Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 619-622

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время возрастает потребность в создании методов, позволяющих добиться улучшения свойств металлических материалов. Эффективными для повышения прочности и других свойств являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [1, 2]. Большие усилия направлены на изучение особенностей структурных состояний материалов, подвергнутых интенсивной пластической деформации кручением под давлением (ИПДК), и их связи с напряженно-деформированным состоянием и другими факторами [3, 4]. В последние годы сформировалось и продолжает интенсивно развиваться новое направление – формирование градиентных структурных состояний в металлах и сплавах. Это обусловлено тем, что во многих случаях наличие градиентной структуры позволяет материалу приобрести новые, ранее неизвестные свойства [4, 5].

В настоящем кратком обзоре описаны развиваемые в ИФПМ УГАТУ деформационные методы получения градиентных структур. При описании результатов использованы также подходы физической мезомеханики, развиваемые в работах [5–8].

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ СТРУКТУР В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Градиентными называются такие структуры, в которых вдоль некоторого направления изменяется одна или несколько характеристик [4–6]. Таковыми могут быть, во-первых, характеристики структуры (размер зерен, частиц второй фазы, концентрация вторых элементов, параметры кристаллической решетки матрицы, скалярная и избыточная плотности дислокаций, амплитуда дальнодействующих полей напряжений, степень разориентации элементов субструктуры и др.) и, во-вторых, связанные с ними физико-механические свойства (микротвердость, износостойкость, и др.).

Возникновение градиентных структур при пластической деформации в первую очередь обусловлено неоднородностью деформации вследствие выбранной схемы. Такая неоднородность деформации характерна, в частности, для процесса волочения со сдвигом длинномерных прутков, для свободного кручения таких прутков, а также для интенсивной пластической деформации под высоким давлением образцов-дисков.

Как следует из представлений физической мезомеханики [5–8], первичное пластическое течение в нагруженном твердом теле развивается на его поверхности. Именно такой характер пластического течения имеет место при деформационной обработке методами волочения со сдвигом (ВсС), свободным кручением и ИПДК [9–13].

Волочение со сдвигом

Обработка методом ВсС относится к разновидностям интенсивной пластической деформации (ИПД), поскольку позволяет получать очень высокие степени деформации, особенно в приповерхностной области прутков. Из-за наложения вращения эксцентриковых фильер на процесс волочения на мезоуровне в приповерхностных слоях развиваются процессы формирования периодической неоднородности структуры (градиентной структуры).

На схеме (рис. 1а), полученной моделированием, отчeтливо видны спиралевидные полосы локализованного пластического течения, возникающие на поверхности деформируемого прутка. Такие же спиралевидные полосы возникают на поверхности прутков, полученных волочением со сдвигом в результате физического эксперимента (рис. 1б). Очевидно, именно в этих участках поверхности прутка в процессе ВсС и возникают квазипериодические локальные концентраторы микронапряжений, проникающих в объем материала, создавая локализованные участки деформации по всему объему прутков [7]. Они приводят к квазипериодическому изменению величины микротвердости HV вдоль диаметра поперечного сечения прутка, что отчeтливо наблюдается на рис. 1б.

Рис. 1.

Волочение со сдвигом: а – полученное компьютерным моделированием распределение накопленной деформации на поверхности деформируемого прутка стали 10; видно спиралевидное изменение интенсивности накопленной пластической деформации; б – изменение микротвeрдости по диаметру поперечного сечения прутка (физический эксперимент) после деформационной обработки методом ВсС [8]; электронно-микроскопические изображения микроструктуры стали-10: в – состояние поставки; г – центр образца после ИПДК; д – периферия образца после ИПДК.

Периодическая зависимость микротвердости наблюдается при измерении величины HV как в продольном сечении прутков, так и вдоль образующей на боковой поверхности прутка. При этом на поверхности прутков значения HV достигают рекордной для этой стали величины 7 ГПа.

Интенсивная пластическая деформация кручением под давлением

В работе [9] провели компьютерное моделирование процесса ИПДК трех видов материалов, а также физический эксперимент по ИПДК. На рис. 1в–1д представлены электронно-микроскопические изображения микроструктуры стали-10 в исходном состоянии и после 5 оборотов ИПДК при 20°С. Снимки свидетельствуют о формировании градиентной структуры в стали-10 в процессе ИПДК.

Образование градиентных структур в деформируемых материалах происходит также в процессе деформации знакопеременным изгибом [14]. В коллективе разработан оригинальный способ изгибания прутков на установке Конформ (рис. 2). После 8 проходов изгибания медных прутков по данной схеме (с углом оснастки 120° при комнатной температуре) происходит формирование градиентной структуры (рис. 2б, 2в).

Рис. 2.

Знакопеременный изгиб: а – схема изгиба заготовки за счет действующих сил трения по схеме “Конформ”: 1, 2 – матрица; 3 – заготовка; 4 – приводной ролик; б – микротвердость медных прутков после 8 проходов изгибания по маршруту Вс; в – центральная часть медных прутков после 8 проходов изгибания [13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, полученные результаты микроструктурных исследований свидетельствуют об активизации сдвиговых и поворотных механизмов ИПД на всех структурных уровнях – микроструктурном (дислокационное скольжение), мезоструктурном (ротационные механизмы) и макроскопическом, результатом которого является измельчение микроструктуры и формирование градиентной структуры.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 17-08-00720).