CC BY
33
Исследование особенностей пластического течения алюминиевых сплавов при равноканальной угловой экструзии
Н.М. Русин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Исследовано расположение линий течения в очаге пластической деформации. Предложена оригинальная ориентация линий координатной сетки, позволяющая легко выявить особенности пластического течения материалов при равноканальной угловой экструзии на макроскопическом масштабном уровне. Показано, что при равноканальной угловой экструзии пластическое течение упрочняющихся алюминиевых сплавов в очаге деформации носит сложный характер, вследствие чего известные теоретические формулы непригодны для определения истинной величины деформации.
1. Введение
Интенсивная деформация металлов и сплавов часто используется для модификации их структуры и свойств, при этом величина интегральной пластической деформации является одним из основных определяющих параметров процесса. Для обеспечения стабильности и однородности свойств модифицированных сплавов произведенная деформация должна быть не только большой по величине, но и равномерно распределенной по объему образца. Такие условия достигаются, например, при экструзии материалов через пересекающиеся каналы равного сечения (равноканальная угловая экструзия) [ 1] за счет многократных проходов образца через пресс-форму и его поворотов в определенном порядке между ними.
Особенность данного способа обработки заключается в том, что деформация многих материалов при этом реализуется в виде полос некристаллографического сдвига [2, 3], а направление макроскопического сдвига в процессе экструзии остается неизменным и диктуется геометрией пресс-формы (рис. 1). Следовательно, повороты образца между последовательными его проходами через пресс-форму обуславливают своеобразное распределение различно ориентированных полос по объему, и, тем самым, создаются предпосылки для образования однородной мелкозернистой структуры в деформированном материале [4].
© Русин Н.М., 2003
При равноканальной угловой экструзии идеального пластического тела реализуется плоское деформированное состояние, и деформация осуществляется простым сдвигом в плоскости пересечения каналов. Величина ее за один проход образца, е,, определяется углом пересечения каналов ф и равна [1]
е, = (2/л/з^(ф/2). (1)
При наличии контактного трения форма очага деформации трансформируется в центрированный веер, течение материала в котором реализуется вдоль радиальных прямых и концентрических кривых, представляющих собой в совокупности сетку линий максимальных сдвигающих напряжений [5]. Во внешнем угле пресс-формы образуется закругленная жесткая зона (зона АОВ на рис. 1), и величину произведенной за один проход образца деформации определяют как [6]:
е, = (1/л/з)^ п + у cosec п], (2)
где п — угол между крайней радиальной линией центрированного веера и стенкой инструмента.
С целью снижения влияния сил трения пресс-форму для равноканальной угловой экструзии часто выполняют с искусственным закруглением во внешнем угле стыка каналов. Для определения величины деформации материала в этом случае предлагается использовать следующее соотношение [7]:
О' В
Рис. 1. Схема стандартного устройства для равноканальной угловой экструзии: а, в, у — линии координатной сетки, АОВ — веероподобная зона, ОО — линия пересечения плоскости сопряжения каналов и плоскости рисунка (плоскости течения материала)
е, = (1/л/3)[2^( ф/ 2 + у/ 2) + у ^ес (ф/2 + у/2)],
(3)
где у — угол закругления.
Формулы (2) и (3) суть одно и то же. Первая часть выражения в скобках учитывает деформацию сдвига при входе и выходе материала из очага пластической деформации, а второй член учитывает течение материала вдоль концентрических кривых внутри центрированного веера. Таким образом, даже идеальный пластичный материал в таких зонах деформируется не простым сдвигом вдоль одного фиксированного направления, а его течение носит более сложный характер.
Для описания напряженно-деформированного состояния реальных, склонных к деформационному упрочнению материалов, приведенные выше выражения (1)-(3) вряд ли применимы, поскольку не известно насколько развиты аккомодационные процессы и является ли материал на границах линий течения жестким. Кроме того, силы контактного трения могут быть неравномерно распределены по поверхности деформируемого образца, что еще более усложняет картину пластического течения материалов при равноканальной угловой экструзии, а зона пластической деформации приобретает сложную геометрическую форму [8]. Аналитическое описание напряженно-деформированного состояния материала в этом случае затруднительно, и его моделируют численными методами [9], возможности которых
в настоящее время ограничены, или определяют непосредственно из эксперимента. В последнем случае чаще всего используют координатные сетки, измеряя дистор-сию ячеек которых, можно оценить характер течения материалов и величину произведенной деформации [5,
9].
