Перспективной технологией получения подобных материалов являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД) – методы деформаци-онного диспергирования


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
214 УДК 620.179.5 А.А. Симонова, канд. техн. наук, Кременчуг, Украина, Н.В. Верезуб, д - р техн. наук, Л.И. Пупан ь, канд. техн. наук, Харьков, Украина ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНА С СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ Наведено результати експериментальних досліджень впливу умов механічної обробки на мікротвердість зразків з титану, отриманих одним із методів інтенсивного пластичного д е- формування – всебічним куванням. Встановлено суттєві зміни мікротвердості залежно від параметрів режиму обробки, що свідчать про нестабільність с труктури субмікрокристалічн о- го титану ВТ1 - О, зумовлен у тепловим фактором. Приве дены результаты экспериментальных исследований влияния условий механический обработки на микротвердость образцов из титана, полученных одним из методов интенсивной пластическ ой деформации – методом всесторонней ковки. Установлены существенные измен е- ния микротвердости в зависимости от параметров режима обработки, которые свидетельс т- вуют о нестабильности структуры субмикрокристаллического титана ВТ1 - 0, обусловленной тепловым фак тором. A.A. SIMONOVA, N.V. VEREZUB, L.I. PUPAN' INFLUENCE OF MACHINING ON MICROHARDNESS OF PREPARATIONS FROM THE TITAN WITH THE SUBMICROCRYSTALLINE STRUCTURE, RECEIVED BY INTENSIVE PLASTIC DEFORMATION The experimental results of the influence of the mac hining conditions on the microhardness of t i- tanium goods got by the method of intensive plastic deformation are shown. Substantial changes of the microhardness depending on the parameters of the machining have been established. It testify to instability o f structure state of the fine - crystalline BT1 - 0 which is conditioned by a thermal factor. Одним из наиболее востребованных, имеющих реальное практическое применение и наиболее финансируемых направлений нанотехнологий явля е- тся создание принципиально ново го класса конструкционных материалов, обладающих существенно более высокими характеристиками механических свойств по сравнению с традиционными аналогами. Перспективной технологией получения подобных материалов являются методы интенсивной пластической деф ормации (ИПД) – методы деформац и- онного диспергирования, обеспечивающие измельчение микроструктуры в металлах и сплавах до наноразмеров за счет больших деформаций сдвига. Сдвиг является основным механизмом пластической деформации. Схема простого сдвига обе спечивает возможность многократного циклического д е- формирования путем изменения направления действия касательных напряж е- ний на границах деформируемого объема после очередного цикла обработки. Это позволяет достигать высоких значений интенсивности накопленн ых д е- 215 формаций, причем на каждом цикле деформирования можно обеспечить з а- данную величину сдвига. Формирование наноструктур реализуется за счет использования обжатия с большими степенями деформации (мегапластическая деформация со степ е- нями = 3…10 и более) при сравнительно низких температурах (ниже 0,3…0,4 Т пл ). К получению зерен субмикрокристаллического и нанокристаллическ о го уровня методами ИПД приводит сочетание двух факторов: высокая инте н- сивность и существенная немонотонность деформации, осуществляем ой при температурах не выше температуры протекания процесса рекристаллизации. Первый процесс обеспечивает необходимое генерирование дислокаций и эв о- люцию дислокационной структуры, а второй процесс – актив и зацию новых систем скольжения решеточных дислокаций и их взаимодействие с образу ю- щимися при деформации малоугловыми границами фрагме н тов, что приводит к их перестройке в высокоугловые границы общего типа. На основе методов интенсивной пластической деформации получают массивные образцы, пригодные для испыта ния и создания реальных изделий на основе не только чистых металлов, но и промышленных сплавов. Методы ИПД позволяют формировать субмикро - и нанокристалличе с- кие многофункциональные структуры с уникальным сочетанием таких особо важных для инженерных примен ений механических и эксплуатационных свойств, как высокие прочность и пластичность, высокая усталостная про