PŘÍPRAVA ULTRAJEMNNÉ STRUKTURY HLINÍKU INTENZIVNÍ PLASTICKOU DEFORMACÍ A JEJÍ TEPELNÁ STABILITA SVOČ FST 2008 Pavel Lešetický Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Zjemnění mikrostruktury polykrystalického materiálu příznivě ovlivňuje jeho mechanické i další fyzikální vlastnosti. Moderní metody tváření, s využitím intenzivní plastické deformace, umožňují připravit materiály s velikostí zrna v submikronové oblasti (<1μm). Je několik použitelných metod a jedna z velice často využívaných je metoda ECAP (Equal Channel Angular Pressing), při které je materiál protlačován kanálem se speciální geometrií umožňující vícenásobné průchody téhož vzorku. Právě opakovaným tvářením lze dosáhnout v materiálu intenzivní plastické deformace a významného zjemnění struktury. Cílem diplomové práce je studium tepelné stability a vývoje homogenity výsledné struktury, mechanických vlastností hliníkové slitiny AlMgSi1 přetvářené různým stupněm deformace během ECAP a různému tepelnému zpracování před a po aplikaci metody ECAP. KLÍČOVÁ SLOVA Intenzivní plastická deformace, ultrajemnozrnná struktura, AlMgSi1, tepelná stabilita 1. ÚVOD Požadavky na mechanické a fyzikální vlastnosti neustále rostou. Je proto nutné přicházet s novými materiály nebo vylepšením stávajících za použití nejmodernějších technologií. Zejména se objevuje požadavek vysoké pevnosti se zachováním plastických vlastností. Toto splňují materiály s ultrajemnozrnou (UFG ultra fine grain) strukturou s velikostí zrna v rozmezí 100 nm 1000 nm a nanokrystalickou (NC- nanocrystalinne) strukturou. Nasazení takových materiálů vede k zlehčení konstrukce při zachování stejné bezpečnosti. Některé ultrajemnozrnné oceli se už vyrábějí hromadně a ukazují tak perspektivní směr materiálové vědy. Poslední dobou se pozornost obrací k lehkým slitinám a to zejména slitinám na bázi hliníku, který je nejpoužívanějším neželezným kovem. Zlepšení jejich mechanických a plastických vlastností by mělo velký význam zejména pro automobilový a letecký průmysl. Jednou z možností jak dosáhnout ultrajemnozrnné (nebo nanokrystalické) struktury je použití intenzivní plastické deformace. Úkolem intenzivní plastické deformace je dosažení ultrajemnozrnné (nanokrystalické) struktury z původní struktury o velikosti zrna v μm a tím zlepšení mechanických a plastických vlastností. Je známo několik metod realizace intenzivní plastické deformace. Mezi ty nejznámější patří metoda ECAP (ECAP - Equal Channel Angular Pressing) kanálové úhlové protlačování. Je známo, že od stupně deformace se odvíjí rozvoj a průběh rekrystalizace. Z toho plyne problém těchto materiálů a to s udržením dosažené UFG (NC) struktury s rostoucí teplotou. Tím pádem i mechanických a plastických vlastností. Právě tím se zabývá tato práce a to tepelnou stabilitou slitiny AlMgSi1 s UFG strukturou připravenou metodou ECAP. 2. VLIV VELIKOSTI ZRNA NA ZPEVNĚNÍ KOVU A PLASTICKOU DEFORMACI Hranice zrn (velkoúhlové hranice) a subzrn (maloúhlové hranice) patří spolu s vrstevnými chybami a volným povrchem krystalu mezi plošné poruchy struktury. Přítomnost poruch v krystalové mřížce má za následek změnu vlastností pevné látky v porovnání s dokonalým krystalem. Jednotlivá zrna, z nichž se kov (polykrystalický) skládá, se liší orientací krystalové mříže. Pokud mají zrna stejné složení a strukturu, liší se jen velikostí a orientací. Hranice mezi jednotlivými různě orientovanými zrny má určitou kladnou energii. Existence hranic tedy neodpovídá minimu energie, ale je dána historií kovů. Například když tavenina tuhne, probíhá krystalizace z různě orientovaných zárodků, které srostou do polykrystalického materiálu. Ve stavu termodynamické rovnováhy by nemělo být v kovu žádné rozhraní, podobně jako to platí pro jednorozměrné poruchy (dislokace). [1] Obrázek 1 - Porovnání maloúhlové a velkoúhlové hranice zrn v krystalu.