Таким образом, определение точной величины даже «геометрической» деформации реальных материалов при равноканальной угловой экструзии является сложной задачей, не говоря уже о «физической» ее величине, с учетом особенностей аккомодационных процессов, специфичных для каждого сплава и используемого температурно-скоростного режима экструзии.
2. Материалы и методика эксперимента
С целью изучения характера пластического течения материалов при равноканальной угловой экструзии были использованы образцы прямоугольной формы, вырезанные из прутков промышленных алюминиевых сплавов марок 1070 и 6061. На полированные поверхности образцов наносились координатные сетки механическим способом с шагом в 1 мм. Затем образцы складывались вместе так, чтобы поверхности с координатной сеткой оказывались внутри составного образца и совпадали с плоскостью течения материала. Далее осуществлялась равноканальная угловая экструзия составного образца через матрицу с каналами равного сечения 14x14 мм2, пересекающимися под прямым углом. Экструзия прерывалась на стадии стабильного течения материала с тем, чтобы часть образца оставалась в вертикальном канале в недеформированном состоянии. Пресс-форма разбиралась, и образец извлекался для анализа дистор-сии координатной сетки.
Кроме того, на ряде составных образцов после равноканальной угловой экструзии изучался рельеф предварительно полированной плоскости течения с помощью металлографического микроскопа.
Равноканальная угловая экструзия проводилась при комнатной температуре со скоростью проталкивания образца 50 мм/мин. В качестве смазки использовалась суспензия очень мелкого порошка дисульфида молибдена в минеральном масле, которая распылялась на стенки каналов и трущиеся поверхности образцов.
3. Результаты и их обсуждение
Внешний вид образцов сплавов, с нанесенной на них координатной сеткой, представлен на рис. 2. Видно, что они деформированы без трещин, с заполнением внешнего угла пресс-формы, при этом ячейки координатной сетки сильно исказились. И если образующие координатную сетку линии в исходном состоянии взаимно ортогональны (линии а и в на рис. 1), то после экструзии они сближаются так, что ячейки становятся трудно различимыми (рис. 2, а). Дисторсия ячеек координатной
Рис. 2. Особенности дисторсии координатной сетки на поверхности алюминиевых образцов при равноканальной угловой экструзии в зависимости от исходной ориентации линий сетки
сетки с иной исходной ориентацией линий оказывается еще большей (рис. 2, б), и измерение их деформации в этих случаях практически не возможно.
По нашему мнению, наиболее удобной является не традиционная, взаимно ортогональная ориентация линий координатной сетки, а такая, когда одно семейство линий параллельно продольной оси образца, а другое параллельно плоскости пересечения каналов пресс-формы. В идеальном случае именно вдоль этих направлений осуществляется течение и сдвиг материала при равноканальной угловой экструзии. Следовательно, при такой ориентации линий координатной сетки, любое искажение их взаиморасположения будет являться свидетельством неоднородного характера деформации материала в месте искривления.
В качестве примера на рис. 3 приведено увеличенное изображение координатной сетки на поверхности деформированного образца сплава 6061. Сетка образована тремя семействами линий, соответствующих как традиционной, так и предлагаемой ориентации. Из рисунка следует, что взаимное расположение а- и в-линий (традиционная ориентация) в экструдированной части об-
разца, по сравнению с исходным, претерпело существенное изменение. В результате первоначально расположенные поперек входного канала а-линии наклонились к продольной оси образца под углом около 28°, а их длина удвоилась. Ячейки между этими линиями существенно исказились и сплющились. Взаимное положение в- и у-линий осталось практически неизменным. В ходе равноканальной угловой экструзии у-линии не меняли своей ориентации, а в-линии изогнулись на 90°, сохраняя все время неизменным свое положение относительно продольной оси образца. Образованные данными линиями ячейки координатной сетки, претерпев сдвиг, в итоге восстановили свои исходные размеры и форму.
