Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Современное состояние и перспективы промышленного применения интенсивной пластической деформации и других видов обработки для изготовления объемных металлических полуфабрикатов с ультрамелкозернистой и наноструктурами

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 613472.01.99
Петров, А.П. Современное состояние и перспективы промышленного применения интенсивной пластической деформации и других видов обработки для изготовления объемных металлических полуфабрикатов с ультрамелкозернистой и наноструктурами [Электронный ресурс] / А.П. Петров // Современные технологии обработки металлов и сплавов: Сборник научно-технических статей. - Москва : МАТИ: ИНФРА-М, 2015. - с. 7-17. - ISBN 978-5-16-010767-7. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/515349 (дата обращения: 24.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

7

РАЗДЕЛ  1.   ТЕОРИЯ  И  ТЕХНОЛОГИЯ            

ОБРАБОТКИ   МЕТАЛЛОВ  И  СПЛАВОВ  ДАВЛЕНИЕМ 

 

УДК 669.017:621.73 
DOI 10.12737/8139 

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ  ИНТЕНСИВНОЙ 

ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ДРУГИХ ВИДОВ 

ОБРАБОТКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУФАБРИКАТОВ С 

УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ И НАНОСТРУКТУРАМИ 

Петров Анатолий Павлович 

 профессор, д.т.н. 

ФГБОУ ВПО  "МАТИ – Российский  государственный  

технологический университет   имени  К.Э. Циолковского" 

121552, г. Москва,  Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53.  e-mail: petrovap@mati.ru  

 

В статье рассматриваются характеристики ультрамелкозернистых и нано
кристаллических металлических материалов, оцениваются их уникальные свойства, 

сложность изготовления. Особое внимание уделено методам  получения НК материа
лов конструкционного назначения и перспективам промышленного внедрения. 

 

Проблемой прочности и пластичности, исследованиями уникальных 

свойств металлических материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) и нано
кристаллической (НК)  структурами в последние годы успешно занимают
ся многие отечественные и зарубежные научные коллективы с финансиро
ванием их работ как по государственным так и по международным про
граммам. Получают поддержку как фундаментальные, так и прикладные 

исследования, направленные  на разработку инновационных технологий 

для конкретных изделий и полуфабрикатов. Причем, все больше внимания 

уделяется развитию так называемых "эволюционных" нанотехнологий, це
лью которых является оптимизация параметров существующих технологи
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

8

ческих процессов, оборудования и оснастки для достижения у получаемых 

изделий особых свойств и поверхностных эффектов, проявляющихся на 

микро - и наноуровнях.  

Между макроуровнем материала, описываемым континуальными 

теориями сплошной среды, и атомным уровнем, подчиняющимся законам 

квантовой механики, находится промежуточный наноструктурный уровень 

данного материала. Нанотехнологии призваны реализовывать различные 

методы (физические, химические и др.) перевода вещества в нанокристал
лическое состояние, что и приводит к качественному изменению его 

свойств. 

Значительный интерес к объемным УМЗ и НК  материалам обуслов
лен тем, что конструкционные и функциональные свойства этих материа
лов существенно улучшаются по сравнению со свойствами их крупнозер
нистых аналогов. Это обусловлено наличием в УМЗ и НК структурах ча
стиц (кластеров), тонких слоев, зерен и фаз, у которых характерный размер 

не превышает 500 нм – для УМЗ структур и  100 нм- для НК структур . 

Принципиально важным для НК структур является также наличие высоко
угловой разориентировки границ зерен.  При таких размерах и параметрах 

структурных элементов в 3…5 раз повышается прочность чистых металлов 

и до 1,5 раз- прочность современных многофазных сплавов при сохране
нии в допустимых пределах пластичности и трещиностойкости. На 20…30 

% повышается усталостная прочность, в несколько раз возрастает стой
кость к износу и эрозии [1-5]. 

