Локализация пластической деформации на макромасштабном уровне в субмикрокристаллических металлах и сплавах

Локализация пластической деформации на макромасштабном уровне в субмикрокристаллических металлах и сплавах

Г.П. Бакач, Е.Ф. Дударев, Ю.Р. Колобов1, Г.П. Грабовецкая1, О.А. Кашин1, Р.З. Валиев2

Сибирский физико-технический институт при ТГУ, Томск, 634050, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Институт физики перспективных материалов при УГАТУ, 450025, Россия

Исследовано влияние термосиловых воздействий на локализацию пластической деформации на макромасштабном уровне для титана и сплава TiNi с субмикрокристаллической структурой, сформированной при равноканальном угловом прессовании.

Plastic deformation localization in submicrocrystalline metals and alloys at the macroscale level

G.P. Bakach, E.F. Dudarev, Yu.R. Kolobov, G.P. Grabovetskaya, O.A. Kashin, and R.Z. Valiev

The influence of temperature and loading conditions on plastic deformation localization of titanium and TiNi alloy with submicrocrystalline structure has been investigated at the macroscale level. The submicrocrystalline structure forms by equial-channel angular pressing.

1. Введение

Металлы и сплавы с субмикрокристаллической структурой, сформированной методом равноканального углового прессования, находятся в крайне неравновесном состоянии [1-3]. Это проявляется в высоком уровне внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен, а также в несовершенной структуре границ зерен. Характерной особенностью субмикрокристаллических металлов и сплавов с такой структурой является их низкая термическая стабильность и высокая склонность к локализации пластической деформации на макромасштабном уровне. Однако до сих пор деформационной нестабильности ультра-мелкозернистых (нано- и субмикрокристаллических) металлов и сплавов уделялось очень мало внимания. Имеются лишь данные для меди и титана о взаимосвязи между деформационным поведением и масштабным уровнем локализации пластической деформации [2, 46].

В настоящей работе исследована локализация пластической деформации на макромасштабном уровне при растяжении титана и сплавов на основе никелида титана с субмикрокристаллической структурой, сформированной при равноканальном угловом прессовании. Использовали титан с разным содержанием примесей внедрения и никелид титана четырех составов.

2. Методика исследования

Плоские образцы для испытаний на растяжение в виде двойной лопатки с длиной рабочей части 5 и 10 мм и сечением 0.5 х2.5 мм вырезали электроискровым способом вдоль направления прессования. После электролитической полировки образцы деформировали в вакууме 1-10-4 мм рт. ст. со скоростью 1-10-3 с-1, иногда скорость растяжения уменьшали до 1-10-4 с-1 и даже до 3-10-5 с-1. В процессе растяжения при температурах от 293 до 673 К іп^іШ методом оптической металлографии фиксировали изменение поверхностного рельефа образца и изменение его поперечного сечения.

3. Влияние равноканального углового прессования на локализацию пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях

При растяжении крупнозернистого рекристаллизо-ванного титана при 295 К, как и других пластичных металлов и сплавов [7], разрушению предшествует макролокализация пластической деформации путем образования шейки, где происходит разрушение. У исследованного титана характер локализации пластической деформации на макромасштабном уровне кардинально изменяется после равноканального углового прессования, приводящего к формированию субмикрокристаллической структуры (средний размер элементов зерен-

© Бакач Г.П., Дударев Е.Ф., Колобов Ю.Р, Грабовецкая Г.П., Кашин O.A., Валиев Р.З., 2004

Рис. 1. Формирование макрополосы локализованной пластической деформации в субмикрокристаллическом титане при 573 К

но-субзеренной структуры — 350 нм). В этом структурном состоянии при комнатной температуре деформации на поверхности образца на расстоянии (0.3 - 0.5)/0 от захвата (/0 — рабочая длина образца) сначала появляются мезополосы локализованной пластической деформации. Они ориентированы под углами, близкими к 60° относительно направления растяжения. При дальнейшем нагружении длина этих мезополос увеличивается, а в некоторых локальных областях возрастает также их плотность. Одна их этих областей становится зародышем макрополосы локализованной пластической деформации, охватывая значительную часть сечения образца (рис. 1, а). С ростом степени деформации увеличиваются длина и ширина зародыша макрополосы и, наконец, он охватывает все сечение образца, то есть завершается формирование макрополосы локализованной пластической деформации (рис. 1, б).

В дальнейшем пластическая деформация внутри макрополосы развивается прежде всего за счет увеличения плотности мезополос. При этом ширина макрополосы и ее ориентация относительно направления растяжения практически не изменяются и составляют соответственно 500-600 мкм и примерно 60°. Разрушение происходит в центральной части макрополосы путем «соскальзывания» одной части образца относительно другой вдоль макрополосы (рис. 2).

Следует отметить, что после отжига при температурах вплоть до 673 К характер макролокализации пластической деформации при последующем растяжении при 295 К не изменяется. В то же время, после отжига при более высоких температурах разрушению, как и у крупнозернистого титана, предшествовала макролокализация пластической деформации в виде шейки. Свя-

V;

Рис. 2. «Соскальзывание» двух частей образца друг относительно друга в макрополосе локализации пластической деформации

зано это с тем, что при температурах отжига вплоть до 673 К сохранялась субмикрокристаллическая структура, а при более высоких температурах происходила рекристаллизация.

