Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,798

В последнее время интенсивно разрабатываются технологии получения наноструктурированных объемных металлических материалов с субмикрокристаллической структурой. Для получения данного класса материалов широко используют технологии интенсивной пластической деформации (ИПД), например, путем равноканального углового прессования (РКУП) [1]. Материалы, полученные с использованием технологий ИПД, привлекают внимание специалистов благодаря ряду уникальных свойств, многие из которых имеют непосредственное практическое применение. Однако широкое использование таких материалов предполагает расширение наших представлений о физической природе прочности и механизмах их разрушения на различном масштабном уровне [2].

Целью настоящей работы является изучение прочности и механизмов разрушения материалов с ОЦК, ГЦК и ГПУ структурой в исходном состоянии и после равноканального углового прессования (РКУП) в субмикрокристаллическом состоянии.

В качестве материала с ОЦК структурой использовали углеродистую сталь 10 (0,11 % С) со средним размером зерна 45 мкм; в качестве материалов с ГЦК структурой - аустенитную сталь AISI 321 (0,06 % C; 1,2 % Mn; 17,5 % Cr; 9,4 % Ni; 0,48 % Ti) со средним размером зерна 60 мкм и алюминиевый сплав Д16,а вкачествематериалов с ГПУ структурой - титановый сплав BT6 (6 % Al; 4 % V). После РКУП средний размер зерна всех материалов составлял примерно 300 нм. Исследование структуры стали 10 после РКУП и РКУП + отжиг проводили в просвечивающем электронном микроскопе JEOLJEM2100.

Твердость исследуемых материалов определяли по методу Роквелла (НRC) и Бринелля (НВ). Определение стандартных характеристик материалов при статическом растяжении проводили на круглых образцах диаметром 3 мм. Испытание проводили на разрывной машине Р-10.Ударные испытания образцов с V-образным концентратором напряжения проводилина копре МК-30 в широком интервале температур.

Изломы исследовали методами макро- и микрофрактографии. Микрофрактографические исследования проводили в растровом электронном микроскопеJSM-6092.Глубину пластических зон под поверхностью изломов и структурные изменения материала в данных зонах определяли рентгеновским методом [3].Съемку изломов проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4-07.

Проведенные исследования показали, что РКУП, формируя субмикрокристаллическую структуру, в 1,5-2,5 раза повышает твердость и прочностные характеристики материалов по сравнению с исходным состоянием, однако снижает пластические свойства. Свойства некоторых материалов представлены в табл. 1.

В материалах с ОЦК структурой, как видно на примере стали 10 (рис. 1), РКУП практически не изменяет порог хладноломкости стали, однако сужает интервал вязко-хрупкого перехода.

Доминирующими микромеханизмами низкотемпературного ударного разрушения образцов из стали 10 в исходном состоянии является микроскол, а после РКУП - квазискол (рис. 2 а). В интервале вязко-хрупкого перехода данная сталь в исходном состоянии разрушается вязко-хрупко (микроскол и ямочный микрорельеф), а после РКУП - с образованием гребней и ступенек или малорельефных участков (рис. 2 б). В верхней области вязко-хрупкого перехода сталь 10 в исходном состоянии и после РКУП разрушается вязко с образованием ямочного микрорельефа (рис. 2 в).

Под поверхностью изломов,полученных при испытании образцов из стали 10 в исходном состоянии и после РКУП при низких и комнатной температурах,рентгеновским методом обнаружена одна пластическая зона. Наличие одной пластической зоны под поверхностью изломов и результаты макро- и микрофрактографического анализа свидетельствуют о том, что ударное разрушение образцов при вышеуказанных температурах произошло в условиях плоской деформации (ПД).

С целью повышения ударной вязкости стали 10 после РКУП исследовали влияние температуры последующего нагрева на твердость и ударную вязкость стали после 4 проходов РКУП. Результаты исследования показали, что интенсивное снижение твердости стали 10 начинается при температуре нагрева выше 500-550 °С. При температуре нагрева до 550 °С твердость и прочностные свойства стали практически не изменяются. Образцы, испытанные на ударную вязкость (KCV) после такой обработки, полностью не разрушались. Это свидетельствует о том, что ударная вязкость стали 10 возросла более чем в 6 раз, превышая ударную вязкость стали в исходном состоянии более чем в 3 раза (табл. 2). Результаты исследования структуры стали в ПЭМ показали, что в стали 10 после РКУП (4 прохода) даже при температуре нагрева 550 °С размер зерен практически не изменился; в структуре отсутствует явно выраженная полосчатость, наблюдаемая после РКУП, а границы зерен выглядят более тонкими.

Рассмотрим прочность и механизмы разрушения материалов с ГЦК структурой при ударном нагружении в исходном состоянии и после РКУП на примере образцов из аустенитной стали AISI 321 и алюминиевого сплава Д16.

Из табл. 3 видно, что РКУП привело к уменьшению ударной вязкости (КСV) аустенитной стали AISI 321 примерно на 60-70 % как при комнатной, так и при низкой температуре.

Ударные изломы стали AISI 321 в исходном состоянии, полученные как при комнатной, так и при низкой температуре, волокнистые, матовые, серого цвета. Вблизи очага разрушения на поверхности изломов можно выделить С-образную зону L [3], имеющую более светлую поверхность, состоящую из параллельных гребней и расположенную за микрозоной сдвига θ. Микрорельеф зоны L состоит из вытянутых ямок; микрорельеф центральной части изломов - из мелких неглубоких ямок.

