Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов

Предложена методология анализа структурной чувствительности механического поведения предварительно деформированных материалов. Использован комплексный метод исследований механических свойств, включающий испытания на одноосное растяжение, 4-точечный изгиб и одноосное сжатие. Продемонстрирована стадий...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2004
Автор:	Подрезов, Ю.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2004
Назва видання:	Физика и техника высоких давлений
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168097
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов / Ю.Н. Подрезов // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 42-51. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-168097
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1680972020-04-22T01:26:01Z Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов Подрезов, Ю.Н. Предложена методология анализа структурной чувствительности механического поведения предварительно деформированных материалов. Использован комплексный метод исследований механических свойств, включающий испытания на одноосное растяжение, 4-точечный изгиб и одноосное сжатие. Продемонстрирована стадийность кривых деформационного упрочнения, которая связывается со структурными изменениями материалов, подвергнутых интенсивной пластической деформации (ИПД). A methodology of the analysis of structural sensitivity of predeformed materials mechanical behaviour is proposed. A complex method of investigating the mechanical properties, which includes uniaxial-tension tests, 4-point bending and uniaxial compression, is used. A stage-like character of deformation hardening is demonstrated. It is related to structural changes of materials subject to severe plastic deformation (SPD). 2004 Article Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов / Ю.Н. Подрезов // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 42-51. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.Fe http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168097 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Предложена методология анализа структурной чувствительности механического поведения предварительно деформированных материалов. Использован комплексный метод исследований механических свойств, включающий испытания на одноосное растяжение, 4-точечный изгиб и одноосное сжатие. Продемонстрирована стадийность кривых деформационного упрочнения, которая связывается со структурными изменениями материалов, подвергнутых интенсивной пластической деформации (ИПД).
format	Article
author	Подрезов, Ю.Н.
spellingShingle	Подрезов, Ю.Н. Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов Физика и техника высоких давлений
author_facet	Подрезов, Ю.Н.
author_sort	Подрезов, Ю.Н.
title	Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов
title_short	Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов
title_full	Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов
title_fullStr	Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов
title_full_unstemmed	Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов
title_sort	структурная чувствительность механических свойств наноматериалов
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2004
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168097
citation_txt	Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов / Ю.Н. Подрезов // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 42-51. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT podrezovûn strukturnaâčuvstvitelʹnostʹmehaničeskihsvojstvnanomaterialov
first_indexed	2025-07-15T02:29:18Z
last_indexed	2025-07-15T02:29:18Z
_version_	1837678265497550848
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 42 PACS: 62.20.Fe Ю.Н. Подрезов СТРУКТУРНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ Институт проблем материаловедения НАН Украины ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 03142, Украина E-mail: podrezov@materials.kiev.ua Предложена методология анализа структурной чувствительности механического поведения предварительно деформированных материалов. Использован комплекс- ный метод исследований механических свойств, включающий испытания на одно- осное растяжение, 4-точечный изгиб и одноосное сжатие. Продемонстрирована стадийность кривых деформационного упрочнения, которая связывается со структурными изменениями материалов, подвергнутых интенсивной пластиче- ской деформации (ИПД). 