Влияние интенсивной пластической деформации кручением и термообработки на свойства сплава БрБ2

Аллаяров Тагир Рузэльевич

Влияние интенсивной пластической деформации кручением и термообработки на свойства сплава БрБ2

В выпускной квалификационной работе представлено влияние параметров старения (температуры старения и времени старения) на механические свойства крупнозернистого и наноструктурированного методом интенсивной пластической деформации (ИПДК) сплава БрБ2. Более ранние результаты исследований показывают, что ИПДК, примененная к отожженным до твердого раствора бинарным медным сплавам, таких как CuCr и CuW приводит к динамическому старению. Этот процесс сопровождается измельчением зерна с размером менее чем 100 нм и значительным улучшением механических свойств. Так как сплавы бериллиевой меди, как правило, используются в качестве упругих элементов, таких как пружины и амортизаторы, то усиление механических свойств путем наноструктурирования является очень привлекательным для применения в широком спектре. В качестве первого шага были проведены исследования влияния параметров старения на механические свойства с помощью вычисления значения микротвердости по Викерсу (HV), а также проведены испытания на статическое разрушение. Было установлено, что крупнозернистый сплав имеет максимальное значение микротвердости HV после отжига при температуре 780°С в течение 30 минут и старении при температуре 325°C в течение 10 часов. ИПДК приводит к оптимальной температуре старения и уменьшает время старения до 275°С и 30 минут соответственно. Для крупнозернистых и деформированных методом ИПДК сплавов были построены графики зависимости напряжения от деформации, связанные с четырьмя различными стадиями старения: отожженные, недостаренные, на пике старения и перестаренные. Анализ деформационного поведения показал, что ИПДК может увеличить предел текучести сплава с 1170 МПа до 1300 МПа. Полученные результаты говорят о возможности применения метода ИПДК для будущей эффективной модификации механических и функциональных свойств бериллиевых сплавов.

Математика

Дипломы

Вуз: Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)

ID: 587d36635f1be77c40d58e34

UUID: ae30147b-e337-4a9b-88ff-37f5a4a4339f

Язык: Русский

Опубликовано: почти 8 лет назад

Просмотры: 59

Аллаяров Тагир Рузэльевич

Источник: Санкт-Петербургский государственный университет

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 4316222 bytes

Поделиться работой

Санкт-Петербургский государственный университет Механика и математическое моделирование Механика деформируемого твердого тела Аллаяров Тагир Рузэльевич Влияние интенсивной пластической деформации кручением и термообработки на свойства сплава БрБ2 Бакалаврская работа Научный руководитель: д. ф.-м.н., профессор Валиев Р.З. Рецензент: к. ф.-м.н. Сибирёв А.В. Санкт-Петербург 2016

SAINT-PETERSBURG STATE UNIVERSITY Mechanics and Mathematical Modelling Deformable Body Mechanics Allayarov Tagir Influence of high-pressure torsion and heat treatment on properties of CuBe2 alloy Bachelor’s Thesis Scientific supervisor: prof. Valiev R.Z. Reviewer: Ph. D. Sibirev A.V. Saint-Petersburg 2016

Оглавление Введение 4 1. Обзор литературы 1.1. Методика интенсивной пластической нием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Свойства меди и её сплавов . . . . . 1.3. Свойства сплава БрБ2 . . . . . . . . 6 деформации круче. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9 12 2. Объекты и методики 2.1. Цели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Объекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Методики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 18 18 19 3. Результаты исследований 24 Заключение 30 Список литературы 32 3

Введение На протяжении всей истории человечества медь и её сплавы играли одну из важнейших ролей для становления человечества как вида, во многом определив и обеспечив пути его развития. Начиная с бронзового века и до сегодняшних дней, медные сплавы являются одними из важнейших материалов, находящих применение в различных областях промышленности и техники. Вместе с тем исследователи всего мира не останавливаются в процессе развития и изучения методов эффективного воздействия на данные материалы для улучшения их функционально-механических свойств. Медь - мягкий металл, отличающийся хорошей электро- и теплопроводностью. Для направленного изменения и варьирования комбинации механических и функциональных свойств принято применять сплавы меди с различными элементами. Основными сплавами меди являются броза – сплав меди с оловом, и латунь – сплав меди с цинком. Каждый из них в свою очередь формирует целый класс материалов, и может содержать широкий ряд других химических элементов таких как висмут, алюминий, кремний и другие. Сплав бериллия с медью отличается от остальных медных сплавов своей высокой прочностью и выдающими усталостными свойствами. Изменение концентрации бериллия позволяет направленно изменять сочетание механических и функциональных свойств. Так, сплав с низким содержанием бериллия (0,3 – 0,7 вес. %) демонстрирует хорошую тепло- и электропроводность, но меньшую прочность, в то время как увеличение содержания бериллия до 2,5 вес. % приводит к увеличению предела текучести до 1200 МПа и обеспечивает хорошую усталостную выносливость. Высокопрочные меднобериллиевые сплавы широко применяются для производства деталей механизмов ответственного назначения, пружин, подшипников, штампов и не искрящего инструмента. Одним из примечательных методов направленного изменения свойств металлов является интенсивная пластическая деформация (ИПД). Данная методика многие годы вызывает большой интерес у исследователей, 4

