Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Напряженно-деформированное состояние при равноканальном угловом прессовании 13
1.1. Аналитически-экспериментальный метод оценки напряженно-деформированного состояния при РКУП 16
1.1.1. Методика, эксперимент и математическая модель 16
1.1.2. Результаты и их обсуждение 20
1.2. Оценка деформированного состояния при РКУП физическим и численным моделированием 24
1.3. Энергетический анализ процесса РКУП 30
1.4. Методика оценки запаса пластичности материала и выбора геометрии оснастки при РКУП 36
Выводы по главе 39
Глава 2. Роль очага деформации в измельчении зерен в металлах при интенсивной пластической деформации 42
2.1. Роль параметров очага деформации при измельчении микроструктуры 47
2.2. Измельчение структуры и кинетика фрагментации при РКУП 54
2.3. Особенности фрагментация при ИПД методом РКУП 61
Выводы по главе 66
Глава 3. Развитие методов РКУП металлических заготовок 67
3.1. Формирование УМЗ состояний в трудно деформируемых материалах методом РКУП 67
3.1.1. Исследование РКУП вольфрама 74
3.1.2. Разработка режимов РКУП для получения УМЗ структуры в нитиноле 80
3.1.3. Масштабирование при РКУП труднодеформируемых двухфазных титановых сплавов 87
3.1.4. Разработка и исследование процесса РКУП для получения крупногабаритных заготовок 95
3.2. РКУП с противодавлением, оборудование и особенности процесса 101
3.2.1. РКУП с подпором вязкопластичной средой 103
3.2.2. Оборудование для РКУП с противодавлением жестким обратным пуансоном 107
3.2.3. Влияние противодавления на структуру и свойства материалов после РКУП 111
3.3. РКУП в параллельных каналах 115
3.3.1. Исследование процесса РКУП-ПК 116
3.3.2. Оценка промышленного потенциала схемы прессования в параллельных каналах 129
Выводы по главе 135 --
Глава 4. Разработка опытно-промышленного метода ИПД на основе РКУП-Конформ 137
4.1. Принципы и технические подходы при создании процесса РКУП-К 137
4.2. Разработка опытно-экспериментальной установки РКУП-К для получения НС полуфабрикатов из металлических технически чистых материалов, в том числе титана и меди 141
4.3. Технологические исследования работоспособности экспериментальной установки 150
4 4.4. Комбинированная обработка технического титана (РКУП К + волочение) 166
Выводы по главе 170
Глава 5. Использование РКУП при обработке промышленных металлов и сплавов для их инновационных применений в медицине и технике 171
5.1. Разработка наноструктурных титановых сплавов для изделий промышленного назначения 171
5.2. Получение УМЗ никелида титана для производства термомеханических муфт повышенного качества 176
5.3. Разработка и исследование облицовок кумулятивных зарядов из УМЗ меди для перфорации труб нефтяных и газовых скважин 182
5.4. Наноструктурные строительные микролегированные низкоуглеродистые стали с повышенными огнестойкими свойствами 189
5.5. Получение магнитов из УМЗ сплавов Ti-Nd-B с повышенными эксплуатационными свойствами 198
5.6. Разработка низкоуглеродистых УМЗ сталей для создания высокопрочного крепежа 205
5.7. Технология получения длинномерных прутков нанотитана для медицинских применений 209
Выводы по главе 212
3аключение 214
Библиографический список 217
Приложения 239
- Оценка деформированного состояния при РКУП физическим и численным моделированием
- Измельчение структуры и кинетика фрагментации при РКУП
- Масштабирование при РКУП труднодеформируемых двухфазных титановых сплавов
- Разработка опытно-экспериментальной установки РКУП-К для получения НС полуфабрикатов из металлических технически чистых материалов, в том числе титана и меди
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из актуальных задач металлургии и машиностроения является повышение физико-механических свойств изделий и полуфабрикатов. Решение таких задач лежит в области создания высокоэффективных технологий с применением современных и передовых методов обработки.