Таким образом, окончательное расположение линий координатной сетки в экструдированной части образца свидетельствует о том, что, во-первых, при равноканальной угловой экструзии деформация его преимущественно осуществлялась простым сдвигом и, во-вторых, макроскопический характер течения был близок к идеальному. Величину произведенной деформации в этом случае рекомендуется рассчитывать по формуле (1), и если ф = 90°, то е, = 1.155 [1].
С другой стороны, в-линии меняют свою ориентацию не в момент пересечения плоскости сопряжения каналов, как это должно происходить при простом сдвиге в идеальном случае, а изгибаются вдоль дуги, пересекающей указанную плоскость. Две линии, проведенные по точкам, соответствующим началу и окончанию изгиба в-линий, образуют при пересечении между собой угол около 36°, исходящий из вершины О. Полученные радиальные прямые, в совокупности с концентрическими дугами в-линий, образуют на плоскости течения материала веероподобную зону, с центром веера в точке О. В этом случае для расчета величины деформации
Рис. 3. Увеличенное изображение координатной сетки на частично экструдированном образце сплава 6061
I
Рис. 4. Следы (линии) грубого скольжения на поверхности течения сплава 1070 при равноканальной угловой экструзии: поверхность образца перед веероподобной зоной (а); поверхность образца в зоне активного пластического течения (б). Исходное увеличение: х50 (а); х500 (б)
е, идеального пластичного тела рекомендуется применять формулы (2) или (3). При этом не важно, осуществляется закругление образца под влиянием сил трения, или закругление во внешнем угле области пересечения каналов создано искусственно.
Подставляя в (2) и (3) измеренные значения углов ф = 90°, у = 36° и п = 64°, получим близкие значения величины е, = 0.97^0.99. Это говорит об удовлетворительной точности проведенных измерений. Однако вопрос о правомочности применения формул (2) и (3) для описания величины пластической деформации при равноканальной угловой экструзии остается открытым.
Действительно, окончательное положение линий координатной сетки на рис. 3 указывает на равномерное течение материала, разрешающее использовать формулу (1), а характер изменения в-линий (изгиб вдоль концентрических кривых в очаге пластической деформации) — на правомочность использования уравнений (2) или (3). При этом разность в определении величины произведенной деформации е, составляет 15-20 %. Таким образом, наблюдаемая картина дисторсии линий координатной сетки требует своего объяснения.
Если следовать теории [6], при наличии веероподобной зоны должны существовать три последовательно включающихся системы макроскопических сдвигов.
Их действие должно привести к изменению наклона у-линий. При этом внутри веероподобной зоны предполагается наличие растягивающих напряжений [6, 9], которые должны разрывать линии координатной сетки. Однако в нашем случае наклон у-линий на рис. 3 остается практически неизменным, как при идеальном течении материала без веероподобной зоны. Разрывов ни в-, ни а-линий также не наблюдается, несмотря на то, что последние увеличили свою длину вдвое. Другими словами, на макромасштабном уровне течение материала при равноканальной угловой экструзии осуществляется с постоянной поступательной скоростью в обоих каналах пресс-формы.
Таким образом, одинаковое исходное и конечное положение в- и у-линий свидетельствует о том, что при равноканальной угловой экструзии реализовался простой сдвиг вдоль у-линий. Однако этот сдвиг, диктуемый геометрией пресс-формы, реализуется в полном объеме в полосе некоторой ширины. В результате в-линии меняют свое направление не в момент пересечения плоскости сопряжения каналов, а постепенно, по дуге. В таком случае, ввиду значительной ширины линий координатной сетки, отсутствие их визуальных разрывов можно объяснить тем, что макроскопическая деформация в-линий осуществляется многочисленными малыми
сдвигами. Это же можно сказать и об а-линиях. Для более точного детального анализа необходимы очень тонкие линии сетки.
С целью уточнения характера течения материалов при равноканальной угловой экструзии на меньшем масштабном уровне были использованы образцы из алюминиевого сплава 1070 технической чистоты, склонного к значительному деформационному упрочнению. Металлографическая картина поверхности, совпадающей с плоскостью течения материала, приведена на рис. 4.
