Деформационное поведение, микроструктура и кристаллографическая текстура ультрамелкозернистой меди, подвергнутой динамическому нагружению

Дун Юечэн

Деформационное поведение, микроструктура и кристаллографическая текстура ультрамелкозернистой меди, подвергнутой динамическому нагружению тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Дун Юечэн АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Деформационное поведение, микроструктура и кристаллографическая текстура ультрамелкозернистой меди, подвергнутой динамическому нагружению»

Автореферат диссертации на тему "Деформационное поведение, микроструктура и кристаллографическая текстура ультрамелкозернистой меди, подвергнутой динамическому нагружению"

На правах рукописи

Дун Юечэн

Деформационное поведение, микроструктура и кристаллографическая текстура ультрамелкозерпистой меди, подвергнутой динамическому нагружению

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

17 ОКТ 2013

005535331

Уфа-2013

005535331

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор

Александров Игорь Васильевич

Альмухаметов Рафаил Фазыльянович доктор физико-математических наук, ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет, профессор

Даниленко Валерий Николаевич кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение наук Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук, доцент

ФГБОУ ВПО Башкирский государственный педагогический университет, г. Уфа

Защита диссертации состоится « 07 » _Л_ 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.080.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук, расположенном по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Степана Халтурина, 39.

Отзывы направлять по адресу: 450001, г. Уфа, ул. Степана Халтурина, 39, ИПСМ РАН, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук.

Автореферат разослан « 03 » 10 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук ^ ' (/ Лутфуллин Р.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Последние годы характеризуются широким изучением методов интенсивной пластической деформации (ИПД), в том числе равноканально-углового прессования (РКУП), предназначенных для полуения объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) и наноструктурных (НС) состояний в различных металлических материалах.

Степень, температура и скорость деформации являются тремя важнейшими параметрами, определяющими особенности формирующихся в результате ИПД УМЗ/НС микроструктурных состояний в различных металлических материалах. Известно, что реализация традиционных методов ИПД, приводящих к измельчению микроструктуры объемных металлических материалов, осуществляется при невысоких скоростях деформации. Довольно многочисленные проведенные исследования свидетельствуют о том, что УМЗ металлические материалы характеризуются высокой прочностью и достаточной пластичностью при квазистатических скоростях деформации. С целью дальнейшего уменьшения размера зерен, формирования более однородных УМЗ/НС структур с большей долей высокоугловых границ зерен в последнее время разработаны комплексные методы ИПД, например, РКУП + кручение под высоким давлением, РКУП + экструзия, РКУП + прокатка и т.д.

Недавно на основе схемы РКУП разработан метод динамического ка-нально-углового прессования (ДКУП), использующий в качестве источника внешней нагрузки энергию пороховых газов, что обеспечило повышение скорости деформации на 4-5 порядков (104 - 105 с'1), по сравнению с РКУП. Результаты исследований показали, что метод ДКУП можно рекомендовать для практического использования с целью эффективного измельчения структуры и повышения прочностных характеристик объемных заготовок алюминиевых сплавов разного состава. В частности, этим способом были получены объемные заготовки из алюминиевых сплавов с УМЗ структурой и размером кристаллитов 200-600 нм. Прочность алюминиевого сплава, деформированного методов ДКУП, выше на 30%, а пластичность выше в 2 раза, чем у сплава в нагартованном состоянии. Однако, использование такой технологии для получения массивных УМЗ/НС заготовок малопроизводительно из-за ограничений ресурса оснастки при динамическом нагружении (ДН).

Еще одним их подходов, используемых в последние годы для формирования УМЗ/НС состояний, является метод динамических пластических деформаций. Принцип данного метода состоит в реализации осадки заготовки с высокой скоростью при температуре жидкого азота. В результате совмещения высокой скорости и низкой температуры деформации были получены НС медные образцы с высокой объемной долей деформационных двойников, что привело к высокому пределу текучести, равному 600 МПа. Однако пластичность полученных заготовок при квазистических испытаниях оказалась невысокой, что было обусловлено формированием наноразмерных полос сдвига.

Динамическое деформационное поведение УМЗ металлических материалов, полученных в результате применения метода ИПД, исследовано в значительно меньшей степени, чем их деформационное поведение при квазистатических испытаниях. До момента постановки задач данной диссертационной работы такого рода исследования были сосредоточены на анализе деформационных кривых, определении лрочностных характеристики, коэффициентов деформационного упрочнения и скоростной чувствительности напряжения течения при различных температурах. Было установлено, что материалы в УМЗ/НС состояниях характеризуются высоким пределом текучести и скоростной чувствительностью напряжения течения, низким деформационным упрочнением по сравнению с аналогичными материалами в крупнокристаллическом состоянии.

Следует отметить, что исследования эволюции микроструктуры УМЗ материалов в результате ДН очень немногочисленны и ограничены. К таковым относятся исследования динамического разрушения, которое связывают с формированием адиабатических полос сдвига в результате сдвиговой деформации при динамическом кручении. При этом установлено, что мелкие зерна способны затруднять формирование и распространение адиабатических полос сдвига и возможно способствовать сохранению ресурса пластичности.

В результате проведенного анализа литературных источников были сделаны выводы о важности и актуальности проведения исследований динамического деформационного поведения, эволюции микроструктуры, кристаллографической текстуры, деформационных механизмов УМЗ металлических материалов на примере меди как модельного материала в условиях ДН.

Цель работы.

Целью настоящих исследований является анализ влияния скорости и температуры деформации на эволюцию микроструктуры, кристаллографическую текстуру и деформационные механизмы УМЗ меди при ДН, реализованном при различных скоростях и температурах.

В работе последовательно решались следующие задачи:

1. Получить объемные медные заготовки с различной микроструктурой в результате РКУП с разным числом проходов.

2. Реализовать ДН полученных заготовок с различными скоростями и при различных температурах деформации.

3. Установить закономерности высокоскоростного деформационного механического поведения меди при различных скоростях и температурах ДН.

4. Установить закономерности влияния размера зерен, скорости и температуры высокоскоростной деформации на микроструктуру, кристаллографическую текстуру меди.

5. Оценить активность различных механизмов деформации в меди, подвергнутой РКУП, при различных скоростях и температурах высокоскоростной деформации.

6. Разработать физическую модель процессов, сопровождающих высокоскоростной деформацию УМЗ меди.

7. Исследовать особенности квазистатического деформационного поведения меди в различных структурных состояниях, полученных в результате РКУП, РКУП и ДН.

8. Установить режимы ДН заготовок УМЗ меди, приводящие к формированию высокопрочного состояния с достаточной пластичностью.

Научная новизна.

В настоящее работе впервые выполнен анализ высокоскоростного деформационного поведения УМЗ меди при ДН, реализованном при различных скоростях и температурах деформации с учетом эволюции микроструктуры и кристаллографической текстуры. Впервые продемонстрировано, что применение комплексного метода, включающего РКУП и ДН, приводит к формированию в меди бимодального УМЗ/НС состояния, обеспечивающего более высокие прочность и пластичность по сравнению с таковыми, характерными для меди, подвергнутой только РКУП.

