Сильная пластическая деформация

Группа технологий металлообработки

Интенсивная пластическая деформация ( ИПД ) — это общий термин, описывающий группу методов металлообработки , включающих очень большие деформации, обычно включающие сложное напряженное состояние или высокий сдвиг, что приводит к высокой плотности дефектов и равноосному размеру «ультрамелкого» зерна (УМЗ) ( d < 1000 нм) или нанокристаллической (НК) структуре (d < 100 нм). ^[1]

История

Значимость ИПД была известна с древних времен, по крайней мере, во время перехода от бронзового века к железному, когда многократная ковка и складывание использовались для обработки стратегических инструментов, таких как мечи. ^[2] Разработка принципов, лежащих в основе методов ИПД, восходит к пионерской работе П. У. Бриджмена в Гарвардском университете в 1930-х годах. ^[3] Эта работа касалась воздействия на твердые тела сочетания больших гидростатических давлений с сопутствующей деформацией сдвига, и она привела к присуждению Нобелевской премии по физике в 1946 году. ^[4] Очень успешными ранними реализациями этих принципов, описанными более подробно ниже, являются процессы равноканального углового прессования (РКУП), разработанные В. М. Сегалом и его коллегами в Минске в 1970-х годах ^[5] и кручение под высоким давлением , выведенные из работы Бриджмена, но не получившие широкого распространения до 1980-х годов в Российском институте физики металлов в современном Екатеринбурге . ^[4]

Некоторые определения SPD описывают его как процесс, в котором применяется высокая деформация без существенного изменения размеров заготовки, что приводит к большому компоненту гидростатического давления . ^[6] Однако механизмы, которые приводят к измельчению зерна при SPD, те же самые, что и первоначально разработанные для механического легирования, порошкового процесса ^[7] , который авторы еще в 1983 году охарактеризовали как «жесткую пластическую деформацию». ^[8] Кроме того, некоторые более поздние процессы, такие как асимметричная прокатка, действительно приводят к изменению размеров заготовки, при этом все еще производя сверхмелкозернистую структуру. ^[9] Принципы, лежащие в основе SPD, даже были применены к обработке поверхности. ^[10]

Методы

Методы SPD подразделяются на три основные группы: методы объемной SPD, методы поверхностной SPD и методы порошковой SPD. ^[11] Здесь кратко описаны некоторые популярные методы SPD.

Равноканальное угловое прессование

В процессе ECAE материал продавливается через угловую матрицу и подвергается сдвиговой деформации, не изменяя при этом размеров своего поперечного сечения.

Равноканальная угловая экструзия (ECAE, иногда называемая равноканальным угловым прессованием, ECAP) была разработана в 1970-х годах. В этом процессе металлическая заготовка продавливается через наклонный (обычно 90 градусов) канал. Для достижения оптимальных результатов процесс можно повторять несколько раз, меняя ориентацию заготовки с каждым проходом. Это обеспечивает равномерный сдвиг по всему объему материала. ^[5]

Кручение под высоким давлением

В процессе принудительной гибки под давлением материал испытывает деформацию сдвига между неподвижной и вращающейся наковальней, не теряя при этом своих первоначальных размеров.

Высокое давление кручения (HPT) можно проследить до экспериментов, которые принесли Перси Бриджмену Нобелевскую премию по физике 1946 года , хотя его использование в обработке металлов значительно позже. В этом методе диск материала, который должен быть деформирован, помещается между двумя наковальнями. Прикладывается большое сжимающее напряжение (обычно несколько гигапаскалей ), в то время как одна наковальня вращается для создания силы кручения . HPT может быть выполнено без ограничений, в котором материал может свободно вытекать наружу, полностью ограничено или в некоторой степени между тем, в котором исходящий поток разрешен, но ограничен. ^[4]

Накопительное рулонное склеивание

При накопительном прокатном соединении (ARB) 2 листа одного и того же материала укладываются друг на друга, нагреваются (ниже температуры рекристаллизации ) и прокатываются , соединяя 2 листа вместе. Этот лист разрезается пополам, 2 половины укладываются друг на друга, и процесс повторяется несколько раз. По сравнению с другими процессами SPD, ARB имеет то преимущество, что он не требует специального оборудования или инструментов, только обычный прокатный стан. Однако поверхности, которые должны быть соединены, должны быть хорошо очищены перед прокаткой, чтобы обеспечить хорошее соединение. ^[12]

Повторяющееся гофрирование и выпрямление

Повторяющееся гофрирование и выпрямление (RCS) — это метод жесткой пластической деформации, используемый для обработки листовых металлов. В RCS лист прессуется между двумя гофрированными штампами, а затем прессуется между двумя плоскими штампами. RCS приобрел широкую популярность для производства мелкозернистых листовых металлов. ^[13] Попытки усовершенствовать этот метод привели к внедрению повторного гофрирования и выпрямления прокаткой (RCSR), нового метода SPD. ^[14] Применимость этого нового метода одобрена для различных материалов. ^{[14] [15] [16] [17] [18]}

Асимметричная прокатка

При асимметричной прокатке (ASR) прокатный стан модифицируется таким образом, что один валок имеет более высокую скорость, чем другой. Обычно это делается либо с помощью независимого управления скоростью, либо с помощью валков разного размера. Это создает область, в которой силы трения сверху и снизу прокатываемого листа противоположны, создавая напряжения сдвига по всему материалу в дополнение к нормальному сжимающему напряжению от прокатки. В отличие от других процессов SPD, ASR не сохраняет ту же чистую форму, но воздействие на микроструктуру материала аналогично. ^{[9] [19]}

Механическое легирование

Механическое легирование/измельчение (МА/ММ), выполняемое в высокоэнергетической шаровой мельнице , такой как вибрационная мельница или планетарная мельница, также вызывает сильную пластическую деформацию металлов. Во время измельчения частицы дробятся и свариваются вместе холодной сваркой , что приводит к большим деформациям. Конечный продукт, как правило, представляет собой порошок, который затем должен быть каким-то образом консолидирован (часто с использованием других процессов SPD), но некоторые сплавы обладают способностью консолидироваться на месте во время измельчения. Механическое легирование также позволяет сплавлять порошки разных металлов во время обработки. ^{[20] [21]}

Обработка поверхности

Совсем недавно принципы, лежащие в основе SPD, были использованы для разработки поверхностных обработок, которые создают нанокристаллический слой на поверхности материала. При поверхностной механической обработке истиранием (SMAT) ультразвуковой рупор соединен с ультразвуковым (20 кГц) преобразователем, с небольшими шариками на вершине рупора. Заготовка устанавливается на небольшом расстоянии над рупором. Высокая частота приводит к большому количеству столкновений между шариками и поверхностью, создавая скорость деформации порядка 10 ² –10 ³ с ⁻¹ . Разработанный поверхностный слой NC может быть толщиной порядка 50 мкм. ^[10] Процесс похож на дробеструйную обработку , но кинетическая энергия шариков намного выше в SMAT. ^[22]

Метод ультразвуковой нанокристаллической модификации поверхности (UNSM) также является одним из недавно разработанных методов модификации поверхности. В процессе UNSM применяется не только статическая нагрузка, но и динамическая нагрузка. Обработка проводится путем ударов по поверхности заготовки до 20 тыс. или более раз в секунду с ударами прикрепленного к рогу шарика в диапазоне от 1 тыс. до 100 тыс. на квадратный миллиметр. Удары, которые можно описать как холодную ковку, вводят SPD для получения поверхностного слоя NC путем измельчения крупных зерен до нанометрового масштаба без изменения химического состава материала, что обеспечивает высокую прочность и высокую пластичность. Этот метод UNSM не только улучшает механические и трибологические свойства материала, но и создает гофрированную структуру, имеющую множество желаемых ямок на обработанной поверхности. ^[23]

Приложения

Большинство исследований в области SPD были сосредоточены на измельчении зерна, которое имеет очевидные приложения в разработке высокопрочных материалов в результате соотношения Холла-Петча . Традиционно обработанные промышленные металлы обычно имеют размер зерна от 10 до 100 мкм. Уменьшение размера зерна с 10 мкм до 1 мкм может увеличить предел текучести металлов более чем на 100%. Методы, использующие объемные материалы, такие как ECAE, могут обеспечить надежные и относительно недорогие способы производства материалов с ультрамелким зерном по сравнению с методами быстрого затвердевания, такими как спиннингование расплава . ^[24]

Однако другие эффекты ИПД, такие как изменение текстуры , также имеют потенциальное промышленное применение, поскольку такие свойства, как коэффициент Ланкфорда (важный для процессов глубокой вытяжки ) и магнитные свойства электротехнической стали, сильно зависят от текстуры. ^[24]

Такие процессы, как ECAE и HPT, также использовались для консолидации металлических порошков и композитов без необходимости высоких температур, используемых в обычных процессах консолидации, таких как горячее изостатическое прессование , что позволяет сохранять желаемые характеристики, такие как нанокристаллические размеры зерен или аморфные структуры . ^{[24] [25]}

Некоторые известные коммерческие применения процессов SPD включают производство распыляемых мишеней компанией Honeywell ^[24] и титана UFG для медицинских имплантатов. ^[26]

Механизм измельчения зерна

Наличие высокого гидростатического давления в сочетании с большими сдвиговыми деформациями имеет важное значение для получения высокой плотности дефектов кристаллической решетки, в частности дислокаций , что может привести к значительному измельчению зерен . Измельчение зерен в процессах SPD происходит в ходе многоэтапного процесса:

1. Дислокации , которые изначально распределены по зернам, перестраиваются и группируются в дислокационные «ячейки», что снижает общую энергию деформации.
2. По мере продолжения деформации и возникновения большего количества дислокаций между ячейками развивается разориентация, образуя «субзерна».
3. Процесс повторяется внутри субзерен до тех пор, пока размер не станет достаточно малым, чтобы субзерна могли вращаться.
4. Дополнительная деформация приводит к тому, что субзерна поворачиваются в высокоугловые границы зерен, обычно имеющие равноосную форму. ^[27]

Механизм, посредством которого вращаются субзерна, изучен меньше. Ву и др. описывают процесс, в котором движение дислокации становится ограниченным из-за малого размера субзерна, а вращение зерна становится энергетически более выгодным. ^[28] Мишра и др. предлагают несколько иное объяснение, в котором вращение происходит за счет диффузии вдоль границ зерен (которая происходит намного быстрее, чем через объем). ^[27]

FA Mohamad предложил модель для минимального размера зерна, достижимого с помощью механического фрезерования . Модель основана на концепции, что размер зерна зависит от скоростей, с которыми дислокации генерируются и уничтожаются. Полная модель имеет вид

${\displaystyle {\frac {d_{min}}{b}}=A_{3}\left(e^{-{\tfrac {\beta Q}{4RT}}}\right){\left({\frac {D_{p0}Gb^{2}}{\nu _{0}kT}}\right)}^{0.25}{\left({\frac {\gamma }{Gb}}\right)}^{0.5}{\left({\frac {G}{H}}\right)}^{1.25}}$

• В левой части уравнения: d _min — минимальный размер зерна, а b — вектор Бюргерса .
• Число ₃ является константой.
• β=Q _p −Q _m /Q (Q _p — энергия активации для диффузии трубок вдоль дислокаций, Q _m — энергия активации для миграции вакансий, а Q — энергия активации для самодиффузии), βQ представляет собой энергию активации для восстановления, R — газовая постоянная, а T — температура обработки.
• D _p0 — независимая от температуры составляющая коэффициента диффузии в трубке , G — модуль сдвига , ν ₀ — скорость дислокации, k — постоянная Больцмана , γ — энергия дефекта упаковки , а H — твердость . ^[29]

Хотя модель была разработана специально для механического фрезерования, она также успешно применялась к другим процессам SPD. Часто используется только часть модели (обычно термин, включающий энергию дефекта упаковки), поскольку другие термины часто неизвестны и их трудно измерить. Это все еще полезно, поскольку подразумевает, что при прочих равных условиях снижение энергии дефекта упаковки, свойства, которое является функцией легирующих элементов, позволит улучшить измельчение зерна. ^{[4] [7]} Однако несколько исследований предположили, что, несмотря на значимость энергии дефекта упаковки для измельчения зерна на ранних стадиях деформации, размер зерна в стационарном состоянии при больших деформациях в основном контролируется гомологичной температурой в чистых металлах ^[30] и взаимодействием растворенных атомов и дислокаций в однофазных сплавах. ^[31]

Ссылки

1. Wei, Q; Cheng, S; Ramesh, KT; Ma, E (15 сентября 2004 г.). «Влияние размеров нанокристаллических и ультрамелких зерен на чувствительность к скорости деформации и объем активации: металлы с ГЦК- и ОЦК-решеткой». Materials Science and Engineering: A . 381 (1–2): 71–79. doi :10.1016/j.msea.2004.03.064.
2. Эдалати, К.; Бахмайер, А.; Белошенко В.А.; Бейгельцимер, Ю.; Бланк, В.Д.; Ботта, WJ; Брыла, К.; Чижек Ю.; Дивинский, С.; Еникеев Н.А.; Эстрин, Ю.; Фараджи, Г.; Фигейредо, РБ; Фудзи, М.; Фурута, Т.; Гросдидье, Т.; Губича, Дж.; Хоэнвартер, А.; Хорита, З.; Хуот, Дж.; Икома, Ю.; Янечек, М.; Кавасаки, М.; Крёл, П.; Курамото, С.; Лэнгдон, Т.Г.; Лейва, ДР; Левитас, VI; Мазилкин А.; Мито, М.; Миямото, Х.; Нисидзаки, Т.; Пиппан, Р.; Попов, В.В.; Попова, Э.Н.; Пурчек, Г.; Ренк, О.; Ревес, А.; Соваж, Х.; Скленицка, В.; Скротцки, В.; Страумал, Б.; Сувас, С. .; Toth, LS; Tsuji, N.; Valiev, RZ; Wilde, G.; Zehetbauer, MJ; Zhu, X. (апрель 2022 г.). «Наноматериалы, полученные интенсивной пластической деформацией: обзор исторических разработок и последних достижений». Материалы Research Letters . 10 (4): 163–256. doi : 10.1080/21663831.2022.2029779 . S2CID  246959065.
3. Каве Эдалати, Зенджи Хорита (2016). «Обзор кручения под высоким давлением (HPT) с 1935 по 1988 год». Материаловедение и инженерия: A . 0921–5093: 325–352. doi :10.1016/j.msea.2015.11.074.
4. Жиляев, А; Лэнгдон, Т (1 августа 2008 г.). «Использование кручения под высоким давлением для обработки металлов: основы и применение». Progress in Materials Science . 53 (6): 893–979. doi :10.1016/j.pmatsci.2008.03.002.
5. Segal, VM (1 ноября 1999 г.). «Равноканальная угловая экструзия: от макромеханики до формирования структуры». Materials Science and Engineering: A . 271 (1–2): 322–333. doi :10.1016/S0921-5093(99)00248-8.
6. Валиев, Руслан З.; Эстрин, Юрий; Хорита, Зенджи; Лэнгдон, Теренс Г.; Цехетбауэр, Майкл Дж.; Чжу, Юньтянь Т. (апрель 2006 г.). «Производство объемных ультрамелкозернистых материалов путем интенсивной пластической деформации». JOM . 58 (4): 33–39. Bibcode :2006JOM....58d..33V. doi : 10.1007/s11837-006-0213-7 .
7. Цюй, С.; Ан, ХХ; Ян, HJ; Хуанг, CX; Ян, Г.; Занг, QS; Ван, З.Г.; Ву, СД; Чжан, ZF (2009). «Эволюция микроструктуры и механические свойства сплавов Cu–Al, подвергнутых равноканальному угловому прессованию». Акта Материалия . 57 (5): 1586–1601. Бибкод : 2009AcMat..57.1586Q. doi :10.1016/j.actamat.2008.12.002.
8. Гилман, PS; Бенджамин, JS (1983). «Механическое легирование». Annual Review of Materials Science . 13 : 279–300. Bibcode : 1983AnRMS..13..279G. doi : 10.1146/annurev.ms.13.080183.001431.
9. Cui, Q.; Ohori, K. (октябрь 2000 г.). «Измельчение зерна алюминия высокой чистоты путем асимметричной прокатки». Materials Science and Technology . 16 (20): 1095–1101. Bibcode : 2000MatST..16.1095C. doi : 10.1179/026708300101507019. S2CID  137413931.
10. Чжу, Кентукки; Вассель, А.; Бриссе, Ф.; Лу, К.; Лу, Дж. (16 августа 2004 г.). «Механизм формирования наноструктур α-титана с использованием SMAT». Акта Материалия . 52 (14): 4101–4110. Бибкод : 2004AcMat..52.4101Z. doi :10.1016/j.actamat.2004.05.023.
11. Эдалати, Кавех и др. (2024). «Сильная пластическая деформация для производства суперфункциональных ультрамелкозернистых и гетероструктурных материалов: междисциплинарный обзор». Журнал сплавов и соединений . 1002 : 174667. doi : 10.1016/j.jallcom.2024.174667 .
12. Сайто, Ю.; Уцуномия, Х.; Цудзи, Н.; Сакаи, Т. (1999). «Новый процесс сверхвысокой деформации для сыпучих материалов - разработка процесса накопительной прокатки (ARB)». Акта Материалия . 47 (2): 579–583. Бибкод : 1999AcMat..47..579S. дои : 10.1016/S1359-6454(98)00365-6.
13. Ратна Сунил, Б. (2015). «Повторяющееся гофрирование и выпрямление листовых металлов». Материалы и производственные процессы . 30 (10): 1262–1271. doi :10.1080/10426914.2014.973600. S2CID  136416712.
14. Mirsepasi, Arya; Nili-Ahmadabadi, Mahmoud; Habibi-Parsa, Mohammad; Ghasemi-Nanesa, Hadi; Dizaji, Ahmad F. (август 2012 г.). «Микроструктура и механическое поведение мартенситной стали, сильно деформированной новой техникой повторяющегося гофрирования и выпрямления прокаткой». Materials Science and Engineering: A . 551 : 32–39. doi :10.1016/j.msea.2012.04.073.
15. Mirab, Saeideh; Nili-Ahmadabadi, Mahmoud; Khajezade, Ali; Abshirini, Mohamad; Parsa, Mohammad Habibi; Soltani, Naser (август 2016 г.). «Об анализе деформаций во время процесса RCSR с помощью моделирования конечных элементов и корреляции цифровых изображений: об анализе деформаций во время процесса RCSR…». Advanced Engineering Materials . 18 (8): 1434–1443. doi :10.1002/adem.201600100. S2CID  138744444.
16. Шахмир, Хамед; Нили-Ахмадабади, Махмуд; Раззаги, Алиреза; Мохаммади, Махди; Ван, Чуан Тин; Джунг, Джай Мьюн; Ким, Хёнг Соп; Лэнгдон, Теренс Г. (июнь 2015 г.). «Использование дилатометрии для изучения мартенситной стабилизации и кинетики рекристаллизации в сильно деформированном сплаве NiTi». Журнал материаловедения . 50 (11): 4003–4011. Bibcode : 2015JMatS..50.4003S. doi : 10.1007/s10853-015-8957-5. ISSN  0022-2461. S2CID  137364496.
17. Асгари-Рад, Пейман; Нили-Ахмадабади, Махмуд; Ширази, Хассан; Хоссейн Неджад, Шьямак; Колдорф, Себастьян (март 2017 г.). «Значительное улучшение механических свойств нержавеющей стали AISI 304 с помощью комбинированного процесса RCSR и отжига: значительное улучшение механических свойств». Advanced Engineering Materials . 19 (3): 1600663. doi :10.1002/adem.201600663. S2CID  136241453.
18. Хоссейн Заде, С.; Джафариан, Х.Р.; Парк, Н.; Эйвани, А.Р. (февраль 2020 г.). «Регулирование свойств растяжения посредством микроструктурной инженерии в стали Fe-Ni-C TRIP, обработанной различными способами интенсивной деформации». Журнал исследований и технологий материалов . 9 (3): 2903–2913. doi : 10.1016/j.jmrt.2020.01.041 .
19. Мусави, SAA Akbari; Эбрахими, SM; Мадолиат, R. (12 июня 2007 г.). «Трехмерный численный анализ асимметричной прокатки». Журнал технологий обработки материалов . 187–188: 725–729. doi :10.1016/j.jmatprotec.2006.11.045.
20. Кох, CC (1 августа 1989 г.). «Синтез материалов механическим легированием». Annual Review of Materials Science . 19 (1): 121–143. Bibcode : 1989AnRMS..19..121K. doi : 10.1146/annurev.ms.19.080189.001005.
21. Чжан, X.; Ван, Х.; Кассем, М.; Нараян, Дж.; Кох, CC (10 мая 2002 г.). «Получение объемных ультрамелкозернистых и наноструктурированных Zn, Al и их сплавов путем консолидации порошков in situ во время механического истирания». Scripta Materialia . 46 (9): 661–665. doi :10.1016/S1359-6462(02)00048-9.
22. Дай, К.; Шоу, Л. (15 августа 2007 г.). «Сравнение дробеструйной обработки и процессов поверхностной нанокристаллизации и упрочнения». Materials Science and Engineering: A . 463 (1–2): 46–53. doi :10.1016/j.msea.2006.07.159.
23. Аманов, А.; Чо, И.С.; Пьюн, И.С.; Ли, К.С.; Парк, И.Г. (15 мая 2012 г.). «Микроямчатая поверхность с помощью ультразвуковой нанокристаллической модификации поверхности и ее трибологические эффекты». Wear . 286–287: 136–144. doi :10.1016/j.wear.2011.06.001.
24. Сегал, Владимир М.; Бейерлейн, Ирен Дж.; Томе, Карлос Н.; Чувильдеев, Владимир Н.; Копылов, Владимир И. (2010). Основы и инженерия интенсивной пластической деформации . Hauppauge, NY: Nova Science Publishers. ISBN 9781616681906.
25. Сенков, О.Н.; Сенкова, С.В.; Скотт, Дж.М.; Миракл, Д.Б. (25 февраля 2005 г.). «Уплотнение порошка аморфного алюминиевого сплава прямой экструзией и равноканальной угловой экструзией». Материаловедение и машиностроение: A . 393 (1–2): 12–21. doi :10.1016/j.msea.2004.09.061.
26. Патент США 6399215, Чжу, YT; Лоу, TC; Валиев, RZ; Столяров, VV; Латыш, VV; Рааб, GJ, "Ультрамелкозернистый титан для медицинских имплантатов", выдан 2002-06-04, передан регентам Калифорнийского университета 
27. Mishra, A; Kad, B; Gregori, F; Meyers, M (1 января 2007 г.). «Микроструктурная эволюция меди, подвергнутой интенсивной пластической деформации: эксперименты и анализ». Acta Materialia . 55 (1): 13–28. Bibcode :2007AcMat..55...13M. doi :10.1016/j.actamat.2006.07.008.
28. Wu, X; Tao, N; Hong, Y; Xu, B; Lu, J; Lu, K (2002). «Микроструктура и эволюция механически индуцированного сверхмелкого зерна в поверхностном слое алюминиевого сплава, подвергнутого USSP». Acta Materialia . 50 (8): 2075–2084. Bibcode :2002AcMat..50.2075W. doi :10.1016/S1359-6454(02)00051-4.
29. Мохамед, Фаргалли А. (2003). «Модель дислокации для минимального размера зерна, получаемого путем измельчения». Acta Materialia . 51 (14): 4107–4119. Bibcode : 2003AcMat..51.4107M. doi : 10.1016/S1359-6454(03)00230-1.
30. Edalati, K.; Horita, Z. (2011). «Высокоскоростное кручение чистых металлов: влияние параметров атомной связи и энергии дефекта упаковки на размер зерна и корреляцию с твердостью». Acta Materialia . 59 (17): 6831–6836. Bibcode :2011AcMat..59.6831E. doi :10.1016/j.actamat.2011.07.046. hdl : 2324/25601 . S2CID  137003355.
31. Edalati, K.; Akama, D.; Nishio, A.; Lee, S.; Yonenaga, Y.; Cubero-Sesin, J.; Horita, Z. (2014). «Влияние взаимодействий дислокации с атомами растворенного вещества и энергии дефекта упаковки на размер зерна однофазных сплавов после интенсивной пластической деформации с использованием кручения под высоким давлением». Acta Materialia . 69 (8): 68–77. Bibcode : 2014AcMat..69...68E. doi : 10.1016/j.actamat.2014.01.036.