Научные основы деформационных технологий формирования ультрамелкозернистых и наноструктурных объемных материалов


Ф. 3. Утяшев, Г. И. Рааб












НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ФОРМИРОВАНИЯ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ И НАНОСТРУКТУРНЫХ ОБЪЕМНЫХ МАТЕРИАЛОВ



Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.7
ББК 34.62
    У84


Рецензенты:
    Столяров Владимир Владимирович (Институт машиноведения РАН);
Лутфуллин Рамиль Яватович (Институт проблем сверхпластичности металлов РАН)


Ответственный редактор: член-корреспондент РАН Алымов Михаил Иванович (Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН)


     Утяшев, Ф. 3.
У84       Научные основы деформационных технологий формирования
     ультрамелкозернистых и наноструктурных объемных материалов : монография / Ф. 3. Утяшев, Г. И. Рааб ; [отв. ред. М. И. Алымов]. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 160 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0632-1

     Представлены теоретические и прикладные основы деформационных технологий обработки конструкционных ультрамелкозернистых и наноструктурных металлических материалов с особым комплексом физикомеханических свойств. Рассмотрены механизмы деформации и измельчения зерен. Приведены схемы и режимы обработки различных металлов и сплавов с использованием методов интенсивной пластической деформации.
     Для инженеров-металловедов, научных работников, а также студентов и аспирантов металлургических и машиностроительных специальностей.

УДК 621.7
ББК 34.62






ISBN 978-5-9729-0632-1

     © Ф. 3. Утяшев, Г. И. Рааб, 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................5

ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ....................................8
Глава 1.1. Этапы структурообразования и факторы, влияющие на измельчение зерен.......................................8
       1.1.1. Масштабные уровни и эволюция микроструктуры при пластической деформации.............................8
       1.1.2. Влияние природы материала и условий деформации на измельчение зерен.....................................19
        1.1.3. Термостабильность ультрамелкозернистой структуры.23
Глава 1.2. Деформированное состояние материалов при интенсивной пластической деформации (ИПД)........................37
        1.2.1. Скалярные и векторные характеристики деформации..37
       1.2.2. Новый подход определения компонент накопленной деформации в материалах при ИПД..........................49
Глава 1.3. Модель наноструктурирования металлов при интенсивной пластической деформации..............................60
        1.3.1. Основные положения и допущения модели............61
       1.3.2. Кинетика фрагментации структуры и механизмов деформации..................................67
       1.3.3. Связь между параметрами структуры и деформации заготовки...................................72
        1.3.4. Верификация модели...............................82
    Резюме по части 1...........................................84

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ 1.....................................88

ЧАСТЬ 2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ......................................................93
Глава 2.1. Формирование УМЗ структуры как релаксационный процесс...................................................94
       2.1.1. Внутренний и внешний каналы релаксации напряжений при пластической деформации..............................94
        2.1.2. Характер деформации и энергозатрат...............96


3

Глава 2.2. Современные методы деформационного наноструктурирования......................................100
        2.2.1. Лабораторные методы............................100
        2.2.2. Опытно-промышленные методы получения прутков...115
       2.2.3. Комбинированные и совмещенные методы деформирования.........................................119
Глава 2.3. Ультрамелкозернистые и наноструктурированные изделия...................................................123
        2.3.1. Изделия из титана и его сплавов................123
        2.3.2. Огнестойкие стали..............................129
        2.3.3. УМЗ стальной крепеж............................135
        2.3.4. Метизы из алюминиевых сплавов..................137
        2.3.5. Алюминиевые электропровода.....................138
        2.3.6. Медные электропровода..........................139
        2.3.7. Детали из суперсплавов.........................144
    Резюме по части 2..........................................146

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ......................148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧАСТИ 2....................................150


4

                                    Посвящается памяти профессора
                                    Кайбышева Оскара Акрамовича










