Интенсивная пластическая деформация ( СПД ) представляет собой общий термин , описывающий группу металлообрабатывающих методов с участием очень большие деформаций , как правило , с участием сложного напряженного состояния или высоким сдвига, что приводит к высоким плотности дефектов и соосный «ультратонкого» зерно (UFG) Размер ( д <500 нм) или нанокристаллической (НК) структуры (d <100 нм). [1]
История
Разработка принципов, лежащих в основе методов SPD, восходит к новаторской работе П. У. Бриджмена в Гарвардском университете в 1930-х годах. [2] Эта работа касалась воздействия на твердые тела сочетания больших гидростатических давлений с сопутствующей деформацией сдвига и привела к присуждению Нобелевской премии по физике в 1946 году. [3] Очень успешные ранние реализации этих принципов, более подробно описанные ниже. , представляют собой процессы равноканального углового прессования (РКУП), разработанные В.М. Сегалом и его сотрудниками в Минске в 1970-х годах [4], и кручение под высоким давлением , заимствованные из работ Бриджмена, но не получившие широкого распространения до 1980-х годов в Российской Федерации. Институт физики металлов в современном Екатеринбурге . [3]
Некоторые определения SPD описывают его как процесс, в котором применяется высокая деформация без какого-либо значительного изменения размеров заготовки, что приводит к большой составляющей гидростатического давления . [5] Однако механизмы, которые приводят к измельчению зерен в SPD, такие же, как и механизмы, первоначально разработанные для механического легирования, порошкового процесса [6], который еще в 1983 году был охарактеризован авторами как «сильная пластическая деформация» [7]. ] Кроме того, некоторые более свежие процессы, такие как асимметричная прокатка, действительно приводят к изменению размеров заготовки, при этом все еще производя ультрамелкозернистую структуру. [8] Принципы, лежащие в основе SPD, были применены даже к обработке поверхностей. [9]
Методы
Равноканальная угловая экструзия
Равноканальная угловая экструзия (ECAE, иногда называемая равноканальным угловым прессованием, ECAP) была разработана в 1970-х годах. В этом процессе металлическая заготовка продавливается через угловой (обычно 90 градусов) канал. Для достижения оптимальных результатов процесс можно повторять несколько раз, изменяя ориентацию заготовки с каждым проходом. Это обеспечивает равномерный сдвиг по всей массе материала. [4]
Кручение под высоким давлением
Кручение под высоким давлением (HPT) можно проследить до экспериментов, в результате которых Перси Бриджман получил Нобелевскую премию по физике 1946 года , хотя его использование в обработке металлов произошло значительно позже . В этом методе диск из подлежащего деформации материала помещается между двумя наковальнями. Прикладывается большое сжимающее напряжение (обычно несколько гигапаскалей ), в то время как одна наковальня вращается для создания силы кручения . HPT может выполняться без ограничений, при котором материал может свободно вытекать наружу, полностью ограничен, или в некоторой степени между ними, когда поток наружу разрешен, но ограничен. [3]
Накопительное рулонное склеивание
При накопительном валковом соединении (ARB) 2 листа одного и того же материала укладываются в стопку, нагреваются (до температуры ниже температуры рекристаллизации ) и прокатываются , связывая 2 листа вместе. Этот лист разрезается пополам, две половинки складываются в стопку и процесс повторяется несколько раз. По сравнению с другими процессами SPD, ARB имеет то преимущество, что не требует специального оборудования или инструментов, только обычный прокатный стан. Однако соединяемые поверхности перед прокаткой необходимо тщательно очистить, чтобы обеспечить хорошее сцепление. [10]
Повторяющееся гофрирование и выпрямление
Повторяющееся гофрирование и правка (RCS) - это метод тяжелой пластической деформации, используемый для обработки листового металла. В RCS лист зажимается между двумя гофрированными штампами с последующим прессованием между двумя плоскими штампами. RCS приобрела широкую популярность в производстве мелкозернистого листового металла. [11] Попытки улучшить эту технику привели к внедрению повторяющегося гофрирования и правки путем прокатки (RCSR), нового метода SPD. [12] Применимость этого нового метода подтверждена в различных материалах. [12] [13] [14] [15] [16]
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 независимым контролем скорости, либо с использованием 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 поддерживает ту же чистую форму, но влияет на микроструктуру материала аналогичным образом. [8] [17]
Механическое легирование
Механическое легирование / измельчение (MA / MM), выполняемое в шаровой мельнице с высокой энергией, такой как вибростенд или планетарная мельница, также вызывает сильную пластическую деформацию металлов. Во время измельчения частицы дробятся и свариваются в холодном состоянии , что приводит к большим деформациям. Конечный продукт, как правило, представляет собой порошок, который затем необходимо каким-то образом уплотнить (часто с использованием других процессов SPD), но некоторые сплавы обладают способностью консолидироваться на месте во время измельчения. Механическое легирование также позволяет сплавить порошки разных металлов во время обработки. [18] [19]
Обработка поверхности
Совсем недавно принципы, лежащие в основе SPD, были использованы для разработки обработок поверхности, которые создают нанокристаллический слой на поверхности материала. При обработке поверхностным механическим истиранием (SMAT) ультразвуковой рупор соединяется с ультразвуковым преобразователем (20 кГц) с небольшими шариками на вершине рупора. Заготовка монтируется на небольшом расстоянии над рогом. Высокая частота приводит к большому количеству столкновений шариков с поверхностью, создавая скорость деформации порядка 10 2 –10 3 с -1 . Проявляемый поверхностный слой НК может иметь толщину порядка 50 мкм. [9] Процесс похож на дробеструйную обработку , но кинетическая энергия шаров намного выше в SMAT. [20]
Метод ультразвуковой модификации нанокристаллической поверхности (UNSM) также является одним из недавно разработанных методов модификации поверхности. В процессе UNSM действует не только статическая нагрузка, но и динамическая нагрузка. Обработку проводят, ударяя по поверхности заготовки до 20 000 и более раз в секунду с помощью ударов шарика, прикрепленного к рогу, в диапазоне от 1 000 до 100 000 на квадратный миллиметр. Удары, которые можно описать как холодную ковку, вводят SPD для создания поверхностного слоя NC путем измельчения крупных зерен до нанометрового масштаба без изменения химического состава материала, который обеспечивает высокую прочность и высокую пластичность. Этот метод UNSM не только улучшает механические и трибологические свойства материала, но также позволяет получить гофрированную структуру с множеством желаемых ямок на обрабатываемой поверхности. [21]
Приложения
Большинство исследований SPD было сосредоточено на измельчении зерна, которое имеет очевидное применение при разработке высокопрочных материалов в результате соотношения Холла-Петча . Обычно обрабатываемые промышленные металлы имеют размер зерна от 10 до 100 мкм. Уменьшение размера зерна с 10 мкм до 1 мкм может повысить предел текучести металлов более чем на 100%. Методы, использующие объемные материалы, такие как ECAE, могут обеспечить надежные и относительно недорогие способы производства ультрамелкозернистых материалов по сравнению с методами быстрого затвердевания, такими как прядение из расплава . [22]
Однако другие эффекты SPD, такие как модификация 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. [22]
Такие процессы, как ECAE и HPT, также использовались для консолидации металлических порошков и композитов без необходимости использования высоких температур, используемых в традиционных процессах консолидации, таких как горячее изостатическое прессование , что позволяет сохранять желаемые характеристики, такие как размер нанокристаллических зерен или аморфные структуры . [22] [23]
Некоторые известные коммерческие применения процессов SPD заключаются в производстве мишеней для распыления компанией Honeywell [22] и UFG титана для медицинских имплантатов. [24]
Механизм измельчения зерна
Наличие высокого гидростатического давления в сочетании с большими деформациями сдвига является важным для получения высокой плотности дефектов кристаллической решетки, особенно дислокаций , что может привести к значительному измельчению зерен . Рафинирование зерна в процессах SPD происходит в многоэтапном процессе:
- Дислокации , которые изначально распределены по зернам, перестраиваются и группируются в дислокационные «ячейки», чтобы уменьшить общую энергию деформации.
- По мере продолжения деформации и образования новых дислокаций между ячейками возникает разориентация, образуя «субзерна».
- Процесс повторяется внутри субзерен до тех пор, пока размер не станет достаточно маленьким, чтобы субзерна могли вращаться.
- Дополнительная деформация приводит к тому, что субзерна превращаются в границы зерен под большим углом, как правило, с равноосной формой. [25]
Механизм вращения субзерен менее изучен. Wu et al. описывают процесс, в котором движение дислокации становится ограниченным из-за малого размера субзерен, и вращение зерен становится более энергетически выгодным. [26] Mishra et al. предлагают несколько иное объяснение, в котором вращению способствует диффузия по границам зерен (которая намного быстрее, чем через объем). [25]
Ф.А. Мохамад предложил модель минимального размера зерна, достижимого при механическом измельчении . Модель основана на концепции, согласно которой размер зерна зависит от скорости образования и уничтожения дислокаций. Полная модель представлена
- В левой части уравнения: d min - минимальный размер зерна, а b - вектор Бюргерса .
- 3 является константой.
- β = Q p −Q m / Q (Q p - энергия активации диффузии в трубе вдоль дислокаций, Q m - энергия активации миграции вакансий, Q - энергия активации самодиффузии), βQ - энергия активации для восстановления, R - газовая постоянная, а T - температура обработки.
- D p0 - не зависящая от температуры составляющая коэффициента диффузии трубы , G - модуль сдвига , ν 0 - скорость дислокации, k - постоянная Больцмана , γ - энергия дефекта упаковки , H - твердость . [27]
Хотя модель была разработана специально для механического фрезерования, она также успешно применялась в других процессах SPD. Часто используется только часть модели (обычно термин, включающий энергию дефекта упаковки), поскольку другие термины часто неизвестны и их трудно измерить. Это по-прежнему полезно, поскольку подразумевает, что при прочих равных условиях уменьшение энергии дефекта упаковки, свойство, которое является функцией легирующих элементов, позволит улучшить измельчение зерна. [3] [6] Однако несколько исследований показали, что, несмотря на важность энергии дефекта упаковки для измельчения зерна на ранних стадиях деформации, установившийся размер зерна при больших деформациях в основном контролируется гомологической температурой в чистом виде. металлов [28] и взаимодействием растворенных атомов и дислокаций в однофазных сплавах. [29]
Рекомендации
- ^ Вэй, Q; Cheng, S; Рамеш, KT; Ма, Э (15 сентября 2004 г.). «Влияние нанокристаллических и сверхмелкозернистых размеров на чувствительность к скорости деформации и активационный объем: ГЦК-металлы по сравнению с ОЦК-металлами». Материалы Наука и техника: A . 381 (1–2): 71–79. DOI : 10.1016 / j.msea.2004.03.064 .
- ^ Каве Эдалати, Зенджи Хорита (2016). «Обзор кручения высокого давления (HPT) с 1935 по 1988 год» . Материаловедение и инженерия . 0921–5093: 325–352.
- ^ а б в г Жиляев А; Лэнгдон, Т. (1 августа 2008 г.). «Использование кручения под высоким давлением для обработки металлов: основы и приложения». Прогресс в материаловедении . 53 (6): 893–979. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2008.03.002 .
- ^ а б Сегал, В.М. (1 ноября 1999 г.). «Равноканальная угловая экструзия: от макромеханики к структурообразованию». Материалы Наука и техника: A . 271 (1–2): 322–333. DOI : 10.1016 / S0921-5093 (99) 00248-8 .
- ^ Валиев, Руслан З .; Эстрин, Юрий; Хорита, Зенджи; Лэнгдон, Теренс Дж .; Zechetbauer, Michael J .; Чжу, Юньтянь Т. (апрель 2006 г.). «Получение объемных ультрамелкозернистых материалов методом интенсивной пластической деформации» . JOM . 58 (4): 33–39. Bibcode : 2006JOM .... 58d..33V . DOI : 10.1007 / s11837-006-0213-7 .
- ^ а б Qu, S .; An, XH; Ян, HJ; Хуанг, CX; Ян, G .; Занг, QS; Wang, ZG; Ву, SD; Чжан, З.Ф. (2009). «Развитие микроструктуры и механические свойства сплавов Cu – Al после равноканального углового прессования». Acta Materialia . 57 (5): 1586–1601. DOI : 10.1016 / j.actamat.2008.12.002 .
- ^ Гилман, П.С.; Бенджамин, Дж. С. (1983). «Механическое легирование». Ежегодный обзор материаловедения . 13 : 279–300. Bibcode : 1983AnRMS..13..279G . DOI : 10.1146 / annurev.ms.13.080183.001431 .
- ^ а б Cui, Q .; Охори, К. (октябрь 2000 г.). «Улучшение зерна алюминия высокой чистоты асимметричной прокаткой». Материаловедение и технологии . 16 (20): 1095–1101. DOI : 10.1179 / 026708300101507019 .
- ^ а б Чжу, Кентукки; Vassel, A .; Brisset, F .; Лу, К .; Лу, Дж. (16 августа 2004 г.). «Механизм формирования наноструктуры α-титана с использованием SMAT». Acta Materialia . 52 (14): 4101–4110. DOI : 10.1016 / j.actamat.2004.05.023 .
- ^ Saito, Y .; Utsunomiya, H .; Tsuji, N .; Сакаи, Т. (1999). «Новый процесс сверхвысокой деформации для сыпучих материалов - разработка процесса накопительного валкового соединения (ARB)». Acta Materialia . 47 (2): 579–583. DOI : 10.1016 / S1359-6454 (98) 00365-6 .
- ^ Ратна Сунил, Б. (2015). «Многократное гофрирование и правка листового металла». Материалы и производственные процессы . 30 (10): 1262–1271. DOI : 10.1080 / 10426914.2014.973600 .
- ^ а б Мирсепаси, Арья; Нили-Ахмадабади, Махмуд; Хабиби-Парса, Мохаммад; Гасеми-Нанеса, Хади; Дизаджи, Ахмад Ф. (август 2012 г.). «Микроструктура и механические свойства мартенситной стали, сильно деформированной с помощью новой техники повторяющегося гофрирования и правки прокаткой». Материалы Наука и техника: A . 551 : 32–39. DOI : 10.1016 / j.msea.2012.04.073 .
- ^ Мираб, Саидех; Нили-Ахмадабади, Махмуд; Хаджезаде, Али; Абширини, Мохамад; Парса, Мохаммад Хабиби; Солтани, Насер (август 2016 г.). «Об анализе деформации в процессе RCSR с помощью конечно-элементного моделирования и корреляции цифровых изображений: об анализе деформации в процессе RCSR…». Передовые инженерные материалы . 18 (8): 1434–1443. DOI : 10.1002 / adem.201600100 .
- ^ Шахмир, Хамед; Нили-Ахмадабади, Махмуд; Раззаги, Алиреза; Мохаммади, Махди; Ван, Чуан Тин; Юнг, Джай Мён; Ким, Хён Соп; Лэнгдон, Теренс Г. (июнь 2015 г.). «Использование дилатометрии для изучения кинетики мартенситной стабилизации и 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 .
- ^ Асгари-Рад, Пейман; Нили-Ахмадабади, Махмуд; Ширази, Хасан; Хоссейн Неджад, Шьямак; Колдорф, Себастьян (март 2017). «Значительное улучшение механических свойств нержавеющей стали AISI 304 за счет сочетания RCSR и процесса отжига: значительное улучшение механических свойств». Передовые инженерные материалы . 19 (3): 1600663. DOI : 10.1002 / adem.201600663 .
- ^ Хоссейн Заде, С .; Джафарян, HR; Парк, Н .; Эйвани, АР (февраль 2020 г.). «Регулирование свойств при растяжении посредством инженерии микроструктуры в стали Fe-Ni-C TRIP, обработанной различными путями деформации при сильной деформации» . Журнал материаловедения и технологий : S2238785419320046. DOI : 10.1016 / j.jmrt.2020.01.041 .
- ^ Мусави, SAA Akbari; Ebrahimi, SM; Мадолиат Р. (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 .
- ^ Koch, CC (1 августа 1989 г.). «Синтез материалов механическим легированием». Ежегодный обзор материаловедения . 19 (1): 121–143. Bibcode : 1989AnRMS..19..121K . DOI : 10.1146 / annurev.ms.19.080189.001005 .
- ^ Чжан, X .; Wang, H .; Kassem, M .; Narayan, J .; Koch, CC (10 мая 2002 г.). «Получение объемных ультрамелкозернистых и наноструктурированных Zn, Al и их сплавов путем консолидации порошков in situ при механическом истирании». Scripta Materialia . 46 (9): 661–665. DOI : 10.1016 / S1359-6462 (02) 00048-9 .
- ^ Dai, K .; Шоу, Л. (15 августа 2007 г.). «Сравнение между дробеструйным упрочнением и процессами поверхностной нанокристаллизации и упрочнения». Материалы Наука и техника: A . 463 (1-2): 46-53. DOI : 10.1016 / j.msea.2006.07.159 .
- ^ Аманов, А .; Чо, IS; Пюн Ю.С. Ли, CS; Парк, ИГ (15 мая 2012 г.). «Микро-ямочки на поверхности при ультразвуковой модификации нанокристаллической поверхности и ее трибологические эффекты». Носить . 286–287: 136–144. DOI : 10.1016 / j.wear.2011.06.001 .
- ^ а б в г Сегал, Владимир М .; Beyerlein, Irene J .; Томе, Карлос Н .; Чувильдеев Владимир Н .; Копылов, Владимир Иванович (2010). Основы и техника интенсивной пластической деформации . Hauppauge, Нью-Йорк: Издательство Nova Science. ISBN 9781616681906.
- ^ Сеньков, ОН; Сенькова С.В.; Скотт, JM; Miracle, DB (25 февраля 2005 г.). «Прессование аморфного порошка алюминиевого сплава прямым экструзией и равноканальной угловой экструзией». Материалы Наука и техника: A . 393 (1–2): 12–21. DOI : 10.1016 / j.msea.2004.09.061 .
- ^ Патент США 6399215 , Zhu, YT; Лоу, ТС; Валиев, Р.З .; Столяров, В.В.; Латыш, В.В.; Raab, GJ, "Ультрамелкозернистый титан для медицинских имплантатов", выпущенный 4 июня 2002 г., передан регентам Калифорнийского университета.
- ^ а б Мишра, А; Кад, Б; Грегори, Ф; Мейерс, М. (1 января 2007 г.). «Эволюция микроструктуры в меди, подвергшейся сильной пластической деформации: эксперименты и анализ». Acta Materialia . 55 (1): 13–28. DOI : 10.1016 / j.actamat.2006.07.008 .
- ^ Ву, Х; Дао, N; Hong, Y; Сюй, В; Лу, Дж; Лу, К. (2002). «Микроструктура и эволюция механически индуцированного ультрамелкого зерна в поверхностном слое алюминиевого сплава после УЗИ» . Acta Materialia . 50 (8): 2075–2084. DOI : 10.1016 / S1359-6454 (02) 00051-4 .
- ^ Мохамед, Фаргалли А. (2003). «Модель дислокации для минимального размера зерна, достигаемого фрезерованием». Acta Materialia . 51 (14): 4107–4119. DOI : 10.1016 / S1359-6454 (03) 00230-1 .
- ^ Edalati, K .; Хорита, З. (2011). «Кручение чистых металлов под высоким давлением: влияние параметров атомной связи и энергии дефекта упаковки на размер зерна и корреляцию с твердостью» . Acta Materialia . 59 (17): 6831–6836. DOI : 10.1016 / j.actamat.2011.07.046 . hdl : 2324/25601 .
- ^ Edalati, K .; Акама, Д .; Nishio, A .; Lee, S .; Yonenaga, Y .; Cubero-Sesin, J .; Хорита, З. (2014). «Влияние взаимодействия дислокации с растворенным атомом 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. DOI : 10.1016 / j.actamat.2014.01.036 .