Механические схемы и режимы интенсивной пластической деформации

К числу основных методов, с помощью которых были достигнуты большие деформации с истинными степенями, равными 10 и более без разрушения образцов, относятся кручение под высоким давлением (рис. 5.5), РКУ-прессование (рис. 5.6) и всесторонняя ковка.

Рис. 5.6. Интенсивная пластическая деформация РКУ-прсссованием:

/ — пуансон; 2 — заготовка Рис. 5.5. Интенсивная пластическая деформация кручением под высоким давлением:

/ — вращающийся пуансон; 2 — суппорт.

Деформацию кручением под высоким давлением проводят в установках, конструкция которых является развитием известной идеи наковальни Бриджмена. Эти установки использовали для исследования фазовых превращений в условиях интенсивных деформаций, а также для изучения эволюции структуры и изменения температуры рекристаллизации после больших деформаций. Новым и принципиально важным моментом стали доказательства формирования наноструктур с неравновесными большеугловыми границами зерен при использовании интенсивной деформации кручением, что позволило рассматривать этот метод как новый способ получения наноструктурных материалов.

При деформации кручением под высоким давлением (см. рис. 5.5) полученные образцы имеют форму дисков. При этом образец помещается между пуансоном и суппортом и сжимается под приложенным давлением р в несколько гигапаскалей. Суппорт вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Геометрическая форма образцов такова, что основной объем материала деформируется в условиях гидростатического сжатия под действием приложенного давления и давления со стороны внешних слоев образца. В результате, несмотря на большие степени деформации, образец не разрушается.

Для расчета степени деформации при кручении под высоким давлением применяют различные соотношения. Для расчета истинной логарифмической степени деформации е использовали следующую формулу:

где 0 — угол вращения, рад; г и, А — соответственно радиус и толщина диска, мм.

Полученные ИПД-кручением образцы имеют форму дисков диаметром 10… 20 мм и толщиной 0,2…0,5 мм. Существенно структура измельчается уже после поворачивания пуансона / на полоборота, но для создания однородной наноструктуры требуется, как правило, несколько оборотов пуансона.

Недавние исследования показали, что ИПД-кручением может быть успешно использована не только для измельчения структуры, но и как метод консолидации порошков. При этом обнаружено, что высокие давления, равные нескольким гигапаскалям, при деформации кручением при комнатной температуре могут обеспечивать достаточно высокую плотность, близкую к 100%, в получаемых наноструктурных образцах в форме дисков. Для получения таких образцов консолидацией ИПД-кручением можно использовать не только обычные порошки, но и подвергнутые обработке в шаровой мельнице.

Деформация РКУ-прессованием реализует деформацию массивных образцов простым сдвигом. Данный метод был разработан в 1970;х гг. В. М. Сегалом и другими учеными для того, чтобы подвергать материалы пластическим деформациям без изменения поперечного сечения образцов. Это создает возможность для их повторного деформирования (см. рис. 5.6). В начале 1990;х гг. Р. З. Валиевым и другими учеными данный способ был развит и впервые применен как метод ИПД для получения структур с субмикрокристаллическим и нанометрическим размером зерен. В этих экспериментах исходные заготовки с круглым или квадратным поперечным сечением вырезали из прутков длиной 70… 100 мм. Диаметр поперечного сечения или его диагональ, как правило, не превышали 20 мм. При реализации РКУ-прессования заготовку неоднократно продавливают в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися обычно под углом 90°. В труднодеформируемых материалах деформацию осуществляют при повышенных температурах.

Когда внешний угол у = 0°, а внутренний Ф произволен, приращение степени деформации Де/ при сдвиге в ходе каждого прохода через каналы может быть рассчитано с использованием следующего выражения:

где Р — сила давления; о_т — предел текучести деформируемого материала.

Поскольку при РКУ-прессовании заготовка продавливается через пересекающиеся каналы несколько раз, то общая степень деформации

где N — число проходов (продавливаний) заготовки.

В процессе РКУ-прессования для структурообразования весьма важны направление и число проходов заготовки через каналы. Были рассмотрены различные маршруты заготовок (рис. 5.7): ориентация заготовки остается неизменной при каждом проходе (маршрут А); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 90° (маршрут В); после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 180° (маршрут Q. Данные маршруты различаются направлениями сдвига при повторных проходах заготовки через пересекающиеся каналы и приводят к формоизменению сферической ячейки в теле заготовки в ходе РКУ-прессования.

В ходе первого прохода в результате простого сдвига при РКУпрессовании в месте пересечения каналов ячейка приобретает форму эллипсоида (рис. 5.8, а). Последующие проходы в ходе реализации маршрута А приводят к удлинению оси, и эллипсоид вытягивается. При этом направление сдвига поворачивается на угол 2Ф вокруг оси, перпендикулярной продольному сечению каналов. Повторный проход при маршруте В изменяет направление сдвига; при этом плоскость сдвига поворачивается на угол 120° (при 2Ф = 90°) — рис. 5.8, б. В ходе реализации деформации по маршруту С (рис. 5.8, в) повторный проход приводит к сдвигу в той же плоскости, но в противоположном направлении. При этом ячейка вновь приобретает сферическую форму.

Использование всех трех маршрутов приводит к быстрому росту пределов текучести и прочности обрабатываемого материала, которые уже после нескольких проходов достигают насыщения. Первые три цикла деформирования образцов Си и Ni РКУ-прессованием приводят к росту усилия деформации. Далее наступает.

Рис. 5.7. Варианты РКУ прессования: а, б, в — соответственно маршруты А, В, С.

Рис. 5.8. Режимы простого сдвига при РКУ-прессовании: а — одноцикловос деформирование; б — многоцикдовое деформирование, маршрут А; в — маршрут С установившаяся стадия упрочнения и усилие практически не изменяется.

Всесторонняя ковка — еше один способ формирования наноструктур в массивных образцах. Процесс всесторонней ковки обычно сопровождается динамической рекристаллизацией. Схема всесторонней ковки основана на использовании многократного повторения операций свободной ковки: осадки и протяжки со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия. Однородность деформации в данной технологической схеме по сравнению с РКУпрессованием или кручением ниже. Однако данный способ позволяет получать наноструктурное состояние в достаточно хрупких материалах, поскольку обработку начинают с повышенных температур и обеспечивают небольшие удельные нагрузки на инструмент. Например, выбор соответствующих температурно-скоростных условий деформации позволил добиться получения очень мелких зерен размером примерно 100 нм.