ПРЕДИСЛОВИЕ

     Высокие эксплуатационные и технологические свойства металлических материалов, во многих случаях, достигаются путем формирования в них уль-трамелкозернистой (УМЗ) структуры. Первоначально повышенное внимание исследователей к УМЗ структуре возникло во второй половине прошлого столетия после открытия эффекта сверхпластичности металлов [1]. Было установлено, что этот эффект присущ практически всем поликристаллическим материалам со средним размером зерен обычно не превышающим 10 мкм [2, 3]. Для формирования такой УМЗ структуры в металлических материалах чаще всего использовали процесс горячей деформации.
     Относительно недавно особый интерес возник к предельно малому диапазону УМЗ структуры - нанокристаллическому. Для получения таких структур применяют методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [4]¹, осуществляемые при температурах значительно ниже температуры динамической рекристаллизации, сопровождающей процесс горячей деформации. Методы ИПД позволили получать в металлах и сплавах нанокристаллическую (НК) структуру, обеспечивающую низкотемпературную сверхпластичность, упрощающую ее технологическое применение. Однако более существенным оказалось то, что НК материалы показали ряд рекордно высоких физико-механических свойств, которые до недавнего времени считали структурнонезависимыми. [5].
     Вместе с тем, методы получения материалов с УМЗ и, особенно, с НК структурой, как в прошлом, так и настоящее время отличаются высокой трудоемкостью и низкой производительностью. Поэтому для их совершенствования важно понимание процесса формирования ультрамелких зерен при пластической деформации. В настоящее время известен ряд научных представлений и соответствующих моделей [7—9], посвященных этому вопросу. В них формирование


¹ На Западе эти методы получили название severe plastic defomation (SPD).

5

ультрамелких зерен описывают на микро- или на макроуровне. В первом случае полагают, что измельчение происходит вследствие прохождения, так называемой, «низкотемпературной» динамической рекристаллизации и/или в результате фазовых превращений [6, 7]. Во втором случае, измельчение не зависит от кристаллической структуры заготовки, а является результатом континуальных сдвигов в заготовке в направлении детерминированных схемой деформирования касательных напряжений [8]. Необходимо отметить, что безупречных доказательств осуществления процессов, соответствующих отмеченным представлениям в указанных работах и других работах, развивающих эти представления, не приводятся.
     Известны исследования [9, 10], в которых изучено влияние ротационных мод при больших монотонных деформациях на структурообразование. Показана их роль в формировании мелких фрагментов в виде микрополос. В поперечном направлении такие полосы приобретают размеры порядка 0,1 мкм, а их границы, преимущественно, средние значения угловых разориентировок ~ 20°. В результате механические свойства материалов с такой структурой повышаются, но заметно уступают, тем же материалом, подвергнутым ИПД, поскольку немонотонный характер ИПД позволяет накапливать большие деформации и приводит к формированию не полосовой структуры, а структуру с мелкими равноосными зеренами, отличающиеся большеугловыми - 40^60° разориенти-ровками границ произвольного типа.
     Необходимо отметить, что на мезоуровне большое внимание деформационному нанострутурированию уделяется в исследованиях Томской школы ме-таллофизиков [11, 12]. В них важно значение уделяется кривизне и кручению, которые приобретает кристаллическая решетка металлических материалов при деформации, и построению физических моделей наноструктурообразования.
     В целом вышеперечисленные работы рассматривают различные факторы, которые, по мнению их авторов, играют ключевую роль в формировании УМЗ структур. Однако основной их недостаток заключается в том, что они описывают механизм измельчения зерен без учета связи между макро- и микроуровнями процесса деформации и структурными изменениями. Поэтому непосредственно использовать построенные на этих представления модели при разработке технологических процессов ИПД затруднительно.
     Актуальна многоуровневая модель деформационного измельчения, позволяющая по заданным технологическим параметрам обработки, спрогнозировать основные характеристики наноструктуры в металлических материалах.
     В этой связи первая часть книги посвящена теоретическим аспектам деформационного наноструктурирования материалов и описанию многоуровневой модели деформационного измельчения микроструктуры. Материал этой части базируется на ряде публикаций авторов, в которых представлен широкий спектр исследований, посвященных формированию УМЗ структуры в металлах 6