Практическая ценность.

Полученные результаты позволили установить особенности деформационного поведения УМЗ меди при ДН и могут оказать помощь в оптимизации механических свойств УМЗ меди за счет формирования специфической бимодальной микроструктуры в результате реализации динамической рекристаллизации в ходе РКУП и ДН.

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Предел прочности УМЗ меди, полученной РКУП, повышается при уменьшении размера зерен, увеличении скорости деформации или понижении температуры деформации при ДН.

2. В УМЗ меди при ДН протекают процессы динамической рекристаллизации и деформационного двойникования.

3. ДН приводит к уменьшению параметра кристаллической решетки и размера областей когерентного рассеяния (Б), увеличению упругих микроискажений кристаллической решетки, росту плотности дислокаций и деформационных двойников в УМЗ/НС меди.

4. Одновременное увеличение прочности и пластичности меди обусловлено формированием бимодальной микроструктуры в результате применения комплексного метода РКУП и ДН.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием современных взаимодополняющих экспериментальных методик, широким набором экспериментальных данных и применением апробированных способов их обработки, воспроизведением результатов при совместном использовании комплекса современных методов физического металловедения. Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, хорошо согласуются между собой и не противоречат известным научным представлениям и результатам.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на международной конференции «The 5th international conference on nanomaterial's by severe plastic deformation», Nanjing, China, 2011 г., Международной конференции «The 3rd international symposium bulk nanostructured materials: BNM-2011», Ufa, Russia, 2011 г., V Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, Россия, 2011 г., XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, Россия, 2012 г., VII Всероссийской зимней школе аспирантов и молодых учёных, Уфа, Россия, 2012 г., Юбилейных XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных памяти профессора В.А. Лихачева, Санкт-Петербург, Россия, 2012 г., 52-й Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Уфа, Россия, 2012 г., VI Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, Россия, 2012 г., Третьей открытой школе-конференциистран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы" (УМЗНМ-2012), Уфа, Россия, 2012 г.

Личный вклад автора и роль соавторов.

Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим диссертантом, либо китайским магистром В.В. Ванг, работающей под руководством диссертанта. Исследования выполнены при научной консультации и под руководством научных руководителей профессоров И.В. Александрова и Дж. Т. Ванга. Рентгеноструктурные исследования и исследования кристаллографической текстуры проводились совместно с доцентом В.Д. Ситдико-вым.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах, из них 4 статьи в изданиях, включенных в Перечень ВАК.

Структура в объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и списка литературы. Объем работы 123 страницы. Она включает в себя 61 рисунок и 8 таблиц. Список цитированной литературы включает 121 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы настоящих исследований; сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость работы; приведены основные положения, которые выносятся на защиту; даны сведения о публикациях автора, структуре и объеме диссертации; определен личный вклад автора; отражена апробация результатов.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней представлены литературные данные о процессах динамического поведения металлических материалов. Особое внимание уделено рассмотрению влияние темпе-

ратуры и размера зерен (в микро- диапазоне) на структуру и механические свойства металлических материалов при ДН. Рассмотрена специфика РКУП при получении УМЗ/НС материалов (в частности чистой меди), их структурные особенности и квазистатические механические свойства.

Во второй главе подробно описаны материал исследования и его состав, режимы термической обработки, применяемый метод РКУП, экспериментальные методики исследования структурных характеристик и механических свойств меди, включая результаты квазистатических и динамических испытаний.

В качестве материала для исследований использовалась холоднокатаная электротехническая медь чистотой 99,98%. Для, снятия остаточных внутренних упругих напряжений и формирования однородной крупнокристаллической (КК) структуры перед последующими исследованиями заготовки меди в состоянии поставки отжигали при температуре 873 К в течение 1 часа в вакууме.

Весовую долю химических элементов в исходном состоянии, полученном в результате указанного отжига, определяли с помощью рентген-фотоэлектронного спектрометра ШС)Ь-.ГР59010. Результаты расчета весовой доли элементов приведены в Таблице 1.

Таблица 1 — Весовая доля элементов в исследуемой заготовке

Состав Си О С Ре

Вес. % 99,98130 0,00146 0,00195 0,01529

РКУП осуществляли в оснастке с внутренним углом пересечения каналов Ф=90° и внешним углом пересечения каналов в оснастке Ч'=20° при комнатной температуре. Заготовки подвергали РКУП по маршруту Вс со скоростью 0,1 мм/сек.

Динамические испытания осуществлялись методом разрезного стержня Гопкинсона со скоростями деформации, равными 1000 с"1, 1500 с"1, 1700 с"1, и с температурами, равными 171 К, 231 К, 298 К. Квазистатические испытания на сжатие проводили со скоростью деформации 6><10"4 с"1 при комнатной температуре. После ДН проводили квазистатические испытания на растяжение при комнатной температуре со скоростью деформации 2х 10"3 с"1.

Микроструктура КК и деформированных образцов изучалась методами оптической (ОМ) просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеноструктурный анализ (РСА). Анализ кристаллографической текстуры проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-ЗМ, оборудованном автоматической текстурной приставкой. После испытаний на растяжение исследования особенностей микроструктуры образцов проводились на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ).

В главе 3 приведены экспериментальные данные о характере динамического деформационного поведения меди в КК состоянии и УМЗ состояниях с разным размером зерен, полученных в результате РКУП с разным числом

проходов (разными накопленными деформациями). Наиболее подробно рассмотрено влияние скорости и температуры деформации на динамические деформационные свойства КК состояния и УМЗ состояний.

__Размер зерен КК меди оказался

равным -90 мкм (рис. 1). В результате РКУЛ размер зерен сильно уменьшился и достиг минимального значения после 4 проходов РКУП. Дальнейшие проходы РКУП слабо повлияли на размер зерен. При этом средний размер зерен после 8 проходов РКУП оказался равным -350 нм.

Предел текучести меди при ДН со скоростью 1500 с"1 и квазистатической деформации (КСД) со скоростью 6x10" 4 с"' при комнатной температуре сильно увеличивается с уменьшением размера зерен (увеличением числа проходов при РКУП) (рис. 1). Зависимости предела текучести от размера зерен для случаев ДН и КСД похожи по форме. При этом все точки квазистатической кривой лежат ниже соответствующих точек динамической кривой. Это указывает на повышенные значения напряжения течения при

Рисунок 1 - Зависимость предела текучести от размера зерен в меди при ДН и КСД

ДН для всех исследуемых микроструктур с разным размером зерен.

