Автореферат

Конструкційна міцність матеріалів відіграє важливу роль у забезпеченні надійної і довговічної роботи деталей машин і агрегатів. Створення нових зразків техніки в авіаційній, машинобудівельній, нафтогазовидобувній та інших галузях промисловості пред'являє більш жорсткі і підвищені вимоги до працездатності конструкцій. Це обумовлює необхідність застосування матеріалів з більш високим комплексом фізико-механічних властивостей. Для металевих матеріалів дана проблема вирішується або шляхом створення нових композицій сплавів, або розробкою нових високоефективних термомеханічних способів спрямованого впливу на структуру серійних промислових сплавів.

Можливості легування до цього часу багато в чому вже вичерпані. Крім того, розробка зовсім нових сплавів вимагає великих матеріальних витрат зі створення нових композицій, їх сертифікації та впровадження. Між тим в останні десятиліття інтенсивно розвивається новий напрямок в матеріалознавстві і обробці матеріалів, що полягає у формуванні в металах і сплавах ультрадисперсних структурних станів. Це дозволяє різко підвищити питому міцність в області експлуатаційних температур, при цьому в області температур обробки тиском істотно підвищується технологічна пластичність. На базі цього напрямку можна створити принципово новий комплекс фізико-хімічних і механічних властивостей у звичайних промислових матеріалах. Це стосується субмікрокристалічних (СМК) і нанокристалічних (НК) металів і сплавів, з розміром зерен до 0,1 мкм і менше.

Незважаючи на великі перспективи, до недавнього часу питання використання наноструктурних (НС) металів і сплавів як конструкційних і функціональних матеріалів нового покоління залишалося суперечним.

Отримання матеріалів з ультрадисперсною структурою на сьогоднішній день являє собою складну технологічну проблему. Найбільш перспективним способом виготовлення напівфабрикатів з СМК і НК структурою є деформаційно-термічна обробка, що включає інтенсивну пластичну деформацію (ІПД), що досягається звичайними методами обробки металів тиском.

Відомо, що в результаті холодної пластичної деформації відбувається накопичення дефектів кристалічної будови, перш за все дислокацій. У результаті цього усередині первинних вихідних зерен виникає субзеренна структура. Крім того, при однобічному деформуванні самі первинні зерна набувають витягнутщї форми, тобто їх розмір в одному або двох напрямках зменшується. Пластична деформація призводить до подрібнення структури, але при традиційних видах обробки одночасно відбувається нагартування матеріалу, падає його пластичність і подальша його деформація стає неможливою. Тому використовуючи звичайні методи деформації неможливо отримати зерно нанорозміру. Для формування наноструктур необхідно реалізувати особливі методи пластичної деформації, в яких матеріал піддається одночасному стиску як мінімум по двох осях. У цьому випадку ускладнюється зародження тріщин в матеріалі і його можна продовжувати деформувати для подрібнення структури.

Особливістю напруженого стану при інтенсивній пластичній деформації є висока частка дотичних напружень. При величині дотичних напружень, що перевищує межу пружності, відбувається пластична деформація матеріалу.

Вид напруженого стану і співвідношення компонент напружень в осередку деформації справляють істотний вплив на поведінку матеріалу в області деформації, а також на його кінцеву структуру і властивості. Змінюючи умови деформування, варіюючи ступінюю деформації і температурою, забезпечують зміну властивостей у потрібному напрямку. Корекцію термодеформаційних параметрів зазвичай використовують при застосуванні багатьох технологічних процесів, таких як: різні схеми екструзії, гвинтова прокатка, волочіння з накладенням обертання заготовки та інших.

Огляд літератури показує, що сучасне матеріалознавство спрямоване на вирішення задачі одержання ультрадрібнозернистих матеріалів з більшокутовими межами зерен. Методами інтенсивної пластичної деформації вдається отримати так звані об'ємні наноструктурні матеріали з розміром зерен 0,1-0,2 мкм і специфічною субструктурою, що містить граткові і зернограничні дислокації і дисклінацій. Така структура характеризується великими пружними спотвореннями кристалічної решітки. Вважається, що подібні дрібнозернисті структури повинні забезпечити одночасно високий рівень пластичних і міцнісних характеристик за рахунок особливих напружених більшокутових границь зерен.

Большокутові границі зерен можна отримати, якщо при термомеханічної обробці має місце багатонаправлена деформація.

Створення таких структур може бути здійснено методами комбінованої пластичної деформації зі зсувом, що дозволяють досягти відносно великих деформацій при відносно низьких температурах в умовах високих прикладених навантажень. У матеріалознавстві частіше застосовують термін «інтенсивні пластичні деформації», маючи на увазі використання в схемі деформації простого зсуву, поєднаного із стисненням (розтягуванням).

