Сильная пластическая деформация (ИПД) — это общий термин, описывающий группу методов металлообработки, включающих очень большие деформации, обычно включающие сложное напряженное состояние или высокий сдвиг, что приводит к высокой плотности дефектов и равноосному размеру «ультрамелкого» зерна (УМЗ) (d < 1000 нм) или нанокристаллической (НК) структуре (d < 100 нм).
История
Значимость ИПД была известна с древних времен, по крайней мере, во время перехода от бронзового века к железному, когда многократная ковка и складывание использовались для обработки стратегических инструментов, таких как мечи. Разработка принципов, лежащих в основе методов ИПД, восходит к пионерской работе П. У. Бриджмена в Гарвардском университете в 1930-х годах. Эта работа касалась воздействия на твердые тела сочетания больших гидростатических давлений с сопутствующей деформацией сдвига, и она привела к присуждению Нобелевской премии по физике в 1946 году. Очень успешными ранними реализациями этих принципов, описанными более подробно ниже, являются процессы равноканального углового прессования (РКУП), разработанные В. М. Сегалом и его коллегами в Минске в 1970-х годах, и кручение под высоким давлением, выведенное из работы Бриджмена, но не получившее широкого распространения до 1980-х годов в Российском институте физики металлов в современном Екатеринбурге.
Некоторые определения SPD описывают его как процесс, в котором применяется высокая деформация без существенного изменения размеров заготовки, что приводит к большому компоненту гидростатического давления. Однако механизмы, которые приводят к измельчению зерна в SPD, те же самые, что и первоначально разработанные для механического легирования, порошкового процесса, который авторы еще в 1983 году охарактеризовали как «жесткую пластическую деформацию». Кроме того, некоторые более поздние процессы, такие как асимметричная прокатка, действительно приводят к изменению размеров заготовки, при этом все еще производя сверхмелкую структуру зерна. Принципы, лежащие в основе SPD, были даже применены к обработке поверхности.
Методы
Методы SPD подразделяются на три основные группы: методы объемной SPD, методы поверхностной SPD и методы порошковой SPD. Здесь кратко описаны некоторые популярные методы SPD.
Равноканальное угловое прессование
Равноканальная угловая экструзия (ECAE, иногда называемая равноканальным угловым прессованием, ECAP) была разработана в 1970-х годах. В этом процессе металлическая заготовка продавливается через наклонный (обычно 90 градусов) канал. Для достижения оптимальных результатов процесс можно повторять несколько раз, меняя ориентацию заготовки с каждым проходом. Это обеспечивает равномерный сдвиг по всему объему материала.
Кручение под высоким давлением
Высокое давление кручения (HPT) можно проследить до экспериментов, которые принесли Перси Бриджмену Нобелевскую премию по физике 1946 года, хотя его применение в обработке металлов значительно более недавнее. В этом методе диск материала, который должен быть деформирован, помещается между двумя наковальнями. Прикладывается большое сжимающее напряжение (обычно несколько гигапаскалей), в то время как одна наковальня вращается для создания силы кручения. HPT может быть выполнено без ограничений, в котором материал может свободно вытекать наружу, полностью ограничено или в некоторой степени между тем, в котором исходящий поток допускается, но ограничен.
Накопительное рулонное склеивание
При накопительном прокатном соединении (ARB) 2 листа одного и того же материала укладываются друг на друга, нагреваются (ниже температуры рекристаллизации) и прокатываются, склеивая 2 листа вместе. Этот лист разрезается пополам, 2 половины укладываются друг на друга, и процесс повторяется несколько раз. По сравнению с другими процессами SPD, ARB имеет то преимущество, что он не требует специального оборудования или инструментов, только обычный прокатный стан. Однако поверхности, которые должны быть соединены, должны быть хорошо очищены перед прокаткой, чтобы обеспечить хорошее склеивание.
Повторяющееся гофрирование и выпрямление
Повторяющееся гофрирование и выпрямление (RCS) — это метод жесткой пластической деформации, используемый для обработки листовых металлов. В RCS лист прессуется между двумя гофрированными штампами, а затем прессуется между двумя плоскими штампами. RCS приобрел широкую популярность для производства мелкозернистых листовых металлов. Попытки усовершенствовать этот метод привели к внедрению повторного гофрирования и выпрямления прокаткой (RCSR), нового метода SPD. Применимость этого нового метода одобрена для различных материалов.
Асимметричная прокатка
При асимметричной прокатке (ASR) прокатный стан модифицируется таким образом, что один валок имеет более высокую скорость, чем другой. Обычно это делается либо с помощью независимого управления скоростью, либо с помощью валков разного размера. Это создает область, в которой силы трения сверху и снизу прокатываемого листа противоположны, создавая касательные напряжения по всему материалу в дополнение к нормальному сжимающему напряжению от прокатки. В отличие от других процессов SPD, ASR не сохраняет ту же чистую форму, но воздействие на микроструктуру материала аналогично.