и сплавах. В частности, в монографии [10] внимание читателя впервые было сфокусировано на ключевой особенности ИПД - немонотонном деформировании, вследствие которого формируется не полосовая, а равноосная нанозерен-ная структура. В последующей работе [13] впервые изложены систематические представления о структурообразовании, связывающие макро- и микроуровни деформации и структуры при ИПД, и разработаны модельные представления, позволяющие определять размеры зерен в зависимости от степени накопленной сдвиговой деформации и масштабного фактора - размеров заготовки. Дальнейшее развитие этой модели, и методов получения УМЗ и НК материалов с учетом деформационного разогрева, описано в монографии [14].
      В предлагаемой вниманию читателя монографии приведено обобщение модели деформационного измельчения. Показана необходимость учета не только величины, но распределения в объеме образца составляющих накопленной деформации. Особое внимание уделено ротационной составляющей деформации. Установлено, что ротационные повороты влияют на распределение сдвиговой составляющей и, следовательно, косвенно влияют на размеры получаемых зерен. Однако непосредственная роль ротационной составляющей заключается в том, что ее величина определяет вид формирующихся в кристаллической решетке областей разориентации и угловые разориентировки их границ. При монотонной деформации из за небольших величин знакопеременных поворотов формируются микрополосы, а при немонотонной деформации - равноосные субмикро- или нанозерна. Показан новый метод оценки указанных составляющих деформации и пример их расчета для одного из наиболее распространенных методов ИПД - РКУ прессования. Практическое значение модели, рассмотренной в данной монографии, заключается в возможности прогнозировать параметры НК структуры и на этой основе совершенствовать методы ИПД.
      Во второй части монографии рассмотрены наиболее широко используемые методы ИПД, а также их комбинации, обеспечивающие активное немонотонное деформирование и интенсивное нарастание величины накопленной деформации за ограниченное число проходов и переходов. В качестве конкретных материалов в работе рассмотрен широкий круг металлов и сплавов, включая малопластичные и труднообрабатываемые материалы.
      Теоретические и прикладные основы деформационного измельчения зерен, изложенные в книге, базируются как на классических представлениях о процессах деформации и структурообразования, так и на результатах недавних исследований [10, 13, 14—16], в том числе выполненных с участием авторов монографии. Во многом, эти исследования проводились в рамках государственных заданий Министерства образования и Науки РФ, порученных федеральным учреждениям г. Уфы: ИПСМ РАН и УГАТУ, сотрудниками которых являются авторы.

7

ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

     Рассмотрены качественные и количественные характеристики структуры в зависимости от деформированного состояния материала. Определены ключевые параметры деформированного и структурного состояния кристаллического материала при больших деформациях. Построена модель деформационного наноструктурирования для металлов и однофазных сплавов, позволяющих прогнозировать размеры зерен в зависимости от накопленной деформации и масштабного фактора заготовки. Даны рекомендации для повышения эффективности процесса измельчения структуры в металлических материалах.

Глава 1.1. Этапы структурообразования и факторы, влияющие на измельчение зерен

     В главе приведены краткая классификация ультрамелкозернистых структур и основные этапы эволюции микроструктуры металлов в условиях большой деформации. Показано, что образование новых областей разориентации, в том числе ячеек, микрополос и мелких нанозерен, связано с явлением фрагментации, возникновение которой согласно [9] происходит, начиная со степеней деформации е> 0,2 - 0,3. Рассмотрено влияние на измельчения структуры различных факторов: природы материала, схемы, степени, скорости деформации и других, включая деформационный разогрев.

1.1.1 Масштабные уровни и эволюция микроструктуры металлов при пластической деформации
     Классификация. Первоначально интерес к ультрамелкозернистым (УМЗ) материалам, во многом, был вызван тем, что при температурах Т > (0,4^0,5) Тпл. они проявляют сверхпластичными свойствами - способностью к необычно большим удлинениям под воздействием небольшого напряжения течения. Это свойство важно в технологии обработки давлением при изготовлении полуфабрикатов и деталей. Кроме того, в обычных условиях жизнедеятельности человека УМЗ материалы по сравнению с крупнозернистыми материалами обладают более высоким комплексом механических свойств, в частности, большей прочностью в сочетании с удовлетворительной пластичностью. Эти качества они сохраняют вплоть до температур близких к температурам, при которых УМЗ материалы начинают проявлять сверхпластические свойства. При этом, чем меньше размер зерен, тем выше их прочностные свойства, но ниже температура перехода от обычной пластичности к сверхпластичности.


