК8 и Діб методом вибромеханической обработки; б) из технической меди М2 и алюминиевого сплава Діб методом прямого прессования.
class4 Анализ структуро- и текстурообразования деформированных материалов в
условиях вибромеханической обработки и прямого прессования class4
Влияние количества проходов на микроструктуру материалов по толщине 87 стенки
Микроструктурные фотографии меди М2 (рис.42) показывают изменение зеренной структуры в объеме деформированных полуфабрикатов, полученных в результате многократного деформирования двумя методами ВМО и ПП. После разупрочняющего отжига медь представляет собой крупнозернистую полиэдрическую структуру со средним размером зерна Qоколо 100 мкм (рис.42, а). Изменение микроструктуры с увеличением количества проходов при ПП неоднородно по толщине стенки трубы. После 4 проходов наблюдается радиально ориентированная зеренная структура на поперечном сечении и ориентированная в долевом направлении на продольном сечении (рис.42, б - г). В приповерхностных слоях стенки трубы наблюдается локализация деформации, причем на внутренней стенке степень локализации выше. На прессованных образцах такая локализация видна уже после 1 прохода Микроструктура ВМО-образцов также указывает на формирование ориентированной радиально на поперечном сечении и вдоль оси трубы на продольном сечении зеренной структуры. По сравнению с ПП-образцами такие изменения структуры наблюдаются по всему сечению.
О причинах меньшего исчерпания ресурса технологической пластичности сплавов на основе ГЦК-металлов в условиях вибромеханического деформирования
В настоящей работе обнаружено, что изменение механических свойств в условиях вибромеханической обработки происходит меньше по сравнению с прямым прессованием. Максимальное увеличение временного сопротивления разрыву вибромеханически деформированных сплавов составило до 20%, а прессованных - до 40% (глава 3). Известно [122], что упрочнение и пластичность материалов зависит от схемы напряженно-деформированного состояния. По мнению авторов [68,129] незначительная разница в изменении механических свойств при испытаниях на растяжение после деформации по схеме всестороннего сжатия, то есть при реализации многократной знакопеременной деформации «сжатие-растяжение», не зависит от схемы деформации, а зависит от величины степени деформации материала за один проход. В случае если эта степень деформации не превышает 5-15% за один проход, что и наблюдается в настоящей работе (за каждый проход степень деформации около 10% для всех исследованных сплавов), то изменение механических свойств не зависит от схемы напряженно-деформированного состояния. В противном случае - происходит упрочнение и падение пластичности. Таким образом, это обуславливает меньшую разницу в механических свойствах вибромеханически деформированных сплавов по сравнению с прессованными.
Анализ механических схем по Губкину и Фридману показал, что в процессе ВМО и ПП они одинаковы: реализуется схема всестороннего сжатия и схема деформации с двумя с одной отрицательной и двумя положительными деформациями. Таким образом, особенности формирования свойств и структуры обусловлены только вибрационным воздействием, осуществляемым в ходе деформирования деформирующим элементом. Известно [1-4], что использование вибрации в технологических процессах позволяет улучшить свойства материалов.
