DIAGNOSTIKA MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ VZORKŮ NA BÁZI Al SLITIN ZPRACOVANÝCH SPD TECHNOLOGIÍ DIAGNOSTICS OF MECHANICAL PROPERTIES OF AN ALUMINIUM BASED ALLOYS SPECIMENS PROCESSED BY SPD TECHNOLOGY Vít Michenka, Milan Gottwald VÚHŽ a. s., Laboratoře a zkušebny, Dobrá 240, 739 51 Dobrá, ČR, dlz@vuhz.cz Abstrakt Příspěvek pojednává o současných dosažených výsledcích řešení dílčí části projektu VaV - ve spolupráci s VŠB-TUO FS - zabývající se návrhem komplexního přístupu ke kvalitativnímu hodnocení materiálů s UFG strukturou vyrobených metodami SPD. Při návrhu tohoto přístupu bylo přihlíženo zejména k nezbytnosti jeho technické a ekonomické schůdnosti v oblasti komerční sféry - přejímacích zkoušek. Je předložen již hotový koncept komplexního kvalitativního hodnocení UFG materiálů, zahrnující jednak modifikaci standardizovaných mechanických zkoušek, ale zejména použití penetračních zkoušek, které v dané oblasti nejsou rozšířeny. V rámci řešení této problematiky byly použity dva typy hliníkových slitin: AlMn1Cu a AlFe1,5Mn po zpracování metodou ECAP s modifikovanou geometrií protlačovacího kanálku. Výstupem těchto prací je nový návrh zkušební tyče a kompletní úprava zkušební metodiky. Hlavním bodem návrhu kvalitativního hodnocení je však využití penetračních zkoušek. Byla zpracována zkušební metodika, vč. návrhu zkušebního vzorku a podmínek zkoušení. V příspěvku jsou uvedeny vybrané výsledky penetračních zkoušek, které byly provedeny v rámci řešení druhé části projektu. Z hlediska metalografického hodnocení byly provedeny četné ověřovací práce v oblasti omezeného využití optické mikroskopie. Byly provedeny zkoušky s použitím různých leptadel a leptacích technik. V rámci řešení projektu byla navázána zahraniční spolupráce v oblasti studia s použitím elektronové mikroskopie - byly použity techniky jak REM, tak i TEM. Ukázky struktur jsou v příspěvku uvedeny. Na základě výše uvedených prací je zpracován návrh na kvalitativní - zejména z mechanického hlediska - komplexní hodnocení UFG materiálů, který by jak z praktického, tak i komerčního hlediska byl schůdný. A paper presents results achieved during solving of a fragment of a R&D project - in co-operation with VŠB- TUO FS - about proposal for comlex quality evaluation of UFG materials processed by SPD technologies. New proposal assumes necessity for its technical and economy practicability in the field of a commercial scope - acceptance trials expecially. It has been submited a final concept for complex quality evaluation of UFG materials - partly involving modification of standard methods but expecially using of a small-punch test that s not wide-spread testing method in the field of UFG materials. Two types of aluminium alloys processed by ECAP technology with modified geometry of a channel have been used: AlMn1Cu and AlFe1,5Mn. Main output of this stage is a new proposal for testing specimens design and complex modification of testing methodology. But main goal of the project proposal is using of a small-punch test. It has been elaborated testing methodology, incl. testing specimen design and testing conditions. The paper shows some selected testing results given during solving of a second part of the project. It has been also performed a lot of verification works in the field of limited possibilities of an optical microscopy. There were perfromed number of tests with using of different etchant and etching technologies. It has been initiated an external cooperation in the field of electron microscopy studies - it was used SEM as well as TEM. The paper shows some structure demonstration. On the basis of above-mentioned works it has been elaborated a proposal for