Таблица 3. Ударная вязкость (КСV) и общий вид изломов аустенитной стали AISI 321

Изломы стали после РКУП, полученные как при комнатной, так и при низкой температуре, волокнистые, матовые, серого цвета. Как и в предыдущем случае, изломы содержат зону L, состоящую из вытянутых ямок (рис. 3, а). Центральная часть изломов состоит из глубоких равноосных различного размера ямок, чередующихся с порами (рис. 3, б, в). Они более глубокие по сравнению с ямками, наблюдаемыми на поверхности изломов стали в исходном состоянии.

Рентгеновские исследования позволили выявить под поверхностью всех изломов стали AISI 321 две пластические зоны [3]: сильнодеформированную микрозону h_yh и слабодеформированную макрозону h_y. Глубина пластических зон под поверхностью изломов стали AISI 321 после РКУП меньше по сравнению с исходным состоянием. Следовательно, состояние материала после РКУП характеризуется большей локализацией пластической деформации при ударном нагружении. Разрушение стали во всех случаях произошло в условиях плоского напряженного состояния (ПН) [3].

Испытания образцов из сплава Д16 на ударную вязкость показали, что самую высокую ударную вязкость сплав Д16 имеет после РКУП, чуть ниже после закалки + старения, а низкую ударную вяз- кость - в случае отжига (табл. 4).

Все ударные изломы сплава Д16 однородные, волокнистые. На изломах, полученных после отжига и закалки + старения, утяжка и губы среза практически отсутствуют. Излом сплава после РКУП волокнистый, имеет большие губы среза (35 %) и утяжку. Механизм разрушения сплава Д16 после РКУП в субмикрокристаллическом состоянии отличается от механизма разрушения сплава в исходном состоянии после различных видов термической обработки отсутствием крупных хрупких фрагментов в микрорельефе ямочного из- лома (рис. 4).

О степени искаженности кристаллической структуры алюминиевого сплава Д16 на поверхности изломов свидетельствует значение физического уширения рентгеновской дифракционной линии (311) Кα₁, полученной с поверхности изломов (табл. 4). Из табл. 4 видно, что самая высокая искаженность кристаллической структуры имеет место в случае разрушения сплава после РКУП, чуть меньше - после закал- ки + старения, а самая низкая - после отжига сплава. Полученные результаты хорошо коррелируют с данными ударной вязкости и фрактографического анализа.

Таблица 4. Твердость, ударная вязкость сплава Д16 после различных видов обработки, а также значение физического уширения рентгеновской дифракционной линии (311) Кα₁, полученной с поверхности изломов

Механизм ударного разрушения материалов с ГПУ структурой рассмотрим на примере титанового сплава ВТ6. Как видно из табл. 5, твердость и ударная вязкость титанового сплава в значительной степени зависят от его состояния (исходное состояние, РКУП + экструзия, РКУП + экструзия + изотермическая штамповка (ИЗШ) + отжиг).

Таблица 5. Твердость и ударная вязкость сплава ВТ6 в различном состоянии

Разрушение сплава ВТ6 во всех случаях было вязким с образованием ямочного микрорельефа (рис. 5 а-в). После РКУП + экструзии (рис. 5 б) ямки более мелкие и неоднородные по сравнению с исходным состоянием, что свидетельствует о неоднородности структуры сплава после данного вида обработки. После РКУП + экструзии + ИЗШ + отжига (рис. 5 в) ямки неглубокие с гладкой поверхностью.

1. РКУ прессование, формируя субмикрокристаллическую структуру, повышает твердость и прочностные характеристики металлических материалов в 1,5-2,5 раза по сравнению с исходным состоянием, однако снижает их пластические свойства и ударную вязкость (КСV).
2. В материалах с ОЦК структурой РКУ прессование практически не изменяет порог хладноломкости (сталь 10), однако сужает интервал вязко-хрупкого перехода.
3. На примере стали 10 показано, что последующий после РКУП нагрев до температуры 550 °С позволяет более чем в 6 раз повысить ударную вязкость стали без значительного снижения твердости.
4. Доминирующими механизмами низкотемпературного ударного разрушения образцов из стали 10 в исходном состоянии является микроскол + межзеренное хрупкое разрушение, а после РКУП - квазискол. В интервале вязко-хрупкого перехода сталь 10 в исходном состоянии разрушается вязко-хрупко (микроскол и ямочный микрорельеф), а после РКУП - с образованием вязких гребней и ступенек (4 прохода РКУП) или малорельефных вытянутых участков (6 проходов РКУП). В верхней области вязко-хрупкого перехода сталь 10 в исходном состоянии и после РКУП разрушается вязко с образованием ямочного микрорельефа.
5. Ударное разрушение материалов с ГЦК структурой (сталь AISI 321, сплав Д16) и с ГПУ структурой (титановый сплав ВТ6) в субмикрокристаллическом состоянии при всех температурах испытания происходит вязко с образованием ямочного микрорельефа.

• Кучеренко М.Г., д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиофизики и электроники ГОУ «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург;
• Кушнаренко В.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой деталей машин и прикладной механики ГОУ «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург.

Работа поступила в редакцию 12.08.2011.