Проблемы машиностроения и надежности машин, 2023, № 4, стр. 26-33

Известно, что электропластический эффект (ЭПЭ) наиболее сильно проявляется при воздействии импульсного тока в отличие от постоянного или переменного тока [1]. Поэтому в настоящей статье рассматривается случай пластической деформации растяжением в сопровождении импульсного тока, а не единичных импульсов. Роль амплитуды импульса (плотности и мощности тока) при растяжении ясна и прогнозируема. Она заключается, как правило, в наличии критической плотности  j_кр = 10–100 А/мм² и усилении всех сопровождающих ток эффектов при ее повышении: теплового, электропластического (ЭПЭ), скин- и пинч-магнитопластического при прочих равных условиях эксперимента [2]. Импульсные воздействия разной природы (механические, акустические, ударные, волновые, электрический ток) помимо амплитуды сигнала характеризуются временными параметрами, к которым относятся длительность и период импульсов, соответственно, τ и Т. Соотношение параметров Т/τ определяет важную для импульсных воздействий характеристику, называемую скважностью Q. Рассматривая интервал возможных величин скважности импульсного тока, можно считать, что она может изменяться от нуля (постоянный ток, τ = ∞) до бесконечности. Применение режима постоянного тока из-за сильного нагрева наименее целесообразно, если предполагается сохранить стабильную исходную структуру и свойства. Повышение скважности, естественно, приведет к снижению теплового эффекта вследствие релаксации термических напряжений и повышению роли непосредственно самого тока, т.е. ЭПЭ. Можно оценить необходимую для релаксации величину Q, при которой роль теплового эффекта в снижении напряжений течения будет минимальной, а роль самого тока максимальной.

В первых работах по ЭПЭ при растяжении, как правило, применяли постоянный ток, который соответствует нулевой скважности [3]. Позже, роль скважности косвенно была исследована при растяжении монокристаллов цинка. Повышение частоты импульса с 5 × 10^–3 до 5 × 10^–1 Гц при длительности импульса 10^–4 с (что соответствовало снижению скважности на два порядка с 2 × 10⁶ до 2 × 10⁴) привело к снижению деформационного упрочнения и амплитуды скачка напряжения в 3–4 раза, хотя температура образца при этом практически не менялась [1]. В подавляющем большинстве статей по ЭПЭ при растяжении информация о скважности импульсного тока отсутствовала. В чистых металлах [4] или стабильных однофазных сплавах (например, Al–Mg–Si) [5] авторы наблюдали снижение напряжений течения, которое увеличивалось при повышении плотности тока. Напротив, в термически упрочняемом алюминиевом сплаве 2024 (Al–Cu–Mg), наблюдалось упрочнение под действием импульсного тока, как без деформации [6], так и при растяжении [7]. Внимание исследователей ЭПЭ было в основном сфокусировано на роли плотности тока и длительности импульса, оставляя в стороне роль частоты (скважности).

Напротив, в статьях по применению ЭПЭ в процессах обработки давлением данные по частоте импульса приводятся. Для повышения деформируемости при прокатке полос хрупкого при комнатной температуре магниевого сплава AZ31 была использована частота в интервале 200–700 Гц при τ = 80 мкс, что соответствовало скважности Q = = 20–60 [8]. Применение импульсного тока при изгибе алюминиевого сплава 1050-Н18 выполнялось при частоте 200–300 Гц и τ = 50 мкс, что соответствовало Q = 100 [9]. При электропластической прокатке сплава Zr–Ti–Al–V также были использованы близкие параметры частоты и длительности импульса, которые соответствовали скважности Q = 20 [10]. В обзоре, посвященном электроимпульсной обработке, упоминается отдельное влияние длительности импульса 15–30 мкс и частоты 100–200 Гц, которые снижают напряжения течения и повышают пластичность для магниевых сплавов [11]. В последние годы в статьях по ЭПЭ при растяжении [12–14] стали приводится длительность импульса и частота, позволившие оценить скважность, которая находилась в интервале 10 ≤ Q < 200. В целом можно заключить, что выбор скважности происходил произвольным образом без анализа.

В работе [15] исследовано деформационное поведение при растяжении чистого титана в сопровождении постоянного тока (Q = 0). Авторы не только подтвердили наличие ЭПЭ, но и обнаружили рекристаллизацию и рост зерен при относительно небольших плотностях тока. Интересно, что структурные изменения не наблюдались при пропускании тока без деформации или при повышенной температуре с деформацией без тока.

Рассмотренные статьи дают представление о влиянии постоянного и импульсного тока в довольно узком интервале скважности, соответствующем довольно большому термическому эффекту и возможно не очень значительному вкладу атермического эффекта тока.

Целью настоящей статьи является исследование влияния скважности импульсного тока при растяжении в крупнозернистом технически чистом титане, полученном разными термомеханическими обработками, в более широком интервале, особенно при условиях, когда тепловой эффект практически отсутствует.