Традиционные промышленные процессы обработки металлов давлением (ОМД), использующие горячую и/или холодную деформацию направлены, преимущественно, на формообразование и технологичность процессов, а уровень механических свойств формируют за счет использования соответствующих марок стали. Хотя, например, в холодновысадочном и волочильном производствах используют наклеп для повышения характеристик прочности. Как правило, металлические материалы после вышеотмеченных обработок имеют крупнозернистую и/или субзеренную структуру. Вместе с тем, известно, что их ультрамелкозернистые (УМЗ) и наноструктурные (НС) состояния с зернами размером менее одного микрона и особым состоянием границ могут значительно (в 2-3 раза) повысить прочность технически чистых металлов и в 1,5-2 раза сплавов в сочетании с достаточно высокой пластичностью [1-5].
В научно-технической литературе часто оперируют как термином УМЗ, так и НС и, хотя в последнее время устоялось определенное мнение, что НС материалами считаются металлы с размером зерен менее 100 нм, в представленной работе для упрощения восприятие материала диссертации в, историческом развитии, термины, «наноструктурные» и «ультрамелкозернистые» используются как тождественные для материалов, имеющих размеры, зерен до 1000 нм.
На практике при формировании УМЗ состояний в металлических объемных материалах наиболее широкое распространение получили методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [1, 6]. Использование методов ИПД может приводить к формированию УМЗ структуры субмикрометрического
8 диапазона со средним размером зерен 200-500 нм и развитой внутризеренной субструктурой с размерами элементов менее 100 нм, что позволяет отнести эти материалы к классу объемных наноструктурных материалов.
В последние годы научно-прикладные исследования этих методов с целью получения УМЗ полуфабрикатов с высоким комплексом физико-механических свойств в технически чистых металлах и сплавах формируется в одно из новых направлений ОМД. ИПД - это холодная или теплая пластическая обработка, как правило, исходно крупнозернистых литых или горячедеформи-рованных объемных металлических материалов с целью формирования в них УМЗ или НС и, соответственно, значительного повышения комплекса механических свойств получаемых полуфабрикатов и изделий. При этом пониженные температуры пластического воздействия и разовые большие деформации е = 0.5-1,0 способствуют интенсификации процесса структурообразования. Как известно, большие деформации позволяют наиболее эффективно изменять параметры исходной структуры, а при деформировании ниже 0,3-0.4 Т11Л приводить к более интенсивному наклепу и, соответственно, быстрому накоплению дефектов кристаллической структуры [7-13]. Однако необходимость многоцик-ловой обработки в этих условиях является нетривиальной задачей и приводит к возникновению научно-технических проблем, связанных с обеспечением технологического запаса пластичности и получением бездефектных полуфабрикатов и изделий при реализации таких технологий. Все это требует более глубоких исследований основ структурообразования материалов и их деформационного поведения при интенсивных,, больших деформациях, а также решения технологических и технических проблем: К тому же имеется ряд параметров ИПД, таких как характер течения, уровень гидростатического давления, температура,, характеристики очага и схемы деформации, которые оказывают влияние на процесс структурообразования [14]. Поэтому интенсивность перехода крупнозернистого структурного состояния в УМЗ в зависимости от многофакторных условий деформационного воздействия является наиболее важным параметром при исследовании методов ИПД. Например, создание более «мягких»
9 схем деформации при ИПД за счет повышения гидростатического давления (ГД) в условиях всестороннего сжатия позволяет повысить деформируемость и интенсивность перехода в УМЗ состояние материалов, но требует специальных мер по обеспечению стойкости технологической оснастки и управлению характером течения материала. Наиболее сложной проблемой является получение однородных деформированных и, соответственно, УМЗ состояний в объеме всей заготовки или полуфабриката. Известно, что структурная однородность один из важных факторов, влияющих на уровень и однородность механических и пластических свойств [14]. Из известных методов ИПД, позволяющих обеспечить высокую интенсивность и однородность деформированного состояния, является равноканальное угловое прессование (РКУП). Способ РКУП впервые был предложен группой минских ученых во главе с В.М. Сегалом для упрочнения металлических заготовок и полуфабрикатов без изменения их поперечного сечения [15].