Таблица 2 - Данные о подвергнутых ДН образцах меди в КК состоянии и состояниях после 8 проходов РКУП

Состояние <5?, нм е,с1 о0,2, МПа 8, %

Отожженное 1142 215 20,9

КК 90*103 1544 225 21,5

1744 230 23,4

После 8 про- 1030 550 18,1

ходов РКУП 350 1431 551 19,3

1731 555 20,1

Обнаружено, что предел текучести при ДН практически не чувствителен к скорости деформации (табл. 2). Его значение слабо растёт с увеличением скорости деформации для всех исследованных состояний. Максимальное значение напряжения течения, равное 555 МПа, наблюдается в случае образца, подвергнутого 8 проходам РКУП, при максимальной скорости деформации, равной 1731 с"1. В то же время, следует отметить, что степень деформа-

ции при ДН увеличивается с повышением скорости деформации для всех образцов, однако, менее всего эта тенденция выражена в случае образца, подвергнутого 8 проходам РКУП.

На рис. 2а представлены кривые, отражающие влияние температуры на динамическое деформационное поведение КК меди при скорости деформации -1500 с"1. При комнатной температуре предел текучести КК меди равен 225 МПа. Для данного состояния характерно сильное деформационное упрочнение. При температуре 231 К предел текучести равен 250 МПа, т.е выше, чем при комнатной температуре. При температуре 171 К предела текучести равен 191 МПа, что значительно меньше, чем при комнатной температуре. Скорость деформационного упрочнения при 171 К выше, чем при других температурах.

171 К, 1500 с'1

^ Исгннная деформация Истинная деформация

Рисунок 2 — Истинные динамические деформационные кривые меди в КК состоянии (а) и в УМЗ состоянии, полученном в результате 8 проходов РКУП (б)

Известно, что критическое напряжение сдвига в меди значительно увеличивается при понижении температуры в связи с затруднением скольжения дислокаций. С другой стороны, пороговое критическое напряжение двойни-кования в ГЦК-металлах понижается с понижением температуры. В связи с этим, можно предположить, что в КК меди при понижении температуры ДН возможен переход от скольжения дислокаций к двойникованию в интервале температур 171 К - 231 К, что и объясняет немонотонную температурную зависимость предела текучести, характерную для данного состояния меди.

На рис. 26 представлены кривые, отражающие влияние температуры на динамическое деформационное поведение УМЗ мели при ДН со скоростью -1500 с"1. Обнаружено, что при комнатной температуре предел текучести меди достигает 551 МПа. При понижении температуры предел текучести увеличивается и достигает 566 МПа при 171 К. В то же время, деформационное упрочнение для всех состояний в указанном интервале температур очень мало. Это связано, как будет продемонстрировано ниже, с динамическими воз-

вратом и рекристаллизацией, влияющими на плотность дислокаций в УМЗ состоянии.

Видно, что характер изменения предела текучести УМЗ меди при разных рассмотренных температурах отличается от такового, характерного для КК состояния. Известно, что активизация деформационного двойникования сильно зависит от размера зерен. В результате можно предположить, что доминирующим механизмом деформации УМЗ/НС металлических материалов является дислокационное скольжение. Понижение температуры деформации затрудняет аннигиляцию дислокаций. Это обеспечивает наблюдаемый в случае УМЗ меди рост предела текучести при понижении температуры деформации.

а)

I [стинна* зефоркациа

Истинна* зефорыацн!

в)

t ?г

Истинна! зефорыаши

Истинная деформация

Рисунок 3 — Кривые «истинное напряжение — истинная деформация» для КК меди и УМЗ меди, полученные в результате экспериментальных исследований и моделирования в рамках модели Джонсона-Кука для комнатной температуры (а, в), низкой температуре, равной 171 К, (б, г)

При анализе деформационного поведения меди при ДН в настоящей работе использовалась наиболее общепринятая модель Джонсона-Кука. Данная модель описывает динамическое деформационное поведение металлических материалов основываясь на эмпирическом уравнении:

. - - / _ гг, \ т "

Г „ ~1 е \ Т \ т -Тг

а=уА + ВЕп\ 1 + С1п — £0_ 1- -Тг)

где о - напряжение течение при высокоскоростной деформации, е - степень деформации при высокоскоростной деформации, А - предел текучести при квазистатической деформации, Т - реальная температура, Тг - комнатная температура, Тт - температура плавления, ё - скорость деформации, ¿й - скорость системы отсчета, равная 1,5, С - константы упрочнения и скорости деформации, п - показатель упрочнения, т - показатель температуры.

На рис. 3 представлены полученные в настоящей диссертационной работе экспериментальные кривые «истинные напряжения - истинные деформации» и соответствующие модельные кривые, рассчитанные в рамках модели Джонсона-Кука для КК меди (а, б) и УМЗ меди (в, г) для комнатной температуры (а, в), низкой температуры, равной 171 К, (б, г).

Обнаружено, что модель Джонсона-Кука не в полной мере описывает экспериментальные результаты исследования динамического поведения КК и УМЗ меди. При этом отличия модельных расчетов от результатов эксперимента значительнее при низкотемпературной деформации. Это можно объяснить действием деформационного двойникования, которое не учитывается в модели.

В четвертой главе приведены экспериментальные результаты изучения эволюции микроструктуры и кристаллографической текстуры в случаях КК и УМЗ состояний меди при ДН при комнатной температуре и низкой температуре, равной 171 К.

Микроструктура КК состояния характеризуется однородной структурой с четкими и прямыми границами зерен (рис. 4а). В результате РКУП с числом проходов, равным В, в микроструктуре сформировались равноосные зерна с четкими границами (рис. 46). Однако в некоторых областях можно наблюдать неоднородную структуру. В

Рисунок 4 - Изображения микроструктуры меди в КК (а) и УМЗ состояния (б)

Рисунок 5 — ПЭМ изображения микроструктуры КК меди, подвергнутой ДН при комнатной температуре (а-в) и при температуре Т=171 К (г-е)

то же время, в микроструктуре обнаружены рекристаллизованные зерна размером 400 нм (метка Я на рис. 46), которые свободны от дислокаций и обладают чёткими прямолинейными границами.

ПЭМ изображения микроструктуры КК меди, подвергнутой ДН при разных температурах, представлены на рис. 5. Обнаружено, что ДН при комнатной температуре привело к образованию вытянутых субзерен со средним размером 650 нм (рис. 5а). В то же время, в микроструктуре наблюдаются количественные дислокации (рис. 56) и появились многочисленные деформационные двойники (рис. 5в).

В результате низкотемпературного ДН зерна в микроструктуре КК меди вытянулись значительно сильнее (рис. 5в), чем при ДН при комнатной температуре (рис. 5а).

Степени деформации сжатия в случае ДН КК меди при комнатной и 171 К температурах примерно одинаковы и равны —23%. Однако, сформировавшиеся микроструктуры разные. Это свидетельствует в пользу того, что механизмы пластической деформации, характерные для данных состояний, отличаются.

При низкотемпературном ДН границы субзерен более тонкие, и им присущ более четкий контраст (рис. 5 (г, д)), чем в состоянии после ДН при комнатной температуре (рис. 5 (а, б)). Низкотемпературное ДН способствует формированию более мелких субзерен с более высокоугловыми разориенти-ровками. Четкие прямые границы зерен и их стыки наблюдаются в соответствующей структуре, представленной на рис. 5е. Движение дислокаций блокируется высокоугловыми границами зерен. В то же время, микроструктура также характеризуется появлением деформационных двойников.