Согласно геометрической классификации Р.Зигеля [5] (рис.1) можно 

выделить нанодисперсные (атомные кластеры и наночастицы), многослой
ные наноматериалы, наноструктурные покрытия и объемные нанострук
турные материалы. С точки зрения получения наноструктурных материа
лов конструкционного назначения наибольший интерес представляют 

материалы групп 1-3. 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

9

 
Рис.1.   Классификация наноматериалов по Р.Зигелю: 0 – атомные кла
стеры и наночастицы; 1 – многослойные  материалы; 2 -  наноструктур
ные  покрытия; 3 -  объемные  наноструктурные материалы. 

   

  НК материалы, относящиеся к группе 1, могут быть получены [5]  

методами физического (PVD) и химического (CVD) осаждения из газовой 

фазы, электроосаждения, многократной прокатки и др. Так например, 

твердость и предел прочности многослойного НК материала толщиной 50 

мкм, состоящего из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм, полу
ченного методом CVD, в 15 раз превышают аналогичные характеристики 

сплава соответствующего состава. 

Для получения наноструктурных покрытий  (группа 2) также исполь
зуют разные методы физического и электрохимического воздействия на 

поверхность металла: плазменное нанесение покрытий, физическое и хи
мическое осаждения из газовой фазы, магнетронное напыление, микроду
говое оксидирование и др. 

Большой научно-практический интерес представляют результаты ра
боты по реализации нового подхода к проблеме повышения конструкци
онной прочности - не за счет получения НК структуры во всем объеме де
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

10

тали, а только в ее поверхностном слое, выполняемые в Харьковском 

национальном автомобильно-дорожном университете [7].  Показано, что 

наиболее эффективным методом наноструктурирования поверхности 

стальных (18ХГТ, 40ХФА и др.) заготовок является ионно-плазменная об
работка, которая не только модифицирует свойства поверхностного слоя, 

но и существенно увеличивает прочность всего изделия (объемную проч
ность): временное сопротивление повышается на 24%, предел текучести на 

– на 42%. При этом относительное удлинение остается на том же уровне, а 

относительное сужение даже имеет тенденцию к росту ( на 3-4%). Это яв
ление объяснено залечиванием мелких имеющиеся и вновь образующихся 

при деформации поверхностных дефектов аналогично эффекту акад. А.Ф. 

Иоффе при растяжении образцов из каменной соли в воде, особым поведе
нием наноструктурных слоев при последующей деформации, реализацией 

механизмов недислокационной пластичности. 

Наиболее перспективны для изготовления деталей конструкционного 

назначения УМЗ и НК материалы, относящиеся к группе 3. Для получения 

объемных нанокристаллических материалов наибольшее  распространение 

получили компактирование нанопорошков (метод порошковой металлур
гии) и интенсивная пластическая деформация (ИПД). 

Методы и технологические процессы порошковой металлургии по
лучения объемных наноматериалов, их возможности и перспективы прак
тического использования в различных отраслях подробно изложены в мо
нографии [5]. Несмотря на безусловные достижения, промышленная реа
лизация этих процессов сдерживается качеством получаемых полуфабри
катов, обусловленном сохранением  остаточной пористости, загрязнением 

нанопорошков при их получении и компактировании, большой трудоемко
стью практического использования [1,4,8]. Все это послужило  основанием 

для поиска альтернативных способов получения объемных материалов с 

наноразмерной микроструктурой. 

Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

11

Для решения указанной проблемы Р.З.Валиевым с сотрудниками 

[1,4] было предложено использование методов обработки, названной ими 

интенсивной пластической деформацией (ИПД). Задачей методов ИПД яв
ляются формирование наноструктур в объемных металлических образцах 

и заготовках путем измельчения их микроструктуры до наноразмеров. 

Методы ИПД заключаются в деформировании заготовок с большими 

сдвиговыми степенями деформации в холодном состоянии или при отно
сительно низких температурах  нагрева Т < (0,3 … 0,4) Тпл и высоком дав
лении, что позволяет получать объемные беспористые металлические 

наноматериалы с однородной по всему объему заготовки наноструктурой с 

большеугловыми границами зерен. 

К числу наиболее исследованных и перспективных для промышлен
ного применения методов ИПД относятся: 

• кручение под высоким давлением; 

• равноканальное угловое прессование; 

• мультиосевая деформация; 

• аккумулируемая прокатка. 