На рис. 4, а представлена поверхность образца до входа металла в зону активной пластической деформации. На значительном удалении от плоскости пересечения каналов видны единичные следы скольжений, различно ориентированных в отдельных зернах. По мере приближения к веероподобной зоне плотность этих следов возрастает, а число охваченных пластической деформацией зерен увеличивается, пока в процесс не включится весь материал. Наконец, в деформировании начинают участвовать и альтернативные системы скольжения, на что указывает появление пересекающихся следов грубого скольжения в правой части рисунка.
По своему характеру такое поведение материала характерно для фронта полосы Людерса-Чернова. Только в данном случае положение полосы остается неизменным, а на нее все время как бы наползает экструдируемый материал. По всей видимости, формирование описанной зоны образца можно объяснить влиянием дальнодействующих полей напряжений, возникающих в веероподобной зоне, и частично — потерей устойчивости образца.
На рис. 4, б представлено изображение поверхности образца уже непосредственно в зоне активной пластической деформации. Хотя надо заметить, что строгой границы между данной и предыдущей зоной не наблюдается.
Из приведенных фотографий видно, что внутри веероподобной зоны плотность линий скольжения возрастает в направлении ее вершины (О) и в направлении поступательного движения материала. При этом, чем правее область наблюдения, тем грубее линии. На полированной поверхности формируется грубый рельеф в виде ячеек, образованных пересекающимися линиями течения. Внутри ячеек материал остается относительно гладким. Ясно видны две системы линий скольжения. Ориентация одних линий остается примерно постоянной, параллельной плоскости сопряжения каналов (в нашем случае ее наклон — 45° к горизонтальной оси рисунка). Семейство других линий постепенно изгибается по направлению вращения часовой стрелки. Дополнительно, по мере прохождения веероподобной зоны, поверхность образца приобретает волнистость. На выходе из зоны пластического течения частота чередования гребней и впадин возрастает так, что дальнейшее
металлографическое наблюдение за изменением рельефа поверхности становится невозможным при больших увеличениях.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. С началом пластического течения образца формируется жесткий выходной конец. Жесткость его обусловлена дополнительным упрочнением вследствие неоднородного течения материала в начальный момент равноканальной угловой экструзии из-за действия сил трения. Под их влиянием одновременно формируется жесткая («мертвая») зона во внешнем угле пресс-формы. Изгиб линий координатной сетки, вызванный неоднородным течением материала в области выходного конца образца, хорошо виден на рис. 3.
В дальнейшем, при обтекании жесткой зоны АО'В длина пути нижних слоев образца сокращается, по сравнению с длиной пути верхних слоев, которая остается прежней. Таким образом, нижние слои давят на жесткий выходной конец, а он, в свою очередь, увлекает за собой верхние слои образца, вызывая в них дополнительные растягивающие напряжения. Эти напряжения часто служат причиной появления трещин на верхней стороне образца.
Для сохранения целостности материала растягивающие напряжения должны быть скомпенсированы дополнительным его течением, постепенно изгибающиеся следы которого видны на рис. 4, б, помимо следов ориентированных вдоль плоскости пересечения каналов и предписываемых геометрией пресс-формы. Поскольку из-за жесткого конца материал движется с одинаковой поступательной скоростью в обоих каналах, то его упрочнение вблизи вершины веероподобной зоны происходит более интенсивно, и радиус изгиба в-линий меньше. При этом у-линии координатной сетки не меняют своего наклона, а в-линии плавно изгибаются, что и наблюдается на рис. 3.
Таким образом, при условии значительного контактного трения и наличии жесткого конца, характер течения материалов при равноканальной угловой экструзии отличается от предсказанного теорией [6]. При сохранении трения, но в отсутствие жесткого конца, то есть при быстрых процессах релаксации напряжений в некоторых, например, чистых материалах или при повышенных температурах, деформация верхних слоев образца будет больше, чем нижних. Это зафиксировано экспериментально рядом исследователей, например, в работе [9].
