Механические свойства образцов магниевых сплавов до и после операции РКУП

УДК 539.3

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДО И ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ РКУП

© Н.Е. Скрябина, В.Н. Аптуков, П.В. Романов

Ключевые слова: равноканальное угловое прессование; магниевые сплавы; механические характеристики образцов; анизотропия свойств.

Исследованы характеристики образцов из магниевых сплавов до и после операции РКУП. Показано, что опер а-ция РКУП приводит к анизотропии механических свойств, а также увеличению прочности, предела текучести и уменьшению модуля упругости.

Оптимальной формой хранения водорода с точки зрения эффективности и безопасности являются гидриды металлов. Среди перспективных материалов для реализации такого подхода особого внимания заслуживают магний и сплавы на его основе, которые способны обратимо поглощать водород в количестве, удовлетворяющем требованию DOE [1]. Подготовка материалов для насыщения водородом, как правило, сводится к измельчению его структуры путем интенсивной пластической деформации. Это позволяет значительно улучшить кинетику реакции за счет увеличения удельной доли поверхностей раздела в образце. Для магниевых сплавов повышения сорбционных характеристик можно достичь, используя равноканальное угловое прессование (РКУП) [2, 3]. В ходе РКУП происходит изменение микроструктуры, которое сопровождается не только фрагментацией материала, но и образованием ярко выраженной текстуры [4].

Метод равноканального углового прессования (РКУП) применяется для получения высокоплотных наноструктурированных материалов с высокой однородностью зерна из пластически деформируемых призматических образцов [2]. Интенсивная сдвиговая деформация образца происходит при пересечении им области сопряжения между каналами. При повторной процедуре РКУП происходит увеличение деформации, приводящее к последовательному уменьшению размера зерен.

При использовании этого метода существует несколько требований для получения объемных наноматериалов. Важное значение имеет формирование ульт-рамелкозернистых структур, имеющих большеугловые границы зерен, поскольку именно в этом случае качественно изменяются свойства материалов. Кроме того, требуется формирование наноструктур, однородных по всему объему образца, что необходимо для обеспечения стабильности свойств полученных материалов. Также образцы после операции РКУП не должны иметь механических повреждений или разрушений.

Изучены три магниевых сплава: чистый магний Mg, сплав AZ31 и сплав ZK60. Образцы имели форму, близкую к кубической с ребром около 10 мм. Испытания проводились на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z-250 с максимальным усилием

сжатия 250 кН в режиме сжатия с постоянной скоростью перемещения траверсы 10 мм/мин.

Из исходного (до операции РКУП) прямоугольного образца 10x10x50 мм вырезались кубические образцы, сжатие которых осуществлялось вдоль оси (длины) прямоугольного образца (тип А).

Из деформированного прямоугольного образца (после операции РКУП - один или два прохода) также вырезались кубические образцы (две штуки). Сжатие одного образца осуществлялось вдоль оси канала РКУП (тип А), направление сжатие второго образца -вдоль плоскостей сдвига (тип В). На рис. 1 показаны схемы испытания образцов: маленькие стрелки указывают направление канала, большие - направление сжатия при испытаниях.

А В

Рис. 1. Схема испытания образцов после операции РКУП

Операция РКУП (1 проход) осуществлялась в матрице с углом изгиба 105° при скорости около 2-3 см/с при температуре Т = 200 °С. Второй проход РКУП осуществлялся с поворотом образца после первого прохода на 90° по часовой стрелке со стороны хвостовой части.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

На рис. 2 показаны типичные диаграммы сжатия образцов магниевых сплавов AZ31 и ZK60 до операции РКУП.

Материал Mg после операции РКУП (1 проход) заметно упрочнился: в 5,7 раза увеличился предел текучести, в 1,5 - предел прочности. Предельная деформация практически не изменилась. При сжатии вдоль

1990

плоскостей сдвига произошло хрупкое (динамическое) разрушение образца.

Рис. 2. Диаграммы сжатия магниевых сплавов

После второго прохода РКУП (по сравнению с однопроходным вариантом) предел прочности увеличился на 22 % (образец типа В), но остался прежним для образов типа А. Предел текучести увеличился на 13 % (тип А) и остался прежним для образца типа В. Предельная деформация уменьшилась на 4-5 %, модули упругости практически не изменились.