Кручение под высоким давлением обычно производят на установках 

(рис.2, а), являющихся модификациями известной наковальни Бриджме
на [1, 3-6]. Заготовка укладывается в углубление вращающегося нижнего 

бойка, что предотвращает вытекание металла на плоскость разъема бойков 

и обеспечивает в пластической зоне высокое квазигидростатическое дав
ление (до 10 ГПа), позволяющее деформировать заготовку простым сдви
гом с высокой степенью деформации (истинная логарифмическая дефор
мация до 10) без разрушения. Именно этот метод впервые эксперимен
тально показал реальную возможность получения сплошных металличе
ских заготовок (дисков) с НК структурой интенсивной пластической де
формацией [1]. И сейчас метод успешно используется для моделирования 

предельного измельчения структуры материала [6]  и как один из эффек
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
12

тивных способов  получения практически беспористых заготовок из по
рошков [1].  

Равноканальное угловое (РКУ) прессование (рис. 2,б) было разрабо
тано проф. В.М.Сегалом для деформации заготовок простым сдвигом без 

изменения формы и размеров их поперечного сечения. Метод получил раз
витие в работах Р.З. Валиева с сотрудниками [1,4] как перспективный для 

промышленного применения для получения НК материалов различного 

конструкционного назначения. 

               
       
          

Рис.2.  Принципы методов интенсивной пластической деформации [1]:  

 а - кручение под высоким давлением;   

б - равноканальное угловое прессование. 

 

При  РКУ прессовании заготовка многократно продавливается через 

два канала равного поперечного сечения, пересекающихся обычно под уг
лом 90°, что позволяет достигать высоких степеней деформации простым 

сдвигом. В случае обработки труднодеформируемых материалов деформа
ция осуществляется при повышенных температурах, но не выше (0,3…0,4) 

Tпл.. 

В процессе РКУ прессования для структурообразования весьма важ
ным является направление и число проходов заготовки через каналы[1]. С 

целью интенсификации сдвиговых деформаций и, соответственно, прора
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

13

ботки структуры металла используют 3 основных варианта (маршрута) 

(рис.3). 

Применение  этих маршрутов и их разновидностей  приводит к 

упрочнению деформируемого  металла  и существенному росту усилия на 

первых 3-5 проходах, На последующих проходах наступает установившая
ся стадия и усилие  практически не меняется [1].  

В монографиях [1,4] приведена обширная информация о результатах 

металлографических исследований структуры заготовок и параметрах тех
нологии  РКУ  прессования  Al, Fe, Ni, Ti, W и их сплавов. 

 
 

Рис.3. Варианты РКУ - прессования [4]:  

а – маршрут А; б – маршрут В; в – маршрут С. 

       

Показано, что характер формирующейся  УМЗ и НК структуры, 

удлинение зерен, доля большеугловых границ зерен определяются не 

только степенью деформации, но и геометрией оснастки и режимами прес
сования. Необходимо также учитывать влияние на конечную структуру 

деформационного разогрева металла при РКУ прессовании, исходной 

структуры заготовок и фазовый состав сплава. Следует отметить, что, судя 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
14

по опубликованным данным, все исследования РКУ прессования пока про
водятся в лабораторных условиях и не вышли на уровень промышленного 

опробования и внедрения. Это обусловлено незавершенностью исследова
ний уровня и стабильности свойств и структуры получаемых полуфабри
катов конструкционного назначения, а также несовершенством технологи
ческой оснастки и отсутствием оптимизации параметров самого процесса 

РКУ прессования. Для внедрения этого перспективного процесса в произ
водство требуется разработка конкретных технологических рекомендаций  

по основным группам сплавов.  

Г.А.Салищев с соавторами [9] для получения УМЗ структуры в заго
товках из труднодеформируемых сплавов предложили использовать так 

называемую мультиосевую деформацию всесторонней ковкой при темпе
ратурах T< Tрекр. (рис.4).                                                                                     

                  
 
Рис.4. Технологическая схема интенсивной пластической деформации               

ковкой  [9]. 

Дальнейшее развитие этот метод получил при проведении  всесто
ронней ковки в изотермических условиях в специальном блоке [2]. Сооб
Раздел 1.  Теория и технология обработки металлов и сплавов давлением 
 

15

щается, что деформация в таких условиях заготовок из титанового (α+β)- 

сплава ВТ6 с исходным размером β-зерен 230 мкм проводилась при темпе
ратуре 650 °С  и скорости деформации  ~10-3с-1. В результате в заготовке 

сформировалась равномерная УМЗ структура со средним размером зерен 

0,6 мкм. 

УМЗ структура позволила при последующей изотермической дефор
мации поковок лопаток ГТД  снизить температуру штамповки от 920 °С 

(серийная технология) до 700 °С, т.е. более, чем на 200 °С., что существен
но улучшило работоспособность, экономичность и условия эксплуатации 

изотермических блоков. Штамповку осуществляли на серийном гидравли
ческом прессе усилием 16 МН со степенью деформации 88% при средней 

скорости деформации ~ 10-3с-1. При этом полученные поковки лопаток 

обеспечили улучшение прочностных и усталостных характеристик конеч
ного изделия и сохранение в допустимых пределах пластичности и трещи
ностойкости. Таким образом, данный технологический процесс, реализу
ющий метод мультиосевой деформации и преимущества УМЗ структуры 

обрабатываемого металла, может рассматриваться как перспективный для 

промышленного внедрения.  

Для получения плоских полуфабрикатов с УМЗ и НК структурами 

методом ИПД на серийном листопрокатном оборудовании предложено ис
пользовать аккумулируемую прокатку с соединением (АПС) [6].  

 Сущность АПС состоит в последовательной прокатке, резке прока
танной заготовки, сборке разрезанных заготовок в пакет исходной толщи
ны, следующей прокатке пакета и т.д. до исчерпания ресурса пластичности 

прокатываемого металла. В процессе прокатки происходит не только де
формация, но и соединение контактирующих слоев для получения в ко
нечном итоге единого твердого тела. Для лучшего соединения слоев и 

уменьшения усилия прокатки возможен нагрев заготовок до температур  

T< Tрекр..  

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

16

И хотя в процессе АПС не соблюдается одно из основных условий 

ИПД (наличие в зоне деформации высокого квазигидростатического дав
ления), он успешно опробован на алюминиевых сплавах и низкоуглероди
стых сталях, в которых был получен средний размер зерна 80…300 нм [6]. 

Это дает возможность, во-первых, использовать полученные плоские по
луфабрикаты непосредственно для обшивки корпусов изделий, реализуя 

их повышенные прочностные свойства. А, во-вторых, осуществлять после
дующие операции листовой штамповки (формовка, вытяжка и др.) в усло
виях сверхпластичности при существенно меньших температурах и более 

высоких скоростях деформации. Метод АПС также применим для получе
нии композитов с субмикро- и наноразмерной толщиной слоя [10]. 

Опубликованные работы отечественных и зарубежных исследовате
лей [1-10]  свидетельствуют о реальной возможности изготовления в про
изводственных условиях на существующем серийном технологическом 

оборудовании  металлических полуфабрикатов и изделий конструкционно
го назначения с УМЗ  и НК структурами. Для этой цели разрабатываются 

специальные методы обработки, виды оснастки и приспособлений, иссле
дуются и оптимизируются технологические режимы и переходы, позволя
ющие воздействовать на обрабатываемые материалы таким образом, чтобы 

в них сформировалась структура с требуемыми параметрами по величине 

зерна, углами границ зерен, видам  и морфологии дислокаций и др.  

Успехи в исследованиях физической природы  и реологии методов 

интенсивной пластической деформации, других методов высокоэнергети
ческого воздействия  на металл, положительные результаты промышлен
ного опробования разработанных технологий определяют прогресс в ме
таллообработке и создают предпосылки в области практического исполь
зования в изделиях современного машиностроения объемных конструкци
онных материалов с УМЗ и НК структурами, обладающих уникальными 

свойствами.