Влияние типа кристаллической решетки на закономерности ударного разрушения материалов в субмикрокристаллическом состоянии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК б20.18б.4+539.23+539.21б.1:531

ВЛИЯНИЕ ТИПА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ

© Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова, И.П. Семенова, Р.К. Исламгалиев, Г.И. Рааб

Ключевые слова: прочность; механизм разрушения; ударная вязкость; структура; равноканальное угловое прессование (РКУП); субмикрокристаллическое состояние.

Исследованы закономерности ударного разрушения материалов с ОЦК решеткой (сталь 10), ГЦК решеткой (алюминиевый сплав АК4-1) и ГПУ решеткой (титан Gradе 4) в исходном состоянии и после РКУП, в субмик-рокристаллическом состоянии. Ударные испытания проводили в широком интервале температур.

Введение. Известно, что равноканальное угловое прессование (РКУП), формируя субмикрокристалличе-скую структуру, значительно повышает твердость и прочностные характеристики металлических материалов, однако, как правило, снижает пластичность и неоднозначно влияет на ударную вязкость [1-4]. Последний факт пока не находит должного объяснения, хотя с позиции структурных особенностей субмикрокристал-лических материалов можно предположить, что в процессе РКУП кроме зерен нано- и субмикрокристалли-ческого размера образуются неравновесные границы зерен, нанодвойники, сегрегации легирующих элементов по границам зерен и наноразмерные частицы вторых фаз [5]. Все эти элементы сложной структуры вносят свой вклад в зернограничное упрочнение, однако большинство из них отрицательно влияет на пластические свойства материалов [б].

Целью настоящей работы является изучение влияния типа кристаллической решетки на закономерности ударного разрушения в широком интервале температур материалов в субмикрокристаллическом состоянии, полученном путем РКУП.

Материалы и методики исследования. В качестве материалов с ОЦК решеткой была использована сталь 10 (0,11 % С), в качестве материала c ГПУ решеткой -титан Gradе 4, в качестве материала с ГЦК решеткой -алюминиевый сплав АК4-1 (2,46 % Cu; 1,48 % Mg; 0,89 % Fe; 0,92 % Ni; 0,22 % Si). Материалы исследовали в исходном состоянии и после РКУП (сталь 10), РКУП-конформ (Grade 4) и РКУП + экструзии (АК4-1) в субмикрокристаллическом состоянии. Средний размер зерна всех материалов после РКУП составлял d^ = = 300 нм. Исследование структуры материалов после РКУП проводили в просвечивающем электронном микроскопе JEOLJEM21OO. Испытания образцов на ударную вязкость (KCV) проводили на копре МК-30 в широком интервале температур. Полученные изломы исследовали методом макро- и микрофрактографии в растровом микроскопе JSM-6092.

Результаты исследования и их обсуждение. На температурной зависимости ударной вязкости (^V) стали 10 видно (рис. 1), что в исходном состоянии (dср = 45 мкм) сталь 10 имеет ярко выраженный интервал вязко-хрупкого перехода (примерно от -5 до 1OO “С),

а после 4 проходов РКУП при температуре 200 °С (<^ср = = 300 нм) - узкий интервал вблизи температуры 50 °С. При этом порог хладноломкости стали 10 практически не изменился. После 4 проходов РКУП при температуре 400 °С (<^ср = 500 нм) интервал вязко-хрупкого перехода стали 10 сместился на 100 °С в сторону низких температур (рис. 1). В нижней области вязко-хрупкого перехода сталь 10 в исходном состоянии разрушилась по механизму скола, а после РКУП - по механизму квазискола. В верхней области вязко-хрупкого перехода сталь 10 во всех случаях разрушалась вязко с образованием ямочного микрорельефа.

■200 -150 -100 -50 О 50 100 150 200 250

Т(°С)

Рис. 1. Температурная зависимость ударной вязкости (КСУ) стали 10 в исходном состоянии и после различных режимов РКУП

Результаты испытания титана Grade4 на ударную вязкость в интервале температур от -196 до 500 °С показали (рис. 2), что РКУП-конформ сужает интервал повышения ударной вязкости титана аналогично сужению интервала вязко-хрупкого перехода, наблюдаемого в стали 10 после РКУП. По-видимому, сужение данных температурных интервалов после РКУП - общая закономерность для материалов как с ОЦК, так и с ГПУ решеткой.

Механизм разрушения титана в исходном состоянии при температуре -196 °С - скол и гребни отрыва, а при температурах 20-350 °С - крупные, плоские и неглубокие ямки, чередующиеся с небольшими плоскими фрагментами. При температуре испытания 500 °С образцы полностью не разрушились. После РКУП-

2002

3,0 2,5 <£2,0 | 1.5

О * 1,0

0,5

0,0

О ▲ Исходное РКУП-конформ

£

-200

-100

100 200

t (°С)

300

400

500

Рис. 2. Температурная зависимость ударной вязкости (KCV) титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ

конформ микрорельеф низкотемпературных изломов и изломов, полученных при 20 °С, состоит из очень мелких ямок, покрывающих микрогребни; при высоких температурах - из округлых ямок, чередующихся с вытянутыми ямками. При температуре испытания 250 °С образцы полностью не разрушились.

