Дефектная структура и механические свойства некоторых субмикрокристаллических металлов и сплавов, полученных методом равноканального углового прессования

УДК 620.169.1

ДЕФЕКТНАЯ СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ

© В.И. Бетехтин, V. 8кІсміска, 3. Буогак, А.Г. Кадомцев, М.В. Нарыкова

Ключевые слова: субмикрокристаллическая структура; металлы; сплавы; дефекты структуры; нанопоры; механические свойства.

Исследовано влияние нанопористости, образовавшейся при РКУП, на долговечность и микротвердость алюминия и некоторых сплавов.

Большие пластические деформации в условиях, близких к всестороннему сжатию, например, при равноканальном угловом прессовании (РКУП), ведут к получению наноструктурных металлов и сплавов. Высокие механические свойства таких материалов определяются в основном двумя факторами: размером зерен и состоянием их границ. Уменьшение при РКУП размера зерен ведет к увеличению объемной доли их границ, особенно большеугловых. За счет высокой концентрации дефектов (дислокации, вакансии и др.) границы зерен находятся в неравновесном, аморфопо-добном состоянии и имеют повышенный свободный объем. На фоне этого свободного объема, относительно равномерно распределенного в границах, возможно образование наноразмерных областей пониженной плотности, в предельном случае - нанопор, выявленных в [1, 2].

В связи с вышесказанным было интересно выяснить, как влияет изменение размера зерен и состояние их границ в процессе РКУП на прочностные характеристики микрокристаллических материалов при их «кратковременных» испытаниях (микротвердость, предел текучести) и при длительном нагружении (долговечность при растяжении в условиях ползучести). Отметим, что долговечность является наименее изученной и в то же время несомненно важной характеристикой работоспособности высокопрочных микрокристаллических металлов и сплавов.

Исследования проводились на А1 (99,99 %), сплавах А1 + 0,2 % Бс и Си + 0,2 % Zr. Изучалось влияние степени деформации (числа проходов при РКУП) на размер зерен и состояние их границ (нанопористость, распределение зерен по разориентациям) и, как следствие, на характеристики «кратковременной» (микротвердость) и «длительной» (долговечность) прочности.

Размер зерен и распределение зерен по разориента-ции определялись с помощью электронной микроскопии с использованием обратного электронного рассеяния. Для оценки свободного объема и нанопористости использовалось измерение плотности (точность 10-4) и модернизированная методика малоуглового рентгеновского рассеяния (МРР) [1, 3]. Долговечность и ее зависимость от числа проходов при РКУП определялась при растяжении образцов в условиях ползучести при

473 К и напряжениях 15 (А1 99,99 %) и 20 (А1 + 0,2 % Sc) МПа.

В качестве примера на рис. 1 показано, как меняется в зависимости от числа проходов (М) размер зерен (кривая 1) и доля большеугловых границ (кривая 2) для А1 99,99 %. Видно, что размер зерен с ростом деформации имеет тенденцию к уменьшению («1 мкм после одного прохода и «0,7 мкм после 8 проходов). Доля большеугловых границ (0 > 15°) при проходе от 1 к 4 проходам резко (почти в 10 раз) увеличивается, а при дальнейшей деформации имеет тенденцию к насыщению. Качественно аналогичные результаты были получены и для сплавов А1 и Си.

Рассмотрим данные по влиянию числа проходов на микротвердость и долговечность алюминия. Видно (рис. 2), что микротвердость (кривая 1) резко увеличивается при переходе от одного к четырем проходам, а затем практически не меняется. В отличие от микротвердости долговечность почти на два порядка растет после первого прохода; при переходе к четырем проходам резко падает и в дальнейшем практически не меняется (табл. 1).

Оценка нанопористости алюминия показала, что после первого прохода объем нанопор размером «20 нм растет. Однако резкое увеличение нанопористости наблюдается именно при переходе от первого к четвертому проходу; дальнейшее увеличение числа проходов на нанопористость почти не влияет (к примеру, величина разуплотнения, связанная с нанопористостью, после первого прохода «3,7-10-3, после четвертого «5-10-3, а после двенадцатого 5,5-10-3).