На рис. 6 представлены ПЭМ изображения микроструктуры УМЗ меди, подвергнутой ДН при комнатной температуре. Если в результате ДН КК меди размер зерен меняется сильно, то в результате ДН УМЗ меди он меняется слабо. В то же время, при ДН в УМЗ структуре появилась рекристаллизован-ные зерна (рис. 66). Это свидетельствует о том, что при ДН УМЗ меди при

Рисунок 6 - ПЭМ изображения УМЗ меди, подвергнутой ДН при комнатной

температуре

комнатной температуре происходит повышение температуры, что способствует протеканию динамической рекристаллизации. В то же время, в данном случае в микроструктуре наблюдаются многочисленные деформационные двойники (рис. 6в), имеющие толщину 8 - 50 нм и длину в несколько сотен нанометров.

Рисунок 7 - ПЭМ изображения УМЗ меди, подвергнутой ДН при температуре Т=171 К

На рис. 7 представлены ПЭМ изображения микроструктуры УМЗ меди, подвергнутой ДН при низкой температуре, равной 171 К. Обнаружено, что в результате ДН размер зерен немного уменьшился. Известно, что низкая температура затрудняет процессы динамического возврата. Таким образом, больше дислокаций сохраняется в микроструктуре. В то же время, в микроструктуре наблюдаются деформационные двойники (рис. 76), дислокационные ячейки, дислокационные петли, а также некоторое количество изолированных дислокаций (рис. 7в). Кроме того, для указанной микроструктуры также характерно наличие дислокационных ячеек, разделенных дислокационными стенками (рис. 7г).

Результаты расчета параметров микроструктуры на основе данных, полученных методом РСА, приведены в табл. 3. Обнаружено, что ДН способствует уменьшению параметра кристаллической решетки. При этом понижение температуры это происходит как в КК состоянии, так и в УМЗ состоянии.

Уменьшение параметра кристаллической решетки, возможно, свидетельствует о протекании сегрегационных процессов в микроструктуре в ходе ДН. В то же время, ДН приводит к уменьшению размера областей когерентного рассеяния (О) и росту величины упругих микроискажений кристаллической решетки. Соответствующие тенденции усиливаются при понижении температуры ДН. Следует отметить, что эта тенденция выражена значительно слабее для УМЗ состояния, чем в случае КК состояния меди.

Плотность дислокаций в микроструктуре КК меди довольна низка. После ДН при комнатной температуре её значение увеличивается более чем в 5 раз и достигает 1,76х 1014 м"2. Низкотемпературная ДН увеличивает плотность дислокаций в 10 раз по сравнению с соответствующим значением, характерным для КК меди.

Таблица 3 - Параметры микроструктуры, поученные методом РСА

Состояние а, А Б, нм <е2>1/2, 10"4 р, 1014 м"2 Р,%

КК 3,61679±0,00019 82±7 4,1±0,7 0,33±0,02 -

КК + ДН (298К) 3,61558±0,00021 59±5 9,0±1,3 1,76±0,09 0,4±0,1

КК + ДН (171К) 3,61538±0,00021 48±5 13,2±1,1 3,33±0,05 0,8±0,2

УМЗ 3,61588±0,00020 46±3 19,5±2,1 4,97±0,14 0,8±0,2

УМЗ+ДН (298 К) 3,61557±0,00016 43±3 20,7±2,1 5,65±0,18 1,1±0,1

УМЗ+ДН (171 К) 3,61447±0,00022 41±5 26,3±2,1 7,53±0,18 1,3±0,2

В то же время, плотность дислокаций в микроструктуре УМЗ меди велика и составляет 4,97><1014м"2. После ДН при комнатной температуре её значение увеличивается на 14% и достигает 5,65 х1014 м"2. Низкотемпературное ДН увеличивает плотность дислокаций на 52% по сравнению с соответствующим значением, характерным для УМЗ меди. Полученные результаты указывают на то, что влияние ДН на изменение параметров микроструктуры УМЗ состояния значительно меньше по сравнению с КК состоянием. Это наблюдение связывается с высоким накоплением энергии в УМЗ меди, сформированной методом РКУП, которые способствуют протеканию возврата и динамического рекристаллизации в микроструктуре при ДН.

ДН приводит к повышению температуры деформируемых образцов, что способствует аннигиляции дислокаций в результате протекания динамических возврата и рекристаллизации. Однако аннигиляция дислокаций подавляется при ДН, реализованном при низкой температуре. При этом изменения в микроструктуре в результате низкотемпературных ДН значительно усиливаются.

Плотность двойников Р в микроструктуре меди определялась как вероятность нахождения границ двойников между любыми двумя соседними

плоскостями. Полученные результаты указывают на то, что высокая скорость деформации и низкая температура способствуют увеличению их плотности.

Вид прямой ПФ (111) КК меди свидетельствует о наличии интенсивных максимумов, по-видимому, относящихся к текстуре отжига, (рис. 8а). Прямая ПФ (111) меди в УМЗ состоянии, полученном в результате 8 проходов РКУП, (рис. 86) характеризуется шестью максимумами (номер 1 - 6), симметрично расположенными на периферии прямой ПФ, и двумя максимумами, расположенными на вертикальной оси прямой ПФ (номер 9, 10), относящимися к максимумам, характерным для текстуры простого сдвига. При этом два максимума (номер 7, 8) ранее не наблюдались для аналогичных состояний меди. При анализе прямой ПФ был произведен поворот сетки Закса вокруг нормали к плоскости прямой ПФ на угол 45° против часовой стрелки для обеспечения совпадения осей 1 и 2 с характерными направлениями вдоль и поперек направления простого сдвига (рис. 8в). В результате произошло наложение максимумов на фибры {111}<? и <110>е , которые характерны для текстуры простого сдвига.

, О, --------' шах =16.8

ч А А х

в) г)

Рисунок 8 - Прямые ПФ (111) меди в КК состоянии (а) и в УМЗ состоянии, полученном в результате 8 проходов РКУП (б), положение идеальных ориентировок, соответствующих состоянию после простого сдвига (в) и идеальные ориентировки текстуры рекристаллизации и двойникования меди (г)

На рис. 8в указано положение идеальных ориентировок, соответствующих состоянию после простого сдвига. Кристаллографическую текстуру простого сдвига можно описать с помощью идеальных ориентировок А\, А\, А, А, В, В и С с индексами {1П}<110>.

В то же время, на ПФ наблюдали 2 максимума, расположенных на горизонтальной оси прямой ПФ. Учитывая координаты этих максимумов на ПФ, а также координаты двух максимумов, расположенных на вертикальной оси прямой ПФ, можно предположить, что эти максимумы относятся к кубической текстуре рекристаллизации (рис. 8г), характеризующейся идеальными ориентировками {100}<001>. Расшифровка прямой ПФ показала, что на ней можно идентифицировать слабую ориентировку {111}<211> которая обычно

появляется в металлах с ГЦК решеткой при двойниковании (рис. 8г).