Материал и методы исследования Объектом исследования служил технически чистый титан ВТ1-0 (зарубежный аналог Grade-2) в виде прутка ∅40 мм. В табл. 1 дан химический состав титана ВТ1-0 (Grade 2 для сравнения), а также силумина.

Титан был исследован в крупнозернистом (КЗ) состоянии, полученном двумя способами: 1) холодная прокатка (ХП) в калибрах и последующий отжиг при 700°С в течение 1 ч; 2) равноканальное угловое прессование (РКУП) с последующей холодной прокаткой и отжигом при 700°С в течение 1 ч. Детали РКУП процесса и последующей холодной прокатки описаны в [16]. В обоих случаях холодная прокатка выполнялась в калибрах со степенью деформации ε = 73%.

Механические испытания на растяжение выполняли при комнатной температуре на горизонтальной машине ИР 5081-20 со скоростью 1 мм/мин. Образцы для испытания были изготовлены точением и имели размеры рабочей части ∅1.65 × 25 мм².

Режимы и вид тока были выбраны так, чтобы на кривых растяжения фиксировалась стадия деформационного упрочнения, а тепловой эффект и температура образца были бы минимальны. Использовали параметры импульсного и постоянного тока, которые позволяли варьировать скважность Q = T/τ, где T, τ – период и длительность импульса, в интервале 0–40 000 (рис. 1, табл. 2).

Рис. 1.

Пример осциллограммы при Q = 10 (а) и схема импульсного тока (б).

Предполагается, что постоянный ток (Q = 0) является частным случаем импульсного тока при бесконечно большой величине τ.

Растяжение выполняли после стабилизации температуры образца, повышение которой было вызвано введением тока. Температуру образца контролировали термопарой и инфракрасной камерой. Расхождение измеренных температур не превышало ±5°С.

Экспериментальные результаты. На рис. 2 представлены кривые растяжения с разными режимами тока в крупнозернистом титане, структурное состояние которого было получено разными термомеханическими обработками. Видно, что механические свойства титана в состоянии КЗ 1 (рис. 2а) при растяжении без тока (кривые 1) отличаются меньшим пределом прочности (на 140 МПа) и большим удлинением до разрушения (на 5%) по сравнению с титаном КЗ 2 (рис. 2б).

Рис. 2.

Кривые “напряжение–деформация” титана в КЗ 1 (а) и КЗ 2 (б) состояниях: 1 – без тока, 25°С; 2 – импульсный ток, 27°С (а), 27°С (б), Q = 2 ⋅ 10⁴ (а), Q = 4 ⋅ 10⁴ (б); 3 – импульсный ток, 130°С, Q = 10; 4 – постоянный ток, 130°С, Q = 0.

Введение импульсного тока скважностью Q = (2–4) × 10⁴ в обоих структурных состояниях титана приводит к появлению скачков напряжения вниз амплитудой около 30 МПа, практически без изменения температуры образца (кривые 2). Амплитуда скачка напряжения уменьшается в два раза при двукратном уменьшении длительности импульса с 1000 до 500 мкс (рис. 2а, область предела текучести, кривая 2). Однако расположение кривых растяжения при токе высокой скважности в обоих типах титана отличается. В титане КЗ1 наблюдается повышение одновременно прочности и удлинения до разрушения, соответственно, на 40–50 МПа и на 10%, а в титане КЗ2 – снижение прочности на 70 МПа в сравнении с растяжением без тока. Снижение скважности тока на три порядка в обоих структурных состояниях титана приводит к заметному повышению температуры до 130°С, исчезновению скачков напряжения, снижению прочности, по сравнению с растяжением без тока, на 100 МПа (в КЗ1) и 230 МПа (в КЗ2), и снижению удлинения до разрушения на 11% (КЗ1) и 8% (КЗ2) (кривые 3). Действие постоянного тока (кривые 4) также повышает температуру образца до 130°С и дополнительно снижает прочностные и пластические характеристики, соответственно, на 200 МПа (КЗ1) и 340 МПа (КЗ2) и 12% (КЗ1) и 10% (КЗ2).

Обсуждение. Представленные результаты свидетельствуют о двух важных следствиях применения электрического тока в процессе растяжения образцов титана. Деформационное поведение материала под током определяется режимом (видом) тока и структурным состоянием исследуемого титана.

Оказалось, что изменение в широком интервале значений такого параметра импульсного тока, как скважность, оказывает сильное влияние на форму деформационной кривой и ее относительное расположение по отношению к растяжению без тока. Снижение скважности фактически означает уменьшение времени релаксации, необходимой для восстановления падения напряжений течения, вызванного введением тока.

На всех кривых с низкой скважностью импульсного тока (Q = 10) и тем более при постоянном токе (Q = 0) сокращается область равномерного удлинения и увеличивается область сосредоточенной деформации (шейки) (рис. 3), что в целом приводит к уменьшению относительного удлинения почти вдвое.

