9 Низкотемпературная деформация НТД кристаллов 1 9 1

9. Низкотемпературная деформация (НТД) кристаллов. 1. 9. 1. НТД для получения нанокристаллических материалов. 2. 9. 2. Структура нанокристаллических материалов. 3. 9. 3. Деформация нанокристаллов. 1

Нанореволюция новые устройства новые материалы Нанотехнологии – это технологии, позволяющие создавать заданные структуры наноуровня, определяющие качественно новые свойства Первые нанотехнологии - это создание наноструктур манипулированием отдельными атомами Но! они неприменимы для получения объёмных наноматериалов 2

Физические характеристики материалов, подвергаемых НТД • Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся тем, что атомы в кристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго определенном для каждого металла порядке. При особых условиях охлаждения металл затвердевает в виде большого кристалла правильной формы, называемого монокристаллом. Строение монокристалла определяется соответствующей кристаллической решеткой. • B промышленных условиях это не возможно, и затвердевание металла начинается одновременно во многих центрах кристаллизации. Поэтому после затвердевания такой металл состоит не из одного кристалла, а из большого числа прочно сросшихся друг с другом кристалликов неправильной формы, называемых кристаллитами, гранулами или зернами. Металлы такого строения называются поликристаллическими. • Поликристаллические материалы делятся на крупнозернистые (КЗ), мелкозернистые (субмикрокристалические СМК), наноразмерные (НК) 3

9. 1. НТД для получения нанокристаллических материалов Объёмные наноструктурные материалы - новые возможности Предел текучести, MПa 800 Ti, прокатка 600 400 Mo 200 e Zr Наноматериалы сочетают высокую прочность с высокой пластичностью Pb 0 0 20 Ti Cu Mg s Ti, Винтовая экструзия 40 60 Пластичность , (%) 4

История развития НПД (ИПД) • Направление исследований, о котором пойдет речь, лежит на стыке обработки металлов давлением и физики твердого тела. Возникло оно около 10 — 15 лет назад, когда был опубликован цикл статей по формированию в металлах ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с размером кристаллитов порядка 100 нм и менее. • Процессы обработки давлением, приводящие к образованию УМЗ структур в металлах, тогда же, в начале 90 -х, предложили называть интенсивной пластической деформацией (ИПД). Интерес к процессам ИПД продолжает бурно нарастать. Только в 2002 — 2003 гг. около десяти международных форумов были посвящены непосредственно методам ИПД и их воздействию на металлы. Практически на каждой современной конференции по проблемам физики металловедения рассматриваются вопросы ИПД и обсуждаются УМЗ структуры, полученные этими методами. 5

Деформационные нанотехнологии Инструменты деформационных нанотехнологий Химический состав P, T, e, e Вид деформации Объекты воздействия 10 мм 100 мкм 10 нм 100 нм 0. 1 нм 6

Способы обеспечения интенсивной пластической деформации (ИПД) • ИПД обработка — это новая технология обработки металлов давлением, позволяющая получать объемные наноструктурные материалы с уникальными свойствами посредством сильного измельчения зерна до наноразмеров. • Для осуществления больших пластических деформаций в принципе можно использовать традиционные процессы обработки давлением: прокатку, волочение, прессование и др. Однако этому, прежде всего, мешает недостаточно высокая пластичность металлов. Кроме того, монотонное формоизменение заготовки (постоянное увеличение длины при прокатке и волочении, уменьшение высоты при осадке), очевидно, приводит к тому, что при больших деформациях ее размер, хотя бы в одном из направлений, становится чрезвычайно малым. • Исследования показывают, что эффект больших деформаций при определенных условиях можно получить путем немонотонного формоизменения заготовок, что как раз и используется в процессах обработки давлением, основной целью которых является накопление деформации в заготовках, а не изменение их формы. Именно такие процессы причисляют, в настоящее время, к ИПД. Поскольку форма заготовки после ИПД практически совпадает с исходной, то имеется возможность их многократной обработки для накопления достаточной деформации. 7