qualitative especially about mechanical properties complex evaluation for UFG materials that s would be practicable from view of practice as well as from view of commercial stand. 1 ZÁKLADNÍ PROBLEMATIKA ZKUŠEBNICTVÍ V OBLASTI UFG MATERIÁLŮ Současný prudký vývoj v oblasti výrobní technologie, jakosti a užití materiálů s UFG (ultra fine grain) strukturou sebou přirozeně přináší i problémy v oblasti zkušebnictví, resp. záležitost komplexního hodnocení jakosti takovýchto materiálů. V současnosti zejména v oblasti výzkumu a vývoje - jsou materiálové zkoušky běžně řešeny pomocí nestandardně prováděných základních mechanických zkoušek. Dosud však tyto zkušební postupy víceméně nebyly uceleně zpracovány tak, jak je pro komerční praxi naprosto nezbytné tzn. že by byla vypracována jednotná zkušební metodika, která by zajistila vzájemnou kompatibilitu výsledků zkoušek dosažených bez ohledu na pracoviště, které zkoušku provádí. Na počátku řešení tohoto problému bylo nutno specifikovat několik zásadních podmínek, jejichž respektování nelze pominout. Jsou to zejména: zatím ještě stále obvykle omezená velikost výstupního materiálu po zpracování obecně některou z SPD technologií nezbytnost zachování kontinuity v oblasti běžně stanovovaných veličin mechanických vlastností, tzn. využít co nejvíce možností stávajících standardizovaných zkoušek zajištění výrobní a finanční schůdnosti výroby zkušebních vzorků nenáročnost na požadavky zkušebního zařízení opět co nejvíce využít potenciálu obvyklého vybavení zkušebních laboratoří schůdnost z pohledu komerčního hlediska perspektivita v oblasti přejímacího zkušebnictví 2 NAVRŽENÉ SMĚRY ŘEŠENÍ MECHANICKÉHO A METALOGRAFICKÉHO ZKUŠEBNICTVÍ, EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Uvedené směry mechanických a metalografických zkoušek UFG materiálů byly navrženy v rámci řešení projektu VaV. Jejich verifikace a praktické odzkoušení bylo prováděno na četných sériích zkoušek s použitím materiálů na bázi Al, zpracovaných technologií ECAP (vč. zpracování ECAP s nově navrženou geometrií protlačovacího kanálku) a technologií DRECE (viz odstavec zpracování použitého experimentálního materiálu). schéma navrženého řešení měření tvrdosti dle Vickerse (úprava metodiky) modifikace standardní zkoušky tahem dle EN 10002 penetrační zkoušky metalografické zkoušky (volba technologie, příprava vzorků) experimentální materiál Za experimentální materiál byly voleny dva typy hliníkových slitin, a to konkrétně: AlMn1Cu, AlFe1,5Mn dodaných ve formě litých a mírně proválcovaných pásů (úběr do cca. 10 %) o tloušťce cca. 9 mm a 12 mm výrobce AlInvest Břidličná. Tyto slitiny mají v praxi široké portfolio užití. Dodávány jsou zejména ve formě litých plechů a válcovaných pásů. Vzhledem k dobré korozní odolnosti jsou tyto slitiny obvykle používány jednak v potravinářském průmyslu, ale zejména jako vstupní pásový materiál pro výrobu různých produktů pro venkovní užití s nižšími požadavky na mechanické vlastností. Jedním z důvodů proč byly zvoleny právě 2
tyto slitiny je jejich velmi omezená schopnost precipitačního zpevnění a právě zpracování některou z SPD technologií může být výhodným nástrojem žádoucího zvýšení jejich mechanických vlastností. zpracování použitého experimentálního materiálu Jak již bylo uvedeno výše zpráva předkládá výsledky dosažené v rámci řešení dílčí části projektu VaV, ve spolupráci s VŠB-TUO FS koordinované prof. ing. Stanislavem Ruszem, CSc., který je zaměřen, mimo zde projednávanou záležitost komplexního přístupu zkušebnictví UFG materiálů, také na návrhy zefektivnění technologie ECAP a zprovoznění prototypu zařízení DRECE. Obě uvedené technologie byly právě využity ke zpracování použitých experimentálních slitin. Řešení problematiky zefektivnění technologie ECAP bylo vedeno na základě modifikace geometrie protlačovacího kanálku. Byly provedeny četné matematické simulace deformace, na jejímž základě byl navržen a zkonstruován nový typ protlačovacího kanálku zařízení ECAP s 10 a 20 vychýlením dráhy viz obr. 1. Obr.1. Schéma nově navrženého protlačovacího kanálku ECAP Fig.1. A new ECAP channel scheme lay-out Další použitou SPD technologií použitou v rámci řešení projektu je technologie DRECE technologie progresivního válcování umožňující dosažení UFG struktury. Fotografie použitého prototypu zařízení DRECE je uvedeno na obr. 2. Obr.2. Prototyp zařízení procesu DRECE Fig.2. A DRECE prototype equipment 3