«Большой» сдвиг, предписываемый геометрией инструмента, реализуется за счет ряда малых сдвигов в параллельных плоскостях. Он как бы размывается в полосе некоторой ширины, образующей зону активной пластической деформации при равноканальной угловой экструзии. Ширина этой зоны зависит от склонности материала к деформационному упрочнению и величины коэффициента трения при данных условиях экструзии
и определяет радиус изгиба в-линий координатной сетки.
Из-за наличия жесткого выходного конца образца интенсивность деформации в верхней его части гораздо выше, чем в нижней половине. Этот факт, при наличии жесткой или «мертвой» зоны во внешнем углу, в ряде случаев способствует формированию гофра (волнистости) на плоскости течения образца. В таком случае, начиная ниже некоторого масштабного уровня, деформированное состояние упрочняющегося материала при равноканальной угловой экструзии уже нельзя рассматривать как плоское, а течение материала нельзя считать однородным. Следовательно, и величину произведенной пластической деформации нельзя оценивать по формулам (1)-(3). Она может значительно превосходить предсказанные теорией значения и определяться не только геометрическими факторами, но и скоростью процессов упрочнения и релаксации напряжений, механизм которых зависит от состава деформируемого сплава, скорости прессования и температуры процесса равноканальной угловой экструзии.
4. Выводы
1. В работе предложена оригинальная ориентация линий координатной сетки, которая позволяет эффективно оценивать характер течения материала при равноканальной угловой экструзии на макромасштабном уровне.
2. Показано, что при равноканальной угловой экструзии упрочняющихся сплавов под влиянием сил контактного трения в образце формируется жесткий выходной конец, который, в свою очередь, на более низких масштабных уровнях во многом меняет характер течения материала в очаге интенсивной пластической де-
формации, по сравнению с таковым для материалов, не склонных к деформационному упрочнению.
3. Показано, что напряженно-деформированное состояние упрочняющегося материала в очаге деформации при равноканальной угловой экструзии имеет сложный характер, что затрудняет его аналитическое описание и не позволяет использовать для расчетов известные формулы, полученные в предположении идеального пластичного материала.
Литература
1. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др. Процессы пластического структурообразования металлов. - Минск: Навука i тэхни-ка, 1994. - 232 с.
2. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. - Новосибирск: Наука, 2001. - 232 с.
3. NakashimaK., Horita Z., NemotoM., Langdon T.G. Influence of channel angle on the development of ultrafine grains in equal-channel angular pressing // Acta Mater. - 1998. - V. 46. - No. 5. - P. 1589-1599.
4. Русин Н.М., Канг С.Б., Савицкий А.П. Геометрический анализ осо-
бенностей распределения мод деформации в материалах при равноканальной угловой экструзии // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. -№ 5. - С. 107-113.
5. Томленов К.Д. Теория пластического деформирования металлов. - М.: Металлургия, 1972. - 408 с.
6. Segal VM. Equal channel angular extrusion: from macromechanic to structure formation // Mater. Sci. Eng. - 1999. - A271. - P. 322-333.
7. Horita Z., Furukawa M., Oh-ishi K. et al. Equal-channel angular pressing for grain refinement of metallic materials // IV Int. Conf. on Recrystallization and Related Phenomena / Eds. T. Sakai, H.G. Suzu-ki.- JIM, 1999. - P. 301-308.
8. Русин Н.М., Канг С.Б. Влияние контактного трения на процесс равноканальной угловой экструзии материалов. Часть I. Экструзия образцов без покрытий // Трение и износ. - 2002. - Т. 23. - №2 1. -С. 100-104.
9. Bowen J.R., Gholinia A., Roberts S.M., Prangnell P.B. Analysis of the billet deformation behaviour in equal channel angular extrusion // Mater. Sci. Eng. - 2000. - A287. - P. 87-99.
Investigation of plastic flow peculiarities for aluminum alloys in equal-channel angular extrusion
N.M. Rusin
Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
Position of flow lines was examined in a plastic deformation site. An unconventional orientation of the grid lines was proposed. It allowed the peculiarities of plastic flow of materials to be clearly revealed at the macroscopic scale level in equal-channel angular extrusion. It was shown that in equal-channel angular extrusion plastic flow of hardening aluminum alloys in a deformation site has a complex character. As a consequence, theoretical formulas known fail to determine true strain values.
