Анализ кривых упрочнения, полученных в процессе ИПД

Noskova N.I. MECHANISMS OF DEFORMATION AND DESTRUCTION OF NANOCRYSTAL MATERIALS

Deformation and destruction of nanocrystal materials are investigated by the electronic-microscopic in situ method: pure

metals (Cu, Ni, Mo, Ti), firm solutions (Al-Hf, Al-Pb), alloys (Al-Re-Sn), (Al-Mo-Sn).

Key words: nanocrystal materials; electronic microscopy.

УДК 536:539.312:621.7

АНАЛИЗ КРИВЫХ УПРОЧНЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ В ПРОЦЕССЕ ИПД

© Л.С. Метлов, А.А. Давиденко

Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация; кривые упрочнения; неравновесная термодинамика. Проведено сравнение теоретических, рассчитанных в рамках метода неравновесной эволюционной термодинамики, и экспериментальных кривых упрочнения материалов, подвергнутых обработке интенсивной пластической деформацией. Показано, что эти кривые практически могут быть совмещены подбором масштабов по вертикальной и горизонтальной оси. В рамках трехуровневой модели показано, что процесс накопления микротрещин может привести к деградации материала и к его разупрочнению.

Известно, что в процессе деформации все металлы упрочняются. В качестве меры упрочнения используют либо зависимости предела текучести, либо твердости от накопленной деформации. На рис. 1 приведены кривые твердости меди в зависимости от накопленной деформации для различных видов интенсивной пластической деформации (ИПД) - равноканальное угловое прессование (РКУП) для угла сочленения каналов Ф = 160°, РКУП Ф = 150°, винтовая экструзия (ВЭ) при малых деформациях, угловая винтовая экструзия (УВЭ), ВЭ при больших деформациях.

1400

го'

I 1200

^ 1000 О)

! 800 ф

I 600

X

400

Рис. 1. Зависимость твердости от накопленной деформации после различных видов обработки

Видно, что все способы обработки дают приблизительно одинаковые зависимости. Поэтому для более детального анализа и сравнения с теоретическими кривыми можно ограничиться одной кривой (рис. 2).

Для теоретического описания кинетики структурных дефектов и связанных с нею прочностных свойств на конференции МРБР-2007 была впервые доложена идея метода [1], которая позже была развита в метод неравновесной эволюционной термодинамики (НЭТ) [2, 3]. Модель учитывает генерацию дефектов различной природы в полях напряжений. Для описания гене-

рации дефектов в процессе ИПД учитывались дефекты двух типов - дислокации и границы зерен. Теоретическая зависимость предела пластического течения от времени деформирования приведена на рис. 3. По вертикальной оси отложены упругие деформации, связанные с напряжениями зависимостью в = о/О , где О -сдвиговый модуль.

1200

> 1000 а

OJÛ

фС

о 800

сЗ

Я

600

0 12 3 4

Equivalent deformation

Рис. 2. Зависимость твердости от накопленной деформации после ВЭ при больших деформациях

Измерение предела пластического течения является дорогостоящей и трудоемкой операцией. Поэтому часто прибегают к измерению твердости материала, полагая, что предел пластического течения и твердость приблизительно связаны между собой пропорциональной зависимостью. Сравнивая рис. 2 и 3, можно заключить, что теоретическая кривая и экспериментальная согласуются с точностью до выбора масштабов по горизонтальной и вертикальной оси. Здесь также полагается, что при постоянной скорости деформирования эквивалентная (накопленная) деформация пропорциональна времени.

1964

Ив)

Рис. 3. Теоретическая зависимость предела пластического течения от времени в процессе ИПД

Характерным для кривых упрочнение является достижение некоторого предельного (стационарного) значения. В то же время известно, что если обработку продолжать и дальше, то начиная с некоторого момента материал начинает деградировать, и его свойства, в т. ч. и прочностные, начинают уменьшаться [4, 5]. На рис. 4 приведена зависимость предела пластического течения от количества проходов (та же накопленная деформация) [6]. Видно, что после четырех проходов прочность материала начинает уменьшаться.

460- : : : -

440- / -

_ 12.! I \ \  -

Я / : :

400 / ; ; | -

у. I \ \ -

г- /

380 - ; ; : -

360 I \ \ \ -

340 / ; ; ; -

0 2 4 6 8 10 12 ¡4 16

Passes

Рис. 4. Экспериментальная зависимость предела пластического течения от числа проходов при ИПД

Такая зависимость может возникнуть при условии, что, помимо двух принятых во внимание дефектов -дислокаций и границ зерен, существует еще один вид дефекта, накопление которого продолжается и после достижения стационарного (предельного) состояния и приводит к последующей деградации. Этим дефектом могут быть микротрещины, учет которых в рамках НЭТ требует реализации трехуровневой модели. Такая модель была разработана, и расчет кривых упрочнения

при различной степени участия микротрещин (рис. 5) свидетельствует о том, что деградация прочностных свойств, действительно, имеет место. Сравнение теоретической кривой (рис. 5) и экспериментальной кривой (рис. 4) указывает на их хорошее качественное соответствие.

0.1_______________,__________I___________,__________I__________,__________I___

0 0.05 0.1 0.15

t

Рис. 5. Теоретическая зависимость предела пластического течения от времени при ИПД

ЛИТЕРАТУРА

1. Метлов Л.С. Термодинамика неравновесных процессов в приложении к интенсивным пластическим деформациям // Изв. РАН. Серия: физическая. 2008. Т. 72. № 9. С. 1353-1357.

2. Metlov L.S. Formation of the internal structure of solids under severe load // Phys. Rev. E. 2010. V. 81. P. 051121(9).

3. Metlov L.S. Nonequilibrium Evolution Thermodynamics of Vacancies // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. P. 165506(4).

4. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия. 1986. 224 с.

5. Глезер А.М. О природе сверхвысокой пластической (мегапласти-ческой) деформации // Известия РАН. 2007. Т. 71. № 12. С. 17671776.

6. Спивак Л.В., Хоник В.А. О природе низкотемпературных аномалий неупругих свойств металлических стекол // ЖТФ. 1997. Т. 67. № 10. С. 35-46.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках бюджетной темы «Физическая мезомеханика объемных материалов при больших деформациях и высоких давлениях» (грант № 0110U005703).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Metlov L.S., Davydenko A.A. ANALYSIS OF CURVES STRENGTHENING OBTAINED DURING SPD

The comparison of theoretical strengthening curves of materials subjected treatment by severe plastic deformation calculated in the framework of nonequilibrium evolution thermodynamics approach and experimental ones are presented. It is shown that the curves can be practically coincided by means of fit scaling along horizontal and vertical axis. Within tree-level model it is shown that accumulation of micro-cracks can lead to degradation of a material and its destruction.

Key words: severe plastic deformation; strengthening curves; nonequilibrium thermodynamics.

1965