■ 11 кгг

Рисунок 9 - Прямые ПФ (111) КК (а, б) и УМЗ (в, г) меди, подвергнутых ДН при температуре, равной 298 К (а, в), и при температуре, равной 171 К (б, г)

На рис. 9 (а, б) представлены прямые ПФ (111) КК меди, подвергнутой ДН при комнатной температуре и температуре 171 К. В результате ДН КК образца при температурах 298 К и 171 К произошло некоторое усиление текстурных максимумов. Анализ ПФ в рамках программы ЬаЬо1сх показал, что данные текстурные максимумы относятся к кубической текстуре рекристал-

лизации, характеризующейся идеальными ориентировками {100}<001>. Кроме того, на прямой ПФ (111) можно идентифицировать двойниковую ориентировку {lll}<2TT> При этом, двойниковая ориентировка {lll}<2ll>

ярко выражена при температуре 171 К, что свидетельствует об активности протекания процессов двойникования при данной температуре.

На рис. 9 (в, г) представлены прямые ПФ (111) УМЗ меди, подвергнутой ДН при температуре, равной 298 К, и при температуре, равной 171 К. Обнаружено, что ДН привело к формированию текстурных максимумов на ПФ (111), относящихся к кубической {100}<001> и двойниковой ориентировке {lll}<2TT>. Появление данных текстурных максимумов также свидетельствует о протекании процессов двойникования и динамической рекристаллизации. При этом, данные текстурные максимумы ярко выражены и имеют высокую полюсную плотность, что указывает на высокую активность вышеуказанных процессов.

Таким образом, ДН как КК состояния, так и УМЗ состояния приводит к активации процессов рекристаллизации и деформации двойникованием. При этом, в КК состоянии понижение температуры ДН от комнатной до 171 К сопровождается усилением процессов рекристаллизации и деформация осуществляется преимущественно двойникованием. В случае УМЗ состояния процесс формирования деформационных двойников усиливается (усиление ориентировок {lll}<21 1 >), а динамической рекристаллизации реализуется менее интенсивно (менее слабые ориентировок {100}<001>).

В пятой главе приведены экспериментальные результаты исследований квазистатического деформационного поведения УМЗ меди, полученной с помощью РКУП+ДН.

а)

4 гтрохозо РКУП - ДК

Инженерна! зеформаши, "

б)

Проход РКУП

Рисунок 10 — Кривые «инженерное напряжение - инженерная деформация» образцов меди КК+ДН, 1, 4, 8РКУП+ДН (а). Зависимость предела текучести и удлинения до разрушения от числа проходов РКУП образцов меди, подвергнутых РКУП и РКУП + ДН (б)

На рис. 10 представлены результаты исследования квазистатического деформационного поведения КК меди и меди, подвергнутой 1, 4 и 8 прохо-

дам РКУП, после ДН при комнатной температуре. Обозначим указанные состояния как КК+ДН298К, 1РКУП+ДН298К, 4РКУП+ДН298К, 8РКУП+ДН298к соответственно.

Было обнаружено, что предел текучести для состояния КК+ДН298К достигает величины, равной 210 МПа. Данное состояние характеризуется высокой пластичностью. Степень деформации до разрушения составила 26%. Предел текучести меди в состоянии 1 РКУП+ДН298к увеличивается на 50% по сравнению с состоянием КК+ДН298к и достигает 315 МПа, однако пластичность уменьшается до 12%. Предел текучести меди в состоянии 4РКУП+ДН298К достигает 425 МПа. При этом пластичность продолжает уменьшаться. Наконец, предел текучести меди в состоянии 8РКУП+ДН298К еще больше увеличивается, хотя слабо, в то же время, пластичность повышается.

На рис. 106 представлены зависимости предела текучести и удлинения до разрушения в зависимости от числа проходов РКУП для меди, подвергнутой РКУП и РКУП+ДН при комнатной температуре. Полученные результаты указывают на то, что ДН способствует повышению предела текучести в образцах, предварительно подвергнутых РКУП. По-видимому, это связано с активизацией процессов накопления дислокаций, приводящих к уменьшению среднего размера зерен по сравнению со случаем образцов меди, подвергнутых только РКУП.

Пластичность образцов меди в КК состоянии высока и достигает 67%. После 4 проходов РКУП она сильно уменьшается. В то же время, ДН приводит к уменьшению пластичности меди в КК состоянии и в состоянии после 4 проходов РКУП. Однако, в случае меди 8 РКУП+ДН, пластичность увеличилась. Это связано, как было показано раньше ПЭМ (рис. 66), с формированием бимодальной микроструктуры в результате протекания количества динамической рекристаллизации за счет повышения температуры образцов при ДН в УМЗ состоянии.

На рис. 11 представлены СЭМ изображения изломов на поверхности образцов меди в различных структурных состояниях. Обнаружено, что излом при разрушении образцов меди в состоянии 1 РКУП+ДН298К в продольном сечении (рис. 11а) характеризуется зазубренной формой. В то же время, в поперечном сечении излом для меди в этом состоянии характеризуется неоднородной морфологией и состоит из ямок разного размера. Некоторые ямки имеют большой размер, превышающий 60 мкм, (рис. 11г).

Анализ рис. 116 указывает на то, что ширина шейки для образцов меди в состоянии 4РКУП+ДН298К примерно равна ширине шейки для образцов меди в состоянии 1РКУП+ДН298К (рис. 11а). В то же время, поперечное сечение поверхности излома образцов меди в состоянии 4РКУП+ДН298К (рис. 11д) характеризуется более однородной морфологией, чем в состоянии 1РКУП+ДН298К (рис. 11г). При этом в поперечном сечении излома образцов меди в состоянии 4РКУП+ДН298К (рис. 11д) преобладают мелкие ямки диаметром 1—10 мкм, хотя можно обнаружить и некоторое количество больших

ямок, имеющих диаметр 20-30 мкм. Следует отметить, что на поверхности излома образцов меди в состоянии 4РКУП+ДН2<,8к обнаружена зона хрупкого разрушения, свидетельствующая о потере пластичности меди в этом состоянии. В то же время хрупкое разрушение при комнатной температуре обычно нехарактерно для меди.

а) - б)ШНИЯЕГмг.т.| _ в)Яшви»'"'■«■гг»ИШи

* ' РйЗ "3

V,--

С' 'ШШшВт

г) - ''V ' д) ■ - ж)

Рисунок 11 - СЭМ изображения изломов на поверхности образцов меди в различных структурных состояниях: 1РКУП+ДН298к (а. г), 4РКУ11+Д1 Ьовк (б, д) 8РКУП+ДН298к (в, ж). Продольное сечение образцов (а-в), поперечное сечение образцов (г-ж)

Ширина шейки в состоянии 8РКУП+ДН298К (рис. 11 в) представлено самая узкая из всех рассмотренных ранее (рис. 11 (а, б)). В то же время, в поперечном сечении (рис. 11ж) излом образцов меди в состоянии 8РКУ1 И Д!Ь-мк характеризуется более однородной морфологией. Для него характерны мелкие ямки, имеющие средний диаметр, равный 1—10 мкм. Такая морфология поверхности излома свидетельствует о вязком характере разрушения и повышенной пластичности образцов меди в состоянии 8РКУП+ДН298к по сравнению с образцами меди в состоянии 4РКУП+ДН298к.