Качественно подобные данные были получены при изучении влияния числа проходов на нанопористость и долговечность сплава А1 + 0,2 % Sc. Для сплава, содержащего частички второй фазы А1^с, эффект влияния РКУП на долговечность оказался даже более существенным, чем для алюминия. Уже после первого прохода долговечность сплава (табл. 1), переведенного посредством РКУП в микрокристаллическое состояние (размер зерен «0,7 мкм), оказалась почти в три раза меньше, чем для исходного, крупнокристаллического состояния (размер зерен «8 мм). Также как и для алюминия, наиболее резкое падение долговечности наблю-

1950

дается при переходе к четырем проходам; в дальнейшем долговечность уменьшается незначительно (табл. 1).

Таблица 1

Влияние числа проходов на долговечность

Материал Долговечность, ч

n = 0 n = 1 n = 2 n = 4 n = 8

Al (99,99 %) 4 1070 87 60 60

Al + 0,2 wt. % Sc «4200 1400 800 38 7

N, РКУП

Рис. 1. Зависимость размера зерна (1) и количества большеугловых границ зерен п (0 > 15°) (2) от числа проходов N при РКУП для А1 99,99 %

Hv

N. РКУП

Рис. 2. Зависимость микротвердости Ну от числа проходов N при РКУП для А1 99,99 %

Измерение влияния РКУП на нанопористость показало, что после первого прохода объем нанопор в сплаве оказался почти в два раза больше, чем в алюминии;

последнее, как отмечалось в [3], связано с наличием в сплаве частиц второй фазы. Высокая нанопористость и привела, очевидно, к тому, что в отличие от чистого алюминия долговечность сплава уже после первого прохода оказалась меньше, чем в исходном состоянии. В то же время для сплава зависимость микротвердости от числа проходов оказалось такой же, как в чистом алюминии: она резко росла при переходе от одного к четырем проходам, а затем практически не менялось (рис. 2, кривая 2).

Рассмотренные выше данные свидетельствуют о том, что образовавшаяся в процессе РКУП нанопористость не влияет на микротвердость, которая растет синхронно с увеличением доли большеугловых границ и уменьшением размера зерен. В то же время наблюдается хорошая корреляция между величиной и характером изменения нанопористости и изменением долговечности при ползучести. Это позволяет сделать вывод о том, что образовавшаяся в процессе РКУП нанопористость может существенно влиять на работоспособность высокопрочных микрокристаллических металлов и сплавов. В [3] рассмотрены возможные механизмы этого влияния; отмечается также, что определенный вклад в долговечность может вносить изменение доли большеугловых границ и их тройных стыков, которая резко увеличивается при переходе к 4 проходу РКУП [4].

ЛИТЕРАТУРА

1. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Sklenicka V. и др. Нанопористость ультрамикрокристаллического алюминия и сплава на его основе // ФТТ. 2007. Т. 49. Вып. 10. С. 1787-1790.

2. Lapovok R., Estrin Y. et al. Evolution of nanoscale porosity during equal-channel angular pressing of titanium // Acta Mater. 2009. V. 57. P. 2009-2015.

3. Бетехтин В.И., Sklenicka V. и др. Влияние числа проходов при РКУП на упруго-пластические свойства, долговечность и дефектную структуру сплава Al + 0,2 wt. % Sc // ФТТ. 2010. Т. 52. Вып. 8. С. 1517-1523.

4. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Sklenicka V., Нарыкова М.В. Влияние гидростатического давления на дефектную структуру и долговечность ультракристаллического Al // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. Вып. 20. С. 75-79.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 13-02-00054 и № 12-0231575 мол_а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Betekhtin V.I., Sklenicka V., Dvorak J., Kadomtsev A.G., Na-rykova M.B. DEFECTIVE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF SOME SUBMICROCRYSTALLINE METALS AND ALLOYS RECEIVED BY METHOD OF EQUAL-CHANNEL ANGULAR PRESSING

The influences of the nano-porosity formed at ECAP on durability and microhardness of aluminum and some alloys are investigated.

Key words: submicrocrystalline structure; metals; alloys; defects of structure; nano-pores; mechanical properties.

1951