поскольку применение некоторых её разновидностей, таких как равноканальное угловое прессование (РКУП) и интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК), позволяет добиться измельчения зерна до размеров 5 нанометров, что неизбежно ведет к формированию новых научных принципов и закономерностей, применяемых к данным материалам. Существует множество работ как российских, так и зарубежных ученых наглядно показывающих, как данные методики приводят к улучшению немаловажных свойств медных сплавов, таких как прочность, выносливость и тепло- и электропроводность. Поскольку бериллиевые бронзы уже сами по себе обладают выдающимися параметрами, то изучение влияния методов ИПД на их свойства представляется интересной задачей, решение которой, помимо расширения границ применения бериллиевых бронз, будет способствовать определению кинетики деформационного упрочнения легированных медных сплавов. Таким образом, целью данного исследования явилось первичное изучение свойств бериллиевой бронзы и особенностей влияния интенсивной пластической деформации на её механические свойства. В ходе решения поставленной задачи была изучена кинетика старения сплава БрБ2 в крупнозернистом и наноструктурированном методом ИПДК состоянии. Показано, каким образом выбор режима термомеханической обработки влияет на механическое поведение изучаемого сплава. Результаты исследования показали, что ИПДК способно оказывать сильное влияние на свойства материала и в будущем требуется более тщательное изучение аспектов дисперсионного упрочнения данного класса материалов современными методами изучения состояния вещества, такими как электронная микроскопия и дифференциальная сканирующая калориметрия. 5

1. Обзор литературы 1.1. Методика интенсивной пластической деформации кручением Обработка металлов давлением – это процесс, при котором металлу придается нужная форма и размер под силовым воздействием. Пластические свойства металлов позволяют сохранить полученные форму и размер, даже после того, как воздействие давления прекращается. При помощи методов обработки металлов давлением получают как заготовки, так и уже готовые изделия. При этом существует целый ряд различных методов, каждый из которых позволяет воздействовать на металл уникальным образом. Различают 5 основных методов обработки металлов: 1. Ковка Перед обработкой заготовку предварительно нагревают в специальной печи. Таким способом получается сделать металл более пластичным и податливым. Затем при помощи наковальни и молота заготовке придают нужную форму, причем различают ручную и машинную ковку. Несмотря на то, что этот метод — известен достаточно давно, ему всё ещё находится применение (в основном, в современном мелкосерийном производстве). 2. Прокатка При этом методе используется специальный комплекс устройств, который называется прокатным станом. В зависимости от выпускаемых изделий различают трубопрокатные, листопрокатные, проволочные, а также многие другие виды прокатных станов. Основными элементами стана являются вращающиеся валки, которые обжимают заготовку для придания ей нужной формы и размера. При этом валки не обязательно являются гладкими. При помощи валок с вырезками осуществляют прокатку для создания 6

фасонных изделий (отводы, тройники и т.д.). Прокатка бывает горячая (если заготовку предварительно подогревают) и холодная. 3. Волочение Волочение похоже на прокатку. Для волочения применяются волочильные станы, которые представляют собой целые комплексы. При волочении уменьшается поперечное сечение заготовки, а её длина при этом увеличивается. Данные изменения достигаются путем пропускания заготовки через волочильный глазок – основной элемент волочильного стана, который представляет из себя постепенно сужающееся отверстие. Проходя через него, заготовка приобретает нужную форму и размер. 4. Штамповка Штамповку производят на прессах или молотах. Этот метод позволяет производить изделия изделия определенных размеров и форм. При данном методе форму заготовке придают при помощи давления штампа. Подобный метод уже долгое время используется для производства монет. Различают листовую и объемную штамповки. Как ясно из названия, листовой штамповкой получают плоские изделия из стали и других металлов (обычно толщиной до 5 мм). 5. Прессование Заготовка металла, заключенная в форму, при помощи давления выдавливается через отверстие. Площадь отверстия должна быть меньше площади заготовки, что придаст изделию на выходе вид прутка. Данному виду обработки давлением подвергаются многие металлы, например, цинк, алюминий или медь. Также иногда применяют комбинации 2-их или нескольких методов обработки металлов давлением одновременно, что позволяет получать изделия сложных форм и размеров и расширяет возможности их применения. 7

