CREEPOVÉ CHOVÁNÍ ULTRAJEMNOZRNNÉHO HLINÍKU

CREEPOVÉ CHOVÁNÍ ULTRAJEMNOZRNNÉHO HLINÍKU Jiří Dvořák a, Václav Sklenička a, Milan Svoboda a a Ú fyziky materiálů, Akademie věd České republiky, Žižkova 22, 616 62 Brno, ČR, dvorak@ipm.cz Abstrakt Extrémně (velikost zrna ~ 5 mm) čistý (99,99%) hliník byl pro dosažení jemnozrnné struktury tvářen metodou intenzivní lokální smykové plastické deformace (ECAP) za pokojové teploty v zápustce, v níž protínající se extruzní kanály stejného průřezu svírají úhel 90. Použitím metody ECAP pomocí jednoho nebo vícenásobného průchodu variantními postupy A, B c nebo C bylo dosaženo ultrajemnozrnné mikrostruktury hliníku o velikosti (sub)zrna ~ 1µm. Creepové zkoušky při konstantním tahovém zatížení probíhaly při teplotě 473K a napětí 15 MPa jak na vzorcích, tvářených metodou ECAP všemi variantními postupy a při proměnném počtu ECAP operací (až do 12 průchodů), tak i na hrubozrnném (netvářeném) hliníku. Výsledky vedou k závěru, že creepová odolnost ultrajemnozrnného hliníku je významně vyšší než hrubozrnného materiálu. Creepová životnost materiálu po aplikaci ECAP je však kriticky závislá na počtu ECAP průchodů a volbě variantního procesního postupu A, B c či C, což je vysvětleno rozdílnou homogenizací mikrostruktury a mikrotextury vzorků v důsledku rozdílné mezioperační rotace ECAP vzorků při použitém procesním postupu. Abstract Extremely coarse-grained (grain size 5 mm) high-purity (99,99%) aluminium was subjected to equal-channel angular pressing (ECAP) to refine its grain size. The ECAP pressing was conducted at room temperature with a die that had a 90 angle between the die channels and one or repetitive pressing followed either route A, B c or C. Following pressings by each of the routes, the microstructure of billets exhibited similar (sub)grain size ( 1.0 µm). Constant load tensile creep tests were conducted at 473K and at the applied stress range of 15 MPa on billets after different number of passes (up to 12 passes) and, for comparison purposes, on coarse-grained unpressed material. In essence, the creep resistance of the ECAP material is shown to be considerably increased compared to coarse-grained aluminium. However, the creep behaviour of an ultrafine-grained material indicates a dependence on the number of ECAP passes resulting in homogenisation of the microstructure and microtexture and the influence of the ECAP process route which may be attributed to the different rotations of the billets via the ECAP pressing. 1. ÚVOD Ultrajemnozrnné UFG materiály (UFG, ultrafine grained materials) předují novou skupinu kovových materiálů s neobvyklou strukturou a pozoruhodnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi ve srovnání s polykrystalickými materiály se standardní velikostí zrna. Významnou technologií přípravy UFG materiálů s větším objemem se stala metoda ECAP (equal-channel angular pressing [1,2,3]), založená na aplikaci intenzivní lokální smykové deformace při protlačování materiálu. ECAP lze využít při přípravě UFG materiálů s vynikající pevností při nízkých teplotách a vysokých rychlostech deformace. Pomocí této metody lze dosáhnout homogenní struktury materiálu s velikostí zrna řádově ve stovkách nanometrů. 1