3 JEDNOTLIVÉ NÁRVHY UŽITÝCH ZKUŠEBNÍCH POSTUPŮ 3.1 MĚŘENÍ TVRDOSTI DLE VICKERSE Využití zkoušky měření tvrdosti dle Vickerse pro UFG materiály přirozeně nepředstavuje zásadní problém. Je naprosto rutinní zkouškou, přesto vše bylo nutné ověřit, zda běžný normativní postup dle EN ISO 6507-1 může být plně aplikovatelný i na uvažovaný typ materiálů. Tento problém de facto pouze představovalo stanovení, resp. ověření správné volby zatížení a doby výdrže na použitém zatížení. Byly provedeny ověřovací série měření tvrdosti dle Vickerse na obou typech použitých slitin, zpracovaných jak technologií ECAP, tak i technologií DRECE v různých stupních protváření. Na základě těchto zkušebních sérií lze potvrdit, že volba použitého zatížení se může řídit stejnými požadavky jako v případě materiálů s konvenční strukturou. Doporučená série zatížení: 49,05 N, 91,8 N a 275,4 N. Požadavky na min. tloušťku materiálu a min. vzdálenost mezi měřícími vpichy zůstávají rovněž stejné. Záležitost doby výdrže na zatížení byla ověřována ve stejném rozsahu jako v případě volby zkušebního zařízení. Byly ověřovány doby zatěžování v rozsazích 10 s, 15 s a 30 s. Vzájemným statistickým srovnáním nebyly zjištěny významné rozdíly. Pro předpoklad materiálů na bázi Al a jeho slitin tedy doba výdrže zůstává dle prováděcí normy na 15 s. V současnosti se také zpracovává program pro ověření možnosti využití měření tvrdosti dle Vickerse pro stanovení anizotropie mechanických vlastností. Základní tezí je ověření závislosti rozdílů délky úhlopříček vtisku na míře anizotropie mechanických vlastností. 3.2 ZKOUŠKA TAHEM Obdobně jako v případě měření tvrdosti dle Vickerse je zkouška tahem rutinní zkouškou mechanických vlastností. Stále je však v oblasti komerčního (přejímacího) mechanického zkušebnictví zkouškou nejčastější. Problém č. 1 u některých z užívaných SPD technologií je omezený rozměr konečných zpracovaných materiálů viz např. obvyklý výstup po zpracování technologií ECAP. Bylo tedy nutné počítat s úpravou rozměrů zkušebních tyčí tak, aby na jedné straně vyhovovala omezeným rozměrovým možnostem zkoušeného materiálu a na straně druhé, aby byly zajištěny takové prováděcí podmínky, které by zaručily dostatečnou shodu s výsledky zkoušek tahem provedených dle standardního postupu. Při experimentálních zkouškách tahem byly stejně jako v předchozím případě použity oba typy slitin v různých stupních protváření. Jako srovnávací standard byly ve všech případech, kdy to materiálové dispozice dovolily, použity výsledky zkoušky tahem prováděné plně dle požadavků EN 10002-1 s použitím plochých zkušebních tyčí šíře 20,0 mm dle přílohy B uvedené normy. Byly provedeny série zkoušek s použitím 5 různých typů nově navržených zkušebních tyčí, které byly odzkoušeny za různých podmínek deformačních rychlostí. Výsledkem je návrh zkušebního tělesa uvedený na obr. 3. 4