Алюминиевый сплав АК4-1 исследовали в исходном состоянии и после РКУП + экструзии. Ударные испытания показали, что в интервале температур от -196 до 300 °С ударная вязкость (KCV) сплава как в исходном состоянии, так и после РКУП + экструзии, практически не меняется (рис. 3). При этом ударная вязкость сплава после РКУП + экструзии несколько ниже, чем ударная вязкость сплава в исходном состоянии. Сплав АК4-1 как в исходном состоянии, так и после РКУП + экструзии при всех исследуемых температурах разрушался вязко с образованием ямочного микрорельефа.

1,0-. 0 8

• A Исходно РКУП В

0 4-

I 0,2- «

1 1 • * I I

0,0 I » » ft j ■ ’ X ' i

-200

-100

0 100 t ( С)

200

300

ломкости стали 10 после РКУП при 200 °С практически не изменяется. Повышение температуры РКУП до 400 °С смещает интервал вязко-хрупкого перехода в область низких температур. В материале с ГЦК решеткой (сплав АК4-1) ударная вязкость после РКУП практически не изменяется в широком интервале температур (от -196 до 300 °С).

Доминирующим механизмом низкотемпературного ударного разрушения образцов из стали 10 в исходном состоянии является скол, а после РКУП - квазискол. В верхней области вязко-хрупкого перехода сталь 10 после различных режимов РКУП разрушается вязко с образованием ямочного микрорельефа. Механизм разрушения титана Grade 4 в исходном состоянии при температуре -196 °С - скол с гребнями отрыва, а при температурах 20-350 °С - крупные, плоские, неглубокие ямки. После РКУП-конформ микрорельеф изломов титана Grade 4 состоит из мелких округлых ямок, чередующихся с вытянутыми ямками. Сплав АК4-1 в исходном состоянии и после РКУП + экструзии при всех исследуемых температурах разрушается вязко с образованием ямочного микрорельефа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.

2. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., РаабГ.И., Клевцова Н.А., ФесенюкМ.В., Кашапов М.Р. Механизм ударного разрушения стали 10 с субмик-рокристаллической структурой в интервале вязко-хрупкого перехода // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 8. С. 9-13.

3. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Исламгалиев Р.К., Клевцова Н.А., Кашапов М.Р., Фесенюк М.В. Прочность и механизм разрушения нано-струтурированного алюминиевого сплава АК4-1 в широком интервале температур // Фундаментальные исследования. 2012. № 3. Ч. 2. С. 391-395.

4. Валиев Р.З., Клевцов Г.В., Семенова И.П., Клевцова Н.А., Гунде-ров Д.В., Фесенюк М.В., Кашапов М.Р. Прочности и механизм ударного разрушения титана Grade 4 и титанового сплава ВТ6 в исходном и субмикрокристаллическом состояниях // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 11. С. 32-37.

5. ValievR.Z., Langdon T.G. Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement // Progress in Materials Science. 2006. V. 51. Р. 881-981.

6. Valiev R.Z., Alexandrov I.V., Zhu Y.T., et al. Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation // J. Mater. Res. 2002. V. 17. № 5. P. 5-8.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Авторы благодарны всем сотрудникам ИФПМ УГАТУ и ОГУ, принимавшим участие в испытаниях и исследовании материалов.

2. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-08-00208_а).

Рис. 3. Температурная зависимость ударной вязкости (KCV) алюминиевого сплава АК4-1 в исходном состоянии и после РКУП + экструзия

Заключение. Тип кристаллической решетки оказывает существенное влияние на закономерности ударного разрушения материалов в субмикрокристаллическом состоянии. РКУП, формируя субмикрокристалличе-скую структуру, сужает интервал вязко-хрупкого перехода в материале с ОЦК решеткой (сталь 10) и температурный интервал интенсивного изменения ударной вязкости в материале с ГПУ решеткой (титан Grade 4) по сравнению с исходным состоянием. Порог хладно-

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Klevtsov G.V., Valiyev R.Z., Klevtsova N.A., Semenova I.P., Islamgaliyev R.K., Raab G.I. INFLUENCE OF CRYSTAL LATTICE TYPE ON REGULARITIES OF IMPACT FRACTURE OF MATERIALS IN SUB MICROCRYSTAL STATE

Regularities of impact fracture of materials with BCC lattice structure (steel 10), FCC lattice structure (aluminum alloy AK4-1) and hexagonal lattice structure (titan Grade 4) in the initial state and after ECAP in sub microcrystal state was established. Impact tests were conducted in the wide temperature interval.

Key words: strength; fracture mechanism; impact strength; structure; equal canal angular pressing (ECAP); sub microcrystal state.

2003