ч- ность, износостойкость. При получении ультрамелкозернистых структур методами ИПД в мета л- лах и сплавах не изменяется их исходный химический состав. Интенсивная пластическая деформация, являясь, по сути, новым применением методов обработки металлов давлением, имеет возможность встраиваться в сущес т- вующие технологические цепочки на стадиях металлургического передела слиток – полуфабрикат или полуфабрик ат – изделие . Среди большого многообразия получаемых методами ИПД материалов особый интерес представляют титан и его сплавы; использование данных в ы- сокопрочных легких материалов возможно во многих инновационных отра с- лях промышленности, в том числе в авиаци онно - космической отрасли, в а в- томобилестроении, в медицине. Исследованный в данной работе технически чистый титан ВТ1 - 0 с су б- микрокристаллической структурой (размер зерен 250 нм, рис. 1) был пол у- чен с помощью метода всесторонней ковки, который имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами ИПД. В данном методе простые операции свободной ковки (осадка и протя ж- ка) повторяются многократно со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия, рис. 2. 216 Такая схема деформации позволяет сохранить форму и разм еры загото в- ки, обеспечив ее интенсивную горячую деформацию, которая обычно сопр о- вождается рекристаллизацией, даже в достаточно хрупких материалах и при сравнительно небольших удельных нагрузках на инструмент. Метод не тр е- бует дорогостоящего инструмента и п озволяет использовать существу ю щее технологическое прессовое оборудование. а б Рисунок 1 – Микроснимки структуры ВТ1 - 0 в исходном (кр упнокристаллич е ском) состоянии ( а ) и в субмикрокристаллическом состоянии после всесторонней ковки ( б ) , полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi F - 148 Рисунок 2 – Схема всесторонней ковки ( а ) и наноструктурные полуфабрикаты из титановых сплавов ( б ), полученные данным методом Формирование субмикро - и нанокристаллической структуры материалов в условиях ИПД, в частности, всесторонней ковки, связано с большими д е- формациями сдвига путем накопления деформации в заготовках. В ходе и н- тенсивной пластической деформации происходит искажение кристаллич е- ской решетки и формирование упругоискаженных областей с внутренними дальнодействующими напряжениями. Указанные факторы обусло в ливают нестабильность структуры и вероятность рекристаллизации п ри температ у- 217 рах, более низких по сравнению с традиционными материалами (так наз ы- ваемой низкотемпературной рекристаллизации). Метастабильность зеренной структуры металла, частичная релаксация напряжений под действием температурного, силового и временного ф акторов могут привести к существенному росту зерна и, соответственно, к ухудш е- нию механических свойств. Особую роль при этом играет тепловой фактор. Поскольку конечные изделия из субмикро - и нанокристаллических м а- териалов получают механической обработкой р езанием, сопровождающейся интенсивным тепловыделением в зоне контакта инструмент – обрабатыва е- мый материал, особую актуальность приобретает изучение стабильности структуры в процессах окончательной технологической обработки. Исследование влияния режимов ре зания (скорости, подачи, глубины р е- зания) на механические свойства субмикрокристаллического титана ВТ1 - 0 проводились на вертикально - фрезерном станке. В качестве инструмента использовалась однозубая торцовая фреза из твердосплавного материала ВК8. Геометрич еские параметры режущей части фрезы: передний угол γ = 0º; задний угол α = 20º; углы в плане θ = 60º, θ 1 = 30º; угол наклона главной режущей кромки λ = 15º; фаска вдоль главной р е- жущей кромки f = 0,5 мм. При проведении экспериментальных исследований парам етры режима резания варьировалась в пределах: V = 30 … 160 м/мин, S z = 0,09 … 0,14 мм/зуб с постоянной глубиной резания t = 0,5 мм. Достаточно важную роль при исследовании процессов механической о б- работки материалов с субмикро - и нанокристаллической структ урой играет анализ микротвердости, поскольку данная величина является не только ва ж- нейшей характеристикой механических свойств материалов, но и параме т- ром, связанным со структурным состоянием материалов, а также напряже н- ным состоянием поверхностных слоев, формируемых при резании. В данной работе исследовалась микротвердость