Таким образом, полученные в настоящей работе результаты свидетельствуют о том, что дополнительное ДН способствует одновременному улучшению как прочности, так и пластичности образцов меди в состоянии 8РКУП+ДН298к.

На рис. 12 представлены кривые «инженерное напряжение - инженерная деформация» для УМЗ меди, полученной в результате КК + ДН (а) и РКУП + ДН (б) при разных температурах. РКУП реализовано при комнатной температуре, а ДН - при разных температурах, указанных на рисунке.

Инженерная деформация. % ^ Инженерная деформация, %

Рисунок 12 - Кривые «инженерное напряжение - инженерная деформация» для УМЗ меди, полученной в результате ДН (а) и РКУП + ДН (б). РКУП реализовано при комнатной температуре, а ДН - при разных температурах

Как указывалось ранее, предел текучести для образцов КК+ДН2ч8к достигает величины, равной 210 МПа. При этом пластичность достаточно высока и равна 26%. Понижение температуры при ДН приводит к увеличению предела текучести вплоть до 320 МПа в образце КК+ДНтк. В то же время, пластичность остается довольно высокой и достигает 10%. С другой стороны, в случае образцов УМЗ меди, полученных в результате РКУП + ДН (рис. 126), влияние понижения температуры ДН значительно меньше, чем в предыдущем случае. При этом предел текучести слабо реагирует на понижение температуры ДН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлены результаты исследования динамического деформационного поведения меди в КК состоянии и УМЗ состояниях, сформированных в результате РКУП, включая механические свойства, данные о микроструктуре и кристаллографической текстуре. Проанализировано влияние влияния размера зерен, скорости и температуры ДН на указанные характеристики. Изучены особенности квазистатического деформационного поведения образцов УМЗ меди, полученной с помощью комплексного метода ИПД, включающего в себя РКУП и ДН.

По результатам выполненной работы сделаны следующие основные выводы:

1. Предел текучести УМЗ меди и КК меди растет при увеличении скорости деформации при комнатной температуре.

2. При понижении температуры ДН предел текучести меди УМЗ состоянии монотонно увеличивается с понижением температуры из-за доминирования дислокационного скольжения. В то же время, предел текучести меди

в КК состоянии сначала растет, а затем падает, что связано с изменением преобладающего механизма деформации от скольжения к двойникованию.

3. Модель Джонсона-Кука не в полной мере описывает экспериментальные результаты исследования динамического поведения УМЗ и КК меди. Отличия модельных расчетов от результатов эксперимента значительнее при низкотемпературной деформации. Это можно объяснить действием деформационного двойникования, которое не учитывается в модели.

4. В результате 8 проходов РКУП в меди активизируются дислокационные процессы, измельчается микроструктура, происходит динамическая рекристаллизация, формируется УМЗ структура с некоторым количеством деформационного двойникования, на что указывают результаты анализа микроструктуры и кристаллографической текстуры.

5. ДН КК и УМЗ меди приводит к увеличению плотности дислокаций и деформационных двойников, росту упругих микроискажений и уменьшению размеров областей когерентного рассеяния в кристаллической решетке. Понижение температуры ДН приводит к более значительным изменениям в микроструктуре, однако в УМЗ состоянии в меньшей степени, чем в КК состоянии.

6. ДН при комнатной температуре приводит к появлению рекристали-зованных зерен с ориентацией {100}<001> и текстурных максимумов, соответствующих двойникам, как в КК, так и в УМЗ меди.

7. Квазистатические испытания при комнатной температуре свидетельствуют о том, что предел текучести растет в последовательности КК+ДН298к> 1РКУП+ДН298К, 4РКУП+ДН298к и достигает максимального значения 430 МПа в состоянии 8РКУП+ДН298К- Пластичность меди уменьшается в последовательности КК+ДН298К, 1РКУП+ДН298К, 4РКУП+ДН298К, однако затем увеличивается и достигает 15% для состояния 8РКУП+ДН298к-

8. Исследования морфологии поверхности излома образцов, подвергнутых квазистатическим испытаниям на растяжение при комнатной температуре, свидетельствуют о том, что состояние 8РКУП+ДН298К характеризуется самым узким сечением разрушения и однородной морфологией излома с мелкими ямками. Для состояния 4РКУП+ДН298К характерно формирование зоны хрупкого разрушения, что нехарактерно для меди.

9. Предел текучести при квазистатических испытаниях выше для состояний, полученных в результате ДН при более низких температурах. Особенно это характерно для меди в КК состоянии. В случае ДН УМЗ состояний влияние температуры ДН значительно слабее.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Dong Y.C. Effect of high strain rate processing on strength and ductility of ultrafme-grained Cu processed by equal channel angular pressing / Y.C. Dong, Y. Zhang, I.V. Alexandrov, J.T. Wang // Review on Advanced Materials Science. -2012. - V. 31. - P. 116-122.

2. Дун Юечэн. Высокоскоростное деформационное поведение ультрамелкозернистой меди / Юечэн Дун, И.В. Александров, Дж.Т. Ванг // ВЕСТНИК УГАТУ. - 2012. - Т. 16. - № 1 (46). - С. 98-105.

3. Дун Юечэн. Влияние высокоскоростной деформации на микроструктуру и кристаллографическую текстуру Си в различных структурных состояниях / Юечэн Дун, В.Д. Ситдиков, И.В. Александров, Дж.Т. Ванг // Письма о материалах. — 2013. - Т. 3. ВЫП. 2. - С. 79-82.

4. Дун Юечэн. Влияние температуры на деформационное поведение и эволюцию микроструктуры меди в различных структурных состояниях при динамическом нагружении / Юечэн Дун, И.В. Александров, В.Д. Ситдиков, Дж.Т. Ванг // Письма о материалах. - 2013. - Т. 3. ВЫП. 2. -С. 169-172.

В других научных изданиях:

5. Dong Y.C. The dynamic behavior of ultra-fine-grained copper fabricated by equal channel angular pressing / Y.C. Dong, I.V. Alexandrov, J.T. Wang. // Materials Science Forum. - 2011. -V. 667-669. - P. 891-896.

6. Дун Юечэн. Процессы текстурообразования при равноканально-угловом прессовании меди / Юечэн Дун, В.Д. Ситдиков, И.В. Александров. // Молодежный Вестник УГАТУ. - 2012. - № 2 (3). - С. 149-153.

7. Дун Юечэн. Динамическое поведение меди при низких температурах / Юечэн Дун, И.В. Александров, Дж.Т. Ванг. // Тезисы докладов XXI Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов». - Магнитогорск, 2012. - С. 88-89.