Более подробно рассмотрим один из методов интенсивной пластической деформации — интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК). Интенсивная пластическая деформация кручением - это одна из разновидностей обработки материала давлением, в которой материал подвергается сдвиговой деформации под гидростатическим давлением. В настоящее время данная методика получает все больший интерес в силу своих больших возможностей в сфере исследования структурных и мультифункциональных свойств объемных наноструктурированных материалов. На Рис.1 представлен внешний вид установки для ИПДК и схема ее работы: образец помещается между верхним и нижним бойками наковальни Бриджмана. После чего к образцу прикладывается заданная нагрузка и придается вращение. (b) (a) Рис. 1: Установка для проведения ИПДК(а), схема работы (b) В ходе различных исследований [1] было установлено, как интенсивная пластическая деформация кручением влияет на структуру матери8

ала: увеличивает плотность деффектов кристаллической решетки [2], таких как вакансии; материал, подверженный ИПДК, деформируется неоднородно по радиусу, вследствие чего зёрна, удаленные от центра, деформируются больше, что приводит к их фрагментации, в результате чего структура материала становится мелкозернистой [2]; в свою очередь мелкозернистая структура оказывает влияние на механические и функциональные свойства материала, такие как магнетизм [3], электропроводность [4] и т.д. Таким образом, при помощи ИПДК можно добиться улучшения физических и механических свойств известных металлов и сплавов таких как, например, медь и ее сплавы. 1.2. Свойства меди и её сплавов Медь получила широкое применение в технике и промышленности благодаря ряду ценных свойств, которыми она обладает. Важнейшими свойствами меди являются высокие электро- и теплопроводность, высокая пластичность и способность подвергаться пластической деформации в холодном и нагретом состояниях, хорошая сопротивляемость коррозии и способность к образованию разнообразных сплавов с широким диапазоном различных свойств. Большой интерес вызывает поведение легирующих компонентов медных сплавов при ИПДК. Например, в статье [5] рассматривается крупнозернистый композитный материал W-25%Cu, в матрице которого неоднородно распределены крупные частицы вольфрама W (Рис. 2), и исследуется влияние ИПДК на данный материал при различных температурных режимах. В данном иследовании образцы W-25%Cu были изготовлены в форме дисков с диаметром 8 мм и толщиной 0,8 мм, после чего подвергались ИПДК до различных степеней деформации при различных температурах: комнатной температуре, 200°С, 400°С. После чего диски полировали, и, на расстоянии 3 мм от центра, делали разрез перпендикулярно основаниям диска с целью последующего исследования поверхности среза с помощью сканирующего электронно9

Рис. 2: W-%25Cu композит в состоянии поставки го микроскопа LEO 1525. В результате исследования поверхности среза было показано, что температура деформации оказала незначительное влияние на структуру материала при степенях деформации меньше 64 - структура материала осталась неоднородной(Рис 3. a, b, c), в то время как при деформациях больше 64 (Рис 3. e, d) достигалась более мелкозернистая и однородная структура. Рис. 3: Микроструктура W-%25Cu композита после ИПДК при комнатной температуре при степенях деформации 4(a), 16(b), 64(c), 256(d), 512(e) Таким образом, фрагментация крупных частиц W до наночастиц говорит о том, что методика ИПДК может успешно применяться для изготовления W-25%Cu нанокомпозитов. 10

Отдельный класс медных сплавов составлют бронзы. Бронза — это сплав меди, с оловом в качестве основного легирующего компонента, но к бронзам также относят медные сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами. Таким образом, бронзы разделяют на оловянные и безоловянные. Оловянные бронзы обладают хорошими механическими, антифрикционными и технологическими свойствами, а также высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в сухом и влажном водяном паре, в пресной и морской воде, в сухих газах и кислороде при нормальной температуре. В качестве примера можно привести сплав БрО5Ц5С5, который используется при создании антифрикционных деталей, вкладышей подшипников, арматуры; сплав БрО10С10, из которого создаются подшипники скольжения, работающие в условиях высоких удельных давлений; сплав БрО8Ц4, который используется для создания фасонных частей трубопровода и насосов, работающих в морской воде. Алюминиевые бронзы превосходят оловянные по механическим свойствам и коррозионной стойкости в атмосферных условиях, морской воде, углекислых растворах, а также в растворах многих органических кислот (лимонной, уксусной, молочной). Они кристаллизуются в узком интервале температур, немагнитны и не дают искр при ударах. К недостаткам алюминиевых бронз следует отнести тот факт, что они трудно поддаются пайке мягкими и твердыми припоями, имеют повышенную объемную усадку и недостаточно устойчивы к воздействию перегретого пара. Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости в алюминиевые бронзы чаще всего добавляют железо, никель, марганец (CuAl5, CuAl10Fe3, CuAl9Mn2, CuAl10Fe5Ni5). Железо способствует образованию более мелкой структуры и повышает механические свойства алюминиевых бронз. Никель значительно повышает прочность, твердость, коррозийную и жаростойкость алюминиевых бронз. Такие сплавы удовлетворительно переносят обработку давлением и применяются для деталей ответственного назначения как сплавы высокой проч11