образцов титана в и с- ходном крупнокристаллическом состоянии (горячекатаные прутки Ø15 мм), в субмикрокристаллическом состоянии после процесса всесторонней ковки (заготовки шестигранной ф ормы размером 25×20мм), а также образцов после механической обработки с различными параметрами режима резания. Микроиндентирование проводилось на микротвердомере ПМТ - 3 с и с- пользованием алмазной пирамиды Виккерса. Нагрузка на индентор соста в ляла 0,49 Н. Зн ачения величины микротвердости усреднялись по 9…10 зам е рам. Установлено, что микротвердость исходного крупнокристаллического технически чистого титана ВТ1 - 0 составляет 1800 МПа. Как показали изм е- рения, микротвердость данного материала после всесторонней к овки сущес т- венно выше – 2900 МПа, что характерно для субмикро - и нанокристаллич е- ских материалов, полученных ИПД, и достаточно хорошо коррелирует с л и- тературными данными, табл. 1. 218 Таблица 1 – Физико - механические свойства ВТ1 - 0 (литературные и экспер и- менталь ные данные, полученные в работе) Физико - механические свойства Наноструктурное состояние Крупнокристалли - ческое состояние Плотность , г/см 3 4,492 4,54 Предел прочности в , МПа 960 460 Предел упругости упр , МПа 434 238 Предел текучести 0,2 , МПа 725 3 80 Относительное удлинение , % 10 26 Относительное сужение , % 45 60 Микротвердость Н v , МПа 2820 (2900 *) 1800 (1800 *) * – экспериментальные данные, полученные в работе В процессе механической обработки резанием микротвердость H v обра з- цов титана с к рупно - и субмикрокристаллическим строением изменяется. Экспериментальные зависимости микротвердости образцов от параме т- ров режима резания приведены на рис. 3. S z = 0,09 мм/зуб, t = 0,5 мм S z = 0,14 мм/зуб, t = 0,5 мм а б субмикрокристаллическое состояние ; крупнокриста л лическое состояние Рисунок 3 – Зависимость микротвердости ВТ1 - 0 от параметров процесса резания Анализ полученных результатов показал, что при обработке на низких значениях скорости резания и п одачи ( V = 30 м/мин и S z =0,09 мм/зуб) прои с- ходит незначительное снижение микротвердости у образца с субмикрокр и- сталлической структурой (изменения в пределах погрешности измерений, которая составляет 5 %). Увеличение скорости резания приводит к усто й- чив ому снижению микротвердости – ее значение при V = 160 м/мин соста в- ляет 2600 МПа, рис. 3, а, т.е. уменьшается по сравнению с исходным знач е- нием на 10 %. 219 В образце с крупнокристаллической структурой при обработке во всем диапазоне указанных режимов величи на микротвердости осталась практич е- ски неизменной, см. рис. 3, а . Микроиндентирование образцов, обработанных при использовании ан а- логичного диапазона скоростей резания, но при увеличении подачи показал следующее. При изменении скорости резания от 30 м/ми н до 160 м/мин и увеличении подачи до 0,14 мм/зуб наблюдалось стабильное снижение вел и- чины микротвердости в субмикрокристаллическом образце от 2550 МПа до 2400 МПа, при этом величина микротвердости в крупнокристаллическом о б- разце несколько увеличилась – от 1800 МПа до 2000 МПа. Для объяснения полученных результатов необходимо учесть, что микр о- твердость связана с как со структурным состоянием (химическим и фазовым составом, наличием дефектов кристалличес - кого строения), так и напряже н- ным состоянием поверхн остного слоя материала, вклад которого весьма с у- щественен для метастабильных нано - и субмикрокристаллических структур, полученных методами интенсивной пластической деформации. С учетом термодинамической нестабильности материалов, полученных ИПД, это с о- стоя ние может существенно изменяться в процессе механичес - кой обработки, сопровождающейся развитием высоких температур и давлений. Так, существенное снижение микротвердости образцов ВТ1 - 0, получе н- ных ИПД, рис. 3, а, может быть объяснено частичной релаксацией напряже н- ного состояния в поверхностном слое, что связано с повышением температ у- ры в зоне резания вследствие повышения скорости резания. При увеличении подачи интенсивность процесса снижения величины микротвердости субмикрокристаллического образца заметно меньше в связи с тем, что время действия теплового источника существенно сократилось. Некоторое увеличение микротвердости крупнокристаллического обра з- ца, по всей видимости, объясняется наклепом поверхностного