2.1. Zpevnění hranicemi zrn To, že s rostoucím podílem plochy hranic zrn a tedy jejich velikostí roste také jejich pevnost a tvrdost je známo velmi dlouho. Tato závislost se dá vyjádřit vztahem: σ = σ + k y o kde σ y je mez kluzu, σ o je napětí potřebné pro překonání Peierls-Nabarrova třecího napětí mřížky, odporu rozpuštěných cizích atomů, odporu precipitátů přítomných v matrici a defektů mřížky, k je konstanta (teplotně závislá), která je měřítkem střihového napětí potřebného pro uvolnění nahromaděných dislokací a d je rozměr zrna [2]. Tento vztah je jeden z nejdůležitějších v materiálové vědě. Jeho podstata ještě není úplně vysvětlena zejména v oblasti kritické velikosti zrna. Také jeho platnost v oboru velmi velkých a velmi malých zrn je diskutabilní. Jako hranice platnosti byla zjištěna velikost zrna 30nm. 3. MECHANISMY DEFORMACE ULTRAJEMNOZRNNÝCH MATERIÁLŮ Při plastické deformaci ultrajemnozrnných materiálů se začínají uplatňovat jiné mechanismy než do této chvíle dominantní dislokační skluz. Jaký mechanismus a v jaké míře se bude na plastické deformaci podílet, závisí na různých faktorech. Hlavní mechanismy plastické deformace UFG materiálů tvoří: - dislokační skluz - Plastická deformace v kovech probíhá vzájemným skluzem krystalových bloků podél skluzových rovin. Skluz nejsnáze vzniká v určitých směrech (nejhustěji obsazených ve skluzové rovině) a v určitých rovinách (s nejvyšší atomovou hustotou). Obecně je kluzná rovina - rovina s největší hustotou atomů a směr skluzu je nejtěsněji uspořádaný směr ve skluzové rovině. - dislokační creep - Při relativně vysoké rychlosti deformace, vyšší, než d ε / dt <10-5, 10-6 s -1 je dominantním procesem dislokační creep, kde je deformace materiálu realizována s 99% konzervativním pohybem dislokací ve skluzových rovinách i nekonzervativním pohybem dislokací (šplháním). Předpokládá se nakupení dislokací na hranicích zrn, překážkách a řazení dislokací do pravidelných struktur. - difúzní creep - Difúzním creepem je označován proces migrace vakancí. A to od hranic zrn, na které působí tlaková napětí k hranicím zrn na které působí tahová napětím. Tento proces probíhá při nižších rychlostech deformace než je rychlost d ε / dt <10-5, 10-6 s -1. Při těchto rychlostech deformace je 99% procent deformace uskutečňováno difúzním creepem [3]. 4. PŘÍPRAVA ULTRAJEMNOZRNNÝCH MATERIÁLŮ METODAMI INTENZIVNÍ PLASTICKÉ DEFORMACE METODOU ECAP Tato metoda byla vyvinuta na přelomu 70. a 80. let dvacátého století. [2] ECAP je metoda intenzivní plastické deformace pro získání jemnozrnné struktury. Protlačují se vzorky kruhového nebo čtvercového průřezu. Materiál je deformován ideálním prostým smykem bez tření. Průřez vzorku zůstává stejný a je tedy možno provádět mnoho po sobě následujících průchodů; k získání vysokého stupně plastické deformace. Vzorek může být deformován po různých deformačních cestách otáčením kolem osy kanálu (0, 90,180 ) mezi jednotlivými operacemi protlačování. Pro úhel 90 kanálu se po každém průchodu hodnota vložené deformace rovná jedné. Tato metoda přípravy ultrajemnozrnné struktury zažila v posledním desetiletí velký rozmach a byli položeny základy pro komercializaci této