8

      В последние годы возрос интерес к наноструктурным материалам. В общем случае к таким материалам, как уже отмечалось, относят нанокристалли-ческие материалы с размером зерен от нескольких нанометров до 100 нанометров, а также субмикрокристаллические материалы с размерами зерен от 100 до 1000 нм. Ключевым признаком таких наноматериалов принято считать наличие структурных элементов, у которых хотя бы в одном направлении размер не превышал 100 нм и, которые играли бы определяющую роль в формировании их уникальных свойств. В субмикрокристаллических материалах такими элементами могут быть неравновесные границы зерен, дисперсные выделения и сегрегации.
      По величине среднего размера зерен ультрамелкозернистые (УМЗ) материалы можно разделить на микрокристаллические, субмикрокристаллические, нанокристаллические материалы (рис. 1.1.1).

       нанокристаллические субмикрокристаллические микрокристаллические



            I----------1-------1-------1------------------1-------------

1 нм      10 нм 100 нм 500 нм                1000 нм 10000 нм

Рис. 1.1.1. Диапазон изменения среднего размера зерен в УМЗ материалах, включающий микрокристаллическую, субмикрокристаллическую и нанокристаллическую градации

      Такая классификация является формальной, т. к. десятичная система исчисления, использованная в её основе, не совпадает с физически обоснованными скачкообразными изменениями некоторых физико-механических свойств материалов зерен в нанометрическом диапазоне < 100 нм [17]. Вместе с тем в этой классификации отметить определенную технологическую корреляцию между размерами зерен УМЗ структуры и методов их получения. Зерна микрометрического диапазона можно получить, используя динамическую рекристаллизацию при горячей деформации или путем фиксации начальной стадии развития первичной рекристаллизации холоднодеформированного материала [10]. Субмикрокристаллическую структуру получают методами ИПД. Для получения нанокристаллической структуры также применяют методы ИПД, но по отношению к небольшим по масштабному фактору заготовкам, например, в порошках, подвергаемым шаровому размолу или тонким дискам после кручения под давлением[18, 19].
      Необходимо отметить, что нанокристаллические и даже субмикрокристаллические материалы нередко называют наноструктурными материалами. В этой связи можно заметить, что наноструктурные материалы понятие более широкое, чем нанокристаллические материалы, потому, что таким могут быть 9

не только кристаллические, но и аморфные материалы, содержащие определенные области нанометрических размеров.
      Основные этапы эволюции структуры. Сравним структурные изменения при монотонной и немонотонной деформации. Монотонная деформация реализуется в таких процессах, как волочение, прессование, прокатка, приводящих к одноосному удлинению образца² или заготовки. В методах ИПД процессы деформации немонотонные. Во всех деформационных процессах структурные изменения в кристаллических материалах сопровождаются их упрочнением вплоть до их разрушения (в монотонных процессах) или до выхода кривой упрочнения на плато при ИПД. Поэтому эволюцию структуры в металлах сначала представим в виде схемы (рис. 1.1.2), предложенной авторами [10], для монотонных процессов. Кроме кривой упрочнения на этой схеме приведена также качественная кривая D ф = f(e), демонстрирующая изменение среднего размера различных областей разориентаций, образующихся по мере нарастания степени деформации - e. Используем эту схему для подробного описания основных стадий эволюции микроструктуры, а ниже отметим отличия процесса измельчения в случае ИПД.
      На первой стадии кривой упрочнения ств = f(e), соответствующей началу пластического течения материала, деформация осуществляется вследствие скольжения единичных дислокаций по плотноупакованным плоскостям и направлениям кристаллической решетки.


Рис. 1.1.2. Схема, демонстрирующая типичный характер изменения прочности материала ств при холодной деформации, среднего размера фрагмента D ф и основные стадии эволюции структуры

² Строго говоря, большие многопроходные деформации вытяжки заготовок являются квазимонотон-ными, т. к. при повторных нагружениях происходит некоторые изменения траекторий деформации.

