Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы большой интерес вызывает использование способов интенсивной пластической деформации для получения металлов и сплавов с ультрамелким зерном в десятки и сотни раз меньшим, чем в традиционных материалах. Такие ультрамелкозернистые (УМЗ) материалы часто проявляют весьма необычные свойства, например, очень высокую твердость и прочность, износостойкость, а также сверхпластичность при относительно низких температурах и высоких скоростях деформации. УМЗ материалы представляют также значительный интерес и с точки зрения возможности создания материалов с совершенно новыми физическими свойствами (оптическими, магнитными). Среди способов интенсивной пластический деформации особый интерес вызывает равноканальное угловое (РКУ) прессование. Этот интерес связан с возможностью получения РКУ прессованием массивных заготовок с однородной УМЗ структурой из различных металлов и сплавов без изменения их исходного поперечного сечения. Однако до недавнего времени, данный способ использовался преимущественно для получения УМЗ структур в чистых металлах и сплавах, обладающих повышенной исходной пластичностью, например, таких как медь, алюминий, алюминиевые сплавы. Вместе с тем большой практический интерес представляет получение УМЗ структур в труднодеформируемых и малопластичных металлах и сплавах, таких как титан и его сплавы, многие стали, тугоплавкие, магнитные и консолидированные порошковые материалы. Имеется также большая потребность в большеразмерных УМЗ заготовках с высокими механическими характеристиками, например, из чистого титана для широкой номенклатуры имплантов в медицинской травматологии. Существует, однако, научно-техническая проблема в развитии РКУ прессования труднодеформируемых материалов. Она связана с
требованиями к условиям реализации интенсивных деформаций для получения ультрамелкозернистых структур. Это, во-первых, относительно низкие (как правило, меньше 0,30-0,35 Тпл) температуры деформирования, обусловленные особенностью формирования ультрамелких зерен; во-вторых, необходимость накопления весьма больших (обычно е>6) деформаций и, в третьих, формирование однородных УМЗ структур для обеспечения высоких механических свойств материалов. С точки зрения обработки металлов давлением это ставит задачи разработки надежной оснастки, исследования влияния геометрии инструмента и технологических параметров (температуры и скорости прессования, условий трения, маршрутов деформирования и др.) на напряженно-деформированное состояние заготовок в процессе прессования и их повреждаемость.
Целью диссертационной работы является исследование и развитие способа равноканального углового прессования для получения однородной ультрамелкозернистой структуры в труднодеформируемых материалах, таких как титан и вольфрам, а также демонстрация возможностей получения массивных, болылеразмерных заготовок используя равноканальное угловое прессование.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
экспериментальное исследование и компьютерное моделирование влияния технологических факторов и геометрии формообразующего инструмента на деформированное состояние массивных заготовок при РКУ прессовании;
разработка оснастки и исследование технологических условий для получения РКУ прессованием бездефектных заготовок из труднодеформируемых титана и вольфрама с УМЗ структурой и повышенным комплексом свойств;
- разработка технологий получения массивных заготовок из титана и
вольфрама с однородной УМЗ структурой;
разработка оснастки, экспериментальное исследование и демонстрация возможностей получения РКУ прессованием большеразмерных, массивных заготовок за счет повышения накопленной деформации за один цикл прессования и использования конформ-процесса для непрерывного прессования длинномерных заготовок;
- исследование механических и технологических свойств УМЗ титана и вольфрама.
Научная новизна
Проведенные исследования позволили получить ряд новых результатов:
1. На основании экспериментального и компьютерного моделирования
определены основные параметры деформированного состояния в процессе
РКУ прессования (интенсивность деформации сдвига, неоднородность
пластического течения по сечению заготовки), з также уровень контактных
напряжений в каначах прессования, и на этой основе предложена методика
получения однородного деформированного состояния, включающая
ючетание технологических приемов (использование противодавления и
юкальной деформации) и выполнение специальной геометрии инструмента
Зтлов пересечения, радиусов сопряжения и соотношения сечений каналов).
-
Развиты принципы осуществления процесса РКУ прессования для толучения большеразмерных, массивных заготовок с однородной /льтрамелкозернисгой структурой, включающие использование ювышенной накопленной деформации за один цикл прессования и ,'словий конформ-процесса для длинномерных изделий.
-
На примере титана и вольфрама развит способ РКУ прессования груднодеформируемых металлов, позволяющий получать юльшеразмерные, массивные заготовки с ультрамелкозернистой ггруктурой и повышенным уровнем механических свойств.
-
Ультрамелкозернистый титан, полученный РКУ прессованием, юладает повышенной пластичностью при комнатной температуре и может
быть подвергнут холодной деформации, обеспечивающей такое сочетание высокой прочности и пластичности (^=1050 МПа, 8=8-10%), которое не может быть достигнуто традиционными способами. Подобный уровень свойств характерен только для легированных титановых сплавов. Практическая ценность работы:
развитие способа РКУ прессования позволило впервые получить однородные УМЗ структуры в массивных заготовках из титана и вольфрама, что привело к значительному повышению их механических свойств;
высокопрочный технически чистый УМЗ титан может служить заменителем легированных титановых сплавов и сталей и, обладая высокой биологической инертностью и совместимостью с живыми тканями, весьма перспективен при производстве имплантов, используемых в травматологии и ортопедии;
- УМЗ состояние вольфрама с повышенным уровнем прочности и
твердости позволяет повысить надежность изделий из этого материала и
расширить области его применения.
Автор выносит на защиту:
зависимости однородности пластического течения и структурообразования при РКУ прессовании от геометрии оснастки, маршрутов и трибологических условий деформирования заготовок;
технологический режим получения массивных заготовок титана с однородной УМЗ структурой, включающий РКУ прессование в каналах, пересекающихся под углом 90, в температурном интервале 400,..450С за восемь циклов прессования по маршруту с вращениями заготовки;
способ формирования УМЗ структуры в вольфраме при РКУ прессовании, включающий деформирование в каналах, пересекающихся под углом 110, в температурном интервале 1000...1200С, используя восемь циклов прессования и вращение заготовки;
способы увеличения размеров заготовок при повышении
производительности и коэффициента использования металла за счет изготовления специализированои оснастки с повышенной интенсивностью деформации за один цикл прессования и применения конформ-процесса для непрерывного РКУ прессования длинномерных заготовок.
Апробация работы:
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Investigations and Applications of Severe Plastic Deformation» (Россия, Москва, 2-6 августа 1999 г.), NANO-2000 (Япония, 20-23 августа 2000 г.) и шестой конференции «Высокие давления -2000» по получению и обработке металлов высоким давлением (Украина, Донецк, 15-19 сентября 2000 г.), Бершдтейпсвских чтениях по тергяомехгничесхой обработке металлических материалов, посвященных 80-летию со дня рождения М.Л. Бернштейна (Москва, МИСиС, 27-28 октября 1999 г.), Уральской школе металловедов (Екатеринбург, 22-26 февраля 2000 г.).
Публикации: Основные результаты опубликованы в 17 научных трудах, включая авторское свидетельство, два патента РФ и две приоритетные справки на патенты РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 113 источников. Работа изложена на 145 страницах, включая 67 рисунков и 4 таблицы и приложение.