ZEFEKTIVNĚNÍ PROCESU VÍCENÁSOBNÉ PLASTICKÉ DEFORMACE INCREASING THE EFFECTIVENESS OF SEVERE PLASTIC DEFORMATION PROCESS

Transkript

1 ZEFEKTIVNĚNÍ PROCESU VÍCENÁSOBNÉ PLASTICKÉ DEFORMACE INCREASING THE EFFECTIVENESS OF SEVERE PLASTIC DEFORMATION PROCESS Stanislav Rusz a Karel Malaník b Josef Bořuta c a VŠB Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR, ová adresa: stanislav.rusz@vsb.cz b VÚHŽ Dobrá, a. s., Dobrá, ČR, ová adresa: malanik@vuhz.cz c Materiálový a metalurgický výzkum s.r.o., Pohraniční 693/31, Ostrava Vítkovice, ČR ová adresa: josef.boruta@vitkovice-vyzkum.cz Abstrakt Příspěvek je zaměřen na vývoj ECAP technologie, souhrnně nabyté nové informace jako jsou deformační odpor, napěťový stav, fyzikálně-technologické podmínky a další rozhodující faktory tvářecího procesu umožňující vytvoření velmi jemnozrnné struktury s vysokými mechanickými vlastnostmi a dobrou tvářitelností. Vychýlení kanálu v horizontální rovině dosahovalo hodnoty 10 a 20. Dané vychýlení je potřebné z hlediska optimalizace úhlu vychýlení pro různé typy materiálů. V našem případě jsme obdrželi významný nárůst intenzity deformace oproti klasickému konstrukčnímu řešení s úhly ψ = 90 a φ = 90. Dané vychýlení vede k daleko vyššímu nárůstu intenzity deformace v prvním průchodu kanálem nástroje ECAP, což umožňuje dosažení potřebného zjemnění struktury. Byla provedená matematická simulace procesu ECAP v programu QForm a porovnán vliv geometrie kanálu a počtu průchodů na výslednou velikost intenzity deformace. V další simulaci byla geometrie kanálu upravená vložením tzv. šroubovice do jeho horizontální části. Daný typ úpravy vede k ještě vyššímu zefektivnění tvářecího procesu. Verifikace dosažených výsledků matematické simulace bude provedena vlastními experimenty, které budou provedeny na hydraulickém lise DP 1600 kn, který je vybaven servopohonem s PC řízením a snímáním závislosti protlačovací síly (přetvárného odporu) na dráze průtlačníku. Výhodou daného typu pohonu je možnost nastavení a regulace rychlosti posuvu protlačovacího trnu a tím i ověření vlivu rychlosti deformace na utváření zrna. Zároveň je vyhodnocována dosažená střední velikost zrna u klasické i nově navržené geometrie kanálu ECAP. Dosažené výsledky přispějí k podrobnější analýze procesu vícenásobné plastické deformace a mají značný význam pro průmyslovou praxi. Abstract The paper is focused on development of the ECAP technology, aggregately acquired new information such as resistance to deformation, stress condition, physical-technological conditions and other decisive factors of forming process, which enable creation of highly finegrained structure with high mechanical properties and good formability. Deflection of the chamber in horizontal axis was by 10 and 20. This deflection is necessary for optimisation of a deflection angle for various types if materials. In our case we obtained significant increase of deformation intensity in comparison with classical design with angles ψ = 90 and φ = 90. This deflection lead to much higher increase of deformation intensity at the first passage through the channel of the ECAP tool, which enables obtaining of the required structure 1