8. Дун Юечэн. Влияние температуры динамического нагружения на микроструктуру и кристаллографическую текстуру меди в различных структурных состояниях / Юечэн Дун, В.Д. Ситдиков, Дж.Т. Ванг, И.В. Александров. // Тезисы докладов XXI Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов». - Магнитогорск, 2012. - С. 37-38.

9. Ситдиков В.Д. Рентгеноструктурный анализ медных образцов, подвергнутых высокоскоростной деформации / В.Д. Ситдиков, Юечэн Дун, И.В. Александров. // Сборник статей «Юбилейных XX Петербургских

чтений по проблемам прочности». - Санкт-Петербург, 2012. - С. 260262.

Ю.Чембарисова Р.Г. Деформационное поведение ультрамелкозернистой меди при высокоскоростном нагружении / Р.Г. Чембарисова, И.В. Александров, Юечэн Дун. // Сборник статей «Юбилейных XX Петербургских чтений по проблемам прочности. - Санкт-Петербург, 2012. - С. 120-122.

11.Дун Юечэн. Температурные эффекты при высокоскоростном нагружении Си / Юечэн Дун, Р.Г. Чембарисова, И.В. Александров. // Тезисы докладов 52-й международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности». - Уфа, 2012. - С. 186.

12. Дун Юечэн. Микроструктура и деформационное поведение ультрамелкозернистой меди, подвергнутой динамической пластической деформации /' Юечэн Дун, В.Д. Ситдиков, И.В. Александров. // Тезисы докладов научных чтений VI Всероссийской молодежной научной конференция «Мавлютовские чтения». - Уфа, 2012. - С. 206-207.

13.Дун Юечэн. Анализ деформационного двойникования в ультрамелкозернистой меди, подвергнутой высокоскоростной деформации при различных температурах / Ю.Ч. Дун, И.В. Александров, В.В. Ванг, Дж.Т. Ванг. // Тезисы докладов научной конференции «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2012», УМЗНМ-2012. - Уфа, 2012. -С. 213.

14.Ситдиков В.Д. Рентгеноструктурный анализ меди, подвергнутой динамическому нагружению в различных структурных состояниях / В.Д. Ситдиков, Ю.Ч. Дун, И.В. Александров. // Тезисы докладов научной конференции «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы -2012», УМЗНМ-2012. - Уфа, 2012. - С. 61.

Подписано в печать 30/09/13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тираж 100 экз. Заказ 1152. Гарнитура «Тшез№\¥11отап». Отпечатано в типографии «ПЕЧАТНЫЙ ДОМЬ» ИП ВЕРКО. Объем 1 пл. Уфа, Карла Маркса 12 корп. 5. т/ф: 8(347) 27-27-600,27-29-123

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Дун Юечэн, Уфа

МИНИТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСЩЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201364301 Дун Юечэн

Деформационное поведение, микроструктура и кристаллографическая текстура ультрамелкозернистой меди, подвергнутой динамическому нагружению

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

Александров Игорь Васильевич

УФА-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................10

1.1 Особенности деформационного поведения металлических материалов... 10

1.2 Влияние скорости и температуры деформации, размера зерен на эволюцию микроструктуры и механические свойства металлических материалов.................................................................................16

1.2.1 Влияние скорости деформации на эволюцию микроструктуры и механические свойства металлических материалов......................16

1.2.2 Влияние температуры деформации на эволюцию микроструктуры и механические свойства металлических материалов.......................22

1.2.3 Влияние размера зерен на эволюцию микроструктуры и механические свойства металлических материалов..........................................27

1.3 Особенности микроструктуры и квазистатического деформационного поведения объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) и наноструктурных (НС) металлических материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации (ИПД).....................................................31

1.4 Динамическое деформационное поведение объемных УМЗ и НС металлических материалов, полученных методами ИПД......................38

1.5 Постановка задачи исследований....................................................42

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.......................44

2.1 Характеристика исследуемого материала...........................................44

2.2 Метод равноканально-углового прессования (РКУП)............................45

2.3 Метод динамического нагружения (ДН).............................................46

2.4 Методики квазистатических испытаний механических свойств...............49

2.5 Методики исследования микроструктуры и морфологии разрушения........50

2.6 Методики проведения кристаллографического текстурного анализа и рентгеноструктурного анализа........................................................50

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕДИ ПРИ ДН...................................55

3.1 Деформационное поведение меди при ДН..........................................55

3.1.1 Особенности влияния размера зерен на предел текучести при ДН меди в КК состоянии и УМЗ состояниях...............................................55

3.1.2 Особенности влияния скорости деформации на динамическое деформационное поведение меди в КК состоянии и УМЗ состояниях........57

3.1.3 Особенности влияния температуры деформации на динамическое деформационное поведение меди в КК состоянии и УМЗ состояниях.........60

3.2 Физическая модель динамического деформационного поведения меди в

КК и УМЗ состояниях при ДН.........................................................65

Выводы по главе 3............................................................................71

ГЛАВА 4. ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ТЕКСТУРЫ В МЕДИ ПРИ ДН.....................................73

4.1 Особенности микроструктуры меди до ДН.........................................73

4.2 Влияние температуры деформации на эволюцию микроструктуры меди при ДН.......................................................................................76

4.2.1 Влияние температуры деформации на эволюцию микроструктуры

КК меди при ДН...........................................................................77

4.2.2 Влияние температуры деформации на эволюцию микроструктуры УМЗ меди при ДН.........................................................................82

4.3 Эволюция кристаллографической текстуры в КК и УМЗ меди, подвергнутых ДН.........................................................................89

Выводы по главе 4............................................................................95

ГЛАВА 5. КВАЗИСТАТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕДИ, ПОДВЕРГНУТОЙ ДН...............................................................96

5.1 Влияние степени предварительной деформации на квазистатическое деформационное поведение меди.....................................................96

5.2 Влияние температуры ДН на квазистатическое деформационное поведение меди..........................................................................104

Выводы по главе 5..........................................................................107

ВЫВОДЫ........................................................................................109

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................111

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Последние годы характеризуются широким применением методов интенсивной пластической деформации (ИПД), в том числе метода равноканально-углового прессования (РКУП), для формирования объемных ультрамелкозернистых (УМЗ) и наноструктурных (НС) состояний в различных металлических материалах.

Недавно на основе схемы РКУП разработан метод динамического канально-углового прессования (ДКУП), использующий в качестве источника внешней нагрузки энергию пороховых газов, что обеспечило повышение скорости деформации на 4-5 порядков (104 - 105 с1), по сравнению с РКУП. Результаты исследований показали, что метод ДКУП можно рекомендовать для практического использования с целью эффективного измельчения структуры и повышения прочностных характеристик объемных заготовок алюминиевых сплавов разного состава. В частности, этим способом были получены объемные заготовки из алюминиевых сплавов с УМЗ структурой и размером кристаллитов 200-600 нм. Прочность алюминиевого сплава, деформированного методов ДКУП,

выше на 30%, а пластичность выше в 2 раза, чем у сплава в нагартованном состоянии. Однако, использование такой технологии для получения массивных УМЗ/НС заготовок малопроизводительно из-за ограничений ресурса оснастки при динамическом нагружении (ДН).