V posledním desetiletí byla publikována řada prací, věnovaných bližšímu popisu technologických aspektů aplikace metody ECAP a zejména detailnímu mikrostrukturnímu studiu materiálů, především modelových kovů a slitin, připravených touto metodou. V poslední době lze nalézt i publikace, týkající se zpracování reálných konstrukčních materiálů a kompozitů na bázi kovové matrice. Velmi zřídka lze nalézt výsledky studia mechanických vlastností a plastického chování ECAP materiálů; výjimkou snad jsou popisy superplastického chování při nižších teplotách [4]. Studie creepové chování ECAP materiálů nebyla dosud provedena. Ve snaze alespoň částečně zaplnit tuto mezeru vznikl předložený příspěvek. 2. PRINCIP METODY ECAP Základní princip metody je ilustrován obr. 1. Tvářecí přípravek tvoří blok (zápustka) se dvěma protínajícími se extruzními kanály o téměř stejném průřezu. Polotovar zkušebního materiálu, potřený vhodným lubrikátorem, je vložen do vertikálního kanálu a tlakem průtlačníku protlačen do výstupního kanálu pod úhlem Φ. Za těchto podmínek se polotovar pohybuje kanálem jako tuhé těleso a lokálního přetvoření je dosaženo intenzivní smykovou plastickou deformací v průsečíkové rovině kanálů. Intenzita plastické deformace je závislá na úhlu, který kanály svírají. Přednostně se používají úhly 90, 120 a 150, přičemž nejefektivnější deformace je dosaženo při úhlu 90. V případě jednoho průchodu je dosaženo ekvivalentní deformace ~ 1 bez redukce počátečního průřezu vzorku. Výhody úhlového protlačování jsou patrnější při vícenásobném průchodu materiálu. Díky tomu, že při tváření nedochází ke změně průřezu polotovaru, lze celý proces snadno několikrát opakovat a celková úroveň dosažené deformace odpovídá příslušnému násobku deformace odpovídající Obr. 1. Princip metody ECAP jednomu průchodu. Při vlastní extruzi můžeme použít následujících variantních procesních postupů spočívající v rozdílné rotaci polotovaru před následným ECAP průchodem (obr. 2): postup A orientace polotovaru vzorku se nemění, k rotaci vzorku nedochází; postup B polotovar je otočen o 90 před následným průchodem a konečně postup C rotace předuje 180. Probíhá-li rotace při postupu B vždy v jednom směru, označujeme tento postup B c. Obr. 2. Tři variantní pracovní postupy technikou ECAP 2

3. KONSTRUKCE TVÁŘECÍHO PŘÍPRAVKU Konstrukce ECAP přípravku byla navržena J. Dvořákem; přípravek byl vyroben v mechanické dílně Úu fyziky materiálů AV ČR. Přípravek je složen ze 4 dílů spojených v celek pomocí válcových čepů. Čepy jednak zajišťují vzájemnou polohu po složení přípravku a jednak zachycují tlakové síly při tvářecím procesu. Hlavním požadavkem na funkčnost přípravku je otěruvzdornost a tvrdost konstrukčního materiálu zápustky, která byla proto vyrobena z nástrojové oceli a vhodně tepelně zpracována. V průběhu protlačování vznikají uvnitř zápustky značné tlaky, které působí na stěny kanálů a hrozí tím únik materiálu štěrbinou mimo jejich profil. Proto je zápustka vsazena do čtvercové zděře a těsnost zajištěna pomocí samosvorných klínů. Tímto řešením nedochází k zeslabení konstrukce přípravku a přítlačná síla je rozložena rovnoměrně po celé ploše. Jako lis byl použit univerzální zkušební stroj Zwick 1382 pracující se zatížením 200 kn. Výhodami tohoto stroje je 12-stupňová převodovka, plynulý pohyb příčníku a okamžitý grafický záznam síly na čase. Aby bylo možno adaptovat přípravek na zkušební stroj Zwick, byl navržen speciální stojan, na který se přípravek s průtlačníkem uchytí. Pomocí tohoto zařízení je tahové napětí převedeno na tlakové, čímž dochází k vzájemné interakci vzorku s průtlačníkem. Konstrukční sea ECAP zařízení je patrná z obr. 3; je Obr. 3. Adaptace tvářecího přípravku ECAP a průtlačníku na mechanický stroj Zwick však nutno zdůraznit, že jak parametry přípravku, tak i volba stroje byly determinovány zvoleným experimentálním materiálem (Al 99,99%). 4. EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY 4.1 Experimentální materiál a mikrostrukturní analýza Pro přípravu ultrajemnozrnného materiálu byl získán extrémně hliník čistoty 99,99% ve u po válcování za tepla s velmi nehomogenní velikostí zrna (střední rozměr zrna činil ~ 5 mm). Vyválcovaný pás za tepla byl rozřezán na polotovary o rozměrech 9,9 x 9,9 x 75 mm. Příprava ultrajemnozrnné verze experimentálního materiálu metodou ECAP byla provedena při pokojové teplotě za použití již popsaného tvářecího přípravku, při rychlosti příčníku 10 mm/min a při aplikaci variantních procesních postupů A, B či C. Maximální počet průchodů ECAP byl 12. Z ECAP polotovarů byly připraveny ploché zkušební vzorky pro následné creepové zkoušky v tahu. K analýze mikrostrukturního u ECAP vzorků byla použita světelná i elektronová mikroskopie. Typická mikrostruktura těchto vzorků je patrná z obr. 4; bez ohledu na zvolený variantní postup (A, B či C) a absolvovaný počet průchodů se velikost (sub)zrna pohybovala okolo 1 µm. Podstatnější rozdíl spočíval v morfologii (sub)zrn protáhlý či rovnoosý tvar a 3

METAL 2003 ve vzájemné orientaci sousedících (sub)zrn rozdílná distribuce maloúhlých a velkoúhlových hranic. Obr. 4. Typická mikrostruktura a příslušné selekční elektronové difrakce (SAED patterns) ECAP vzorků po (a) jednom průchodu, (b) 4 průchodech postupem B a (c) 8 průchodech postupem C. Transmisní elektronová mikroskopie (TEM). Ke zjištění tepelné stability ultrajemnozrnného u materiálu bylo provedeno žíhání ECAP vzorků při teplotě 473 K (tato teplota byla zvolena pro vlastní creepové zkoušky) v odstupňovaných časových intervalech: 0,5, 1,2, 5, 24 a 48 hodin. Následný metalografický rozbor prokázal, že k markantnímu růstu (sub)zrna dochází v průběhu počátečních 30 minut. Po této době dochází k stabilizaci (sub)zrna; jeho střední hodnota činila 6 µm a nebyla významně ovlivněna (při stejném počtu průchodů) použitým variantním procesním postupem. Rovněž měřená mikrotvrdost HV5 prokázala významný pokles pouze v počátečním stadiu žíhání ECAP vzorků. 4.2 Výsledky creepových zkoušek Creepové zkoušky v tahu byly provedeny při teplotě 473 K a při aplikovaném tahovém napětí 15 MPa pomocí creepových vzorků s rozdílnou historií přípravy metodou ECAP. Pro porovnání byly provedeny i paralelní creepové zkoušky na hrubozrnném hliníku ve výchozím u za stejných podmínek creepového zatěžování. Všechny creepové zkoušky byly vedeny do lomu vzorku. Obr. 5a ilustruje standardní creepové křivky ε vs t pro vzorky ECAP (postupy A, B a C) po dvou průchodech. Pro srovnání jsou vyneseny creepové křivky hrubozrnného u a také ECAP vzorku s jedním průchodem (A1). Z obrázku vyplývá, že nejdelší dobu do lomu vykazuje vzorek A1; vzorky A2, B2 a C2 mají kratší doby do lomu, které se vzájemně poněkud liší v závislosti na použitém procesním postupu. Přesto i tyto vzorky mají podstatně delší creepovou životnost než vzorek hrubozrnného hliníku. Standardní verze creepových křivek ε vs t může být vynesena formou časové závislosti okamžité rychlosti creepu, tj. ε& vs t (obr. 5b). Z obrázku je patrné, že minimální rychlosti creepu ECAP vzorků jsou o dva až tři řády nižší než hrubozrnného materiálu. Minimální rychlosti creepu je dosaženo u vzorků s 2 průchody zhruba v polovině creepové životnosti; u vzorku A1 primární creep předuje dominující oblast creepu a minimální rychlosti creepu je dosaženo až v závěrečné fázi creepové expozice před nástupem terciárního creepu. 4