Как метод ИПД он начал разрабатываться около 15 лет назад в Уфе (научный коллектив Р.З. Валиева) [16], развитие которого являлось главной целью проведенных и представленных ниже исследований. На момент постановки задач и целей, направленных на формирование УМЗ структур методом РКУП, особенно в труднодеформируемых металлических материалах, таких как титан, его сплавы, вольфрам и др. не было устоявшихся научно-технических знаний и практических подходов по использованию этого метода. Один из важных этапов этих исследований был представлен в кандидатской диссертации автора данной работы. На сегодня этот метод активно исследуется и используется десятками лабораторий в мире для получения объемных УМЗ материалов. Наряду с методом РКУП1 за последнее десятилетие предложено и исследуется более десяти новых методов, в той или иной степени претендующих на использование их как промышленные методы ИПД для получения УМЗ объемных материалов [17-24].
Из активно исследуемых методов, наряду с РКУП, инвестиционный потенциал имеют: всесторонняя ковка и винтовая экструзия, преимущественно, для получения объемных НС поковок и прутков [17, 22] и пакетная прокатка, совмещенная со сваркой в твердой фазе для получения объемных листовых НС заготовок [20, 23]. Однако, эти методы имеют ряд недостатков, в первую очередь, связанных с экономическими показателями процессов. Ковка при формировании УМЗ структур предполагает длительную многоцикловую обработку с поэтапным снижением температуры в изотермических условиях, винтовая экструзия имеет высокие силы прессования и неоднородность деформированного состояния, а также сложную геометрию инструмента. При пакетной прокатке большие затраты необходимы для подготовки соединяемых поверхностей, создания защитной атмосферы и обеспечения строго регламентированных темпе-ратурно-скоростных условий для получения качественного твердофазного соединения.
Метод РКУП имеет ряд преимуществ перед вышепредставленными методами ИПД, которые связаны с реализацией в процессе пластической деформации схемы простого сдвига. [25, 26]. Теоретически такая схема позволяет при минимальных энергозатратах накапливать большие и однородные деформации за цикл обработки без изменения поперечного сечения заготовок. Однако, как показывает практика, использование этого метода при получении однородных структур требует исследований технических и технологических аспектов процесса, т.к. большое влияние на однородность деформированного состояния оказывает геометрия оснастки и трибология процесса. Как правило, степень измельчения структуры является следствием определенного уровня накопленной деформации, температуры, схемы и скорости деформации, характера течения, природы материала и т.д. Имеет место также масштабный эффект. Установлено, что при вышеперечисленных равных условиях увеличение геометрических размеров обрабатываемых заготовок методом РКУП приводит к формированию структуры и с большими размерами зерен и фрагментов [27]. К тому же при формировании УМЗ структур методом РКУП отмечается парадокс, связанный с
прекращением процесса измельчения после накопления определенного уровня деформации. Дальнейшее увеличение уровня накопленной деформации даже в несколько раз не приводит к заметному изменению размеров структурных составляющих и повышению прочности [28, 29]. Современные модели закономерностей структурообразования не в полной мере описывают.такое поведение при холодной деформации. Все вышеперечисленное усложняет решение прикладных задач из-за отсутствия обоснованных научных критериев и эмпирических зависимостей, позволяющих прогнозировать размеры фрагментов структуры и механические свойства после ИПД. Наряду с проблемами взаимосвязи деформированного и структурного состояний, существует ряд научно-технических проблем, связанных с формированием УМЗ структуры и повышенных свойств, например, в труднодеформируемых материалах, таких как вольфрам, нитинол, титановые сплавы. Эти проблемы связаны с необходимостью использования повышенных температур деформирования (500-1200 С) и гидростатических давлений (ГД) в условиях ИПД, что требует особых исследований и приемов при создании технологии и инструмента, а иногда и создания специального оборудования. Отдельной проблемой следует рассматривать создание промышленных технологий получения объемных УМЗ материалов, использующих методы ИПД. В этом случае необходимо решать ряд задач, сопряженных с экономическими аспектами промышленных технологий? Которые могут быть решены с использованием метода РКУП «Конформ» (РКУП-К). Они, как правило, связаны с параметрами технологичности процессов, надежности и производительности создаваемого оборудования и являются объектами исследований в представленной работе: Несмотря на то, что накоплен большой опыт разработки процессов ОМД, который, несомненно, используется при разработке промышленных технологий методами ИПД, возникают сложности технологического и технического плана в силу недостаточной информативной и научно-технической базы знаний и технологического опыта разработки подобных процессов.