ности. Также в широком диапазоне изменяются механические свойства алюминиевых бронз в результате термической обработки. Бериллиевые бронзы имеют высокие пределы прочности, упругости, текучести и усталости, а также высокие показатели электро- и теплопроводности, твердости, износоустойчивости, сопротивления ползучести, коррозионной стойкости и высокое сопротивление коррозионной усталости. В связи с весьма ценными свойствами, которыми обладают бериллиевые бронзы, они получили широкое применение в технике. Из них изготавливают пружины, мембраны, пружинящие контакты. Изготовленные пружины по своим свойствам при нормальной и повышенных температурах превосходят все другие пружины, они успешно применяются в условиях трения-качения, где недопустимы остаточные деформации материала (в шаровых сочленениях приборов и агрегатов и др.). Бериллиевые бронзы, мягкие и пластичные в закаленном состоянии, получают высокую упругость и твердость после отпуска. Добавление малого количества никеля и кобальта в бериллиевую бронзу улучшает механические свойства сплава. Одним из наиболее ярких представителей данного класса является бронза БрБ2 - двухкомпонентный сплав из меди и бериллия. В силу своей бинарности сплав БрБ2 является хорошим кандидатом для изучения закономерностей формирования и эволюции легирующих частиц в процессе ИПД и последующей термообработки. 1.3. Свойства сплава БрБ2 Сплав БрБ2 является весьма специфичным, отличным от других медных сплавов. Специфика этого сплава обусловлена содержащимся в нем бериллием. Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно-упрочняемых сплавов, особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры, что позволяет управлять свойствами бронз, как при производстве проката, так и при изготовлении изделий. В промышленных сплавах системы Cu-Be, как и в большинстве материалов с эффектом 12

дисперсионного упрочнения, концентрационная область располагается возле границы максимальной растворимости в твердом растворе, и соответствует примерно 2% содержания Be. Высокопрочные меднобериллиевые сплавы широко применяются для производства деталей механизмов ответственного назначения, пружин, подшипников, штампов и не искрящего инструмента. В данной системе сплава последовательность процессов старения от пересыщенного твердого раствора разделена, по меньшей мере, на 4 стадии, а именно [6]: твердый раствор → pона Гинье-Престона → γ ′′ → γ ′ → γ где зоны Гинье-Престона - многослойные пластины, которые формируются когерентно в плоскости матрицы {100}, γ ′′ метастабильная фаза с моноклинной структурой, γ ′ также метастабильна, но имеет ОЦК структуру, и γ фаза имеет равновесную ОЦК структуру. Кроме того, как было показано в статьях [7][8], что зоны Гинье-Престона не являются наименее стабильными среди метастабильных фаз в системе CuBe, так как при комнатной температуре наблюдались равноосные, обогащенные бериллием зоны, которые предшествовали их образованию. Процесс старения в данном сплаве можно рассматривать как изоструктурированную декомпозицию фазы ГЦК структуры на обогащенные и обедненные бериллием участки, с последующим превращением обогащенных бериллием ГЦК участков в обогащенные бериллием ОЦК участки. Можно сказать, что зоны Гинье-Престона, γ ′′ и γ ′ непрерывно переходят в последующие зоны в процессе влияния изотермического старения. Приведенная выше последовательность старения была широко изучена, с большим разнообразием описания морфологии, кристаллографии и промежуточных фаз, которые предшествуют равновесной γ фазе. В дополнению к непрерывному старению, ячейки, в которых старение происходило дискретно, перемещались от границ зерен к центру, где старение происходило непрерывно [6]. Вследствие большой твердости, которую изделия из меднобериллиевых сплавов приобретают после старения, они также обладают высоким сопротивлением износу при хороших антифрикционных свойствах. 13