Рис. 3.

Вид шейки образца на растяжение перед разрушением.

Это в свою очередь смещает точки пиковых нагрузок в область меньших деформаций. Усиление шейкообразования в титане связано с кратным повышением плотности тока при уменьшении сечения и, как следствие, с повышением локальной температуры, возможно до температуры фазового α → β-превращения. В этой связи, ускоренное разрушение образца может быть обусловлено изменением механизма деформации. Отмеченные особенности деформационного поведения согласуются с результатами для зарубежного аналога титана Grade 2 с меньшей прочностью и с меньшим размером зерен 9 мкм, чем титан ВТ1-0 в настоящей статье. Авторы наблюдали интенсивное шейкообразование при введении тока, сопровождавшееся уменьшением равномерной деформации [17].

Другим важным следствием воздействия импульсного тока является необычный, хотя и слабый, эффект одновременного повышения прочности и пластичности, который фиксировался только для структурного состояния КЗ1 и только для высокой скважности тока. Очевидно, что подобное изменение свойств нельзя связать с тепловым эффектом тока. Из литературы известны случаи упрочнения, вызванные током. Однако они относятся к сложным сплавам и сталям с гетерогенной многофазной структурой, в которых возможны старение [18] или возникновение виброакустических колебаний [19]. Наиболее близок к нашему случаю пример упрочнения при растяжении с током в однофазном сплаве Ti–Al, описанный в работе [20]. В чистых металлах слабый эффект упрочнения под действием постоянного тока был отмечен только для монокристаллического и технически чистого ГЦК алюминия [21], имеющего высокую энергию дефектов упаковки и высокую гомологическую температуру.

Предположительно, наблюдающееся упрочнение в настоящей статье связано с текстурными особенностями титана. Известно, что в силу низкой симметрии ГПУ структуры титана (с/а < 1.633, где с, а – параметры кристаллической решетки), деформационный механизм при комнатной температуре сильно зависит от конкуренции систем двойникования и дислокационного скольжения, ориентации и размера зерен, которые в свою очередь определяются схемой деформации и температурой отжига.

Известно, что кристаллографическая текстура КЗ титана после холодной прокатки (ε > 70%) характеризуется присутствием систем двойникования {$10\bar {1}2$} (101l), {$11\bar {2}2$} (1123) и дислокационного скольжения {$10\bar {1}0$} ($11\bar {2}0$) [22]. В текстуре после холодной прокатки РКУП титана двойникование подавлено и присутствуют только системы скольжения [23]. Как показали наши эксперименты, дисперсность микроструктуры после прокатки РКУП состояния выше – деформационные полосы тоньше и короче (рис. 4а, б).

Рис. 4.

Микроструктура титана в поперечном направлении: (а) – холодная прокатка 73%; (б) – РКУП + холодная прокатка 73%.

Различия в текстуре и микроструктуре деформированных состояний наследуются и в микроструктуре титана после отжига. Если текстура рекристаллизации и деформации совпадает, то в нашем случае после отжига при 700°С в КЗ1 состоянии двойниковые ориентировки присутствуют (рис. 5а), а в КЗ2 отсутствуют (рис. 5б). Кроме того, размер рекристаллизованного зерна в КЗ1 кратно больше, чем в КЗ2 титане (рис. 5).

Рис. 5.

Микроструктура титана в поперечном сечении после отжига при 700°С: (а) – КЗ 1; (б) – КЗ 2 [24].

Поэтому, в состоянии КЗ1 одиночные импульсы тока при растяжении могут стимулировать поперечное скольжение дислокаций и более высокие напряжения течения, что и наблюдалось для сплава Ti–Al в работе [20]. Другими вероятными механизмами возникающего упрочнения могут быть деформационное старение [25] или малоцикловая усталость при напряжениях выше напряжения течения. Все рассмотренные механизмы требуют постановки специальных исследований для выяснения причин упрочнения.

Практическое применение представленных результатов возможно в процессах обработки давлением для получения длинномерных полуфабрикатов тонкого сечения повышенной прочности и деформируемости.

Выводы. 1. Исследовано деформационное поведение при растяжении в сопровождении импульсного тока высокой скважности технически чистого титана ВТ1-0, полученного рекристаллизационным отжигом холоднокатанного крупнозернистого и ультрамелкозернистого состояния. 2. Показано, что электропластический эффект проявляется независимо от теплового нагрева и способен приводить к упрочнению при одновременном повышении пластичности. 3. Предполагается, что физический механизм упрочнения связан с возможностью формирования в микроструктуре титана двойников и поперечного переползания дислокаций. 4. Потенциальное применение электропластического эффекта заключается в его применении к процессам обработки давлением труднодеформируемых материалов с низкой деформируемостью.