Решение вышеперечисленных проблем лежит в области создания новых и развития имеющихся научно-обоснованных подходов к условиям технологичности формирования методами ИПД УМЗ структурных состояний металлических объемных материалов, включающих гармоничное сочетание теоретических, технических и экономических факторов.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы связана с более глубоким пониманием теоретических представлений и практических аспектов методов ИПД со структурообразованием и с возможностью значительного расширения области применения промышленных технически чистых металлов и сплавов за счет создания передовых технологических процессов получения УМЗ полуфабрикатов и изделий с качественно новым уровнем физико-механических свойств.
Оценка деформированного состояния при РКУП физическим и численным моделированием
Результаты экспериментальных исследований, направленных на анализ пластического течения материала в ходе РКУП, приведены в работе [34, 35]. Исследование деформированного состояния проводилось с использованием цилиндрической медной заготовки (99,9 %) диаметром 20 мм и длиной 100 мм, подвергавшейся одному циклу прессования через два одинаковых, пересекающихся под углом 90 канала установки для РКУП при комнатной температуре. Внешний (г) и внутренний (R) радиусы сопряжения каналов в месте их пересечения равнялись 0. Для уменьшения трения между заготовкой и оснасткой использовалась графитовая смазка. При этом коэффициент трения заготовки о стенки оснастки составлял величину порядка 0,08 [38]. В заготовку заделывали алюминиевые штифты диаметром 2 мм, располагавшиеся до деформации перпендикулярно продольной оси заготовки, согласно схемы, представленной на рис. 1.10, д. Оценка деформированного состояния проводилась по величине интенсивности деформации сдвигом, рассчитанным по формуле Л = tg ф, где ф -угол наклона штифтов,от их первоначального положения.
Картина деформированного состояния (рис. 1.10, б; 1.11) в вертикальном продольном сечении заготовки указывает на имеющуюся неравномерность течения материала. В поперечном сечении область неравномерной деформации примыкает к нижнему участку заготовки и составляет около 10-12 % от площа 25 ди поперечного сечения, что может оказывать влияние на структурную однородность материала заготовки в условиях многоциклового РКУП. Область неравномерной деформации верхнего участка поперечного сечения заготовки очень мала, и ее роль в процессах структурообразования не должна быть значительной.
Компьютерное моделирование также подтверждает факт локальной неоднородности деформированного состояния при РКУП [39]. Так, даже при радиусе сопряжения каналов, равным 2 мм (рис. 1.12), деформируемый материал (в данном случае медь при комнатной температуре) не заполняет внутренний угол. Качественно, судя по величине угла сдвига ячейки, в этой зоне накопленная деформация несколько меньше, по сравнению с центральной зоной образца. Количественная оценка разницы величин интенсивности деформации сдвига по формуле Г = tg ф показывает, что она составила величину е = 0,3. Однако следует учитывать, что с увеличением циклов обработки по маршруту Вс до N = 4 и более при вышепоказанной анизотропии деформированного состояния, стадии устойчивого течения, структурное состояние не имеют резких различий.