0.6 1x10-1 PRODLOUŽENÍ ε 0.4 0.2 počet průchodů: 2 Procesní postup: A1 A2 B2 C2 RYCHLOST CREEPU dε/dt [s -1 ] 1x10-2 1x10-3 1x10-4 1x10-5 1x10-6 1x10-7 počet průchodů: 2 Procesní postup: A1 A2 B2 C2 0 0 1000 2000 3000 1x10-8 0 1000 2000 3000 Obr. 5. Časové závislosti (a) creepového prodloužení(creepové křivky) a (b) okamžité rychlosti creepu pro hliník a ECAP materiál s použitím různé procesní historie. Creepové chování ultrajemnozrnného hliníku po 12 průchodech znázorňuje obr. 6, který zároveň umožňuje i bezprostřední porovnání s chováním hrubozrnného u. Ze standardních creepových křivek (obr. 6a) opět vyplývá, že doba do lomu ultrajemnozrnného u je podstatně delší než hrubozrnné varianty. Transformované creepové křivky ε& vs t (obr. 6b) zároveň naznačují, že dochází k zúžení intervalu hodnot minimálních rychlostí creepu ECAP materiálu podrobeného různým procesním postupům (A, B či C). 1 1x10-2 PRODLOUŽENÍ ε 0.8 0.6 0.4 Procesní postup: A12 B12 C12 0.2 počet průchodů: 12 0 0 40 80 120 160 RYCHLOST CREEPU dε/dt [s -1 ] 1x10-3 1x10-4 1x10-5 1x10-6 Procesní postup: A12 B12 C12 Al 99,99 473K,15 MPa počet průchodů: 12 1x10-7 0 40 80 120 160 Obr. 6. Časové závislosti (a) creepového prodloužení (creepové křivky) a (b) okamžité rychlosti creepu pro hliník a ECAP material o stejném počtu průchodů. Konečně, obr. 7a, b ilustruje vliv počtu průchodů tvářecím přípravkem při stejném procesním způsobu (v uvažovaném případě postup B) na creepovou životnost a minimální rychlost creepu. Zatímco se zvyšujícím se počtem průchodů dochází ke snížení doby do lomu a tedy creepové životnosti (obr. 7a), počet průchodů nemá zásadní vliv na minimální rychlost 5

creepu (obr. 7b). Naproti tomu se zvyšujícím se počtem průchodů dochází ke zvýšení creepového lomového prodloužení (obr. 7a). 1 1x10-1 PRODLOUŽENÍ ε 0.8 0.6 0.4 0.2 B2 B4 B8 B12 procesní postup: B RYCHLOST CREEPU dε/dt [s -1 ] 1x10-2 1x10-3 1x10-4 1x10-5 1x10-6 B2 B4 B8 B12 procesní postup: B 0 0 100 200 300 400 1x10-7 0 100 200 300 400 Obr. 7. Časové závislosti (a) creepového prodloužení (creepové křivky) a (b) okamžité rychlosti creepu pro hliník a ECAP materiál, připravený procesním postupem B s rozdílným počtem průchodů. Obecně lze říci, že aplikace metody ECAP nevede k zásadnímu zvýšení creepové plasticity oproti hrubozrnnému u (srovnej obr. 5a, 6a a 7a). Fraktografické vyšetření creepové lomové plochy ukázalo, že k závěrečnému lomu dochází v důsledku lokální ztráty plastické stability matrice mechanismem vnitrokrystalového tvárného lomu obr. 8. a 9. Tento mechanismus je zřejmě stejný pro obě strukturní varianty studovaného hliníku (obr.8a a 9a). V dolomové části creepové plochy se však fraktografické charakteristiky poněkud liší (srovnej 8b a 9b). Obr. 8. Creepová lomová plocha hrubozrnného hliníku: (a) celkový pohled, (b) detail dolomové oblasti. Creepové podmínky: teplota 473 K, napětí 15 MPa, doba do lomu 7,5 ks. Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM). 6

Obr. 9. Creepová lomová plocha vzorku ECAP (procesní postup B C, 12 průchodů): (a) celkový pohled, (b) detail dolomové oblasti. Creepové podmínky: teplota 473 K, napětí 15 MPa, doba do lomu 70 ks. Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM). 5. DISKUZE Provedená studie creepového chování prokázala, že aplikací metody ECAP a získáním ultrajemnozrnného u materiálu lze dosáhnout významného zvýšení creepové životnosti a do jisté míry alespoň v oboru creepového vnitrokrystalového lomu i zlepšení creepové lomové plasticity. Rozsah zvýšení uvedených creepových charakteristik závisí na počtu průchodů (ECAP operací) i na použitém procesním postupu (postup A, B či C). V současné době je obecně preferován postup B a konstrukce tvářecího přípravku s úhlem ψ = 90 [3]. Detailní mikrostrukturní analýzy ukazují, že tento postup vede po určitém počtu průchodů k získání ultrajemnozrnné, rovnoosé struktury se značným podílem velkoúhlových hranic. Z literatury [2] i z této práce vyplývá, že zvolený pracovní postup nemá prakticky vliv na dosaženou velikost (sub)zrna po tváření metodou ECAP a po větším počtu průchodů ani na podíl velkoúhlových hranic v ultrajemnozrnném materiálu. Naproti tomu, zvolený pracovní postup může zásadním způsobem ovlivnit mikrostrukturu ECAP vzorků v důsledku rozdílné mezioperační rotace vzorků a tím i creepové chování ECAP materiálu, zejména při malém počtu průchodů [5]. Z provedené studie vyplývá, že dosažená mikrostruktura ECAP materiálu má na výsledné creepové vlastnosti a chování v některých aspektech zcela protichůdný vliv. K získání materiálu s nejvyšší creepovou životností (nejdelší dobou do lomu) postačí minimální počet průchodů. Tím získáme značně heterogenní mikrostrukturu s vysokou relativní četností maloúhlových (sub)hranic (tj. hranic s úhly < 15 ). Tyto maloúhlové hranice neumožňují aktivitu pokluzů jako významného deformačního mechanismu creepu při zvýšených teplotách u materiálů s malou velikostí zrna, ani zachování kompatibility plastické deformace sousedících (sub)zrn. Naproti tomu, větší počet průchodů vede k vysoké četnosti velkoúhlových hranic, jejichž přítomnost vede ke snadnějšímu průběhu u mechanismů creepové deformace a dosažení větší creepové lomové plasticity. Makroskopickou odezvou je potom vlastní creepové chování ECAP materiálu; za stejných podmínek creepového zatěžování proto vykazují nejnižší hodnoty minimální rychlosti creepu a nejvyšší dobu do lomu ECAP materiály s nejnižším počtem průchodů bez ohledu na použitý procesní postup. Kritickým problémem je uchování původní velikosti ECAP (sub)zrna při následné tepelné expozici. Stabilní velikosti (sub)zrna lze zřejmě dosáhnout přítomností jemných 7

precipitátů na hranicích (sub)zrn, které by účinně blokovaly případnou migraci (sub)hranic či dokonce rekrystalizaci. Současné pokroky v aplikaci ECAP metody i v oblasti vícefázových reálných slitin [6,7] však naplnění tohoto předpokladu v principu umožňují. 6. ZÁVĚR Provedená komparační studie creepového chování hrubozrnného čistého hliníku s jeho ultrajemnozrnnou verzí, připravenou metodou bezkontrakčního protlačování pomocí intenzivní lokální smykové deformace (metodou ECAP), prokázala podstatné zvýšení creepové životnosti případně creepové plasticity u ultrajemnozrnného materiálu. Dosažená úroveň těchto creepových parametrů je však kriticky závislá na mikrostrukturních charakteristikách a tudíž na vlastní procesní historii ECAP materiálu. PODĚKOVÁNÍ Finanční podporu pro tuto práci poskytla Grantová agentura Akademie věd České republiky v rámci řešení grantového projektu GA AVČR IAA 204 1301. LITERATURA [1] STOICA, G.M., LIAW, P.K., Progress in Equal Channel Angular Pressing JOM, 2001, roč. 53, č.3, s.36-40. [2] Mc NELLEY, T.R., aj. Influence of processing route on microstructure and grain boundary development during equal channel angular pressing of pure aluminium. Sborník z konference Ultrafine grained Materials II. Warrendate: TMS, 2002, s. 15-24. [3] XU, C., LANGDON, T.G., Homogenity in ultrafine grained aluminium prepared by equal channel angular pressing. Ibid, s. 163 172. [4] KOMURA, S., aj. Optimizing true procedure of equal channel angular pressing for maximum superplasticity. Mater. Sci. Engineering, 2001, roč. A 297, s. 111 118. [5] TERHUNE, S. D., aj. An investigation of microstructure and grain boundary evolution during ECA pressing of pure aluminium. Met. Materials Traus., 2002, roč. 33A, s. 2173 2184. [6] VALIEV, R. Z., ISLAMGALIEV, R.K., ALEXANDROV, I.V.. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation. Progress in Materials Sci., 2000, roč.45, s. 103 189. [7] Sborník 2. mezinárodní konference Nanomaterials by Severe Plastic Deformation: Fundamental processing Applications, Ed. M. Zehentbauer a R.Z. Valiev, Deutsche Gesellschaff fűr Materialkunde ev, v tisku. 8