Под действием влажной атмосферы сплав БрБ2 темнеет, покрываясь толстой оксидной пленкой, которая совершенно не влияет на его механические качества. Хорошее скольжение изделий из бронзы БрБ2 обеспечивается наличием на их поверхности именно пленки из окислов металлов, входящих в состав сплава. Коэффициент теплового расширения бронзы БрБ2 близок к коэффициенту теплового расширения инструментальных сталей, что также способствует надежной работе этих материалов в одном узле. Бронза БрБ2 обладает превосходными упругими свойствами, из-за чего применяется при изготовлении пружин, сильфонов, штампов для пластмасс, мембран и др. элементов. Они сохраняют свои упругие свойства при повышенных температурах и в криогенных условиях, хорошо сопротивляются коррозии и усталости. Однако из-за своей довольно высокой стоимости бериллиевая бронза в основном используется в изделиях, имеющих особое значение. Также из бронзы БрБ2, спрессованной или вытянутой в проволоку, делают коллекторные и эмиттерные электроды. Пружинки с малым радиусом закругления получают при нормальной температуре, не опасаясь, что при их изгибе могут возникнуть изломы. Эта особенность бронзового сплава делает более простым, и, соответственно, более дешевым весь технологический процесс их изготовления. Благодаря тому, что бериллиевая бронза БрБ2 не искрит, из нее изготавливают инструменты для работы на предприятиях, на которых имеется особая взрывоопасная среда, и где нельзя использовать оборудование из обычной стали. К таким предприятиям относятся шахты, рудники, газо- или нефтеперерабатывающие заводы. Высокая электропроводность и прочность бронзовой меди БрБ2 делают ее незаменимой в электротехнике, в автомобилестроении, в компьютерной технике, где из нее производят контакты реле и переключателей. Бериллиевая бронза обладает множеством уникальных свойств, что позволяет использовать ее в разнообразных областях и дает возможность для проведения многочисленных исследований. Особый интерес представляют исследования с использованием методов ИПД, так как 14

влияние этих методов на данный сплав недостаточно изучено и может привести к новым интересным результатам. В статье [9] авторы исследуют влияние температуры старения, интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования (РКУП) и последующего отжига на коэффициенты скорости износа и износостойкости. Также в работе определены значения микротвердости бронзового сплава БрБ2. Отожженные при 800°С образцы были разделены на 2 типа: сплав БрБ2, подвергнутый закалке в течение трех часов при температурах 250-400°С, и сплав БрБ2, деформированный методом РКУП и закаленный при том же температурном режиме. Результаты показали, что значения микротвердости крупнозернистых образцов достигают максимума при температурах закалки 300-350°С (Рис. 4). В то же время, значения микротвердости образцов, деформированных методом РКУП имеют большее значение, чем до деформации, но последующая закалка при температурах 250-400°С практически не влияет на значения микротвердости. Рис. 4: Влияние температуры старения T на микротвердость H отожженных(1) и деформированных(2) образцов Также в данном исселдовании была показана зависимость коэффициентов скорости износа и износостойкости от температуры закалки. 15

Вычисление коэффициентов происходило в двух режимах: с использованием смазки, которая наносилась на поверхность трения, и без. Значения коэффициента скорости износа при сухом трении для закаленных крупнозернистых образцов стремительно растут при температурах 200-400°С, а для деформированных образцов значения остаются на том же уровне. В то время как при трении со смазкой мелкозернистый образец закаленный при температурах 350-400°С показывает резкий рост значений коэффициента износостойкости (Рис. 5). Рис. 5: Влияние температуры старения T на коэффициент скорости износа Ih и коэффициент износостойкости f отожженных(1) и деформированных(2) образцов: при сухом трении(а), с использованием смазки(b) В результате, авторами работы был сделан вывод о том, что интенсивная пластическая деформация повышает значения микротвердости, 16

и можно выдвинуть предположение, что последующая закалка способна увеличить эти значения. Также результаты показали, что наибольшие показатели коэффицента износостойкости были получены у крупнозернистого образца при сухом трении. Это вызвано интенсивным деформационным упрочнением в процессе износа, а упрочение, в свою очередь, увеличило значения микротвердости. Таким образом, бериллиевая бронза БрБ2 является перспективным материалом с высокими показателями упругости и прочности, но на данный момент влияние интенсивной пластической деформации на сплав БрБ2 мало изучено. В связи с этим, можно предположить, что интенсивная пластическая деформация способна улучшить физические и механические свойства данного сплава, таких как усталостная и удельная прочности. 17