Характеристики ИПД • С одной стороны, операции ИПД являются процессами обработки давлением. Поэтому их реализация невозможна без решения характерных для таких процессов задач: определения напряженно-деформированного состояния заготовки, расчета силовых параметров процесса, проектирования и изготовления деформирующего инструмента и оснастки, подбора смазок и т. д. • С другой стороны, ИПД — это не обычные операции обработки давлением, целью которых является, прежде всего, формоизменение заготовок, а процессы, призванные формировать структуру материалов, обеспечивающую заданные физико-механические свойства. Поэтому для эффективного применения ИПД необходимо иметь представления о возможностях тех или иных схем нагружения в плане структурообразования, о влиянии температурно-скоростных режимов деформирования на структуру и свойства обрабатываемых материалов. 8

Научные школы, изучающие материалы, получаемые ИПД Экспериментальные данные о ИПД Носкова Н. И. , Валиев Р. З. , Андриевский Г. А. , Фарбер В. М. , Дегтярев М. В. , Добаткин С. В. , Бердин В. К. Подходы и методология анализа выявленных экспериментальных фактов Физика пластичности Панин В. Е. , Рыбин В. В. , Трефилов В. И. , Фирстов С. А. , Константинова Т. Е. , Подрезов Ю. Н. , Пашинская Е. Г. Механика пластичности Нотт Дж. Ф. , Сегал В. М. , Колмогоров В. Л. , Бейгельзимер Я. Е. , Белл Дж. Ф. Теоретические основы структурной неоднородности Глезер А. М. , Котречко С. А. , Токий В. В. , Сарафанов Г. Ф. , Чувильдеев В. Н. , Малыгин Г. А. Термодинамика и синергетика Иванова В. С. , Корзников А. А. , Главацкая Н. И. , Олемский О. И. Энергетический подход Гаврилюк В. Г. , Огородников В. А. , Terence G. Langdon, Кайбышев О. А. , Гриднев В. Н. , Новиков И. И. , Клербро Л. М. , Пашинская Е. Г. 9

Эффективность ИПД обусловлена сочетанием интенсивной деформации и простого сдвига P P P P 10

Ось кручения l 0 l растяжение e Схема траектории нагружения при разных видах деформации eраст=ln l/l 0 Ось растяжения кручение e eкруч=tg В чистом виде простой сдвиг реализуется на поверхности закручиваемого образца 11

Классификация видов деформации по виду нагружения Определение деформации Вид траектории нагружения Процесс деформации Простая Однозвенное Растяжение или кручение Сложная Двухзвенное С постоянной кривизной Растяжение затем кручение Растяжение вместе с кручением Комбинированная С изменяющейся кривизной Растяжение с разнонаправленным кручением Винтовое прессование Прокатка со сдвигом Винтовое прессование + прокатка Прокатка со сдвигом + волочение 12

9. 2. Структура нанокристаллических материалов Методы управления структурой и свойствами Нетрадиционные ПД с простым сдвигом Традиционные Высоко- Легироэнергетические вание воздействия ПД Легирование Термическая обработка Прочность - пластичность 13

Типы электронограмм от структур, получаемых при использовании НТД (ИПД) Наноструктуры 1 типа Наноструктуры 2 типа Наноструктуры 3 типа 14

Характеристика металлов с УМЗ структурой • Чем же так привлекательны сильнодеформированные металлы с УМЗ структурой? Что такое процессы ИПД и почему именно их используют для получения указанных структур? Ответ на первый вопрос непосредственно связан с тем, что размер элементов их структуры сопоставим с характеристической длиной различных физических явлений (размером петли Франка — Рида для скольжения дислокаций, длиной свободного пробега электронов для электрокинетических явлений, размером домена для магнитных явлений и т. д. ). Из-за малости отдельных структурных элементов (порядка десятков нанометров) и развитой сети границ раздела между ними, процессы переноса вещества и энергии протекают в НС структурах иным образом, чем в системах того же химического состава, но с гораздо большими размерами элементов. Это обуславливает совершенно необычные, иногда парадоксальные, свойства хорошо известных материалов в НС состоянии. • В результате больших пластических деформаций металлов благодаря процессам фрагментации размеры кристаллитов уменьшаются и достигают значений, характерных для наноструктур. Вследствие этого сильнодеформированные металлы приобретают качественно новые свойства, многие из которых представляют практический интерес. В частности, они обладают аномально высокой пластичностью в сочетании с большой прочностью. В сильнодеформированном состоянии значительно изменяются и фундаментальные характеристики металлов, такие как упругие модули, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др. 15