1. Введение Развитые в последние годы методы ИПД [1,2] позволили существенно продвинуться в решении проблемы создания наноструктур деформационно- го происхождения и реализации за счет них значительного деформационно- го упрочнения. Характерной особенностью этих методов деформирования является принципиальная возможность за одну технологическую операцию получить сильнодеформированный материал с нанозеренной субструктурой. Это открывает большие перспективы в управлении деформационной нано- структурой на последующих этапах деформирования. Однако целенаправ- ленное решение проблемы управления структурой возможно лишь при ус- ловии глубокого понимания законов структурообразования в сильнодефор- мированных наноматериалах. Существующие теории деформационного упрочнения устанавливают связь между структурными перестройками, происходящими в материале в процессе деформации, и механическими свойствами. Важным моментом этих теорий яв- ляются представления о характерных структурных состояниях, существующих в определенном интервале деформаций. Структурно-чувствительная теория деформационного упрочнения подробно разработана для малых и средних сте- пеней деформации, когда кривая нагружения, полученная по результатам не- прерывного деформирования образца одноосным растяжением, пересчитыва- Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 43 ется в истинную кривую деформационного упрочнения. Для простых струк- турных состояний кривая деформационного упрочнения может быть аппрок- симирована серией прямых линий, если данные перестроены в координатах истинное напряжение σ−корень из истинной деформации e [3,4] (рис. 1,а). I K1 σs σ e K2 K3 K4 II III IV II III IV d τ /d γ τ а б Рис. 1. Схемы стадийности деформационного упрочнения металлов в областях ма- лых и средних [4] (а) и больших [5] (б) деформаций Моисеев с сотрудниками [4] продемонстрировали структурную природу стадийности упрочнения (линейные участки соответствуют различным ин- тервалам на диаграмме структурных состояний). Формально каждая стадия соответствует интервалу деформаций с новым коэффициентом в выражении ρα=σ∆ Gb , (1) где G − модуль сдвига, b − вектор Бюргерса, ρ − плотность дислокаций, ∆σ − упрочнение. Отметим, что параболическое упрочнение имеет место, как правило, при малых и средних степенях деформации (е < 0.5). Для больших степеней деформации связь между структурными пере- стройками и параметрами упрочнения более сложная, поскольку здесь резко активизируются процессы возврата. Экспериментальное исследование пара- метров упрочнения при больших деформациях затруднено, так как процессы локализации деформации ограничивают использование простых схем, соз- дающих однородную деформацию (одноосные растяжение и сжатие). Наи- более благоприятной схемой испытания сильнодеформированного материа- ла считается испытание образца на скручивание, когда удается реализовать непрерывную деформацию материала до больших степеней (e ~ 10). В отличие от стандартных схем нагружения в этом случае кривые упрочне- ния строятся в координатах τ−γ (где τ − сдвиговое напряжение, γ − сдвиговая деформация), анализ же структурной чувствительности упрочнения ведется в координатах dτ/dγ−τ [5], т.е. изучается изменение скорости упрочнения с уве- Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 44 личением деформирующего напряжения. Структурно-механические модели, обосновывающие существование перечисленных стадий и связанные с ними механизмы структурообразования в сильнодеформированных материалах, предложены в работах Муграби [6], Принса [7], Естрина [8] и других [9,10]. При анализе больших деформаций выделяют три стадии упрочнения (II−IV) с момента образования ячеистой структуры (рис. 1,б), две из которых − II и IV − демонстрируют слабое изменение коэффициента упрочнения с рос- том напряжения течения, тогда как на стадии III наблюдается резкое замед- ление скорости деформации с ростом напряжения. Обычно это замедление описывают линейным законом γ = γ0(1 − τ/τ0) (где γ0 и τ0 − соответственно скорость упрочнения и напряжение сдвига на начале III стадии) и связывают с процессами динамического возврата. Переход от III к IV стадии упрочнения обычно происходит при деформа- циях е ~ 1. Этот интервал деформации важен для решения практических за- дач обработки металлов давлением. Использование методов ИПД предпола- гает достижение больших разовых деформаций (е ~ 1) за одну операцию. Поэтому уже после первого прохода структура и свойства материала соот- ветствуют концу III и началу IV стадий. При повторном нагружении харак- терные особенности упрочнения, присущие III и IV стадиям, следует ожи- дать на начальном участке диаграмм нагружения. Целесообразно исследо- вать параметры упрочнения предварительно деформированных материалов, используя простые схемы испытаний: одноосные растяжение и сжатие. 