10

     Для такой деформация, как известно, необходимо небольшие напряжения сдвига, особенно при одноосной деформации монокристаллов с небольшими степенями < 1 %. При степенях деформации ~2^3 % возрастает напряжение и число источников дислокаций, поэтому сдвиг осуществляется уже сериями дислокаций, движущихся по параллельным системам скольжения кристалла
     Дислокационные скопления. С повышением степени деформации ~5^6 % полосы скольжения уплотняются, разворачиваются по отношению к нагрузке, возникает множественное скольжения - движение дислокаций в непараллельных кристаллографических плоскостях. В результате происходит пересечение дислокаций, образование сидячих дислокаций и их скоплений.
     В поликристаллах множественное скольжение практически возникает с началом деформации и при ее нарастании быстро приводит к повышению плотности дислокаций в скоплениях. Вследствие этого кристаллическая решетка заметно искажается путем изгиба и кручения, материал упрочняется, и для развития деформации требуются повышенные напряжения. Дальнейшая эволюция дислокационной структуры зависит от энергии дефекта упаковки материала.
     В материалах с низкой энергией дефектов упаковки (ЭДУ) плоские скопления дислокаций блокируют движение сильно растянутых частичных дислокаций, а создаваемые такими скоплениями упругие поля приводят к затуханию действующего в данной плоскости источника дислокации. Вместе с тем в результате возрастающих внутренних напряжений возникают новые источники дислокаций, и процесс образования новых скоплений повторяется в параллельных плоскостях до тех пор, пока возможность генерации и перемещения дислокаций не исчерпываются. При этом внутренние напряжения достигают значения, достаточного для продолжения деформации по механизму двойникования. Двойник поворачивает часть зерна так, что ориентация кристаллографических плоскостей в переориентированной части становится благоприятной для продолжения развития дислокационного скольжения.
     Двойникование наблюдается в сильно деформированных материалах с разным типом кристаллической решетки, но особенно оно характерно для ГПУ металлов из-за ограниченного числа систем скольжения дислокаций, например, для титана. В таких материалах двойникование становиться дополнительной модой деформации. В принципе, формирование большого количества двойников приводит к измельчению зерен, поскольку двойниковые границы являются высокоугловыми. Вместе с тем такие границы большей частью являются специальными, когерентными, отличаются низким уровнем запасенной энергии, отсутствием дислокаций и дальнодействующих полей напряжений, упрочняющих материалы.
     Между тем как целью ИПД является формирование большеугловых не специальных границ, а общего типа, которые за счет накопления в них большой

11

плотности адсорбированных решеточных дислокаций, способны аккумулировать повышенный уровень упругой энергии, и тем самым создавать дальнодей-ствующие поля напряжений, упрочняющие материал. Одновременно такие границы допускают развитие зернограничного сдвига, что весьма важно для обеспечения УМЗ материалам конструкционного назначения необходимого и достаточного уровня пластических свойств.
     В этой связи отметим, что мере измельчения зерен напряжения, необходимые для дальнейшего развития двойникования, возрастают и процесс двойникования прекращается. Меньшие напряжения требуются для образования полос с относительно большеугловыми разориентировками ~15—20°. Многочисленные пересечения таких полос при немонотонной деформации, как показано ниже, приводят к формированию мелких зерен. Необходимо отметить, что по-лосообразование свойственно различным металлам с различной энергией дефектов упаковки. Однако ниже подробно рассмотрим формирование ячеистой структуры характерное для металлов с повышенной ЭДУ, поскольку эти образования предопределяют толщины микрополос и, в конечном счете, размеры измельченных зерен.
     Ячейки и субзерна. Ячейки начинают образовываться на второй стадии деформации в таких металлах как Al, Cu, Ni, Fe, в которых небольшие расстояния между частичными дислокациями позволяет им преодолевать барьеры путем поперечного скольжения. Это приводит к перестройке дислокаций в пространственные сетки, состоящие из сложных сплетений и клубков дислокаций, толщиной ~0,01 мкм. Такие дислокационные слои-стенки рассматривают как границы, разделяющие кристалл на области разориентации - ячейки, размером ~(0,1^2) мкм. При этом внутренний объем ячеек более или менее свободен от дислокаций.
     Границы ячеек приводят к развороту кристаллических плоскостей соседних областей друг относительно друга на углы порядка 0,1°. Таким образом, под ячеистыми структурами понимают возникающие при деформации в кристаллической структуре области разориентации, обособленные границами-слоями, состоящими из плотных скоплений дислокаций конечной толщины. Плотность дислокаций в таких границах на порядки превосходит плотность дислокаций, наблюдаемых внутри ячеек.
     Различают большое разнообразие ячеистых структур, отличающихся плотностью, типом и знаком дислокаций в стенках, а также угловыми разориентировками. Принципиальное отличие первоначально возникающих ячеистых структур от последующих - блоков и субзерен, заключается в том, что их границы представляют собой слой конечной толщины, образованный плотными скоплениями дислокаций, в общем случае состоящих из сплетений дислокаций разных типов. Такие дислокационные границы-стенки называют несовершенными.

12