Таким чином, в даний час важливим науковим питанням є вивчення структуроутворення та механічних властивостей під впливом комбінованої пластичної деформації.

На першому етапі роботи було проведено ознайомлення з основними методами інтенсивної пластичної деформації, з їх перевагами і недоліками. На даному етапі розвитку науки основними способами інтенсивної пластичної деформації є кручення зі зсувом, рівноканальне кутове пресування, гвинтова екструзія, всебічне кування, плющення із зсувом.

Всі перераховані вище методи мають загальний недолік, а саме те, що формозмінення зразка відбувається у штамповому інструменті складної форми. При цьому інструмент піддається дуже високих навантаженням і швидко зношується. По-перше, це впливає на собівартість матеріалу, отриманого такими методами, а по-друге, обмежує розміри зразків, які отримують таким чином.

Прокатка зі зсувом є дуже перспективним методом. Її особливістю є те, що вплив одночасно здійснюється не на весь обсяг металу, а тільки на його частину. Це дозволило збільшити розміри зразків.

У роботі розглянуто вплив прокатки із зсувом на структуру і механічні властивості міді, такі як міцність, пластичність і твердість.

Прокатка зі зсувом є одним з видів інтенсивної пластичної деформації. Вона являє собою прокатку на валках з прорізами. Прорізи можуть бути поперечні, поздовжні та комбіновані. Крім того, прорізи можуть розташовуватися симетрично на одному і на другому валку, а можуть бути зміщені один щодо одного. При такому методі реалізується особливий вид течіння металу, завдяки якому формується специфічна структура.

Такий вид деформації здійснювався на зразках з міді. Прокатка здійснювалася на валках з поздовжніми, поперечними і комбінованими прорізами.

На даному етапі роботи проводиться вивчення впливу виду прорізів на властивості міді. При цьому вже зараз можна сказати, що вид прорізів надає дуже суттєвий вплив на мікротвердість, а отже на структуру. Для вивчення були відібрані зразки з різних ділянок смуги, прокатаної на валках з гладкою бочкою і з різними видами прорізів.

Таким чином результати вимірювань говорять про те, що різні області листа деформуються в різному ступені, а тому різна ступінь їх зміцнення.

Отримані дані вимагають більш детального і поглибленого аналізу. Виникають питання про механізм зміцнення в матеріалі, про процеси, які відбуваються в металі при прокатці на різних видах валків. Тому на наступному етапі планується вивчення мікроструктури, і побудова взаємозв'язку між мікроструктурою і мікротвердістю.

В даний час існує велика кількість досліджень, присвячених питанню взаємозв'язку формування певної структури та властивостей під дією різних механізмів пластичної деформації. Проте огляд літературних джерел показав, що це питання не вирішене систематично для схем комбінованої пластичної деформації: дані, отримані емпіричним шляхом, не дозволяють сформулювати шляхи і знайти методи прогнозованого управління структурою і властивостями при переході від досліджених сплавів до інших сплавів, що відрізняється хімічним складом, кристалічними гратами, передісторією термодеформаційних впливів.

Раніше було проведено вивчення мікроструктури і зроблені наступні висновки. Зразки, піддані прокатці із зсувом, мають структуру, обумовлену наступними чинниками. У процесі прокатки відбувається викривлення зерен, але коли ступінь деформації стає вище критичної, то відбувається процес рекристалізації. Слід зауважити, що даний процес починається в більш дефектних місцях. Рекристалізованні зерна знову залучаються з процес пластичної деформації. Показано, що розвиток множинної рекристалізації, що чергується з фрагментацією, набуває повторюваний характер при зростанні ступеня деформації. Це призводить до поетапного подрібнення рекристалізованних і фрагментованих зерен. Розмір рекристалізованих зерен становить 0,5 - 4 мкм. Наявність у структурі двох видів зерен забезпечує високу міцність і пластичність.

Рекріиталізовані і деформовані зерна об'єднані в макрозерна (рисунок 5). Макрозерна представляють собою скопичення або тільки рекристалізованих або тільки деформованих зерен. Розмір макрозерен може досягати сотень мікрометрів в довжину.

Рисунок 5 - Мікроструктура міді після прокатки із зсувом

Поряд з вимірюванням мікротвердості і загальним аналізом мікроструктури було проведено випробування обробленої міді на міцність. Діаграма розтягування зразків після прокатки на різних видах валків наведена на рисунку 6.

Рисунок 6 - Діаграма розтягування зразків після прокатки на відповідних валках