2. Материалы и методика Для анализа процессов упрочнения сильнодеформированного титана тех- нической чистоты нами использованы результаты испытания образцов, про- деформированных прокаткой до различных степеней деформации. Заготов- ки с разной начальной толщиной (от 16 до 3.5 mm) прокатывали до толщины 3.2 mm, что позволило получить набор деформации от 0.1 до 1.8. Из всех пластин вытачивали стандартные образцы для испытаний на одноосное рас- тяжение диаметром 3 mm. Для всестороннего анализа механического пове- дения деформированного материала наряду с испытаниями на одноосное растяжение мы провели прецизионные исследования начальной части кри- вой упрочнения путем испытания на четырехточечный изгиб, а также изу- чили процессы упрочнения при испытаниях на сжатие в трех взаимно пер- пендикулярных направлениях. Эксперименты проводили на испытательной машине «Ceramtest» с автоматической записью диаграммы нагружения. 3. Результаты исследований и их обсуждение 3.1. Одноосное растяжение Отметим некоторые особенности первичных диаграмм нагружения де- формированного титана, представленных на рис. 2,б. Эти диаграммы имеют Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 45 а б Рис. 2. Особенности первичных диаграмм нагружения титана: а − исходное состоя- ние; б – предварительно деформированное до различных степеней деформации e: 1 − 1.6, 2 − 1.25, 3 − 1.0, 4 − 0.7, 5 − 0.5, 6 − 0.35, 7 − 0.2 очень короткий участок интенсивного упрочнения, столь же короткий уча- сток слабого упрочнения с выходом нагрузки на насыщение, в связи с чем в материале реализуется малая равномерная деформация. С другой стороны, стадия шейкообразования и участок локализации деформации несколько растянуты по сравнению с рекристаллизованными материалами, диаграмма нагружения которых показана на рис. 2,а. Стандартные механические характеристики образцов титана, предвари- тельно деформированного прокаткой до степеней деформации еroll, пред- ставлены в табл. 1. Обратим внимание на достаточно резкое изменение пре- делов текучести σysl и прочности σuts при малых и средних степенях дефор- мации, а также на относительно слабое изменение при больших предвари- тельных деформациях (е > 0.6). Величина равномерной деформации ε резко уменьшается уже на ранних стадиях пластической деформации и, начиная с деформации е = 0.2, стабилизирует свое значение на уровне ε = 1.0−1.5%. Величина общей деформации εtot = 10−15% из-за длительной стадии шейкооб- разования. Предельные механические характеристики, измеряемые в момент Таблица 1 Механические свойства предварительно деформированного титана № п/п eroll σysl σuts σfuts efr ψ, % N, MPa εunif εtot 1 1.6 655 700 1442 1.378 74.79 544 1.6 11.3 2 1.25 675 712 1521 1.489 77.46 546.2 1.7 12.6 3 1.0 660 685 1489 1.482 77.3 558.8 1.0 11.5 4 0.7 585 590 1403 1.409 75.56 604.1 0.85 9.2 5 0.5 575 619 1254 1.371 74.6 465.8 1.0 10.8 6 0.35 507 548 1342 1.495 77.6 531.5 1.5 12.5 7 0.2 393 423 1298 1.801 83.5 485.9 1.8 13.4 Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 46 разрушения (истинное разрушающее напряжение σfuts, истинная деформа- ция в момент разрушения еfr и относительное сужения ψ), слабо зависят от степени деформации во всем исследованном диапазоне деформаций. Более того, эти характеристики в исходных недеформированных образцах лишь незначительно превосходят аналогичные характеристики предварительно деформированных материалов. По данным, представленным на рис. 2,б, были рассчитаны истинные кри- вые упрочнения предварительно деформированных материалов. Предпола- гали, что начальная точка линейной стадии истинной кривой упрочнения совпадет с максимальным напряжением на условной диаграмме деформиро- вания, а конечная может быть рассчитана по истинным значениям напряже- ния и деформации в шейке образца в момент разрушения. Линейный уча- сток на диаграмме растяжения называют модулем пластичности, его вели- чина характеризует скорость упрочнения на IV стадии N = dσ/dε. Результаты расчетов (табл. 1) показывают, что величина коэффициента упрочнения слабо зависит от степени предварительной деформации, значе- ния модуля пластичности у всех исследованных образцов лежат в диапазоне 450−600 MPa. Следует, однако, отметить, что величина модуля пластично- сти существенно зависит от температуры испытаний. При этом температур- ная зависимость модуля пластичности наиболее сильно деформированного образца практически совпадает с зависимостью предела текучести от темпе- ратуры, что свидетельствует о единых механизмах влияния температуры на упрочнение на начальных и конечных этапах повторного нагружения (рис. 3). По результатам расчета истинных кривых деформации была проанализи- рована зависимость скорости упрочнения от деформирующего напряжения. Пересчет истинных кривых упрочнения в координатах dσ/dε−σ выявляет стадии линейного упрочнения и резкого падения скорости упрочнения (рис. 4). Рис. 3. Зависимость предела текучести (1) и модуля пластичности (2) от температу- ры испытаний сильнодеформированного титана (е = 1.6) Рис. 4. Зависимость скорости упрочнения от деформирующего напряжения Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 47 3.2. Испытания на четырехточечный изгиб К сожалению, при одноосном растяжении стадия возврата начинается при очень малых деформациях (меньше деформации на пределе текучести), и поэтому провести прецизионный сравнительный анализ параметров упроч- нения по результатам испытаний на одноосное растяжение не представляет- ся возможным. Для более тщательного анализа процесса упрочнения на на- чальных стадиях деформации сильнодеформированных материалов был ис- пользован метод испытаний на четырехточечный изгиб с прецизионной за- писью кривой микродеформации в интервале деформаций 10−5−10−2. Подробная методика таких испытаний описана нами в работе [11]. Ре- зультаты исследований представлены на рис. 5,а. Обращает на себя вни- мание тот факт, что при малых степенях деформации (10−5−10−3) величи- на деформирующего напряжения практически не зависит от степени предварительной деформации (рис. 5,б). Лишь начиная с деформации, примерно соответствующей пределу текучести, наблюдается увеличение значений деформирующего напряжения с ростом величины предвари- тельной деформации. Очевидно, что кривая упрочнения, полученная на уровне микродефор- мации, не может быть объяснена в рамках традиционных структурных мо- делей упрочнения, характерных для рекристаллизованных материалов. Описанный характер кривых микродеформации свидетельствует о том, что на ранних стадиях дислокации движутся в теле ячеек. По мере развития деформации активизируются процессы в стенках ячеек с постепенным раз- витием процессов возврата. а б Рис. 5. Кривые микропластичности титана, продеформированного в диапазонах 0−0.01 (а) и 0−0.001 (б) до различных степеней деформации e: 1 – 1.6, 2 – 1.25, 3 – 1.0, 4 – 0.72, 5 – 0.52, 6 – 0.38, 7 – 0.18 Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 48 3.3. Испытания на одноосное сжатие Метод одноосного сжатия менее востребован, чем растяжение при опре- делении стандартных механических свойств металлов, поскольку этот тип испытаний не позволяет исследовать процессы разрушения. Однако для ана- лиза кривых деформационного упрочнения данные методы можно считать практически равноправными, поскольку кривые упрочнения на стадии рав- номерной деформации, полученные обоими методами, практически совпа- дают (исключая случай SD-эффекта, когда при растяжении в материале за- рождаются и растут поры). При анализе упрочнения сильнодеформирован- ных материалов одноосное сжатие, пожалуй, следует признать более пер- спективным методом, поскольку образцы не обнаруживают склонность к локализации до достаточно больших (~ 30%) степеней повторной деформа- ции, что позволяет прецизионно изучить стадию линейного упрочнения. На рис. 6,а представлены первичные диаграммы сжатия образцов с раз- личной степенью предварительной деформации, испытанных в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а на рис. 6,б − истинные кривые деформа- ционного упрочнения. На всех кривых наблюдается ярко выраженная стадия линейного упрочнения. Переход от III к IV стадии происходит при сравни- тельно малых (2−10%) деформациях. В отличие от изгиба и растяжения этот переход фиксируется достаточно надежно. Пересчет истинных кривых упрочнения в координатах dσ/dε−σ показал (рис. 7), что у сильнодеформированных материалов c е > 1 переход от III к IV стадии происходит резко при вполне определенных значениях напряжений и деформаций, тогда как у менее деформированных образцов этот переход размыт. По результатам обработок были определены параметры упрочнения исследованных образцов, в том числе коэффициент упрочнения на линейной стадии и деформация, соответствующая переходу на IV стадию. а б Рис. 6. Первичные (а) и истинные (б) кривые деформационного упрочнения титана, продеформированного до разных степеней деформации e: 1 – 1.6, 2 – 1.25, 3 – 1.0, 4 – 0.72, 5 – 0.52, 6 – 0.38, 7 – 0.18 Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 49 а б Рис. 7. Кривые упрочнения, пересчитанные в координатах dσ/dε−σ: а − е = 1.25, б – е = 0.5 В данной работе исследовалась анизотропия параметров упрочнения для трех взаимно перпендикулярных направлений прокатки (X – направление прокатки, Y – направление, перпендикулярное направлению прокатки, Z – направление редукции прокатанного образца) и изучалась их скоростная чувствительность. Данные о пределе текучести σ0.2, деформирующем на- пряжении при 10% деформации σ10, коэффициенте упрочнения на линейной стадии Niv представлены в табл. 2. Таблица 2 Параметры упрочнения (в направлениях X, Y, Z) предварительно деформированного титана, испытанного на одноосное сжатие σ0.2, MPa σ10, MPa Niv, MPaе X Y Z X Y Z X Y Z 0.18 418 395 470 575 540 605 827 514 722 0.36 565 647 595 750 660 735 867 44 428 0.5 570 630 610 690 675 810 430 224 428 0.7 640 620 573 745 705 677 595 194 427 1.0 615 655 730 745 798 970 274 398 208 1.25 607 705 760 635 815 930 354 351 156 1.6 705 700 860 705 800 980 0 440 36 Как и в случае одноосного растяжения, значение деформирующего на- пряжения растет с увеличением степени предварительной деформации. В зависимости от направления сжатия эти значения, как правило, увеличива- ются в последовательности X−Y−Z. Однако если при малых степенях дефор- мации направление сжатия незначительно влияет на величину деформи- рующего напряжения, то при больших степенях деформации (е > 1) упроч- нение в направлении Z больше, чем в направлениях X и Y, соответственно на 15 и 20%. Это может быть обусловлено структурной анизотропией ячеек, стенки которых являются большеугловыми границами. Коэффициенты уп- Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 50 рочнения изменяются в пределах 50−500 MPa, причем их значения умень- шаются с ростом деформации. Выводы 1. Обработка кривых деформационного упрочнения предварительно де- формированного титана в координатах dσ/dε−σ позволяет выявить стадии динамического возврата и линейного упрочнения. 2. Коэффициенты линейного упрочнения при одноосном растяжении сла- бо зависят от степени предварительной деформации. Характер температур- ной зависимости этих коэффициентов повторяет характер температурной зависимости предела текучести. 3. При одноосном сжатии переход от стадии возврата к стадии линейного упрочнения происходит резко в сильнодеформированных материалах и плавно − в образцах, продеформированных до малых и средних степеней деформации. Коэффициенты линейного упрочнения уменьшаются с ростом пластической деформации. 1. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Нанокрислаллические материалы, полученные путем интенсивной пластической деформации, Логос, Москва (2000). 2. Y. Beygelzimer, V. Varyukhin, D. Orlov, B. Efros, A. Salimgareyev, V. Stolyarov, Mi- crostructural Evolution of Titanium under Twist Extruzion Ultrafine Grained Materi- als: Processing and Structure, Washington (2002), p. 137–142. 3. J. Bell, Experimental Bases of the Mechanics of Deformed Bodies, Part 1, London (1984), p. 456. 4. В.И. Трефилов, В.Ф. Моисеев, Э.П. Печковский и др., Деформационное упроч- нение и разрушение поликристаллических материалов, В.И. Трефилов (ред.), Наукова думка, Киев (1987). 5. W. Nix, J. Gibeling, D. Hugher, Met. Trans. A16, 2215 (1985). 6. H. Mugrhrabi, Mater. Sci. Eng. 85, 15 (1987). 7. F.B. Prinz, A.S. Argon, Acta metall. 32, 1021 (1984). 8. Y. Estrin, Acta metall. 46, 5509 (1998). 9. M. Zehetbauer, T. Ungar (1997) (private communication). 10. J. Gil Sevillano, P. Van Houtte, E. Aernoudt, Prog. Mater. Sci. 25, 69 (1980). 11. S. Firstov, M. Brodnikovsky, M. Danylenko, Yu. Podrezov, RAMS (2003), p. 155−162. Yu.N. Podrezov STRUCTURAL SENSITIVITY OF MECHANICAL PROPERTIES OF NANOMATERIALS A methodology of the analysis of structural sensitivity of predeformed materials me- chanical behaviour is proposed. A complex method of investigating the mechanical prop- erties, which includes uniaxial-tension tests, 4-point bending and uniaxial compression, is Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4 51 used. A stage-like character of deformation hardening is demonstrated. It is related to structural changes of materials subject to severe plastic deformation (SPD). Fig. 1. Schemes of stage-like hardening of materials in regions of low and medium [4] (а) and high [5] (б) deformations Fig. 2. Features of primary diagrams for titanium loading: а − initial state; б – state pre- deformed to different degrees of deformation e: 1 − 1.6, 2 − 1.25, 3 − 1.0, 4 − 0.7, 5 − 0.5, 6 − 0.35, 7 − 0.2 Fig. 3. Dependence of the yield strength (1) and modulus of plasticity (2) on temperature of testing the high-deformed titanium (е = 1.6) Fig. 4. Dependence of the rate of hardening on deforming stress Fig. 5. Curves for microplasticity of titanium deformed in ranges of 0−0.01 (а) and 0−0.001 (б) to different degrees of deformation e: 1 – 1.6, 2 – 1.25, 3 – 1.0, 4 – 0.72, 5 – 0.52, 6 – 0.38, 7 – 0.18 Fig. 6. Primary (а) and real (б) curves of the deformation hardening of titanium deformed to different degrees e: 1 – 1.6, 2 – 1.25, 3 – 1.0, 4 – 0.72, 5 – 0.52, 6 – 0.38, 7 – 0.18 Fig. 7. Hardening curves recalculated within the dσ/dε−σ coordinates: а − е = 1.25, б – е = 0.5

Структурная чувствительность механических свойств наноматериалов

Репозитарії

Схожі ресурси