Характеристика металлов с УМЗ структурой • Имеется градиент размеров структурных элементов. Структура от ультрамелкозернистой изменяется до нанокристаллической, где размер зерен уже измеряется нанометрами. • В нанокристаллическом состоянии металлы имеют повышенные твердость, предел текучести и предел прочности. Предел прочности данных материалов в поверхностном слое возрастает по оценкам экспертов в 4 — 10 раз. • Пластическое деформирование металлов в холодном состоянии позволяет заменять чистовую обработку резанием. При пластическом деформировании сочетается высокая степень чистоты поверхности с упрочнением поверхностного слоя металла. У деталей, обработанных пластическим деформированием, повышается твердость поверхностного слоя, его прочность, предел текучести и , в особенности, предел усталости. Как известно, наклеп обуславливает в поверхностных слоях деталей возникновение благоприятных сжимающих внутренних напряжений. 16

Четыре основных эффекта ИПД 1. Интенсивность деформации 2. Гомогенизация и перемешивание 3. Арочный эффект. P arch effect P+ e ~ 1. 5 17

4. ИПД интенсифицирует измельчение структуры и формирует беспористые структуры 12 m Porosity , 103 P Р = 0, 1 МПа strain, е 10 Р = 1000 МПа - удлинение 6 P 4 2 strain, е - удлинение - сдвиг 8 - сдвиг 18

9. 3. Деформация нанокристаллов Анализ особенностей и возможностей ИПД. Схема кручения в наковальнях Бриджмена (НБ) Достоинства: сильное измельчение, технологичность оборудования, безотходность технологии, беспористость Недостатки: неоднородность структуры, малые размеры образцов Степень деформации Расстояние от оси образца Число оборотов Толщина образца 19

Получение наноматериалов путем сдвига под давлением в наковальнях Бриждмена и трением Наковальни Бриджмена Измельчение зерен Al 99. 99% чистоты после НБ 10 m Исходный 1, 2 m Деформированный D~10 мм, H~1 мм Трение: эффекты аналогичные наковальне 20 Бриджмена, но только на поверхности образца

Схема мультиосевой ковки Схема аккумулируемой прокатки с соединением Достоинства: большие размеры образцов, сильное измельчение, безотходность технологии Недостатки: сложность оборудования, неоднородность структуры Изменение формы образца при одном цикле (18 обжатий) мультиосевой деформации 21

Схема знакопеременного изгиба при последовательной прокатке полосы на гладких и рифленых ватках Схема установки, использующей простой сдвиг: А, В, С – деформирующие элементы, 1 и 2 – заготовка на входе и выходе соответственно Выдавливание заготовки через сужающуюся среднюю часть канала, где заготовка дополнительно подвергается деформации кручением Достоинства: однородность структуры, сильное измельчение, безотходность технологии Недостатки: сложность оборудования, небольшие размеры образцов 22

Схема равноканального углового прессования Ф=90‘ Ф= 112, 5‘ Ф=135 Ф=157, 5 Достоинства: технологичность оборудования, сильное измельчение, большие размеры образцов. беспористость Недостатки: неоднородность структуры, потери материала при производстве 23

Экспериментальные картины очага деформации при РКУ прессовании в зависимости от сил трения и противодавления Противодавление обеспечивает простой сдвиг и активную деформацию 24

Основные маршруты РКУ прессования с соответствующими плоскостями сдвига 25

Диаграммы РКУ - прессования по различным режимам 26

(/V — число циклов) при однородном напряженно-деформированном состоянии материала и сохранении неизменными поперечных размеров заготовки. Истинная логарифмическая степень деформации определяется по формуле Относительная деформация определяется как: Наиболее целесообразно использование углов 2 Ф, близких 90°, когда достигается самый высокий уровень интенсивности деформаций при незначительном росте контактных давлений. Чтобы уменьшить контактное трение, используется смазка. Эта схема деформации, предложенная В. М. Сегалом стала называться равноканально-угловым (РКУ) прессованием. По сравнению с другими методами пластической деформации оно позволяет получить наиболее однородную субмикрокристаллическую структуру материала. 27

