СПОСОБ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЕМ ПОД ВЫСОКИМ ЦИКЛИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ
METHOD OF INTENSIVE PLASTIC DEFORMATION BY TORSION UNDER HIGH CYCLIC PRESSURE

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для интенсивной пластической деформации (ИПД) с целью однородного измельчения микроструктуры металлов и повышения их микротвердости и прочности.
В последние 10-15 лет методы обработки, реализующие интенсивные пластические деформации, т.е. деформации в условиях высоких приложенных давлений, получили значительное развитие для получения ультрамелкозернистых (наноструктурированных) металлов и сплавов. Такие ультрамелкозернистые материалы проявляют повышенные механические и физические свойства, которые весьма привлекательны для многих инновационных применений [1]. Среди различных методов ИПД особое внимание привлекает интенсивная пластическая деформация кручением или кручение под высоким давлением. Это метод, осуществляемый в специальном устройстве-камере Бриджмена, широко используется для получения ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов в заготовках в форме дисков.
Известен способ обработки интенсивной пластической деформацией, включающий деформирование заготовки, помещенной в замкнутый объем матрицы, осадку и кручение в условиях квазигидростатического давления [2].
Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость процесса деформации, возможность неравномерного распределения деформаций и неоднородность микроструктуры по объему заготовки.
Известен способ обработки аморфных магнитных материалов интенсивной пластической деформацией с целью их нанокристаллизации [3], согласно которому интенсивную пластическую деформацию проводят кручением под квазигидростатическим давлением при криогенной температуре. Деформацию проводят в камере Бриджмена при 1-10 оборотах подвижной наковальни.
Недостатком данного способа являются ограниченные функциональные возможности в связи с использованием его исключительно для обработки магнитно-мягких аморфных сплавов.
Известен способ обработки металлов, предназначенный для наностуктурирования металлов с помощью интенсивной пластической деформации, который является наиболее близким по решаемой задаче и принят в качестве прототипа. Общим у известного устройства и заявленного изобретения являются осадка и кручение заготовки. В прототипе величину усилия осадки и крутящего момента рассчитывают по математическим формулам в зависимости от диаметра заготовки, предельного напряжения сдвига материала заготовки и коэффициента трения на поверхности контакта пуансон-заготовка [4].
Известный способ позволяет эффективно измельчать микроструктуру, но обычно не обеспечивает однородную микроструктуру по всей площади заготовки, в частности в центральной части образца, а значит и требуемые параметры физико-механических свойств материала.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в проведении интенсивной пластической деформации кручением с обеспечением однородного измельчения структуры металла по всему объему заготовки.
Технический результат, достигаемый новым способом обработки металлов, заключается в повышении микротвердости и прочности материала заготовки, а также их равномерности по площади заготовки.
Поставленная задача решается способом интенсивной пластической деформации, включающим осадку и последующее кручение заготовки с получением деформации сдвига, в котором, в отличие от прототипа, деформацию проводят на бойках Бриджмена с приложением сжимающего удельного давления 3-6 ГПа и последующим вращением подвижного бойка относительно своей оси со скоростью 0,02-1,5 об/мин, причем в процессе вращения бойка осуществляют циклическое изменение удельного давления на 10-20% от текущего значения с частотой 0,1-1,5 от установленной скорости вращения бойка.
Кроме того, поставленная задача достигается тем, что скорость вращения бойка в процессе деформации изменяют циклически.
Помимо этого, поставленная задача достигается тем, что в процессе деформации изменяют направление вращения бойка с шагом 0,1-1,5 оборота.
Вместе с тем, поставленная задача достигается тем, что процесс деформации ведут при температуре -100°C÷+450°C.
Технический результат достигается тем, что циклирование нагрузки в ходе ИПД кручением ведет к изменению концентрации вакансий в материале заготовки, которое в свою очередь влияет на скорость «переползания» дислокации и посредством этого на механизмы деформации и механизмы формирования ультрамелкозернистой структуры, обеспечивая ей однородность. Циклирование нагрузки при ИПД кручением подобно повороту образца в ходе равноканального углового прессования, что ведет к смене систем скольжения в ходе обработки и благодаря этому обеспечивает более однородную микроструктуру материала и, следовательно, повышение физико-механических свойств, таких как предел прочности и микротвердость.
Циклирование скорости кручения заготовки (скорости вращения бойка) способствует дополнительному повышению однородности микроструктуры материала заготовки.
Сущность изобретения поясняется Фиг.1,2, 3, 4 и 5.
На Фиг.1 приведена принципиальная схема обработки заготовки способом ИПД кручением под давлением Р.
На Фиг.2 приведена фотография микроструктуры исходного титанового сплава ВТ-6 до обработки по предложенному способу (световой микроскоп, увеличение Х500).
На Фиг.3 приведена фотография микроструктуры титанового сплава ВТ-6 после обработки по предложенному способу (просвечивающий электронный микроскоп, увеличение Х50000).
На Фиг.4 приведены значения микротвердости вдоль диаметра заготовки титанового сплава ВТ-6 после обработки кручением под давлением кручения (среднее значение 360 HV, разброс значений ±23 HV).