Это подтверждают результаты, представленные в нашей работе [39], где анализируется влияние геометрии пересечения каналов (угла \\і) на микротвердость заготовок технически чистого А1, полученных РКУП (рис. 1.1, б). Показано, что при Ф = 90 и значениях угла і/ = 0и 20 после четырех циклов прессования по маршруту Вс, средние значения микротвердости в поперечном сечении различаются слабо и составляют, соответственно 43,2 и 42,1 единиц по шкале Виккерса. При этом обе эти величины значительно выше значения, характерного для исходного состояния и равного
Подробно исследования влияния геометрии каналов и некоторых технологических параметров на деформированное состояние представлено в [39-41]. Показано, что вариация геометрией каналов в местах сопряжения позволяет активно управлять деформированным состоянием заготовок. Так, увеличение радиусов закругления внешнего и внутреннего углов пересечения каналов до 0,5 и D приводит к усилению неоднородности течения материала и, соответственно, деформированного состояния (рис. 1.13). При этом даже качественный анализ картин показывает, что увеличение внешнего радиуса сопряжения каналов прессования до 0.5D оказывает не столь заметное влияние на снижение общего уровня накопленной деформации сдвига в сечении заготовки, как увеличение внутреннего радиуса до той же величины. Для более технологичного в исполнении внутреннего радиуса сопряжения каналов R = 0.5D и г = О была уточнена формула (1.2) для расчета накопленной деформации, которая принимает вид
Измельчение структуры и кинетика фрагментации при РКУП
Известным фактом при РКУП является также то, что с увеличением циклов обработки наблюдается затухание процесса фрагментации структуры [6, 44]. Например, после 10 и 25 циклов прессования меди Ml размер формирующихся зерен/фрагментов практически одинаковый [49]. Вышеперечисленные особенности влияния масштабного фактора привели к необходимости анализа связи параметров очага деформации и размеров фрагментов структуры при ИПД. Для разработчиков технологических процессов ИПД оперирование такими терминами, как очаг деформации и его параметры, является привычным. К тому же они поддаются расчету. Связь этих параметров со структурообразова-нием и прогнозированием механических свойств материалов после ИПД является весьма актуальной для практики.
Не менее важным является выявление других, наиболее значимых параметров, определяющих эффективность структурообразования. Общим (особенно для холодных процессов ОМД) является то, что в ходе пластической деформации твердого тела происходит эволюция его дефектной структуры в направлении образования дефектов более высоких уровней по схеме макроскопический — структурный - мезоскопический - микроскопический [33, 50-53, 54]. При этом указанные закономерности являются общими и не зависят от схемы деформации (растяжение, сжатие, сдвиг), а свойства материалов при значительных пластических деформациях определяются структурным.и мезоскопи-ческим уровнями [54].
Влияние интенсивной пластической деформации на эволюцию дефектной структуры проявляется образованием множества новых устойчивых границ, т.е. интенсивной фрагментацией и коренной трансформацией исходной структуры.
При этом сохранение сплошности материалов обеспечивается относительными разворотами (ротационными сдвигами) сформированных фрагментов, что является аккомодационным свойством при деформации поликристаллов [55, 56].
Однако для этих условий недостаточно полно изучены факторы, ограничивающие фрагментацию и усиливающие роль аккомодационных сдвигов при ИПД.
Как правило, интенсивные и большие деформации по своей природе немонотонны и, видимо, с этим связан тот факт, что процессы фрагментации и формирования зеренных структур в этих условиях происходят более эффективно [10, 14, 15].
Так, в ряде работ показано, что маршрут Вс при РКУП приводит к более эффективному формированию зеренных структур [1, 29, 30, 49].
Анализ характера деформации при использовании маршрута Вс показывает, что при его использовании проявляются наиболее выраженные признаки комплексного немонотонного процесса, заложенные схемой деформации и схемой позиционирования заготовки при прессовании. Такой маршрут, видимо, затрудняет осуществление механизмов активного возврата (например, эффекта Баушингера) на микро - макроуровнях, ведущих к снижению эффективности накопления дефектности структуры [12] и коэффициента поврежденности [57]. К тому же большая немонотонная деформация приводит на структурном и ме-зоуровнях к явлению полосообразования (кооперативным сдвигам) с формированием устойчивых высокоугловых границ и дальнейшей фрагментации, а на микроуровне - к задействованию в процессе деформации все новых плоскостей скольжения [58-63]. Исходя из этого, в основе развиваемого в настоящей работе подхода к формированию УМЗ структур лежит представление о природе деформации, носящей сдвиговой характер на мезоструктурном уровне, что является следствием неоднородности полей скоростей деформации в очаге и структурной анизотропии поликристаллических металлических материалов. Важную роль, особенно в условиях накопления сверхбольших деформаций, играет крайне выраженная немонотонность, воздействия, обеспеченная схемой деформации и маршрутом многоцикловой обработки при РКУП. Эта немонотонность приводит к относительным сдвигам групп фрагментов и изменениям направления интенсивностей этих сдвигов, ведущих к пересечению сформированных и формирующихся полос сдвига и, соответственно, формированию структур зе-ренного типа при РКУП.