Аналогичная локализация пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях наблюдается и у субмикрокристаллического никелида титана. Причем разрушению предшествуют зарождение и формирование макрополосы локализованной пластической деформации даже в том случае, когда при нагружении реализуются мартенситное превращение и, как следствие этого, неупругая мартенситная деформация. Хотя при температурах изотермического нагружения в интервале М8 - Af (М8 и Af — соответственно температуры начала прямого и окончания обратного мартенсит-ного превращения) макрополоса образуется при более высоких степенях деформации, чем у титана, разрушение также происходит в центральной части полосы путем «соскальзывания».

4. Влияние холодной пластической деформации и последующего отжига на макролокализацию пластической деформации

Для уменьшения размера элементов зеренно-суб-зеренной структуры субмикрокристаллический титан деформировали при 295 К многократной прокаткой с суммарной степенью осадки 80 %. После такой деформации картина макролокализации пластической деформации при 295 К усложнилась (рис. 3). Вместо одной формируется несколько (2 или 3) макрополос локализации пластической деформации. Одна из них является сдвоенной, состоящей из двух близкорасположенных параллельных полос. Ширина каждой макрополосы составляет 400-500 мкм, сдвоенной — 800-900 мкм. Углы между полосами, а также между каждой полосой и направлением растяжения, составляют ~ 60°. Разрушение происходит по сдвоенной полосе «соскальзыванием» частей образца друг относительно друга.

С ростом температуры отжига картина макролокализации пластической деформации постепенно упрощается. После отжига при 573 К количество макропо-

Рис. 3. Влияние температуры отжига Тотжна макролокализацию пластической деформации у субмикрокристаллического титана, подвергнутого прокатке на 80 % при 295 К

лос сократилось до двух и до одной после отжига 673 К (рис. 3). Сдвоенных макрополос при этом не наблюдается, но разрушение происходит внутри макрополосы путем «соскальзывания». В процессе отжига при 773 К прошла рекристаллизация, что привело к подавлению локализации пластической деформации в виде макрополос.

Для выяснения закономерностей макролокализации пластической деформации в условиях одновременного термосилового воздействия прокатанный при 295 К суб-микрокристаллический титан деформировали кроме комнатной при температурах 473, 573, 623 и 773 К. Оказалось, что с ростом температуры, как и при отжиге, картина макролокализации пластической деформации упрощается (рис. 4). При 473, 573, 623 К вместо нескольких наблюдается одна сдвоенная макрополоса под углом 60° к направлению растяжения. Наряду с этой полосой по всей длине образца имеются слабо выраженные макрополосы. При этих температурах разрушение также происходит в макрополосе путем «соскальзывания».

При температурах деформации выше 623 К макролокализация пластической деформации происходит путем образования шейки. Разрушение происходит в шейке с большим сужением путем зарождения и роста трещины.

Наконец, следует отметить, что у крупнозернистого титана, прокатанного на 80 % при 295 К, в общих чертах картина локализации пластической деформации на макромасштабном уровне при указанных выше температурах деформации и отжига такая же, как у прокатанного субмикрокристаллического титана.

Рис. 4. Влияние температуры деформации Тд на макролокализацию пластической деформации у субмикрокристаллического титана, подвергнутого прокатке на 80 % при 195 K (схема): а — Тд= 295 K; б — Тд = 473, 573 и 623 K

5. Выводы

1. В металлах и сплавах с субмикрокристаллической структурой, сформированной методом равноканального углового прессования, при комнатной температуре деформации формируются макрополосы локализованной пластической деформации. Разрушение происходит внутри макрополосы путем «соскальзывания» частей образца друг относительно друга.

2. У субмикрокристаллического и крупнозернистого титана, подвергнутого прокатке на 80 % при 295 K, характер локализации пластической деформации одинаковый и одинаково изменяется с ростом температуры отжига и температуры деформации.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ (грант № 2398), ИНТАС (грант № 01-320), Министерства образования и науки РФ (проект 202.04.02.031) и CRDF (программа BRHE, проект Т0-016-02).

Литература

1. Валиев Р.З., Александров И.А. Наноструктурные материалы, полу-

ченные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

2. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. - Новосибирск: Наука, 2001. - 232 с.

3. Носкова НИ., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нано-кристаллические металлы и сплавы. - Екатеринбург: УрО РАН, 2003. - 279 с.

4. ПанинВ.Е., ДеревягинаЛ.С., ВалиевР.З. Механизм локализованной

деформации субмикрокристаллической меди при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 89-95.

5. Weertman J.R. Mechanical properties of nanomicrocristalline metals // J. Mater. Sci. and Eng. - 1993. - V. A116. - No. 197. - P. 161-163.

6. Дударев Е.Ф., Бакач Г.П., Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Чернова Л.В. Деформационное поведение и локализация пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в субмикрокристаллическом титане // Физ. мезомех. - 2001. -Т.4.- № 1. - С. 97-104.

7. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. и др. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. - Киев: Наукова думка, 1987. - 248 с.