На Фиг.5 приведены значения микротвердости вдоль диаметра заготовки титанового сплава ВТ-6 после обработки кручением с циклированием давления (среднее значение 410 HV, разброс значений ±12 HV).
Сущность заявляемого изобретения поясняется схемой кручения (Фиг.1), которая содержит металлическую заготовку 1, подвижный боек Бриджмена 2 и неподвижный боек Бриджмена 3.
Способ осуществляют следующим образом.
Заготовку 1 помещают между подвижным 2 и неподвижным 3 бойками Бриджмена (Фиг.1). Бойки сжимают с удельным усилием 3-6 ГПа, после чего подвижный боек 2 начинают вращать относительно своей оси со скоростью 0,02-1,5 об/мин. При этом силы поверхностного трения заставляют заготовку деформироваться сдвигом, обеспечивая тем самым измельчение структуры. В процессе вращения подвижного бойка удельное давление сжатия циклически меняют на 10-20% от текущего значения с частотой 0,1-1,5 от установленной скорости вращения бойка. Согласно способу скорость вращения бойка можно изменять циклически, а также менять направление вращения бойка с шагом 0,1-1,5 оборота. Процесс деформации можно вести при температуре -100°C÷+450°C, изменяя ее в процессе обработки в указанных пределах. Изменение температуры способствует лучшей пластичности конечной заготовки.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: повышение микротвердости и прочности материала заготовки. Ниже приведен пример конкретной апробации заявленного способа.
Пример конкретного выполнения.
Из горячекатаного прутка титанового сплава ВТ-6 диаметром 20 мм были вырезаны заготовки толщиной 2 мм на электроискровой установке. Каждая заготовка помещалась между бойками в канавку, затем подвижный и неподвижный бойки сжимались с удельным усилием 6 ГПа. Подвижный боек начинали вращать со скоростью 0,2 об/мин - 10 оборотов. В процессе вращения подвижного бойка удельное давление сжатия меняли циклически с 6 ГПа до 5 ГПа при каждом повороте на 360°.
После обработки получили заготовки толщиной 1 мм, из которых вырезали образцы для механических испытаний на растяжение с размером базы 4 мм и длиной 12 мм. Каждый образец полировался на алмазных пастах для исключения рисок - концентраторов разрушения.
-4
-1
Механическое испытание всех образцов производились на стандартной разрывной машине при комнатной температуре со скоростью деформации 10 с до их полного разрушения.
Кроме того, образцы исследовали на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ). Для этого из полученных образцов изготавливали тонкие фольги путем электролитического полирования, затем ее помещали в колонну микроскопа, где и наблюдали микроструктуру сплава в исходном и наноструктурном состоянии. На Фиг.2 и 3 показана структура исходного и наноструктурного сплава ВТ-6. Как видно на Фиг.2 и 3 после предлагаемой обработки структура сильно измельчилась.
На Фиг.4 и 5 приведены значения микротвердости вдоль диаметра заготовки из сплава ВТ-6 после кручения и после кручения с циклическим усилием. Добавление цикличности к прилагаемому усилию дало прирост микротвердости на 14%, при этом разброс значений уменьшился.
Результаты испытаний образцов представлены в таблице, в которой приведены сравнительные характеристики титанового сплава ВТ-6 до и после его обработки по предложенному способу. Как следует из результатов испытаний, обработанный по предложенному способу материал имеет более высокую прочность и упругость.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет получить более однородную микроструктуру материала по всему объему заготовки и существенно повысить его микротвердость и прочность.
Изобретение может быть применено для обработки материалов с целью повышения их физических и механических свойств за счет создания ультрамелкозернистых структур для их инновационных применений в области энергетики, работе при низких температурах, использовании в аэрокосмических установках, спорте и биомедицине.
Таблица
Результаты испытания заготовок материала до и после обработки ИПД кручением при циклическом давлении
Состояние материала
Предел прочности σ<sub>в</sub>, МПа
Пластичность δ, %
Исходное
960
20
Наноструктурное
1760
5
Таким образом, предложенное изобретение позволяет получить более однородную микроструктуру материала по всей площади заготовки и существенно повысить его микротвердость и прочность.
Заявленное изобретение может быть применено для создания принципиально нового поколения функциональных и конструкционных материалов. Создание однородной наноструктуры в металлах и сплавах открывает путь для получения новых, неожиданных и необычных свойств конструкционных материалов, чрезвычайно привлекательных для многих инновационных применений в разных сферах и областях: энергетики, работе при низких температурах, использовании в аэрокосмических установках, спорте и биомедицине. В частности, повышенная прочность и износостойкость ультрамелкозернистых металлов с однородным распределением структуры при сохранении достаточной пластичности дает возможность существенно увеличить надежность и долговечность созданных с их использованием механизмов и конструкций, а также уменьшить расход материала на их изготовление.
Литература
1. Р.З. Валиев, Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы. Получение, структура и свойства. М.: Академкнига, 2007. - 398 с.
2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. - 240 с.
3. Патент РФ №2391414, МПК C21D 6/04, опубл. 10.06.2010 г.
4. Патент РФ №2382687, МПК C21J 6/04, опубл. 27.02.2010 г. (прототип).