2 refining. The ECAP process was simulated mathematically with use of the program QForm and influence of the channel geometry was compared and number of passes on final deformation intensity was compared. Channel geometry was at the next simulation modified by insertion of so called screw line into its horizontal part. This type of modification leads to even higher increase in efficiency of the forming process. Verification of the results obtained by mathematical simulation will be made by the experiments, which will be made on hydraulic press DP 1600 kn, which is equipped with servo drive controlled by PC and by reading of dependence of extrusion force (resistance to deformation) on trajectory of extruding punch. Advantage of this type of drive consists in the fact that it is possible to set and regulate speed of movement of extruding punch and to verify thus influence of the strain rate on grain formation. At the same time the obtained mean grain size is evaluated for classical and newly designed geometry of the ECAP channel. The results thus obtained will contribute to a more detailed analysis of the process of multiple plastic deformation and they have great importance for industrial practice. 1. ÚVOD Trvale udržitelný rozvoj lidské společnosti je podmíněn maximální šetrností neobnovitelných zdrojů energie a surovin, zejména na bázi kovů. Jednou z cest, jak lze toho dosáhnout je, vedle recyklace odpadů slitin na bázi železa, hliníku a mědi, soustavné snižování jejich spotřeby cestou zvyšování kvality a životnosti užitných předmětů a konstrukcí z nich vyrobených. Vývoj materiálů s ultra-jemnou strukturou neboli nanostrukturních materiálů patří v současnosti k předním oblastem výzkumu materiálů a tvářecích technologií na celém světě. Během posledních let je prováděn výzkum nanotechnologií ve vysokém tempu, poněvadž tyto bezprostředně ovlivňují vývoj nových materiálů a následně výrobků. Jejich technologický a obchodní světový přínos bude v budoucnu hlavní ekonomickou silou rozvoje moderní výroby. Submikrokrystalické materiály s průměrnou velikostí zrna od 50 do 200 nm se vyznačují velmi vysokou tvařitelností při zachování velmi dobrých pevnostních vlastností. Zvýšená pozornost vědeckého výzkumu v dané oblasti je věnována fyzice kovů, stavu jejich struktury a vlastností ve fázi pevné krystalizaci, atomovou skladbu, meziatomární poměry a síly, submikrostrukturu, poruchy mřížky, její uzdravování ap. Experimentální výsledky řady renomovaných pracovišť naznačují, že vysokým nebo vícenásobným využitím plastické deformace kovů lze vyrobit materiály s mimořádnými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi, technologicky využitelnými k výrobě extrémně namáhaných součástek či konstrukcí. 1.1 Teoretické modely plastické deformace v ultra-jemnozrnných (nano) materiálech Jednotlivé teoretické modely přistupují k nanokrystalickým materiálům jako ke kompozitům s hranicemi zrn a vnitřky zrn základních fází. V rámci tohoto přístupu mez kluzu je dána tzv. pravidlem směsi (konvečně použité teorie kompozitů) jako tzv. vážená suma mezí kluzu, která charakterizuje fázi hranic zrn a vnitřky zrn. Teoretické modely se zaměřují na mikroskopické (fyzikální) mechanismy plastické deformace v nanokrystalických materiálech. Tento přístup přisuzuje Hall-Petchovu efektu základní úpravu obvyklého pohybu mřížkové dislokace nebo přechod do dalšího deformačního mechanismu v plasticky deformovaných nanokrystalických materiálech s vysokou hustotou hranic zrn [1]. Různé teoretické modely dávají různé vysvětlení neobvyklého Hall-Petchova vztahu (1), většina z nich odpovídá příslušným experimentálním výsledkům. 2

3 Složitost experimentálního určení deformačních mechanismů v nanokrystalických materiálech spočívá v jejich velmi komplikované nanorozměrné struktuře a její schopnosti se přetvořit. Deformační mechanismy mohou být různé v odlišných nanokrystalických materiálech nebo dokonce ve stejném materiálu při různých podmínkách zatížení (teplota, deformační rychlost). Základními modely plastického přetvoření v ultra-jemnozrnných (nano) materiálech jsou: Masumurův, Carsleyho, Kimův, Ovidkův a Chokshiho teoretický model. Příkladově uvádím dva modely. Masumura vycházel z dat v Hall-Petchově diagramu - meze kluzu a exponentu velkosti zrna vyjádřeného vztahem (1) do doby, než je dosaženo velmi jemného zrna. S příchodem nanokrystalických materiálů u kterých je dosaženo velikosti zrna v nanometrech, dochází k revizi výsledků se současným ověřením použitelnosti a platnosti Hall-Petchova vztahu (1) pomocí experimentů [1] τ =τ o +kd -1/2 (1) Ovidko - Daný teoretický model popisuje skluz hranic zrn jako převládající deformační mechanismus plastického toku v nanokrystalických materiálech v elementárních, nanoměřítkových úrovních.. Plastická deformace se chová jako obecné vady krystalů. Dislokace krystalové mřížky a dislokace na hranicích zrn vyjádřené Burgersovými vektory bývají v řádu parametru krystalové mřížky. Každá nano-dislokace je definována jako superpozice posunu dislokací hranic zrn, patřící k jedné hranici zrn. Nano-dislokace je druh superdislokace, která se skládá ze všech mobilních dislokací hranic zrn při jedné nanorozměrné hranici zrn [1]. 2. TECHNOLOGIE ECAP Technologie ECAP přináleží v současné době k nejrozšířenějším technologiím výroby velmi jemnozrnných materiálů a je velice podrobně zkoumána. Podstata metody ECAP je známá spočívá v protlačování bud' válcového nebo hranolovitého vzorku kanálem s definovanou geometrii. V ideálním případě dojde v přechodu kanálu k čistému namáhání protlačovaného vzorku na střih. Z hlediska volby velikosti úhlu zaoblení vyplývají různé stupně deformace. Většinou se používá úhel kanálu φ = (90 135) [2]. Plocha příčného průřezu vzorku je neměnná v jednotlivých místech průchodu kanálem. Je zřejmé, že opakované protlačování je prováděno za účelem dosažení velmi vysokého stupně deformace (vícenásobná plastická deformace). V praxi je možné otočit vzorek mezi jednotlivými protlačováními, takže je aktivován odlišný střižný systém. Hlavní význam pro proces ECAP má úhel propojení vertikálního a horizontálního kanálu - Ф. Použití nástroje s různou velikostí úhlu Ф ovlivňuje heterogenitu struktury ve vzorku [2, 3]. Pro dosažení větší deformace v protlačovaném vzorku se prokázalo použití úhlu 0 zakřivení kanálu nástroje φ = 90 při úhlu zaoblení kanálu nástroje 0 ψ = 28. Optimální návrh hodnot úhlů Ф a ψ je velmi důležitý pro konstrukci nástroje ECAP a tím i dosažení vyššího stupně deformace. Obr. 1. Geometrie kanálu ECAP Fig. 1. Geometry of ECAP channel 3

4 V důsledku použití děleného nástroje se hodnoty úhlu pohybují v rozmezí ψ ~ Dalším důležitým parametrem ovlivňujícím dosaženou velikost deformace jsou poloměry zaoblení kanálu R 1 a R 2. Pro velmi dobře, dobře a obtížně tvářitelné materiály se musí velikost těchto poloměrů zaoblení stanovit individuálně pro skupinu materiálů s navzájem podobným chemickým složením a mechanickými vlastnostmi [3]. 2.1 Nová koncepce geometrie nástroje ECAP pro zvýšení stupně deformace v 1. průchodu Podstata nové koncepce řešení tvářecího nástroje pro vývoj ultra-jemnozrnných materiálů bude založena na nové konstrukci kanálu nástroje. Nové konstrukční řešení umožňuje dosažení daleko vyššího stupně přetvoření pomocí změny cesty deformace v jednom průchodu nástroje. Je to nový přístup v konstrukčním řešení tvářecího nástroje než tomu bylo doposud publikováno ve vědecké literatuře zabývající se problematikou výroby nanostrukturních materiálů. Jedná se především o změnu cesty deformace v prvním průchodu kanálem ECAP. Výsledkem je zvýšení stupně deformace vedoucí k vyššímu zjemnění zrna a tím k celkovému zvýšení efektivity procesu vícenásobné plastické deformace. Konstrukční úprava se týká horizontálního kanálu, který je vychýlen o 10 a 20 vzhledem k horizontální ose. Nová koncepce nástroje byla nazvána EHAD - Extrusion with High Amount of Deformation (protlačování s vysokým stupněm deformace) je uvedena na obr. 2. Obr. 2. Změna geometrie kanálu ECAP Fig. 2. Change geometry of channel ECAP Změnou cesty deformace dojde ke zvýšení stupně přetvoření v prvním i v dalších průchodech kanálem tvářecího nástroje a tímto ke zvýšení efektivity procesu zjemňování zrna. Experimenty byly prováděny na hydraulickém lise DP 1600 kn, který je vybaven servopohonem umožňující pomocí řídicího systému a programu plynulou regulaci rychlosti tvářecího nástroje a tím i deformační rychlosti. Tvářecí nástroj je vybaven ohřívací manžetou a termočlánky pro provádění experimentů za tepla. Vlastní pracoviště je uvedeno na obr. 3. V první fázi byla ověřována slitina AlMn1Cu (ČSN 3003), chemické složení (hm. %): Mn =1,1 Fe = 0,45 Si = 0,55 Cu = 0,15 ostatní prvky do 0,05. Simulace protlačovacího procesu byla provedena s využitím programu QForm.3D. Program je využíván pro simulaci a analýzu tvářecích procesů za studena i za tepla ve 3D prostředí. Systémové prostředí je podobné programu QForm 2D. Taková podobnost dovoluje přirozený přechod mezi 2D a 3D simulací. Geometrické objekty jsou importovány pomocí QDRAFT 3D modulů. Během animace tvářecího procesu QForm 3D znázorňuje tok 4

5 materiálu i tok vzniklých defektů. Dále je během simulace znázorněno teplotní pole v každé části výrobku a velikost deformace. Na tvářené součásti se vytvoří síť, jejíž složitost je závislá na přesnosti simulace. Výsledky simulace jsou zobrazeny prostřednictvím 3D grafiky souběžně s postupem simulace který poskytuje okamžitou zpětnou vazbu v programu. Obr.3. Pracoviště vývoje nových technologií Fig. 3 Workplace development new technology 2.2 Matematická simulace protlačování nástrojem ECAP slitiny AlMn1Cu Základní analyzovanou problematikou bylo ověření vlivu geometrie nástroje ECAP na dosaženou velikost intenzity deformace v jednotlivých průchodech kanálem nástroje. Geometrie kanálu: R1 = 4 mm, R2 = 0,5 mm a uhly kanálu φ = 90,ψ = 90, teplota procesu t = 350 C byla zvolena s ohledem na dosahovanou teplotu ve výrobním procesu válcování plechu. Dosažená velikost intenzity deformace ovlivňuje významně zjemnění struktury i efektivitu procesu vícenásobné plastické deformace. Byl jednoznačně prokázán pozitivní vliv vychýlení horizontální části kanálu na nárůst intenzity deformace v jednotlivých průchodech vzorku nástrojem ECAP. Je to výchozí předpoklad pro docílení potřebného zjemnění struktury u dané slitiny již po 3 průchodech, kdy intenzita deformace dosahovala hodnoty e i = 3,3 u vychýlení kanálu s 20 oproti velikosti e i = 2,9 u klasického kanálu. Mikrostrukturní analýza byla vstupně ověřována na AFM mikroskopu po 4. průchodu klasickým nástrojem ECAP. Bylo dosaženo podstatného zjemnění zrna, řádově d = 200 nm oproti výchozí velikosti d = 100 µm. Výsledky analýzy po 4. průchodu jsou uvedeny na obr. č.5. 5

6 Průběhy intenzity deformace po 1. průchodu Průběhy intenzity deformace po 1. průchodu Průběhy intenzity deformace po 2. průchodu Průběhy intenzity deformace po 2. průchodu Průběhy intenzity deformace po 3. průchodu Průběhy intenzity deformace po 3. průchodu a) b) Obr.4. Matematická simulace protlačování slitiny AlMn1Cu (3 průchody) při teplotě 350 C a) klasickým kanálem ECAP b) s vychýlením horizontálního kanálu ECAP o 20 kolem vertikální osy Fig. 4. Mathematical simulation of extrusion alloys AlMn1Cu (3 passage) at temperature 350 C a) classical channel ECAP b) Channel ECAP with horizontal deflexion about 20 around vertical axes Tabulka 1. Změna intenzity deformace po jednotlivých průchodech kanálem ECAP a) klasický kanál b) kanál s vychýlením Table 1. Change intensity deformation after single passage through channel ECAP a) classical channel b) Channel with horizontal deflexion Počet průchodů Intenzita deformace [-] Počet průchodů Intenzita deformace [-]

7 Obr. 5. Vstupní mikrostrukturní analýza po 4. průchodu klasickým nástrojem ECAP Fig. 5. Primary microstructure analysis after 4. passage through classical ECAP tool 3. ZÁVĚR V práci jsou uvedeny vstupní matematické simulace zjemňování struktury pomocí upravené technologie ECAP prováděné na průmyslově vyráběné slitině AlMn1Cu. Základním cílem bylo ověření změny geometrie nástroje ECAP na dosaženou velikost deformace po jednotlivých průchodech nástrojem ECAP (srovnání výsledků u klasické koncepce a koncepce s tzv. vychýlením kanálu ). Následně experimentálně ověřit dosažené zjemnění zrna na AFM mikroskopu. Matematická simulace jednoznačně prokázala významný nárůst velikosti intenzity deformace v jednotlivých průchodech u koncepce s vychýlením horizontální části kanálu o 20 kolem vertikální osy (viz. tab. 1) u 3. průchodu ε i = 3,3, oproti ε i = 2,9 klasická koncepce. Vstupní analýza struktury prokázala dosažené výsledné zjemnění zrna d =200 nm, které bude dále podrobněji analyzováno v jednotlivých průchodech v následných pracích. V další části výzkumných prací bude provedena simulace i experimentální ověření protlačování dané slitiny ve 4. a 5. průchodu. Tzn. bude podrobně analyzován vliv počtu průchodu na výsledné zjemnění zrna. Zároveň budou ověřovány mechanické vlastnosti a tažnost u výchozího stavu a protlačených vzorků pomocí tzv. penetrační metody, která je vyvíjená pro malé typy vzorků, na kterých nemůže být provedena klasická tahová zkouška. Jednoznačně byla prokázána vhodnost nové geometrie nástroje ECAP pro zvýšení efektivity procesu vícenásobné plastické deformace Poděkování Všechny uvedené práce byly prováděny v rámci projektu GAČR č. 101/08/1110 LITERATURA [1] GUTKIN, M.YU., OVIDKO, I.A., PANDE, C.S. Theoretical models of plastic deformation processes in nanocrystalline materials. Rev. Adv. Mater. Sci., September 2001, vol. 2, p [2] VALIEV, R.Z., ALEXANDROV, I.V. Nanostructural materials processed by severe plastic deformation, Scripta Materiala, June 2000, vol. 46, p

8 [3] ALKOROTA, J., ROMBOUTS, M., MESSEMAEKER J.D., FROYEN, L., SEVILLANO, J.G. On the impossibility of multi-pass equal channel angular drawing, Scripta Materiala, March 2002, vol.47, p