2. Объекты и методики 2.1. Цели Из анализа литературы можно сделать вывод о том, что несмотря на обилие материалов, исследований, посвященных изучению влияния интенсивной пластической деформации кручением на функциональные свойства медных сплавов, дисперсионно легируемый сплав БрБ2 незаслуженно обойдён стороной. Поскольку сплав является бинарным, то его изучение, помимо определения влияния ИПДК на его свойства, позволило бы определить некоторые фундаментальные аспекты процесса наноструктурирования подобных медных сплавов. Таким образом, целью данного исследования явилось изучение влияния термомеханической обработки на кинетику старения и механические свойства сплава БрБ2. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: • Определение кинетики старения крупнозернистого сплава БрБ2 в широком диапазоне температур и времён выдержки. • Определение влияния режимов старения на механические свойства изучаемого сплава в крупнозернистом состоянии. • Установление особенностей влияния интенсивной пластической деформации кручением на кинетику старения наноструктурированного сплава БрБ2. • Определение влияния интенсивной пластической деформации кручением и последующего старения на механические свойства наноструктурированного сплава БрБ2. 2.2. Объекты В соответствии с марочником металлов [10] бериллиевый сплав БрБ2 обладает следующим химическим составом: 1,8-2,1% бериллия, до 0,15% 18

железа, до 0,15% кремния, до 0,15% алюминия, 0,2-0,5% никеля, до 0,005% олова и 96,9-98% меди на единицу массы. Из горячекатанного прута БрБ2 радиусом 10 миллиметров вырезались диски для последующих термических и механических воздействий, а также измерений свойств объекта до и после термомеханических воздействий. 2.3. Методики Диски и образцы вырезались с помощью электроэрозионного станка АРТА-123 ПРО (Рис. 6). Рис. 6: Электроэрозионный станок АРТА-123 ПРО Все механические испытания на статическое растяжение образцов производились с помощью универсальной машины для механических испытаний Shimadzu AG-X plus с датчиком 50kN. Скорость испытаний на растяжение составляла 5 · 10−4 с−1 . После изготовления, все образцы подвергались шлифовке лицевой стороны на шлифовально-полировальной установке Buehler AutoMet с помощью различных поверхностей шлифовки: шлифовальная шкурка Р400, Р1200, суспензии, включающие в себя синтетические алмазы с максимальными размерами 9 мкм, 3 мкм, 1 мкм, которые наносятся 19

Рис. 7: Универсальная машина для механических испытаний Shimadzu AG-X plus на тканевый диск, и 0,5 мкм. Также вручную полировалась кромка рабочей части образцов на растяжение. Исследования по измерению микротвердости по Викерсу проводились с помощью машины Shimadzu HV-G. Из дисков БрБ2 вырезались образцы следующей геометрии: Рис. 8: Cхема расположения на заготовке и геометрические размеры образцов, использованных для проведения испытаний на статическое растяжение 20

Как показано на Рис. 8, образцы вырезаются таким образом, что центр рабочей части находится на расстоянии 5 миллиметров от центра диска (половина радиуса диска), так как после применения метода ИПДК к дискам, образцы деформируются неоднородно. В зависимости от удаленности от центра, объект деформируется больше, если рассматривать точки близкие к кромке образца, и практически не деформируются, относительно кручения, но не сдавливания, если рассматривать точки, близкие к центру диска. Все механические испытания на статическое растяжение были проведены с использованием захватов, показанных на Рис. 9. (b) (a) Рис. 9: Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) оригинальных захватов примененных для статического растяжения образцов Дальнейшее исследование было разделено на 4 этапа: 1. Горячекатаный прут БрБ2 диаметром 20 мм отжигался при температуре 780◦ C в течение 30 минут с целью избавления от внутренних напряжений и растворения вторичных фаз. После чего, обозначив данный материал как отожженный, измерялась микротвердость материала. 2. Из отожженного сплава БрБ2 методом электроэрозионной резки были изготовлены образцы размерами 5х5х5 мм, после чего про21

исходило старение образцов при температурах 225◦ - 375◦ C с шагом в 25◦ C в течение 3 минут, 10 минут, 30 минут, 1 часа, 5 часов, 10 часов. Далее состаренные образцы заливались в эпоксидный компаунд и, после затвердевания, шлифовались. После описаных действий измерялась микротвердость образцов и для каждой температуры старения строился график зависимости микротвердости HV от длительности старения Т. По построенному графику было выбрано четыре режима состояния, соответствующих исходному материалу, недостаренному, на пике старения и перестаренному. После чего из дисков БрБ2 диаметром 20 мм и толщиной 1 мм, соответствующих четырем выбранным состояниям, были изготовлены образцы по схеме, показанной на Рис. 8. Образцы были испытаны на статическое растяжение до разрыва, и в результате строился график зависимости напряжений σ от деформации ε. 3. Из отожженного сплава БрБ2 методом электроэрозионной резки были изготовлены образцы в виде дисков диаметром 20 мм и толщиной 2 мм, к которым впоследствии была применена ИПДК со следующими параметрами: 5 оборотов со скоростью 1 оборот в минуту с давлением 6кПa. 4. Из деформированных методом ИПДК дисков с помощью метода электроэрозионной резки были изготовлены образцы в виде секторов с углом в вершине равным 22,5°. После чего образцы подвергались старению при температурах 225◦ - 375◦ C с шагом в 25◦ C в течение 3 минут, 10 минут, 30 минут, 1 часа, 5 часов, 10 часов. Далее состаренные образцы заливались в эпоксидный компаунд и, после затвердевания, шлифовались. После описаных действий измерялась микротвердость образцов, и для каждой температуры старения строился график зависимости микротвердости HV от длительности старения Т. По построенному графику было выбрано четыре режима состояния, соответствующих исходному деформированному материалу, недостаренному, на пике старения и перестаренному. Далее, из деформированных методом ИПДК 22

