Формирование структуры в равноканальной ступенчатой матрице

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование структуры в равноканальной ступенчатой матрице

Использование методов интенсивной сдвиговой деформации для получения ультрамелкозернистой структуры в материале становится одной из наиболее актуальных направлений обработки металлов давлением. Пластическая деформация существенно влияет на микроструктуру и свойства материалов.

В настоящее время большое количество работ посвящено изучению процесса получения наноструктуры методами интенсивной сдвиговой деформации. Одним из таких методов является прессование в равноканальной ступенчатой матрице (РКСМ) (рис. 1) [1].

Рис. 1. Схема прессования в равноканальной ступенчатой матрице

Целью данной работы является исследование зависимостей величины зерна и механических свойств от угла стыка.

Для исследования были изготовлены заготовки сталей 45 и 40Х, размерами 10х18х105 мм. Прессование проводили в ступенчатых матрицах с углами стыков 2и = 110°, 126°, 150°. Заготовки нагревали до ковочной температуры 1100°С. Изменение микроструктуры наблюдали на микроскопе «Leica». Размер зерна определяли в соответствии с ГОСТ 5639-82. Исходный размер зерна стали 45 составил 3,6 мкм (рис. 2), 40Х -- 3,4 мкм.

Рис. 2. Исходная микроструктура стали 45, х 500

Анализ формирования микроструктуры заготовок, продеформированных в ступенчатых матрицах с разными углами стыка показал, что при прессовании в матрице с углом наклона 110° с увеличением циклов деформирования происходит интенсивное измельчение зерна, однако возникающее усилие прессования в данной матрице больше, чем в матрицах с углами наклона 126° и 150°, что может привести к поломке инструмента (матрицы), а также к увеличению энергетических затрат. При деформировании в матрице с углом наклона 150° усилие деформирования меньше, чем в матрицах с углами стыка 110° и 126°, но для получения ультрамелкозернистой структуры дополнительно потребуется сделать несколько большее количество проходов, а следовательно, возникают большие потребности в расходе трудо- и энергозатрат и снижается производительность процесса. Обеспечение лучшей проработки структуры, а также оптимальное значение усилия прессования достигается в матрице с углом пересечения каналов 126°. Средний диаметр зерен стали 45 в матрице с 2и = 110° после восьмого цикла составил 223 нм, с углом стыка 126° после восьмого цикла -- 415 нм, с углом наклона 150° -- 634 нм (рис. 3.). Размер зерен стали 40Х: 2и = 110° после восьмого цикла -- 218 нм, 2и = 126° -- 314 нм, 2и = 150° -- 528 нм (рис. 4).

а) б)

в)

а) после восьмого цикла, 2и = 110°; б) после восьмого цикла, 2и = 126°; в) после восьмого цикла, 2и = 150°.

Рис. 3. Микроструктура стали 45 после прессования в РКСМ, х 500

а) б)

в)

а) после восьмого цикла, 2и = 110°; б) после восьмого цикла, 2и = 126°; в) после восьмого цикла, 2и = 150°.

Рис. 4. Микроструктура стали 40Х после прессования в РКСМ, х 500

Средний диаметр зерен стали 45 в матрице с 2и = 126° после двенадцатого цикла составил 219 нм, с углом стыка 150° -- 443 нм (рис. 5). Размер зерен стали 40Х: 2и = 126° -- 314 нм, 2и = 150° -- 528 нм (рис. 6).

а) б)

а) после двенадцатого цикла, 2и = 126°; б) после двенадцатого цикла, 2и = 150°.

Рис. 5. Микроструктура стали 45 после прессования в РКСМ, х 500

а) б)

а) после двенадцатого цикла, 2и = 126°; б) после двенадцатого цикла, 2и = 150°.

Рис. 6. Микроструктура стали 40Х после прессования в РКСМ, х 500

Из всех деформированных образцов были изготовлены стандартные образцы на растяжение и сжатие, форма и размеры которых определены в соответствии с ГОСТ 1497-84 (рис. 7 а, б). Все образцы были промаркированы. Стандартные образцы на растяжение и сжатие подвергались механическим испытаниям на разрывной машине.

По результатам механических испытаний были построены зависимости механических свойств от количества проходов (циклов), которые представлены на рис. 8 а, б, в, г.

Прессование стальных заготовок с числом проходов до двенадцати одновременно увеличивает как прочность, так и пластичность. Улучшение свойств связано с уплотнением металла, измельчением структурных единиц (зерен), уменьшением степени химической неоднородности. Размер зерна оказывает большое влияние на механические свойства металла. Уменьшение величины зерна приводит к повышению характеристик пластичности с одновременным ростом прочностных характеристик. Упрочнение металла вызывается главным образом увеличением плотности дислокаций. Это связано с перераспределением дислокаций на границах зерен. Как известно, перемещение дислокаций и двойникование являются основными механизмами пластической деформации [2,3].

В то же время наличие мелкозернистой структуры может способствовать другим механизмам пластической деформации, например таким, как зернограничное проскальзывание, которое является диффузионным процессом и обычно развивается при повышенных температурах, и вращение зерен, и, следовательно, повышать пластичность [4].

а)

б)

а) образец на растяжение; б) образец на сжатие.

Рис. 7. Образцы для механических испытаний на растяжение и сжатие

Анализ полученных данных свидетельствует о преимуществах ступенчатой матрицы перед угловой в плане получения изотропной мелкозернистой структуры деформированного металла. С увеличением количества циклов прессования в равноканальной ступенчатой матрице наблюдается измельчение зерна в среднем до 200 нм. Перспективы применения равноканального ступенчатого прессования позволяют реализовывать значительные пластические деформации при небольшом изменении исходных размеров заготовок.

а) график зависимости предела прочности от количества циклов;

б) график зависимости условного предела текучести от количества циклов;

в) график зависимости относительного удлинения от количества циклов;

г) график зависимости относительного сужения от количества циклов.

Рис. 8. Графики зависимостей прочностных и пластических характеристик от количества циклов

Прессование стальных заготовок с числом проходов до двенадцати одновременно увеличивает как прочность, так и пластичность. Увеличение пластических характеристик более значительно, чем увеличение прочностных. Это связано с перераспределением дислокаций на границах зерен. Экспериментально доказано преимущество деформирования в матрице с углом стыка 126°. наноструктура ступенчатый матрица деформация