Упрочнение сплава AZ31 после операции РКУП (1 проход): в 2,7-2,8 раза вырос предел текучести, в 1,141,38 раза - предел прочности. Предельная деформация незначительно уменьшилась. Разрушение образца динамическое, сопровождается сильным хлопком. Анизотропия свойств: предел прочности вдоль слоев (тип В) превышает предел прочности вдоль канала (тип А) на 21 %, а предельная деформация меньше на 13 %.

После второго прохода РКУП (по сравнению с однопроходным вариантом) предел прочности уменьшился на 9 % (образец типа В), но остался прежним для образов типа А. Предел текучести увеличился в среднем на 13 %. Предельная деформация осталась прежней или уменьшилась на 4 % (тип В), модули упругости незначительно уменьшились на 8-11 %.

Упрочнение сплава ZK60 после операции РКУП (1 проход): в 1,7 раза вырос предел текучести, предел прочности уменьшился на 13 % (тип А) и увеличился на 20 % (тип В). Предельная деформация уменьшилась на 31 % (тип А) и осталась на прежнем уровне (тип В). Разрушение образца динамическое, сопровождается сильным хлопком. Анизотропия свойств: предел прочности вдоль слоев (тип В) превышает предел прочности вдоль канала (тип А) на 39 %, а предельная деформация - на 44 %.

После второго прохода РКУП (по сравнению с однопроходным вариантом) предел прочности увеличился на 11 % (образец типа А), но уменьшился на 17 % (образец типа В). Предел текучести увеличился на 14 % (тип А), остался на старом уровне (тип В). Предельная деформация уменьшилась на 15 % (тип А) и на 9 % (тип В), модули упругости незначительно уменьшились на 8-11 %.

Установлено, что анизотропия свойств, обусловленная схемой испытания образцов (А или В) после однократной деформации РКУП, наиболее сильно проявляется в сплаве ZK60. Исследования микроструктуры сплавов, проведенные параллельно с механическими испытаниями, показали, что в сплаве ZK60 по границам зерен присутствуют области с повышенным содержанием цинка. Размер зерна в этих областях на порядок меньше по сравнению с основной структурой сплава, которая представляет собой твердый раствор цинка в магнии.

Если после первого прохода РКУП в сплавах AZ31 и, особенно, в ZK60 наблюдалась существенная анизотропия механических свойств для направлений сжатия образцов А и В, то после 2-го прохода РКУП анизотропия свойств практически отсутствует в AZ31, но сохраняется в сплаве ZK60. Размер зерна сплавов после первого и второго цикла деформации РКУП практически не изменяется.

Для обоих сплавов AZ31 и ZK60 после первого прохода РКУП наблюдается значительное снижение модуля упругости (гистерезиса) в 2,5-2,9 раза.

Разрушение сплавов AZ31 и ZK60 после 2-го прохода РКУП также осуществляется динамически с сильных хлопком.

ВЫВОДЫ

Показано, что деформация РКУП приводит к анизотропии механических свойств, а также увеличению прочности, предела текучести и уменьшению модуля упругости в магнии и сплавах на его основе (на примере AZ31 и ZK60).

ЛИТЕРАТУРА

1. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В., Яртысь В.А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Рос. хим. ж. 2006. Т. 1. № 6. C. 34-48.

2. Скрябина Н.Е., Fruchart D., Girard G., Miraglia S. Формирование текстуры деформации в сплаве AZ31 под воздействием равноканального углового прессования // Вестн. Перм. ун-та. Сер. Физика. 2010. № 1. С. 97-101.

3. ValievR.Z., Langdon T.G. Principles of equal channel angular pressing as a processing tool for grain refinement // Prog. In Mater. Sci. 2006. V. 51. P. 881-981.

4. Girard G., Fruchart D., Miraglia S. et al. Equal Channel Angular Pressing (ECAP), a severe plastic deformation (SPD) technique to promote fast hydrogen absorption in mg alloys // Metal Hydrogen Systems: Proc. Inter. Sympos. M., 2010. P. 141.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Пермского края, проект № С-26/211.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Skryabina N.E., Aptukov V.N., Romanov P.V. MECHANICAL PROPERTIES OF MAGNESIUM SPECIMENS BEFORE AND AFTER ECAE OPERATION

The properties of the magnesium specimens before and after ECAE are investigated. It is shown that the operation of ECAP leads to anisotropy of mechanical properties, as well as increased strength, yield strength and a decrease in the elastic modulus.

Key words: equal channel angular extrusion; magnesium alloys; mechanical characteristics of samples; anisotropy of properties.

1991