дисков БрБ2 диаметром 20 мм и толщиной 1 мм, соответствующих четырем выбранным состояниям, были изготовлены образцы по схеме, показанной на Рис. 8. Образцы были испытаны на статическое растяжение до разрыва, и в результате получен график зависимости напряжений σ от деформации ε. 23

3. Результаты исследований На Рис. 10 показано влияние термообработки на микротвердость сплава БрБ2. С увеличением времени старения материала, а также при увеличении температуры, при которой происходит старение изменяется значение микротвердости материала. При температуре 225◦ С происходит незначительное увеличение микротвердости сплава БрБ2. Во временном промежутке от 0 до 10 минут практически при всех температурах значение микротвердости не отличается от первоначального. На временном промежутке длительностью от 10 минут происходит резкое увеличение значений микротвердости. При длительном старении - от 1 до 10 часов - при температурах больших 350◦ С наблюдается деградация материала. Рис. 10: Влияние термической обработки на значения микротвердости сплава БрБ2 После анализа полученных результатов было выбрано три режима старения образцов для проведения испытаний на растяжение до разрушения, а именно старение при температуре 325°С в течение 3 минут (температурный режим №1), 30 минут (температурный режим №2) и 10 часов (температурный режим №3)(Рис. 10 точки 2, 3, 4 соответственно). Результаты этих испытаний можно наблюдать на Рис. 11. 24

Рис. 11: График растяжения до разрушения образцов БрБ2, отожженных до 780°С в течение 30 минут (1) и состаренных при температуре 275°С в течение 3 минут (2), 30 минут (3) и 10 часов (4) По представленным на Рис. 11 зависимостям видно, что с увеличением времени старения материала, повышаются пределы прочности и текучести. Так, предел прочности σ0,2 для образцов БрБ2, отожженных при 780°С в течение 30 минут (Рис. 11, кривая 1), составляет порядка 450 МПа, для образцов, состаренных в температурном режиме №1 (Рис. 11, кривая 2) - 630 МПа, для образцов, состаренных в температурном режиме №2 (Рис. 11, кривая 3) - 1050 МПа и для третьего температурного режима (Рис. 11, кривая 4) - 1280 МПа, а предел текучести σ0,2 130 МПа, 320 МПа, 780 МПа, 1170 МПа соотвественно. Помимо этого, в зависимости от времени старения, материал становится хрупким, из-за чего уменьшается максимальное значение деформации ε - 66%, 35%, 15%, 6% соответственно. На Рис. 12 показано влияние ИПДК и последующего процесса старения образцов на значения микротвердости сплава БрБ2. В сравнении с испытаниями, отчетный график которых показан на Рис. 10, ИПДК да25

ет значительное увеличение значений микротвердости. С увеличением времени старения для температур в пределах 325◦ -375◦ С наблюдается спад значений микротвердости. Рис. 12: Влияние ИПДК и последующего процесса старения на значения микротвердости сплава БрБ2 Состаривание при температуре 275°С примечательно тем, что в сравнении с другими температурными режимами, значения микротвердости меняются плавно на протяжении всего временного промежутка, а также, образец, состаренный при данном температурном режиме имеет максимальное значение микротвердости. В связи с чем было выбрано три температурных режима старения: при температуре 275°С в течение 3 минут (температурный режим №1), 30 минут (температурный режим №2) и 10 часов (температурный режим №3) (Рис. 12 точки 2, 3, 4 соотвественно). Дальнейшие исследования на статическое растяжение до разрушения были проведены на образцах, деформированных методом ИПДК и состаренных при выбранных температурных режимах. По результатам проведенных исследований был построен график, представленный на Рис. 13. По данному графику видно, что образцы, деформированные мето26