Подробно исследования степени влияния параметров очага деформации и немонотонности пластического воздействия на процесс структурообразования при ИПД и РКУП представлены в целом ряде наших публикаций [64-70], а ниже обсуждаются основные положения развиваемого подхода.
Очаг деформации - это часть деформируемой заготовки, которая находится в пластифицированном состоянии. Его можно охарактеризовать объёмом и площадью, определить/задать температурно-скоростные условия и НДС материала, находящегося в очаге в процессе происходящего формоизменения. При этом переменным параметром в том числе и в методах ИПД, направленных на получение НС материалов, является объем очага деформации - У0 и его площадь - AQ. Связав эти два параметра отношением AQ/VQ, получим удельную поверхность очага деформации - Ау. Отметим, что размерность этой величины соответствует размерности кривизны и плотности дислокаций, например, м"1. Из данных, представленных в таблице, видно, что, чем больше удельная поверхность очага деформации, тем меньше размер формирующихся после ИПД зерен, т.е. эти величины, находятся в обратно пропорциональной зависимости.
Очевидно, что без изменения внешней поверхности заготовок деформация невозможна и для всех схем деформации - сжатия, растяжения и сдвига эти изменения происходят. Как изменяется поверхность очага в процессе деформации, проследим на примере равномерного растяжения цилиндрической заготовки [68]. Анализ этого процесса позволяет наглядно и более строго проанализировать изменения удельной поверхности, в связи с тем, что на начальном этапе деформации площадь очага деформации совпадает с площадью наружной поверхности образца.
Масштабирование при РКУП труднодеформируемых двухфазных титановых сплавов
Полосы, по которым происходят межфрагментные сдвиги, подобны полосам кооперативного зерногра-ничного проскальзывания (КЗГП) [77]. Известно, что образование полос КЗГП связано с аккомодационными подстройками границ и внутризеренной деформацией, необходимыми для формирования единой непрерывной поверхности сдвига, ориентация которой близка к направлению действия максимальных касательных напряжений. Следует отметить роль масштабного фактора, связанного с геометрией очага деформации, влияющего на образование полос и на глубину измельчения структуры при деформации. Сдвиги по границам мелких. зерен (в нашем случае фрагментов) становятся доминирующими, если в, очаге деформации может образовываться достаточное количество полос КЗГП (или полос кооперативного межфрагментного проскальзывания (КМП)). Тогда границы полос аналогично 5-ти кристаллографическим системам скольжения в крупнозернистом материале способны обеспечить передачу и совместность де 57 формации в образце, но для этого необходимо, чтобы сетка границ была достаточно развита. Для условий сверхпластической деформации было показано [78], что если в поперечном сечении образца умещается свыше 10-ти мелких зерен, то множество их границ становится достаточным для формирования полос КЗГП. Такие образцы проявляют сверхпластические свойства в отличие от образцов, в которых это условие не выполняется. Используя аналогию между КМП и КЗГП, схематично картину деформации на начальном и завершающем этапе фрагментации можно представить в виде рис. 2.6.
При РКУП множество границ, необходимое для создания полос КМП, достигается при формировании субмикрокристаллической структуры, т.к. размеры очага деформации, по меньшей мере в 103 раз превосходят размеры образующихся фрагментов, при этом немонотонный по своей природе характер сдвиговой деформации способствует формированию большого множества полос сдвига за один цикл обработки. Эти сдвиги способствуют формированию преимущественно зеренного типа структуры при минимальном деформационном воздействии.