Динамическое деформационное поведение УМЗ металлических материалов, полученных в результате применения метода ИПД, исследовано в значительно меньшей степени, чем их деформационное поведение при квазистатических испытаниях. До момента постановки задач данной диссертационной работы такого рода исследования были сосредоточены на анализе деформационных кривых, определении прочностных характеристики, коэффициентов деформационного упрочнения и скоростной чувствительности напряжения течения при различных температурах. Было установлено, что материалы в УМЗ/НС состояниях характеризуются высоким пределом текучести и скоростной чувствительностью напряжения течения, высоким деформационным упрочнением по сравнению с аналогичными материалами в крупнокристаллическом состоянии.

затруднять формирование и распространение адиабатических полос сдвига и возможно способствовать сохранению ресурса пластичности.

В результате проведенного анализа литературных источников были сделаны выводы о важности и актуальности проведения исследований деформационного поведения, эволюции микроструктуры, кристаллографической текстуры, деформационных механизмов УМЗ металлических материалов на примере меди как модельного материала в условиях ДН.

Цель работы. Целью настоящих исследований является анализ влияния скорости и температуры деформации на эволюцию микроструктуры, кристаллографическую текстуру и деформационные механизмы УМЗ меди при ДН, реализованном при различных скоростях и температурах.

В работе последовательно решались следующие задачи:

2. Реализовать ДН полученных заготовок с различными скоростями и при различных температурах деформации.

4. Установить закономерности влияния размера зерен, степени, скорости и температуры высокоскоростной деформации на микроструктуру, кристаллографическую текстуру меди.

6. Разработать физическую модель процессов, сопровождающих высокоскоростную деформацию УМЗ меди.

Научная новизна. В настоящей работе впервые выполнен анализ высокоскоростного деформационного поведения УМЗ меди при ДН, реализованном при различных скоростях и температурах деформации с учетом эволюции микроструктуры и кристаллографической текстуры. Впервые продемонстрировано, что применение комплексного метода, включающего РКУП и ДН, приводит к формированию в меди бимодального УМЗ/НС состояния, обеспечивающего более высокие прочность и пластичность по сравнению с таковыми, характерными для меди, подвергнутой только РКУП.

Практическая значимость. Полученные результаты позволили установить особенности деформационного поведения УМЗ меди при ДН и могут оказать помощь в оптимизации механических свойств УМЗ меди за счет формирования специфической микроструктуры в результате реализации динамической рекристаллизации в ходе РКУП и ДН.

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

2. В УМЗ меди при ДН протекают процессы динамической рекристаллизации и деформационного двойникования.

Объем и структура диссертации.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на международной конференции «The 5th international conference on nanomaterial's by severe plastic deformation», Nanjing, China, 2011 г., Международной конференции «The 3rd international symposium bulk nanostructured materials: BNM-2011», Ufa, Russia, 2011 г., V Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, Россия, 2011 г., XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, Россия, 2012 г., VII Всероссийской зимней школе аспирантов и молодых учёных, Уфа, Россия, 2012 г., Юбилейных XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных памяти профессора В.А. Лихачева, Санкт-Петербург, Россия, 2012 г., 52-й Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Уфа, Россия, 2012 г., VI Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Уфа, Россия, 2012 г., Третьей открытой школе-конференциистран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы" (УМЗНМ-2012), Уфа, Россия, 2012 г.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Особенности деформационного поведения металлических материалов

Природные явления зачастую происходят в динамике. Например, землетрясение или удар метеорита сопровождаются быстро протекающими процессами в окружающей среде (земной коре, воздушном и водном пространстве). При военных действиях ДН подвергаются и снаряды, и конструкции, с которыми они взаимодействуют. Динамические процессы играют важную роль в современной науке, технике и промышленности. В науке исследование быстропротекающих процессов важно, например, при анализе ядерных реакций. В технике при создании конструкций широко используются сварка взрывом и резка взрывом. Проведение взрывных работ позволяет добывать полезные ископаемые. В промышленности ускорение технологических процессов приводит к росту производительности труда. Усиление конструкций позволяет избежать неблагоприятного воздействия при природных катастрофах (землетрясениях, цунами, падении метеоритов, катастрофах на атомных электростанциях).

Характер возникающих напряжений в теле, подвергнутом внешнему воздействию, определяется, в том числе и скоростью его деформации. Например, считается, что при скорости деформации <10"5 с"1 тело подвергается статическому нагружению. При скорости деформации более 103 с"1 тело подвергается ДН [1].

Примеры, имеющие отношение к трем различным скоростям деформации, представлены на рис. 1.1 Типичные скорости деформации при испытаниях образцов на растяжение определяются как отношение относительного удлинения к времени деформации. При базе 10 см и скорости растяжения 1 с"1, скорость деформации оказывается равной 10 с"1 (см. уравнение 1.1, рис. 1.1 а).

г=А£=АЧ=^ = 100 =

А/ /0Д/ /0 10 4 ;

Пусть снаряд длиной 5 см, движущийся со скоростью 1000 с"1, взаимодействует с жесткой мишенью (рис. 1.1 б). Если предположить, что снаряд при взаимодействии с мишенью изменяет свой размер в направлении движения линейно, останавливается и при этом его линейный размер оказывается равным 2,5 см, то скорость деформации снаряда можно приблизительно оценить, используя уравнения (1.2) и (1.3). В этом случае для скорости деформации снаряда получаем величину, равную 104 с"1.

с о« 2х 2,5х Ю-2 , 1Л< . 5 = 2,5 сгп V =— I =---= 5x10 с

I 1000

£ = ■

2,5 =ю4 с"1 (1.3)

5x5x10

-5

гЧ""

п. и

Юсл)

а)

5 его

| Ю00л>/»

.....'......* "

б)

Рисунок 1.1- Примеры, имеющие отношение к трем различным скоростям деформации: а) - растяжение образцов, б) - взаимодействие снаряда и жесткой мишени, в) - распространение ударной волны в меди

При воздействии ударной волны на образец меди пластическая деформация

происходит на фронте ударной волны. Скорость деформации зависит от времени достижения амплитудного значения ударной волны. При амплитуде 30 ГПа

о 1

ударная волна может распространяться в меди со скоростью 1,4x10 с" (рис. 1.1 в) [1].

Таблица 1.1- Классификация экспериментальных методик и учет необходимых факторов при деформации тел с различными скоростями [1]

Скорость Учитываемые динамические

деформации, и/с Экспериментальные методики факторы

ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ УДАР Распространение ударной волны

10 10* Взрыв Фронтальный удар пластинкой

10» Воздействие импульсного лазера Метод взрывающейся фольги Наклонный удар (сжатие и срез) Распространение сдвиговой волны

10* ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Распространение плоской

10* Эксперимент Тейлора Стержень Гопкинсона волны С учетом инерции

10-' Высокоскоростной гидравлический пресс Пневмомащина Механический отклик в обра шах и инструменте

10' К