Механическое легирование
Механическое легирование/измельчение (МА/ММ), выполняемое в высокоэнергетической шаровой мельнице, такой как шейкерная мельница или планетарная мельница, также вызывает сильную пластическую деформацию металлов. Во время фрезерования частицы дробятся и подвергаются холодной сварке, что приводит к большим деформациям. Конечным продуктом обычно является порошок, который затем необходимо каким-либо образом консолидировать (часто с использованием других процессов ИПД), но некоторые сплавы обладают способностью консолидироваться in-situ во время измельчения. Механическое легирование также позволяет сплавлять порошки разных металлов во время обработки.
Обработка поверхности
Совсем недавно принципы, лежащие в основе SPD, были использованы для разработки поверхностных обработок, которые создают нанокристаллический слой на поверхности материала. При поверхностной механической обработке истиранием (SMAT) ультразвуковой рупор соединен с ультразвуковым (20 кГц) преобразователем, с небольшими шариками на вершине рупора. Заготовка устанавливается на небольшом расстоянии над рупором. Высокая частота приводит к большому количеству столкновений между шариками и поверхностью, создавая скорость деформации порядка 102–103 с−1. Образованный поверхностный слой NC может иметь толщину порядка 50 мкм. Процесс похож на дробеструйную обработку, но кинетическая энергия шариков намного выше в SMAT.
Метод ультразвуковой нанокристаллической модификации поверхности (UNSM) также является одним из недавно разработанных методов модификации поверхности. В процессе УНСМ оказываются не только статические, но и динамические нагрузки. Обработку ведут ударами по поверхности заготовки до 20К и более раз в секунду выстрелами прикрепленного к рупору шарика в диапазоне 1К-100К на квадратный миллиметр. Удары, которые можно охарактеризовать как холодную ковку, вводят ИПД для создания поверхностного слоя NC путем измельчения крупных зерен до нанометрового масштаба без изменения химического состава материала, что обеспечивает высокую прочность и высокую пластичность. Этот метод UNSM не только улучшает механические и трибологические свойства материала, но также создает гофрированную структуру с множеством желаемых ямок на обработанной поверхности.
Приложения
Большинство исследований в области SPD было сосредоточено на измельчении зерна, которое имеет очевидное применение при разработке высокопрочных материалов в результате соотношения Холла-Петча. Промышленные металлы, обрабатываемые традиционным способом, обычно имеют размер зерен 10–100 мкм. Уменьшение размера зерна с 10 мкм до 1 мкм позволяет повысить предел текучести металлов более чем на 100%. Методы, в которых используются сыпучие материалы, такие как ECAE, могут обеспечить надежные и относительно недорогие способы производства ультрамелкозернистых материалов по сравнению с методами быстрого затвердевания, такими как прядение из расплава.
Однако другие эффекты ИПД, такие как изменение текстуры, также имеют потенциальное промышленное применение, поскольку такие свойства, как коэффициент Лэнкфорда (важный для процессов глубокой вытяжки) и магнитные свойства электротехнической стали, сильно зависят от текстуры.
Такие процессы, как ECAE и HPT, также используются для консолидации металлических порошков и композитов без необходимости применения высоких температур, используемых в традиционных процессах консолидации, таких как горячее изостатическое прессование, что позволяет сохранять желаемые характеристики, такие как нанокристаллические размеры зерен или аморфные структуры.
Некоторые известные примеры коммерческого применения процессов SPD включают производство распыляемых мишеней компанией Honeywell и титана UFG для медицинских имплантатов.
Механизм измельчения зерна
Наличие высокого гидростатического давления в сочетании с большими сдвиговыми деформациями имеет важное значение для получения высокой плотности дефектов кристаллической решетки, в частности дислокаций, что может привести к значительному измельчению зерен. Измельчение зерен в процессах SPD происходит в ходе многоэтапного процесса:
Механизм, посредством которого вращаются субзерна, изучен меньше. Ву и др. описывают процесс, в котором движение дислокации ограничивается из-за малого размера субзерна, а вращение зерна становится энергетически более выгодным. Мишра и др. предлагают несколько иное объяснение, в котором вращение происходит за счет диффузии вдоль границ зерен (которая происходит намного быстрее, чем через объем).
F.A. Mohamad предложил модель минимального размера зерна, достижимого с помощью механического измельчения. Модель основана на концепции, что размер зерна зависит от скоростей, с которыми дислокации генерируются и уничтожаются. Полная модель имеет вид
Хотя модель была разработана специально для механического фрезерования, она также успешно применялась к другим процессам SPD. Часто используется только часть модели (обычно термин, включающий энергию дефекта упаковки), поскольку другие термины часто неизвестны и их трудно измерить. Это все еще полезно, поскольку подразумевает, что при прочих равных условиях снижение энергии дефекта упаковки, свойства, которое является функцией легирующих элементов, позволит улучшить измельчение зерна. Однако несколько исследований предположили, что, несмотря на значимость энергии дефекта упаковки для измельчения зерна на ранних стадиях деформации, стационарный размер зерна при больших деформациях в основном контролируется гомологичной температурой в чистых металлах и взаимодействием растворенных атомов и дислокаций в однофазных сплавах.