Рис. 13: Влияние ИПДК и последующего процесса старения на механические свойства сплава БрБ2. (1) - отжиг при 780°С и деформирование методом ИПДК; (2) - отжиг, деформирование методом ИПДК и старение при температуре 275°С в течение 3 минут, (3) - в течение 30 минут, (4) - в течение 10 часов дом ИПДК, имеют более высокие, по сравнению с недеформированными, пределы прочности - порядка 1100 МПа. В то же время максимальное значение деформации уменьшилось до 10%. Деформированные образцы, состаренные при температурных режимах №1 (кривая 2) и №2 (кривая 3) разрушались хрупко, вследствие чего на графике не наблюдается пластическая зона. В то же время, σB и σ0,2 для кривой 4 составили 1375 МПа и 1300 МПа соответственно. Также был построен сравнительный график (Рис. 14), основанный на результатах испытаний на растяжение до разрушения (Рис. 11 и Рис. 13). Основные механические свойства характеризующие особенности влияния размера зерна и параметров старения представлены на Рис. 15. 27

Рис. 14: Влияние ИПДК и последующего процесса старения на механические свойства сплава БрБ2. (1) - отжиг при 780°С; (1’) - отжиг при 780°С и деформирование методом ИПДК; (4’) отжиг при 780°С, деформирование методом ИПДК и старение в течение 10 часов 28

Рис. 15: Таблица значений пределов прочности, текучести и величины деформации до разрушения для различных режимов термомеханических обработок 29

Заключение Все поставленные в исследовании задачи были успешно выполнены, а по полученным результатам работы можно сделать следующие заключения: 1. Результаты исследования кинетики старения крупнозернистого сплава БрБ2 после гомогенизирующего отжига при температуре 780°С в течение 30 минут методами измерения значения микротвердости показали, что изменение температуры и времени выдержи в широких диапазонах позволяет достигать значений микротвердости материала в интервале от 95 до 405, а оптимальными параметрами старения является выдержка при температуре 325°С в течение 5 часов. 2. Исследование влияния параметров старения показало, что в зависимости от времени выдержки при температуре 325°С механические свойства сплава БрБ2 могут изменяться от крайне пластического, характеризующегося пределом текучести 130 МПа и деформацией до разрушения порядка 70-75 %, до хрупкого, характеризующегося пределом текучести 1280 Мпа и деформацией до разрушения 6%. 3. Установлено что интенсивная пластическая деформация кручением увеличивает значение микротвердости исходного отожжённого при температуре 780°С в течение 30 минут материала с 95 до 390, что говорит о значительном уменьшении размеров зерна до наноразмеров в процессе деформирования. 4. Установлено влияние температуры и времени выдержки в широком диапазоне на значение микротвердости сплава БрБ2 подвергнутого ИПДК. Показано, что выбор параметров старения нанострукурированного материала может служить для направленного изменения его механических свойств, а максимально значение достигаемой твердости оставляет 460. 30

5. Исследование механических свойств сплава БрБ2 подвергнутого ИПДК и старению, показало, что материал способен демонстрировать значение предела прочности 1375 МПа и пластичности 3% при старении при температуре 275°С в течение 10 часов. 31

Список литературы [1] Kaveh Edalati Zenji Horita. A review on high-pressure torsion from 1935 to 1988 // Materials Science & Engeneering. –– 2016. –– Vol. A 652. [2] J. Cizek M. Janecek O. Srba R. Kuzel Z. Barnovska I. Prochazka S. Dobatkin. Evolution of defects in copper deformed by high-pressure torsion // Mater. –– 2011. –– Vol. 59. [3] R.Z. Valiev R.R. Mulyukov V.V. Ovchinnikov. Direction of grainboundary phase in submicrometre-grained iron // Philos. Mag. Lett. –– 1990. –– Vol. 62. [4] Y. Champion J.P. Couzinie S.T. Nenez Y. Brechet R.K. Islamgaliev R.Z. Valiev. High strength and electrical conductivity of UFG copper alloys // Mater. Sci. Forum. –– 2010. [5] I. Sabirov R. Pippan. Formation of a W-25%Cu nanocomposite during high pressure torsion // Scripta materialia. –– 2005. –– Vol. 52. [6] A. Varschavsky E. Donoso. A differential scanning calorimetrie study of precipitation in Cu-2Be // Thermochimica Acta. –– 1995. –– Vol. 266. [7] J.M. Pelletier G. Vigier C. Mai, Borrelly R. // Acts Metall. –– 1983. –– Vol. 31. [8] Koo Y.M., Cohen J.B. // Acts Metall. –– 1989. –– Vol. 31. [9] L. G. KorshunovРис A. V. Korznikov, Chernenko N. L. Effect of the Severe Plastic Deformation and Aging Temperature on the Strengthening, Structure, and Wear Resistance of a Beryllium Bronze // The Physics of Metals and Metallography. –– 2011. –– Vol. 111. [10] Марочник Сталей // http://metallicheckiy-portal.ru/. 32

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв