Способ пластической деформации сплавов из алюминия

Изобретение относится к области пластической обработки металлов и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для пластической деформации алюминия и сплавов из алюминия.

Известен акустопластический эффект [Blaha, В. Langeneckei // Naturwiss. Rundsch. - 1955. - 42. - Н. 20. - S. 556], заключающийся в повышении пластичности материалов под действием ультразвука, экспериментально обнаруженный на ультразвуковых частотах Блаха и Ланженекером [1] и представляющий собой скачкообразное снижение напряжения однонаправленной деформации кристалла при наложении на него знакопеременных деформаций.

Акустопластический эффект наблюдается в широком диапазоне частот от единиц герц до мегагерц, но наиболее широкое применение он нашел в диапазоне 15-40 кГц. Акустопластический эффект, реализуемый при одновременном воздействии ультразвука и статического нагружения, есть результат суммирования статических напряжений и динамических напряжений ультразвуковой волны. При размещении образца в узле стоячей волны увеличивается скорость ползучести меди при воздействии продольной стоячей волной частотой 20 кГц. Эффект наблюдают в пучности, сформированной в образце стоячей волны. В технологических процессах при прокатке амплитуда динамических напряжений лежит в диапазоне 10⁷-10⁸ Па. Ввод ультразвука в образец для формирования стоячей волны осуществляется через волновод в виде концентратора ультразвука, объединенного с ультразвуковым преобразователем. При одновременном воздействии ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и статических нагрузок в медном образце существенно возрастает плотность вакансий (10²⁰ вакансий/с при амплитуде колебаний 1 мкм). При длительном воздействии ультразвука наблюдается разрушение образцов, обусловленное интенсивным порообразованием по границам зерен.

Недостатки: эффект охрупчивания и разрушения как негативное проявление длительного ультразвукового воздействия на деформируемый материал и фактически ограничивает использование ультразвука на практике.

Известен способ пластической деформации металлов и устройство для его осуществления [Делюсто Лев Георгиевич. Патент РФ №2310526 от 20.11.2007] - прототип. Способ включает обработку деформируемого металла в ходе прокатки ультразвуком частотой до 5 МГц и магнитным полем с индукцией 70 Тл. Повышение пластичности деформируемого металла происходит за счет снижения количества дефектов в металле в ходе непрерывного ультразвукового и магнитного воздействия, причем источником магнитного поля могут быть электромагниты или постоянные магниты. По прототипу повышение пластичности есть результат снижения дефектов структуры деформируемого прокаткой металла, что противоречит физике пластичности материалов, согласно которой пластическое поведение металлов осуществляется как раз за счет скольжения дислокаций - линейных дефектов кристаллической решетки.

Недостатки: способ пластического деформирования не повышает пластичность деформируемого металла.

Задача изобретения - повысить ресурс пластичности при деформировании металла алюминия и его сплавов в условиях одновременного воздействия механического напряжения, температуры и ультразвуковых колебаний.

Сущность изобретения.

Способ пластической деформации сплавов из алюминия при одновременном воздействии механического нагружения, температуры и ультразвука заключается в том, что пластическая деформация сплавов из алюминия осуществляется при внешнем ультразвуковом воздействии и одновременном достижении критических параметров деформационного структурного перехода, характеризуемых механическим напряжением от 90-200 МПа, температурным интервалом деформирования 450-250°С, колебательной энергией акустической эмиссии не ниже 15*10^-12 B²c.

Поставленная задача достигается тем, что в ходе совместного воздействия на металл или сплав механического нагружения и температуры ультразвуковое воздействие осуществляется лишь после деформационного структурного перехода, характеризуемого сменой накопления деформации, контролируемого переползанием дислокаций на накоплении деформации, контролируемой зернограничными процессами производства дислокаций на тройных зернограничных стыках. Деформационный структурный переход фиксируется по моменту времени значительного увеличения скорости накопления деформации и колебательной энергии акустической эмиссии в деформируемом материале, при соответствующих механическом напряжении и температуре. Этому моменту времени соответствует начало ультразвукового воздействия при достижении температурно-силовыми параметрами и колебательной энергии акустической эмиссии в деформируемом материале критических значений.

Способ реализуется следующим образом.

1. Готовят образец из алюминиево-магниевых сплавов с волноводами в виде стержня.

2. Размещают образец в установку для высокотемпературного механического и ультразвукового воздействия, одновременно нагревают и нагружают.

3. Регистрируют температуру, величину механического напряжения, прирост деформации и акустическую эмиссию, которая фиксируют с помощью пьезопреобразователя, расположенного на конце цилиндрического волновода в виде стержня.

4. В момент деформационного структурного перехода, фиксируемого как достижение температурно-силовыми параметрами критических значений, а среднеквадратичным напряжением величины, соответствующей критическому значению колебательной энергии акустической эмиссии в объеме деформируемого материала, осуществляется ввод в деформируемый образец ультразвуковых колебаний в течение всего времени аномально быстрого накопления деформации.

Воздействие ультразвуком дополнительно к колебательной энергии акустической эмиссии в момент естественного высокопластичного структурного состояния деформируемого материала, подготовленного совместным воздействием механического напряжения и температуры, увеличивает ресурс аномальной пластичности деформируемого металла.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1

Металлический образец 1 из алюминиево-магниевого сплава АМг6, соединенный с волноводом в виде стержня акустической эмиссии помещают в устройство для термического и механического воздействия, фиг. 1. На фиг. 1 приведена блок-схема установки: здесь 1 - образец в виде стержня; 2 - неподвижный захват установки; 3 - подвижный захват установки с устройством нагружения и измерения деформации; 4 - нагревательный элемент; 5 - пьезопреобразователь сигналов акустической эмиссии; 6 - –аналого-цифровой преобразователь; 7 - компьютер.

Образец 1 закрепляют в неподвижном захвате 2, нагружают с помощью подвижного захвата 3, нагревают элементом 4 и измеряют прирост деформации с помощью измерителя деформации, совмещенного с подвижным захватом 3. При одновременном воздействии механического нагружения и нагрева образца 1 происходит пластическое деформирование металла, сопровождающееся акустической эмиссией. Данные об акустической эмиссии в виде электрических сигналов, полученные с помощью пьезопреобразователя 5, по каналу I поступают на аналого-цифровой преобразователь 6 и компьютер 7. По каналам II, III соответственно поступают данные о температуре и деформации также на аналого-цифровой преобразователь 6 и компьютер 7 для обработки и анализа данных.

При комнатной температуре (25°С) характер накопления деформации в сплаве монотонный и скачкообразный (фиг. 2). На фиг. 2 обозначено: 8 - среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии как функция времени цикла; 9 - накопление деформации в цикле; 10 - механическое напряжение в цикле. Монотонному накоплению деформации соответствует монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии (фиг. 2 зависимость 8) при увеличении механической нагрузки (механического напряжения 10).

Из приведенных данных следует, что при нагружении образца при комнатной температуре наблюдаются два участка накопления деформации. При увеличении напряжения в цикле примерно до 100 МПа на фиг. 2 наблюдается монотонное накопление деформации (зависимость 9), сопровождаемое формированием пика акустической эмиссии. Монотонное накопление деформации сменяется после 100 МПа деформационными скачками, сопровождаемыми высокоамплитудными дискретными сигналами акустической эмиссии. В табл. 1 приведены данные по величине деформационных скачков и величине сигналов акустической эмиссии. Основной прирост деформации осуществляется преимущественно за счет деформационных скачков и составляет 10%, в то время как за счет монотонного накопления величина деформации составляет 3,3%.

При температуре 200°С изотермического нагружения фактически монотонное и скачкообразное накопление деформации совпадают (фиг. 3). На фиг 3 обозначено: 8 - среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии как функция времени цикла; 9 - накопление деформации в цикле; 10 - механическое напряжение в цикле. Как и в предыдущем случае (нагружение при 25°С) деформационные скачки сопровождаются высокоамплитудными сигналами акустической эмиссии. В основном весь прирост деформации величиной около 18% осуществлен за счет макроскопических деформационных скачков.

При 400°С характер накопления деформации и акустической эмиссии существенно меняются (фиг. 4). На фиг 4 обозначено: 8 - среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии как функция времени цикла; 9 - накопление деформации в цикле; 10 - механическое напряжение в цикле. Как показано на фиг. 4 явно выраженных деформационных скачков нет, начиная с напряжения примерно 100 МПа скорость накопления деформации существенно возрастает. Интервал накопления деформации при 400°С можно разделить на две части: первый величиной накопления деформации до 3% лежит в области до 100 МПа, второй величиной накопления деформации 17% - в области выше 100 МПа. Накопление деформации во второй области можно характеризовать как квазискачкообразное. Квазискачкообразному накоплению деформации соответствует значительная по величине колебательная энергия акустической эмиссии.

Пример 2

В неизотермических циклах (нагрузка постоянна, температура меняется от комнатной до 500°С) характер накопления деформации монотонный и квазискачкообразный. На фиг. 5 приведены данные по накоплению деформации, акустической эмиссии при постоянной нагрузке 120 МПа и нагреве до 500°С. На фиг. 5 обозначено: 8 - среднеквадратичное напряжение акустической эмиссии как функция времени цикла; 9 - накопление деформации в цикле; 10 - температура в цикле. Области монотонного и квазискачкообразного накопления деформации на фиг. 5 разделены на область I и область II, отличающиеся скоростью накопления деформации, следовательно, скоростью элементарных деформационных процессов. Как оказалось, такое разделение характерно для любого механического напряжения в диапазоне от 40 до 200 МПа. В рамках данного подхода проведен анализ зависимости накопления деформации от времени на двух деформационных участках функцией вида:

,

где ε₀₁, ε₀₂ - начальные деформации, ν₁, ν₂ - скорости деформации на двух температурных интервалах (области I, II). Данные аппроксимации зависимости деформации от времени в неизотермических циклах при разных механических нагрузках приведены в табл. 2. Для двух температурных интервалов (области I, II) найдены скорости деформации ν₁ и ν₂ и энергия акустической эмиссии.

Для низкотемпературного интервала I среднее значение скорости деформации ν₁ составляет 0,0031±0,0017 с^-1, в то время как для высокотемпературного интервала II - ν₂=0,0129±0,0021 с^-1. Т. е. средняя скорость деформации в высокотемпературной области приблизительно в четыре раза выше средней скорости деформации в низкотемпературной области. В области II температурный интервал составляет приблизительно 100°С для всех механических нагрузок (табл. 2). При этом граничная температурная точка (Т_гр) между областями I и II смещается в область низких температур с ростом механического напряжения в циклах. Граничная температура в табл. 2 представляет собой либо конечную температуру области I, либо начальную температуру области II.

Пример 3

Как следует из данных табл. 2 значение граничной температурной точки (Т_гр) между областями I и II изменяется в зависимости от величины нагрузки в циклах от 40 до 200 МПа не монотонным образом (фиг. 6). На фиг. 6 обозначено: 11 - температура деформирования в области I; 12 - температура деформирования в области II, в области деформационного структурного перехода максимальное значение граничной температуры соответствует механическому напряжению около 90 МПа. В интервале нагрузок от 40 до 90 МПа значение температуры Т_гр незначительно возрастает по линейному закону (зависимость 11 на фиг. 6), в то время как в циклах с нагрузкой от 90 до 200 МПа наблюдается значительное линейное снижение температуры Т_гр (зависимость 12 на фиг. 6). Значение максимальной температуры при 90 МПа составляет около 470°С.

Переход из области I в область II происходит как деформационный структурный переход. При низких до 90 МПа напряжениях деформационный структурный переход не реализуется, переход наблюдается при напряжениях выше 90 МПа и температурах ниже 450°С. Структурный аспект перехода состоит в том, что накопление деформации ниже критической температуры Т_гр контролируется термически активируемым переползанием дислокаций, в то время как выше Т_гр накопление деформации контролируется зернограничным процессом производства полных дислокаций на тройных зернограничных стыках.

Отсюда понятно, что низкая скорость накопления деформации в области I обусловлена медленным процессом переползания дислокаций, а низкое значение накопленной в этой области деформации связано с низкой плотностью исходных дислокаций в структуре материала. В тоже время высокая скорость накопления деформации в области II связана с производством дислокаций, дополнительно к существующим.

Рассмотрим зависимость колебательной энергии в области I и II от механического напряжения (фиг. 7). Согласно данным табл. 2 и фиг. 7 в области I низкая скорость накопления деформации (ν₁=0,0031 с^-1) соответствует низкоамплитудной монотонной акустической эмиссии, свидетельствующей о низкой корреляции элементарных деформационных актов и низкой колебательной энергии акустической эмиссии в деформируемом объеме. В высокотемпературной области II быстрое (ν₂=0,0129 с^-1) накопление деформации соответствует быстрому монотонному росту среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, следовательно, увеличению колебательной энергии акустической эмиссии в объеме образца.

Отсюда следует, что деформационный структурный переход происходит тогда, когда температурно-силовые параметры и колебательная энергия акустической эмиссии в деформируемом объеме достигают критических значений. Таким образом, деформационный структурный переход есть результат совместного действия термических флуктуаций, механических напряжений, определяющих величину статических смещений атомов, и колебательной энергии акустической эмиссии, определяющей величину динамических смещений атомов в элементарном деформационном акте.

Пример 4

Согласно примерам 1, 2 и 3 накопление деформации в сплавах алюминия при высоких температурах осуществляется двояким образом: в области I низкоскоростному монотонному характеру накопления деформации соответствует монотонная акустическая эмиссия с низким значением колебательной энергии; в область II высокоскоростному накоплению соответствует акустическая эмиссия с высоким значением колебательной энергии.

Таким образом, активизация пластичности в ходе накопления деформации в области II при достижении механическим напряжением и температурой критических значений осуществляется еще и за счет формирования в деформируемом объеме материала ультразвукового поля стоячих волн акустической эмиссии.

Как известно (аналог), типичным проявлением акустико-пластического эффекта является проявление в ультразвуковом поле состояния аномальной пластичности. Однако при длительном облучении ультразвуком частотой 20 кГц в поликристаллическом алюминии появляется большое количество призматических петель дислокаций, возникающих, как правило, при конденсации избыточных вакансий. Однако высокая плотность вакансий (10²⁰ вакансий/с при амплитуде колебаний 1 мкм) приводит к разрушению материала. Разрушение образцов обусловлено интенсивным порообразованием по границам зерен. Отсюда следует вывод, что ультразвуковое воздействие при одновременном механическом нагружении и при высоких температурах необходимо ограничить во времени.

Согласно примерам 1, 2, 3 ультразвуковое облучение деформируемого объема образца необходимо осуществлять в области II, то есть после достижения критических параметров деформационного структурного перехода. Согласно данным табл. 2, фиг. 6 и 7 механическое напряжение деформирования должно быть в интервале 90-200 МПа, температурный интервал деформирования 450-250°С в соответствии с величиной приложенного механического напряжения. Согласно данным табл. 2 и фиг. 7 переход из области I в область II сопровождается повышением в деформируемом объеме колебательной энергии акустической эмиссии не ниже 15*10^-12 В²с. Именно достижение критических параметров (критических значений температурно-силового воздействия и колебательной энергии акустической эмиссии) деформационного структурного перехода соответствует переходу к естественной аномальной пластичности деформируемого материала и квазискачкообразному (высокоскоростному) характеру накопления деформации.

Если в момент деформационного структурного перехода, то есть перехода в область II, характеризуемого повышенной естественной пластичностью, активируемой совместным действием механических напряжений, тепловых флуктуаций и колебательной энергией акустической эмиссии, осуществить воздействие внешним источником ультразвуковой энергией (колебательной энергией), то аномальная пластичность дополнительно возрастет в связи с суммированием естественной пластичности и пластичности, добавленной внешним ультразвуком. Не исключено, что аномальная пластичность приобретет глобальный характер, то есть охватит весь макроскопический объем деформируемого материала и все макроскопическое время процесса деформирования материала.