Objemové ultrajemnozrnné materiály a jejich příprava Doc. RNDr. Miloš Janeček CSc. Katedra fyziky materiálů
Definice Definice objemových ultrajemnozrnných (bulk UFG ultrafine grained) materiálů: Malá velikost zrn (~100 nm) Homogenní a rovnoosá mikrostruktura Velký podíl vysokoúhlových hranic zrn Vyšší pevnost materiálu Izotropní vlastnosti Potenciálně superplastický materiál
Závislost deformačního napětí na velikosti zrna polykrystalu Lze odvodit vztah pro závislost σ d Předpoklady: U polykrystalů se plastická deformace uskutečňuje pohybem dislokací Hranice zrn tvoří překážku pro pohyb dislokací Pohybem dislokací dojde k jejich nakupení před překážkou Jednotlivá zrna polykrystalu se deformují do tvaru určovaného deformací okolních zrn Von Mises kritérium: Je třeba 5 nezávislých skluzových systémů
Odvození Hall-Petchova vztahu Napětí na D.Z.2 od čela nakupení v zrně 1: τ 2 = d L Z 1 2 τ τ = τ K τ m t působící napětí K nakupení dislokací dojde za působení napětí: D.Z dislokační zdroj L Z..vzdálenost D.Z. od hranice zrna L Z d t m napětí nutné k pohybu dislokací ve skluzové rovině
Odvození Hall-Petchova vztahu Aby D.Z.2 mohl být činný, musí působit napětí: τ D = τ K + τ K τ m d L Z 1 2 τ K = τ m + τ D L Z d 1 2 Převedeme na deformační napětí: D.Z dislokační zdroj L Z..vzdálenost D.Z. od hranice zrna L Z d σ K = σ m + σ D L Z d 1 2
Hall-Petchův vztah σ = σ 0 + kd 1 2 kde konstanta k je rovna: k = σ D L Z 1 2 D.Z dislokační zdroj L Z..vzdálenost D.Z. od hranice zrna L Z d Začátek plastické deformace Plastická deformace se šíří od zrna k zrnu
Jak připravit bulk UFG materiály? Metody intenzivní plastické deformace (SPD Severe Plastic Deformation): ECAP Equal-channel angular pressing HPT High-pressure torsion ARB Accumulative roll-bonding Twist extrusion atd.
ECAP Equal-channel angular pressing Metoda vynalezena v býv. Sovětském svazu v 70. letech, od té doby rozšířena po celém světě Princip:
ECAP Ekvivalentní vložené napětí: N N 3 2cot 2 2 cos ec 2 2
ECAP Výhody: Stejný průřez vzorku před a po protlačení proces lze opakovat uložení větší deformace větší pevnost materiálu Poměrně jednoduchý proces a jednoduchá konstrukce matrice (pro relativně měkké materiály Al, Mg, Cu a pod.) Nevýhody: Omezená velikost vzorků ( průřez ~10 10mm, délka ~120 mm)
ECAP různé cesty Různé otočení vzorku mezi jednotlivými průchody aktivace různých skluzových pásů
ECAP další parametry Rychlost protlačování malou rychlostí docílíme rovnovážné mikrostruktury, při velké rychlosti je vzorek vystaven vyšší teplotě kratší dobu a nedojde k rekrystalizaci
ECAP další parametry Teplota protlačování s rostoucí teplotou roste velikost zrna, při nízkých teplotách vznikají trhliny Zpětný tlak redukuje vznik trhlin, zlepšuje mikrostrukturu materiálu
Conform ECAP Kontinuální proces Neomezená délka vzorku Použití v průmyslu
Vlastnosti materiálu po ECAP EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Slitina Mg-3Al-1Zn - Výchozí stav po extruzi:
Vlastnosti materiálu po ECAP EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Slitina Mg-3Al-1Zn:
Vlastnosti materiálu po ECAP EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Slitina Mg-3Al-1Zn:
Vlastnosti materiálu po ECAP EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Slitina Mg-3Al-1Zn:
Vlastnosti materiálu po ECAP EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Slitina Mg-3Al-1Zn:
HPT High-pressure torsion Metoda vynalezena v 80. letech Princip: Různá geometrická uspořádání:
HPT Ekvivalentní vložené napětí: N 2 Nrh ln h 2 0
HPT Výhody: Lze připravit materiál s ještě menší velikostí zrn než metodou ECAP Nevýhody: Malá velikost vzorků (průměr 10 až 20 mm, tloušťka ~ 1 mm) Nehomogenní deformace (v závislosti na vzdálenosti od osy otáčení) nehomogenní vlastnosti (lze vyřešit jinou geometrií - prstencovými vzorky)
HPT další parametry Závislost na aplikovaném tlaku:
Vlastnosti materiálu po HPT Mikrotvrdost měřená metodou Vickers (100 g, 10s) Slitina Mg-8Al-0,5Zn, HPT při 2,5 GPa: N = 0:
N = 1/2: Vlastnosti materiálu po HPT Mikrotvrdost měřená metodou Vickers (100 g, 10s) Slitina Mg-8Al-0,5Zn, HPT při 2,5 GPa:
Vlastnosti materiálu po HPT Mikrotvrdost měřená metodou Vickers (100 g, 10s) Slitina Mg-8Al-0,5Zn, HPT při 2,5 GPa: N = 3:
Vlastnosti materiálu po HPT Odlišné chování materiálů s různou velikostí vrstevné chyby různou rychlostí zotavení:
ARB Accumulative roll-bonding Metoda vynalezena v Japonsku v 90. letech Princip:
ARB Ekvivalentní vložené napětí: 2 N ln 2 N 0, 8N 3
ARB Výhody: Poměrně snadná výroba Materiál ve formě plechů má široké využití v průmyslu Nevýhody: Materiál obsahuje protáhlá zrna V okrajových částech plechů se tvoří trhliny Jednotlivé vrstvy se nemusí vždy kvalitně spojit
Twist Extrusion