Автореферат

Конструкционная прочность материалов играет важную роль в обеспечении надежной и долговечной работы деталей машин и агрегатов. Создание новых образцов техники в авиационной, машиностроительной, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности предъявляет более жесткие и повышенные требования к работоспособности конструкций. Это обуславливает необходимость применения материалов с более высоким комплексом физико-механических свойств. Для металлических материалов данная проблема решается либо путем создания новых композиций сплавов, либо разработкой новых высокоэффективных термомеханических способов направленного воздействия на структуру серийных промышленных сплавов.

Возможности легирования к настоящему времени во многом уже исчерпаны. Кроме того, разработка совершенно новых сплавов требует больших материальных затрат по созданию новых композиций, их сертификации и внедрению. Между тем в последние десятилетия интенсивно развивается новое направление в материаловедении и обработке материалов, заключающееся в формировании в металлах и сплавах ультрадисперсных структурных состояний. Это позволяет резко повысить удельную прочность в области эксплуатационных температур, при этом в области температур обработки давлением существенно повышается технологическая пластичность. На базе этого направления можно создать принципиально новый комплекс физико-химических и механических свойств в обычных промышленных материалах. Это касается субмикрокристаллических (СМК) и нанокристаллических (НК) металлов и сплавов, с размером зерен до 0,1 мкм и менее.

Несмотря на большие перспективы, до недавнего времени вопрос использования наноструктурных (НС) металлов и сплавов в качестве конструкционных и функциональных материалов нового поколения оставался спорным.

Получение материалов с ультрадисперсной структурой на сегодняшний день являет собой сложную технологическую проблему. Наиболее перспективным способом изготовления полуфабрикатов с СМК и НК структурой является деформационно-термическая обработка, включающая интенсивную пластическую деформацию (ИПД), достигаемую обычными методами обработки металлов давлением.

Известно, что в результате холодной пластической деформации происходит накопление дефектов кристаллического строения, прежде всего дислокаций. В результате этого внутри первичных исходных зерен возникает субзеренная структура. Кроме того, при однонаправленном деформировании сами первичные зерна приобретают вытянутую форму, т.е. их размер в одном или двух направлениях уменьшается. Пластическая деформация приводит к измельчению структуры, но при традиционных видах обработки одновременно происходит наклеп материала, падает его пластичность и дальнейшая его деформация становится невозможной. Поэтому используя обычные методы деформации невозможно получить зерно наноразмера. Для формирования наноструктур необходимо реализовать особые методы пластической деформации, в которых материал подвергается одновременному сжатию как минимум по двум осям. В этом случае затрудняется зарождение трещин в материале и его можно продолжать деформировать для измельчения структуры.

Особенностью напряженного состояния при интенсивной пластической деформации является высокая доля касательных напряжений. При величине касательных напряжений, превышающих предел упругости, происходит пластическая деформация материала.

Вид напряженного состояния и соотношение компонент напряжений в очаге деформации оказывают существенное влияние на поведение материала в области деформации, а также на его конечную структуру и свойства. Изменяя условия деформирования, варьируя степень деформации и температуру, обеспечивают изменение свойств в нужном направлении. Коррекцию термодеформационных параметров обычно используют при применении многих технологических процессов, таких как: различные схемы экструзии, винтовая прокатка, волочение с наложением вращения заготовки и других.

Обзор литературы показывает, что современное материаловедение направлено на решение задачи получения ультрамелкозернистых материалов с большеугловыми границами зерен. Методами интенсивной пластической деформации удается получить так называемые объемные наноструктурные материалы с размером зерен 0,1-0,2 мкм и специфической субструктурой, содержащей решеточные и зернограничные дислокации и дисклинации. Такая структура характеризуется большими упругими искажениями кристаллической решетки. Считается, что подобные мелкозернистые структуры должны обеспечить одновременно высокий уровень пластических и прочностных характеристик за счет особых напряженных высокоугловых зерен.

Высокоугловые границы зерен можно получить, если при термомеханической обработке имеет место многонаправленная деформация.

Создание таких структур может быть осуществлено методами комбинированной пластической деформации со сдвигом, позволяющими достичь относительно больших деформаций при относительно низких температурах в условиях высоких приложенных давлений. В материаловедении чащ применяют термин «интенсивные пластические деформации», подразумевая использование в схеме деформации простого сдвига, совмещенного со сжатием (растяжением).

Таким образом, в настоящее время важным научным вопросом является изучение структурообразования и механических свойств под влиянием комбинированной пластической деформации.

На первом этапе работы было проведено ознакомление с основными методами интенсивной пластической деформации, с их преимуществами и недостатками. На данном этапе развития науки основными способами интенсивной пластической деформации являются кручение со сдвигом, равноканальное угловое прессование, винтовая экструзия, всесторонняя ковка, прокатка со сдвигом.

Все вышеперечисленные методы обладают общим недостатком, а именно формоизменение образца происходит в штамповом инструменте сложной формы. При этом инструмент подвергается очень высоким нагрузкам и быстро изнашивается. Во-первых, это влияет на себестоимость материала, полученного такими методами, а во-вторых, ограничивает размеры образцов, получаемых таким образом.

Прокатка со сдвигом является очень перспективным методом. Ее особенностью является то, что воздействие одновременно осуществляется не на весь объем металла, а только на его часть. Это позволило увеличить размеры изготавливаемых образцов.

В работе рассмотрено влияние прокатки со сдвигом на структуру и механические свойства меди, такие как прочность, пластичность и твердость.

Прокатка со сдвигом является одним из видов интенсивной пластической деформации. Она представляет собой прокатку на валках с прорезями. Прорези могут быть поперечные, продольные и комбинированные. Кроме того, прорези могут располагаться симметрично на одном и на втором валке, а могу быть смещены друг относительно друга. При таком методе реализуется особый вид течения металла, благодаря которому формируется специфическая структура.

Такой вид деформации осуществлялся на образцах из меди. Прокатка осуществлялась на валках с продольными, поперечными и комбинированными прорезями.

На данном этапе работы проводится изучение влияния вида прорезей на свойства меди. При этом уже сейчас можно сказать, что вид прорезей оказывает очень существенное влияние на микротвердость, а следовательно на структуру. Для изучения были отобраны образцы из разных участков полосы, прокатанной на валках с гладкой бочкой и с разными видами прорезей.

Таким образом результаты измерений говорят о том, что разные области прокатанного листа деформируются в разной степени, а поэтому различна степень их упрочнения.

Полученные данные требуют более детального и углубленного анализа. Возникают вопросы о механизме упрочнения и разупрочнения в материале, о процессах, которые происходят в металле при прокатке на различных видах валков. Поэтому на следующем этапе планируется провести изучение микроструктуры, и построение взаимосвязи между микроструктурой и микротвердостью.

В настоящее время существует большое количество исследований, посвященных вопросу взаимосвязи формирования определенной структуры и свойств под действием различных механизмов пластической деформации. Однако обзор литературных источников показал, что это вопрос не решен систематически для схем комбинированной пластической деформации: Данные, полученные эмпирическим путем, не позволяют сформулировать пути и найти методы прогнозируемого управления структурой и свойствами при переходе от исследованных сплавов к другим сплавам, отличающимся химическим составом, кристаллической решеткой, предысторией термодеформационных воздействий.

Ранее было проведено изучение микроструктуры и сделаны следующие выводы. Образцы, подвергнутые прокатке со сдвигом, имеют структуру, обусловленную следующими факторами. В процессе прокатки происходит искажение зерен, но когда степень деформации становится выше критической, то происходит процесс рекристаллизации. Следует заметить, что данный процесс начинается в более дефектных местах. Рекристаллизованные зерна снова вовлекаются с процесс пластической деформации. Показано, что развитие множественной рекристаллизации, чередующейся с фрагментацией, приобретает повторяющийся характер при росте степени деформации. Это приводит к поэтапному измельчению рекристаллизованных и фрагментированных зерен. Размер рекристаллизованных зерен составляет 0,5 – 4 мкм. Наличие в структуре двух видов зерен обеспечивает высокую прочность и пластичность.

Рекристаллизованные и деформированные зерна объединены в макрозерна (рисунок 5). Макрозерна представляют собой скопления или только рекристаллизованных или только деформированных зерен. Размер макрозерен может достигать сотен мкм в длину.

Рисунок 5 – Микроструктура меди после прокатки со сдвигом

Наряду с измерением микротвердости и общим анализом микроструктуры было произведено испытание обработанной меди на нрочность. Диаграмма растяжения образцов после прокатки на разных валков приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Диаграмма растяжения образцов после прокатки на соответствующих валках