Схемы деформации, развиваемые ДОНФТИ НАНУ Экструзия (Э) Винтовая экструзия (ВЭ) Равноканальное многоугловое прессование (РКМУП) 28

Установка для РКМУП и ее угловая схема P 1 = 3 = 80˚; 2 = 70˚ 2 1 2 2 1 - контейнер, 2 - пуансон, 3 - робоча втулка з похилим каналом, 4 - втулка с вертикальним каналом, 5 - втулка калібрующая, 6 - обойма, 7 - шпонка, 8 - подставка, 9 - фланець, 10 - шпилька, 11 - заготовка. 29

• Деформирующий блок установки для РКМУП представлял собой контейнер с набором толстостенных рабочих и калибрирующих втулок, размещенных и зафиксированных в корпусной обойме с помощью шпилек. РКМУП осуществляют при комнатной температуре по схеме «заготовка за заготовкой» или «фальшзаготовка за заготовкой» со степенью деформации за проход е = 0, 82. Контейнер и втулки образовывают четыре рабочих канала, которые пересекаются, одинакового размеру по сечению с углами пересечения 1 = 3 = 80 град 2 = 70 град. • Величину деформации за цикл определяют по формуле: где – половинный угол пересекания каналов, а накопленную деформацию как е = N·е 1, где N – число циклов. Калибрирующая втулка создавала возможность реализации много цикличной обработки по вышеуказанной схеме и обеспечивает противодавление, которое способствует повышению равномерности деформации и прорабатыванию структуры. Давление прессования обычно составляет 600. . . 800 МПа. 30

Характеристики РКМУП Накопление деформации осуществляли повторением циклов прессования. Конструкция экспериментального устройства для РКМУП позволяет реализовать следующие преимущества: • дробная деформация заготовок простым сдвигом с заданными интервалами между сдвигами и возможностью изменения пространственной ориентации плоскостей сдвига. • разная величина накопленной за проход интенсивность деформации сдвига за счет варьирования количества деформирующих матричных втулок и углов пересечения каналов. 31

Схема процесу равноканального Т-подобного прессования 32

Фотографии исходной (а) и деформированной (б) координатних сеток а б Эквивалентная пластическая деформация материала, которая соответствует стадии устоявшегося течения в боковой канал матрицы равняется Схема разбивки на блоки и соответствующий годограф скоростей при анализе процессов методом жестких блоков 33

Схема винтовой экструзии 1 2 Особенности ВЭ: ь ь ь Strain - 0. 00 - 2. 00 Эффекты ВЭ: ь Формирование объемных наноматериалов ; ь Перемешивание и растворение фаз; ь Консолидация порошков Форма и размеры заготовки не изменяются; Последовательные проходы ведут к накоплению деформации; Деформация за один проход около 2 Вихревое течение металла при винтовой экструзии 34

Освещение достоинств и недостатков процессов ИПД • Высокая производительность, сравнительно низкая стоимость инструментов и простота операций являются преимуществами обработки пластическим деформированием. Инструменты для ИПД обладают высокой стойкостью, сохраняют стабильное состояние рабочих поверхностей во времени, чем создают благоприятные условия для автоматизации процессов обработки давлением. Использование данного метода позволяет получить изделия, обладающие высокой износостойкостью, высокой плотностью и высоким качеством поверхностного слоя. • Следует отметить, что ИПД применима в основном к пластически деформируемым материалам, что ограничивает применение данного метода обработки для хрупких и твердых материалов. Также к недостаткам метода следует отнести необходимость проектирования специального инструмента и осуществления переналадки оборудования. 35

Итак, повторим еще раз! • ИПД применима к пластически деформируемым материалам. Для достижения больших деформаций используются кручение под квазигидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование, винтовую экструзию, прокатка со сдвигом, раскатку, всестороннюю ковку. • Сущность этих методов заключается в многократной интенсивной пластической деформации сдвига обрабатываемых материалов. Использование интенсивной пластической деформации позволяет, наряду с уменьшением среднего размера зерен, получать массивные образцы с практически беспористой структурой материала, чего не удается достичь компактированием нанопорошков. 36