При кручении тонкостенных дисков, прокатке фольг и волочении тонкой проволоки удельная поверхность очага деформации намного больше, чем в объемных заготовках при РКУП, что приводит к более дисперсному измельчению структуры и образованию полос КМП в таких образцах. Причем, в случае стесненного кручения из-за того, что размеры очага и его удельная поверхность остаются постоянными, измельчение структуры практически завершается. В случае прокатки и волочения - утонение образцов и, соответственно, уменьшение размера очага деформации с ростом его удельной поверхности по переходам продолжается, что приводит к дальнейшему измельчению фрагментов.
Данные особенности фрагментации при интенсивной деформации рассматриваются в контексте с некоторыми допущениями и условиями. 1. Рассматриваемые металлы имеют не очень низкую энергию дефектов упаковки (ЭДУ) , например, Си, Fe, Ni, в которых при холодной деформации начиная с относительно небольших степеней 0,2-0,3 образуется и эволюцини-рует ячеистая (фрагментированная) структура. 2. Принимается, что вся деформация при ИПД осуществляется за счет внутрифрагментных и межфрагментных сдвигов. Кинетика фрагментации при РКУП. Фрагментация (измельчение) начинается при относительно небольших степенях деформации, среднее значение которой составляет s = 0,2-0,3, и заканчивается при некоторых степенях деформации образованием микрополос с минимальными размерами фрагментов в них. При этом процесс фрагментации аналогичен процессам, описываемым классическим уравнением формальной кинетической теорией превращения [79] по следующим признакам: 1) с увеличением степени деформации (є - аналог времени) объем продукта превращения — измельченных до минимальных размеров фрагментов непрерывно увеличивается; 2) фрагменты имеют тот же химический состав, кристаллическую решетку, что и деформированная матрица; 3) минимальные по размерам фрагменты остаются устойчивыми образованиями до конца деформации (превращения). Аналогия фрагментации с фазовым превращением была использована нами в работе [67] для вывода кинетического уравнения фрагментации. Приведем вывод этого уравнения.
Разработка опытно-экспериментальной установки РКУП-К для получения НС полуфабрикатов из металлических технически чистых материалов, в том числе титана и меди
На момент постановки задачи, технологий, целью которых являлось получение объемных ультрамелкозернистых образцов и заготовок из труднодеформируемых материалов, таких как титан, вольфрам и их сплавы, не было. Хотя известно, что в этих структурных состояниях, труднодеформируемые материалы обладают необычными физико-механическими свойствами и имеют перспективы для применения в качестве конструкционных материалов. Проблемы формирования микрокристаллической структуры с размерами менее одного микрона в труднодеформируемых материалах методами ИПД, в первую очередь, связаны с довольно низкими показателями технологической пластич 68 ности материалов даже при высоких давлениях и температурах обработки [41, 82-85]
Другой проблемой при формировании УМЗ структур является то, что верхний уровень температуры деформирования материалов ограничен температурным порогом начала рекристаллизации. В условиях многоцикловой обработки с увеличением количества циклов и уровня накопленной деформации материал интенсивно упрочняется и становится более дефектным, что также ведет к снижению как порога начала рекристаллизации [1], так и деформируемости [86-88]. Применительно к ИПД труднодеформируемых материалов методом РКУП эта проблема может быть решена путем варьирования углом пересечения каналов, чем обеспечивается, соответственно, и управление уровнем накопленной деформации за цикл прессования. При этом появляется возможность согласования запаса ресурса пластичности и интенсивности разового воздействия. С другой стороны, увеличение угла пересечения каналов приводит как к снижению уровня накопленной деформации, так и к нежелательному снижению эффективности формирования структур зеренного типа. Эти факторы следует учитывать при разработке схем и оптимизации параметров процессов РКУП, направленных на получение УМЗ образцов из труднодеформируемых и быстро упрочняемых материалов. В представленном разделе проанализированы условия формирования УМЗ структур в ряде труднодеформируемых материалов, таких как вольфрам, никелид титана, титановый сплав ВТ6 .