слоя в процессе механической обработки. Таким о бразом, полученные экспериментальные данные свидетельс т- вуют о существенном влиянии параметров режима обработки (скорости рез а- ния, подачи) на механические свойства (микротвердость) образцов титана ВТ1 - 0 с субмикрокристаллической структурой, полученных мето дами ИПД (всесторонней ковкой). Характер выявленных изменений существенно отличается для образцов титана с крупно - и субмикрокристаллическим строением. Изменения микротвердости и, соответственно, напряженного состояния поверхностного слоя титана в процес се обработки, как предполагается, об у- словлены структурным фактором – увеличением размера зерен материала, что связано, прежде всего, с изменением состояния неравновесных границ зерен, содержащих высокую плотность дефектов кристаллического строения, под вл иянием существенного теплового воздействия при механической обр а- 220 ботке. Это также подтверждается результатами исследования структуры с помощью сканирующего электронного микроскопа. Полученные результаты могут свидетельствовать о нестабильности структурног о состояния полученных интенсивной пластической деформацией образцов технически чистого титана ВТ1 - 0 и возможном процессе низкоте м- пературной рекристаллизации его структуры, протекающем вследствие те п- лового воздействия при механической обработке резанием. Для обеспечения высокого уровня физико - механических свойств фун к- циональных изделий из суб микро - и нанокристаллического титана, получа е- мых механической обработкой, необходимо определение области рационал ь- ных режимов резания, которые обеспечат стабильность с уб микро - и нанос т- руктуры металла под воздействием динамического теплового поля в зоне р е- зания. Список использованных источников: 1 . Валиев Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р.З. Вал и ев, И.В. Александров . – М.: Логос, 2000. – 271 с. 2. Валиев Р.З. Создание м е таллов и сплавов с уникальными свойствами с использованием интенсивных пластических деформаций // Российские нан о технологии, 2006. – Т.1, №1 - 2 . – С. 208 - 216. 3. Верезуб Н.В. Методология механических пр оцессов обработки объемных нанокристалл и- ческих материалов / Н.В. Верезуб, Дж. Каптай, А.А. Симонова // Сучасні технології в машиноб у- дуванні: зб. наук. праць, 2008. – Вип.2. – С. 19 - 26. 4. Глезер А.М. Физика мегапластической деформации / А.М. Глезер, Л.С. Метлов // ФТТ, 2010. – Т.52, вып. 6. – С. 1090 - 1098. 5. Л я кишев Н.П. Наноматериалы конструкционного назначения / Н.П. Лякишев, М.И. Алымов // Российские нанотехнологии, 2006. – Т.1, №1. – С. 71 – 81. 6. Перевезенцев В.Н. Теория аномал ь- ного роста зерна в субмикрокр и сталлических материалах, полученных методом интенсивной пластической деформации / В.Н. Перевезенцев, А.С. Пупышин //ФММ, 2006. – Т.120, №1. – С. 33 - 37. 7 . Hor n yak G., Dutta J., Tibbals H., Rao A. Introduction to Nanoscience – CRC Press , N . Y . , 2008 – 815 p . Поступила в редколлегию 17.04.2011 Bibliography (transliterated): 1. Valiev R.Z. Nanostrukturnye materialy, poluchennye intensivnoj plasticheskoj deformaciej / R.Z. Valiev, I.V. Aleksandrov . – M.: Logos, 2000. – 271 s. 2. Valiev R.Z. So zdanie metallov i splavov s unikal'nymi svojstvami s ispol'zovaniem in¬tensivnyh plasticheskih deformacij // Rossijskie nanotehnologii, 2006. – T.1, №1 - 2. – S. 208 - 216. 3. Verezub N.V. Metodologija mehanicheskih processov obrabotki ob#emnyh nanokristall icheskih materialov / N.V. Verezub, Dzh. Kaptaj, A.A. Simonova // Suchasnі tehnologії v mashinobuduvannі: zb. nauk. prac', 2008. – Vip.2. – S. 19 - 26. 4. Glezer A.M. Fizika megaplasticheskoj deformacii / A.M. Glezer, L.S. Metlov // FTT, 2010. – T.52, vyp. 6. – S. 1090 - 1098. 5. Ljakishev N.P. Nanomaterialy konstrukcionnogo naznachenija / N.P. Ljakishev, M.I. Alymov // Rossijskie nanotehnologii, 2006. – T.1, №1. – S. 71 – 81. 6. Perevezencev V.N. Teorija anomal' - nogo rosta zerna v submikrokristalli¬cheskih materialah, poluchennyh metodom intensivnoj plasticheskoj deformacii / V.N. Perevezencev, A.S. Pupyshin //FMM, 2006. – T.120, №1. – S. 33 - 37. 7. Hornyak G., Dutta J., Tibbals H., Rao A. Introduction to Nanoscience – CRC Press, N.Y., 2008 – 815 p.

Приложенные файлы

  • pdf 30487985
    Размер файла: 328 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий