CC BY
3
УДК 621.73.011
DOI: 10.24412/0321-4664-2024-4-38-44
ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕДИ М1 ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Алексей Дмитриевич Куликов1,2, аспирант, Павел Александрович Петров1, канд. техн. наук, доцент, Ирина Сергеевна Деметрашвили2, Игорь Андреевич Бурлаков1,2, докт. техн. наук, профессор, Хань Тоан Нгуен1, аспирант
Московский политехнический университет, Москва, Россия, e-mail: [email protected] 2Производственный комплекс «Салют» АО «ОДК», Москва, Россия
Аннотация. В работе рассмотрено влияние пластической деформации на изменение структуры и микротвердости образцов меди М1, деформированных в температурном интервале от 20 до 100 °С при скоростях деформации 0,0010,4 с-1. Определены режимы деформирования, приводящие к формированию структуры с меньшим размером зерна.
Ключевые слова: медь М1; пластическая деформация; испытание на сжатие; изменение структуры; микротвердость
Evolution of the Microstructure of M1 Copper During Plastic Working.
Рostgraduate Student Alexey D. Kulikov1,2, Cand. of Sci. (Eng.), Associate Professor Pavel А. Petrov1, Irina S. Demetrashvili2, Dr. of Sci. (Eng.), Professor Igor A. Burla-kov1,2, Postgraduate Student Khanh Toan Nguyen1
1Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
2Salyut Machine-Building Production Association, UEC, Moscow, Russia
Abstract. The paper examines the effect of plastic working on changes in the structure and microhardness of specimens made of M1 copper deformed within the temperature range from 20 to 100 °C at strain rates of 0.001-0.4 s-1. Condition of the plastic working leading to the formation of a structure with a smaller grain size are determined.
Keywords: M1 copper; plastic working; compression test; structure change; micro-hardness
Введение
Полуфабрикаты из чистой меди различных марок имеют широкое распространение благодаря высокой пластичности, электропроводности и коррозионной стойкости. Чистая медь широко применяется для токопроводящих шин, трубопроводов, уплотнительных шайб, заклепок, ниппелей, прокладок и т.п. [1, 2]. По электропроводности медь несколько уступает лишь серебру и является главным проводниковым материалом в электро- и радиотехнике, потребляющих 40-50 % всей меди [3]. В промышленности часто используют медь марки М1, содержащую не ме-
нее 99 % Си, химический состав которой должен соответствовать ГОСТ 859-2014 [4].
В зависимости от чистоты медь подразделяют на несколько сортов: М00к, М0к, М1к, М00б, М00, М0, М0б, М1ф, М1, М1р, М2, М2р, М3, М3р (к - катодная медь, б - бескислородная медь, р - раскисленная медь) [5]. В изделиях неответственного назначения электрические контакты изготавливают из меди марок М2 и М3. Медь широко применяют в вакуумной металлургии для изготовления тиглей в печах с глубоким вакуумом и высокими температурами плавления таких сильно активных металлов, как титан, цирконий с температу-
рами плавления до 3000 °С. Быстрый отвод тепла позволяет поднять стойкость медных изложниц до 1500-2000 плавок [2].
Медь поставляют со следующими характеристиками: твердая, полутвердая и мягкая. Твердое состояние - это сплав, обработанный давлением с высокими деформациями; полутвердое состояние материал приобретает после деформации со средними значениями; мягкое состояние - после отжига в интервале 500-700 °С. Конкретная температура зависит от толщины металла. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Временное сопротивление разрыву чистейшей меди составляет примерно 200 МПа, предел текучести 40-80 МПа, поперечное сужение 80-95 %, относительное удлинение 35 % [4]. В табл. 1 показаны характеристики механических свойств чистой меди с учетом состояния. Медь как легирующий элемент входит в состав многих алюминиевых и других сплавов.
Технологическое поведение материала зависит от структуры исходной заготовки и ее изменений на всех этапах обработки [6]. При производстве медных листов возникает нежелательное явление - анизотропия свойств [2], которая приводит к неприятным последствиям при штамповке из-за образования фестонов и, нередко, к браку штамповок. Результаты испытания на растяжение медных образцов, отожженных при различных температурах и вырезанных под разными углами по направлению прокатки, показаны на рис. 1.
На рис. 2 схематически показаны заготовка, вырубленная из листа, и изготовленная вытяжкой из него деталь в форме колпачка. Выступы на торцовой поверхности колпачка расположены под углом 45° к направлению прокатки.
Рациональное применение материала требует тщательного изучения его технологических особенностей. Высокая химическая стойкость меди, хорошие полируемость, штам-пуемость, прокатываемость, свариваемость способствуют широкому применению меди в промышленности [2]. Однако для успешного применения меди в литературе недостаточно данных по влиянию температуры и скорости деформации на эволюцию структуры и твердость. Решению данного вопроса посвящена настоящая публикация.
Таблица 1 Механические свойства чистой меди
Состояние Предел прочности 0в, МПа Относительное удлинение 8, %
Литая 150-200 15-25
Прокатанная и отожженная 250-270 40-50
Нагартованная 400-450 1-2
40
чо
I
о о
В о
45
50
45
90
Угол, образуемый осью пробы с направлением прокатки листа, град.
Рис. 1. Анизотропия листовой меди в зависимости от температуры отжига [2]
7 / \
I Направление
прокатки
листа
Рис. 2. Схема образования фестонов при изготовлении колпачка [2]
Цель работы - исследование влияния пластической деформаций и температуры на изменение структуры и микротвердости меди М1.
Материал, оборудование и методы исследования
Химический состав исходного материала меди М1 приведен в табл. 2.
Таблица 2 Состав (% вес.) технической меди M1
Марка Cu Примеси(не более)
М1 99,9 Bi Pb у ^прим
0,001 0,005 0,1
Исходные заготовки диаметром 10 мм и высотой 10 мм были изготовлены из медного прутка марки М1 методом электроэрозионной резки. Исходные медные прутки соответствовали ГОСТ 1535-2016 [7]. Испытание на сжатие осуществляли на универсальной испытательной машине LFM50 с постоянной скоростью деформации 10-2, 10-1 и 0,4 с-1 при 20, 50 и 100 °С, с записью диаграмм «сила - ход инструмента». Постоянство скорости деформации обеспечивался за счет управления скоростью перемещения траверсы испытательной машины. Для каждого температурного режима испытали по три образца для каждого значения скорости деформации. Во всех опытах деформация составляла 40 %.
Для изучения микроструктуры и микротвердости осаженные образцы разрезали в меридиональной плоскости методом электроэрозионной резки и исследовали на бинокулярном микроскопе Olympus Delta с увеличениями 100, 500 и 1000. Микроструктуру исследовали на электронных микроскопах Quanta 650 фирмы FEI и Jeol JSM-5600 с увеличением 2500. Микротвердость (HV) материала образца замеряли на приборе EMCOTEST DuraScan 20 и Leica MHT-10 при нагрузках 50 г.
Экспериментальные исследования
По результатам сжатия цилиндрических образцов построены кривые текучести меди М1 [8]. По результатам экспериментов проведено измерение микротвердости. Схема измерения микротвердости приведена на рис. 3, результаты замеров микротвердости - в табл. 3.
В структуре металла всех образцов после сжатия наблюдаются следы деформации в виде деформационного креста (см. рис. 3), каких-либо дефектов типа несплошностей не выявлено. Учитывая, что сжатие образцов выполнялось без применения смазки (контактное трение максимальное), практически вся
Рис. 3. Схема замера микротвердости и определения микроструктуры
Таблица 3 Распределение микротвердости по сечению образцов в зависимости от температуры и скорости деформации и ее величины
Скорость деформации Ё, с-1 Температура, °С Деформация s Микротвердость (HV0,05), кгс/мм2, в точках
1 2 3 4 5 6
0,001 20 0,46 94-107 112-114 92-99 126-129 103-118 136-138
0,01 50 0,45 105-107 97-102 101-102 122-128 87-96 120-121
0,001 100 0,46 102-112 96-98 96-102 116-128 96-99 133-137
0,01 100 0,40 98-101 96-103 79-84 118-130 88-95 122-123
0,4 100 0,48 103-108 100-113 65-86 111-114 88-94 129-134
контактная поверхность представляет собой зону прилипания.
На фотографии макротемплета (см. рис. 3) можно выделить визуально застойную зону или зону затрудненной деформации, сформированную в области верхнего и нижнего торцев. Зона имеет форму равнобедренного треугольника (в трехмерном пространстве -форму конуса). Верхняя и нижняя зоны затрудненной деформации выдавливают металл из центра заготовки в радиальном направлении. В связи с этим в точке 6 (см. рис. 3) структура металла должна быть наиболее проработанной в результате пластической деформации.
Влияние скорости деформации и температуры на микроструктуру меди М1 изучали для случая сжатия образцов при следующих сочетаниях: 1) температура 20 и 100 °С, скорость деформации 0,001 с-1; 2) температура 50 °С, скорость деформации 0,001 с-1 и 100 °С, скорость деформации 0,001, 0,01 и 0,4 с-1. Микроструктуру изучали в точках 1, 3, 4, 6 (см. рис. 3). В точках 2 и 5 формируется микроструктура, подобная той, что наблюдали в точках 1 и 3.
Анализ микроструктур (рис. 4) показывает, что в зоне, близкой к поверхности [точки 1 (2) и 3 (5)], во всех исследуемых образцах структура
Рис. 4. Динамика структуры меди М1 в зависимости от расположения, температуры (а) и скорости деформации заготовки (б) при истинной (логарифмической) деформации 0,5
Рис. 4 (продолжение). Динамика структуры меди М1 в зависимости от расположения, температуры (а) и скорости деформации заготовки (б) при истинной (логарифмической) деформации 0,5
представляет собой полиэдрические зерна с линиями двойникования.
Металлографическое исследование шлифов в точках 4 и 6 показало: 1) структура металла в центре заготовки (точка 4) представляет собой вытянутые перпендикулярно оси зерна (см. рис. 4); 2) структура металла в точке 6 представляет собой вытянутые полиэдрические зерна с линиями двойникования. В обеих точках ориентация зерен соответствует направлению течения металла (см. рис. 3, типовой макротемплет) - перпендикулярно оси, вдоль которой приложена сила, деформирующая образец.
Точка 6 расположена между осью образца и областью, в которой формируется бочка (см. рис. 3, точки 1 и 2); в ней и в прилегающей к ней области наблюдали наиболее интенсивное течение металла. Величина зерна для каждой из точек, рассмотренных выше, показана на рис. 4.
Исследования показали, что при деформации медных образцов наблюдается упрочнение металла до деформации 0,11-0,13 (рис. 5, 6). Повышение температуры деформации приводит к смещению пика напряжения в область меньших значений деформации (см. рис. 5).
В зоне интенсивной пластической деформации образца (см. рис. 3, точка 6,) при росте температуры деформации с 20 до 100 °С изменение формы зерен практически отсутствует. При 20 °С величина зерна составляет 60-120 мкм, при 100 °С - 40-100 мкм.
Уменьшение скорости деформации приводит к снижению сопротивления деформации (см. рис. 5, 6). В зоне интенсивного течения металла (см. рис. 3, точка 6) наблюдается изменение микроструктуры и величины зерна (см. рис. 6, точка 6).
Выводы
1. Медь М1 обладает высокими пластическими характеристиками
0,18 0,26 0,34 Деформация
Рис. 5. Зависимость напряжения от деформации меди М1 при разной температуре и скорости деформации 0,001 с-1, структура в точке 6 при 20 °С (а), 100 °С (б) и деформации 0,5
400
0,18 0,26
Деформация
Рис. 6. Зависимость напряжения от деформации меди М1 при температуре 100 °С и скоростях деформации 0,4 (а), 0,01 (б), 0,001 с-1(в); структура в точке 6 при увеличении 1000 и деформации 0,5
при комнатной температуре и при нагреве до 100 °С в диапазоне скоростей 0,001-0,4 с-1 и величине накопленной деформации до 0,5.
2. В условиях примерно одинаковой накопленной деформации (е, = 0,5) наиболее заметное влияние на структуру металла оказывает температура. Интенсивное упрочнение металла наблюдается в диапазоне деформации 0,11-0,13. При достижении указанного значения деформации на кривой текучести
наблюдается пик напряжения и последующее его уменьшение (см. рис. 5, 6).
3. В центральной зоне образца (точка 6) наблюдается интенсивное течение металла, сопровождающееся уменьшением величины зерна. Минимальная величина зерна составила около 24 мкм в случае сжатия образца меди М1 при температуре 100 °С и скорости деформации 0,4 с-1.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Туманов А.Т. Авиационные материалы. Т. 6. Медные сплавы и специальные материалы для деталей трения, припои. М.: ВИАМ, 1974.
2. Сучков Д.И. Медь и ее сплавы. М.: Металлургия, 1966. 248 с.
3. Кнорзов Б.В. Технология металлов. М.: Металлургия, 1978. 879 с.
4. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС, 2005.
5. ГОСТ 859-2014. Межгосударственный стандарт. Медь. Марки.
6. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
7. ГОСТ 1535-2016. Межгосударственный стандарт. Прутки медные. Технические условия.
8. Куликов А.Д., Петров П.А., Деметрашвили И.С., Бурлаков И.А., Нгуен Х.Т. Определение реологической модели меди М1 // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 8.
REFERENCES
1. Tumanov А.Т. Aviatsionnyye materialy. T. 6. Med-nyye splavy i spetsial'nyye materialy dlya detaley treniya, pripoi. M.: VIAM, 1974.
2. Suchkov D.I. Med' i yeye splavy. M.: Metallurgiya, 1966. 248 s.
3. Knorzov B.V. Tekhnologiya metallov. M.: Metallurgiya, 1978. 879 s.
4. Kolachev B.A., Yelagin V.I., Livanov V.A. Metallo-vedeniye i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metallov i splavov. M.: MISiS, 2005.
5. GOST 859-2014. Mezhgosudarstvennyy standart. Med'. Marki.
6. Gulyayev A.P. Metallovedeniye. M.: Metallurgiya, 1986. 544 s.
7. GOST 1535-2016. Mezhgosudarstvennyy standart. Prutki mednyye. Tekhnicheskiye usloviya.
8. Kulikov A.D., Petrov P.A., Demetrashvili I.S., Bur-lakov I.A., Nguyen Kh.T. Opredeleniye reologiches-koy modeli medi M1 // Izvestiya Tul'skogo gosudarst-vennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki. 2024. № 8.