Для этих сплавов характерными являются высокие температуры обработки, при которых они обладают достаточной деформируемостью, например, вольфрам необходимо нагревать до высоких температур 1000 С даже при учете ограничений порога начала рекристаллизации, составляющего 0,3-0,4 Тпл. Соответственно, для прессования в таких условиях требуются надежная работа оснастки и применение специальных приемов, обеспечивающих технологичность процесса. Конструктивные особенности технологической оснастки. Экспериментальная оснастка при РКУП труднодеформируемых материалов должна отвечать требованиям, предъявляемым к горячему прессовому инструменту процессов ОМД. Наиболее полно особенности оснастки для теплого и горячего прессования труднодеформируемых металлических материалов представлены в [89-93], где авторами показано, что для формообразующих элементов оснастки необходимо использовать высоковольфрамовые и комплексно-легированные классы штамповых сталей для горячего деформирования. Например, хорошо противостоят тепловым ударам, износу и воздействию высоких напряжений широко используемые комплексно-легированные хромистые стали повышенной теплостойкости и вязкости марок 4X3МВС и 4Х5МВС [94]. При изготовлении экспериментальной оснастки для РКУП труднодеформируемых материалов использовались вышеуказанные марки стали. Для повышения износостойкости рабочие каналы формообразующих вставок азотировали. На рис. 3.1 представлен общий вид штампового блока, состоящий из деформирующего блока и съемной печи с резистивным нагревом, обеспечивающей нагрев оснастки до 600 С. Отличительной особенностью деформирующего блока является то, что вставки 6 сопрягаются с обоймой 2 по конусной посадке. Этим обеспечивается их быстрая смена с целью варьирования интенсивностью деформационного воздействия за цикл обработки путем использования вставок с разными углами пересечения каналов. Блок оснащен пятью вставками с углами пересечения каналов 90, 100, ПО, 120 и 135 [95]. Учитывая, что в процессе многоцикловой обработки ресурс пластичности заготовок снижается, может возникнуть необходимость изменения уровня разовой деформации за цикл обработки. Создание конструкции с возможностью быстрой переналадки вполне оправдано с экономической и технологической сторон. Особенностью вставок 6 является то, что длина их «горизонтального» канала составляет 2d (более 40 мм), что позволяет повысить поверхность контакта заготовки и оснастки на выходе. Разность диаметров вертикального и горизонтального каналов составляет один миллиметр, что обеспечивает свободную закладку деформированной заготовки в вертикальный канал при последующих циклах прессования и позволяет надежно экранировать смазочной средой поверхности заготовки и вертикального канала [96, 97]. Эти конструктивные особенности приводят к повышению ГД в очаге деформации за счет дополнительных деформационного подпора и подпора от пассивных сил трения. Повышенное ГД, соответственно, позволяет повысить деформируемость материалов, что особенно важно при прессовании малопластичных материалов, которыми часто являются труднодеформируемые материалы. Принцип работы оснастки представлен на рис. 3.1. Заготовка подаётся в вертикальный канал прессования вставки 6 и выпрессовывается пуансоном 7 в горизонтальный канал. Путем последующего прессования второй заготовки или имитатора (фалып-заготовки из специально подобранного материала) первая заготовка извлекается (выталкивается) из горизонтального канала. Циклы обработки повторяются с учетом запланированного количества циклов обработки и выбранного маршрута прессования. Нагрев заготовок проводится отдельно в печи до заданной температуры.
Характер течения и особенности деформированного состояния при РКУП труднодеформируемых материалов. Оценку характера течения и ДС проводили на примере РКУП титанового сплава с использованием моделирования методом конечных элементов в программе Deform 3D [98].
Условия моделирования: материал - титановый сплав Ti-6AI-4V; температура заготовки 600 С; температура оснастки 500 С; скорость пуансона 6 мм-с"1; углы пересечения каналов - 90 и 120; циклов обработки - один; радиус сопряжения углов пересечения каналов составлял 3 мм; величина коэффициента трения равна 0,25, что обычно соответствует условиям горячего деформирования.