technologie. Deformační cesta a počet průchodů jsou hlavními faktory pro vývoj mikrostruktury. Rotací vzorky mezi jednotlivými průchody, lze měnit jeho charakter namáhání. Používají se čtyři deformační cesty průchodu kanálem. Cesta A vzorkem se po průchodu neotáčí Cesta Ba vzorkem se po každém průchodu otáčí o 90, ale střídavě po a proti směru hodinových ručiček Cesta Bc vzorkem se po každém průchodů otáčí o 90 ve směru hodinových ručiček Cesta C vzorkem se po každém průchodu otáčí o 180 v podélné ose. [2] Míra vložené deformace je také závislá na úhlech kanálu. Přičemž stejnou deformaci lze realizovat více průchody při větším úhlu kanálu. Například stejná ekvivalentní deformace se dosáhne po 4 průchodech a 90 nebo 6 průchodech a 120. Počet průchodů Je zásadní pro vývoj mikrostruktury (zjemnění zrna), je tvořen z několika kroků: formování buňkové dislokační struktury, vývoj d (1) Obrázek 2 - Princip metody ECAP Obrázek 3 - Deformace podstavy vzorku v závislosti na deformační cestě
hranic subzrn, rozmístění dislokačních buněk, transformace hranic subzrn do počátečních maloúhlových hranic a vývoj velkoúhlových hranic s další vnesenou deformací. Takový je princip zjemnění zrna metodami intenzivní plastické deformace[4]. 5. CÍLE DIPLOMOVÉ PRÁCE Poznání vlivu tepelného zpracování před tvářením na vývoj mechanických vlastností a mikrostrukturu Příprava ultrajemné struktury Vložení různého stupně deformace a zhodnocení jejího vlivu na mechanické vlastnosti a mikrostrukturu Popsání tepelné stability deformované struktury 6. REALIZACE 6.1. Materiál Jako experimentální materiál byla zvolena slitina hliníku AlMgSi1. Chemické složení odpovídající normě DIN 1725-1 3.2315): Prvek Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al Obsah [%] 0,70 až 1,40 0,50 0,10 0,40 až 1,20 0,70 až 1,20 0,20 0,05 zbytek Skutečné chemické složení materiálu dle metody GDOES (optická emisní spektroskopie buzená doutnavým výbojem). Prvek Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al Obsah [%] 1,00 0,12 0,01 0,50 0,85 0,04 0,02 zbytek Jak je vidět chemické složení plně odpovídá normě. Výchozí materiál kontinuálně odlévané tyče vzorky 8 x 8 x 30 mm 6.2. Tepelné zpracování před metodou ECAP: Stav S1 původní podmínky - bez tepelného zpracování Stav S2 žíháno na teplotě 540 C - 1.5 h (následuje rychlé zchlazení do vody) Stav S3 rychle zchlazeno + umělé stárnutí při teplotě 160 C - 12 h 6.3. ECAP Každý vzorek protlačen 1 4 x, za použití deformační cesty Bc. 6.4. Tepelné zpracování po metodě ECAP Byly zvoleny dva tepelné režimy a to režim 270 C a režim 350 C. Oba při stejných časových expozicích 1/2 h, 2 h, 4 h, 6 h. 7. MIKROSTRUKTURA PŘED A PO APLIKACI METODY ECAP Obrázek 5 Struktura odlité tyče, 100x zvětšeno polarizované světlo Obrázek 4 Struktura po aplikaci metody ECAP stav S1 4 průchody, 500x zvětšeno polarizované světlo Jak ukazuje obrázek 4, v původní lité struktuře byla rovnoosá zrna s průměrnou velikostí zrna kolem 100 μm. Po čtyřech průchodech je již původní struktura značně rozbita. Jsou patrná silně protáhlá a deformována původní zrna a u některých se již vyvinula substruktura a vznik nových velkoúhlových hranic a tak vlastně ultrajemné struktury.
7.1. Substruktura TEM 200kV Obrázek 7 Substruktura po 3 průchodech Obrázek 6 Substruktura po čtyřech průchodech Na obrázku 6 je vidět rozvinutou strukturu subzrn v původních zrnech a hustou dislokační síť. V obrázku 7 jsou již vidět první transformované hranice subzrn na hranice velkoúhlové. 8. VÝVOJ TVRDOSTI PO APLIKACI METODY ECAP
Na poznání mechanických vlastností byla na každém vzorku zjištěna tvrdost HV10. Hodnoty v zelených polích jsou hodnoty tvrdosti před průchodem metodou ECAP. Jak je jasně vidět z grafů kinetika uzdravovacího procesu je závislá na počtu průchodů a předchozím tepelným zpracováním. To je zvláště patrné při teplotě 270 C. Při teplotě 350 C je kinetika uzdravovacího procesu velmi prudká a její závislost na počtu průchodů a předchozím tepelném zpracováním není tak patrná. 9. VLIV TEPLOTY, VLOŽENÉ DEFORMACE A DOBY EXPOZICE NA VÝVOJ MIKROSTRUKTURY Pro ukázání výsledné mikrostruktury jsem vybral několik zajímavých stavů, které nám dostatečně ukazují tyto vlivy. Obrázek 8 Stav S1, 270 C 0,5h, 2 průchody Obrázek 9 Stav S2, 270 C 0,5h, 2 průchody
Obrázek 11 Stav S3, 270 C 0,5h, 1 průchod Obrázek 10 Stav S1, 270 C 0,5h, 4 průchody Obrázek 12 Stav S2, 270 C 0,5h, 4 průchody Obrázek 13 Stav S3, 270 C 6h, 4 průchody Všechny snímky byly pořízeny při zvětšení 500 a v polarizovaném světle. Na obrázcích 8 a 9 jsou vidět mikrostruktury po dvou průchodech zařízením ECAP. Jak je vidět struktura je již značně deformována. Jsou patrny deformační pásy, které jsou zvlněny oproti struktuře v obrázku 10, která je po jednom průchodu. Tam vidíme protažená zrna v jednom směru. Zvlnění deformačních pásů u obrázků 8 a 9 je dána použitím deformační cesty Bc, tedy natáčením vzorku mezi průchody. Na obrázku 11 a 12 je vidět struktura po 4 průchodech. Původní zrna jsou již rozbita a deformaci můžeme označit za homogenní. Na obrázku 13 je vidět mikrostruktura po 4 průchodech a tepelné expozici 6 hodin. Zde již proběhla plně rekrystalizace. Na základě zjištěných výsledků byl původní experiment rozšířen o kratší časové expozice 10. VÝVOJ TVRDOSTI PO KRATŠÍ EXPOZICI Jelikož kinetika uzdravovacího procesu byla velmi prudká, zejména při 350 C, je nutné popsat její průběh v první půlhodině tepelné expozice. Proto jsem u vybraných stavů (S1,S3) přidali tepelné expozice po dobu 10 minut a 20 minut. Bylo zjištěno, že při teplotě 270 C je pokles mechanických vlastností pozvolný a je největší do první půlhodiny. Kdežto u teploty 350 C je vidět, že pokles tvrdosti je už plně realizován v prvních deseti minutách a pak se již skoro nemění.
ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Z dosažených výsledků vyplývá, že tepelné zpracování před aplikací metody ECAP má vliv na kinetiku uzdravování. A to zrychlující. Největší vliv má stárnutý stav. Bylo zjištěno, že tepelné zpracování před aplikací metody ECAP nemá výrazný vliv na mechanické vlastnosti po aplikaci metody ECAP. Největší vliv na zvýšení mechanických vlastností má první průchod, další mají vliv už jen nevýrazný. To je v souladu s obdobnými prácemi jiných výzkumných týmů. Teplotní stabilita při 270 C je charakterizována pomalým poklesem mechanických hodnost zhruba na polovinu v první půlhodině, dále už se výrazně nemění. Tepelná stabilita při 350 C, zde je kinetika uzdravovacího procesu velmi prudká a mikrostruktura není stabilní při této teplotě. Z TEM bylo zjištěno, že vložená deformace (4 průchody) není dostatečná pro vývoj ultrajemnozrnné struktury. Experiment stále pokračuje a je rozšiřován na doplnění stávajících výsledků. Jde zejména o kratší expozice, aby byl přesně zachycen okamžik startu uzdravovacího procesu. Dále jde o uskutečnění více průchodů a tak zajistit větší vloženou deformaci. A nakonec je naplánováno studium tepelné stability při teplotě 180 C. LITERATURA Knižní publikace: [1] J. Pluhař, A. Puškár, J. Koutský, K. Macek, V. Beneš, Fyzikální metalurgie a mezní stavy materiálu (1987). [2] Zrník, J. a kol.:příprava ultrajemnozrnných a nanokrystalických kovových materiálů extrémní plastickou deformací a jejich vlastnosti, ISBN 978-80-7329-153-2, červen 2007 s. 7 (1) Zrník, J. a kol.:příprava ultrajemnozrnných a nanokrystalických kovových materiálů extrémní plastickou deformací a jejich vlastnosti, ISBN 978-80-7329-153-2, červen 2007 s. 7 [3] Jiří Petruželka: Teorie tváření I, skripta Vysoká škola báňská Technická universita Ostrava, 2001, s. 52 Publikace v odborném časopisu: [4] Manping Liu, Hans J. Roven, Yingda Yu and Jens C. Werenskiold, Deformation structures in 6082 aluminium alloy after severe plastic deformation by equal-channel angular pressing, ScienceDirect, 10.5 2007