5 5 R1,0 2 2,5 8 8 10 Obr.3. Návrh zkušebního tělesa Fig.3. A trstiny specimen lay-out Experimentálně bylo zjištěno, že stanovení meze pevnosti R m nepředstavuje zásadní problém. Záležitost stanovení meze kluzu R p0,2 však vykazuje relativně velkou závislost na střední deformační rychlosti. Byly provedeny experimentální série zkoušek s použitím různých středních deformačních rychlostí v rozsahu 0,003 s -1 až 0,3 s -1. Na konci těchto experimentů byly stanoveny následující zkušební podmínky: tvar a velikost zkušebního tělesa dle obr. 3, smluvní délka l 0 = 5 mm, střední deformační rychlost 0,3 s -1. Při dodržení těchto zkušebních podmínek je reálné zajištění dobré shody sledovaných veličin s diferencí max. 10 %. Praktický příklad srovnání výsledků je uveden na obr. 4. vzájemné srovnání výsledků stanovení meze kluzu R p0,2 komerčně čistého hliníku po zpracování DRECE v závislosti na počtu průchodů. Zkouška tahem dle ČSN EN 10002-1 130 125 120 Mez kluzu Rp0,2 [MPa] 2 2,5 mikro tyč standard tyč 115 110 105 100 95 výchozí 1 2 5 6 Počet průchodů Obr. 4. Výsledky zkoušky tahem s použitím standardní a nově navržené metodiky Fig. 4. A tensile test results with using of a standard and new proposed testing methodology 5
3.3 PENETRAČNÍ TEST Jako další test ze zpracovávané komplexní metodiky pro hodnocení mechanických vlastností UFG materiálů bylo navrženo použití tzv. penetračního testu. Jedná se také o již zavedenou, byť méně rozšířenou metodu (u nás provádí MMV s. r. o. Ostrava), která je založena na principu snímání velikosti průhybu vzorku v závislosti na velikosti zátěžné síly, která způsobuje penetraci vzorku. Schématicky je zkouška znázorněna na obr. 5. Uvedená fotografie pak zobrazuje již hotový zkušební přípravek, který umožňuje provádění testu na kterýmkoli vhodném zkušebním stroji pro tahové/tlakové zkoušky. Obr.5. Schéma zařízení pro penetrační zkoušku 1 vzorek, 2 matrice, 3 přidržovač, 4 kulička, 5 razník, 6 úchytný šroub, P - zatížení Fig.5. A small-punch test equipment scheme 1 sample, 2 matrix, 3 holder, 4 ball, 5 puncher, 6 holding screw, P loading force Penetrační test jako jednou ze zkušebních technik byl zvolen zejména z důvodu minimálních požadavků na zkušební vzorek. Zkušební vzorek navržený v rámci řešení projektu je uveden na obr. 6. 10 (8) 10 (8) 0,5 Obr.6. Zkušební vzorek pro penetrační zkoušku Fig.6. A small-punch test testing specimen 6
Stanovenými veličinami jsou zejména maximální síla při penetraci [N], síla při dolomení [N] a jim odpovídající průhyby vzorků [mm]. Provedení zkoušky předpokládá rychlost posuvu razníku 0,05 mm.s -1. Výsledky penetračních zkoušek mohou být pro zkoušený materiál regresně zpracovány v systému penetrační test vs. zkouška tahem. Na základě tohoto zpracování pak je možné z výsledků penetrační zkoušky odhadnout odpovídající hodnoty dané zkouškou tahem. V současnosti probíhají také experimenty s možnostmi uplatnění řízeného anodického rozpouštění při výrobě zkušebních vzorků. 3.4 METALOGRAFICKÉ HODNOCENÍ Jedním z předpokladů pro označení UFG struktury je existence zrn o střední velikosti řádově několika stovek nm (obvykle 0,1 µm až 1 µm) a existence vysokoúhlových hranic zrn (kritická hodnota 10 až 15 ) [3c]. Přirozeně tedy dochází k naplnění technologických limitů v praxi nejobvyklejší metalografické disciplíny optické mikroskopie. Nicméně i přes tyhle limity lze alespoň omezeně - v počátečních fázích SPD procesu - tyto struktury hodnotit právě s použitím optické mikroskopie. Primární problém ovšem nastává při leptání hranic zrn. Experimentálně bylo zjištěno, že např. již po druhém průchodu zpracování ECAP (modifikovaný protlačovací kanál viz kap. 2) byla struktura použitých slitin velmi špatně leptatelná ve srovnání s výchozím stavem. Na základě tohoto zjištění byly provedeny rozsáhlé experimenty s volbou leptací techniky. Na konci těchto experimentů byl za nejschůdnější leptací techniku s relativně nejlepšími výsledky zvolena kombinace elektrolytického leptání s pozorováním v polarizovaném světle. Jako další experiment metalografického hodnocení bylo potvrzení či vyvrácení teoretické možnosti zobrazení hranic zrn s použitím REM na odpovídajícím způsobem připravených vzorcích (kvalitní naleptání hranic zrn). Ve spolupráci s Institute of Non-Ferrous Metals v Gliwicích byly provedeny pokusy se sledováním deformovaných struktur slitiny AlMn1Cu s použitím REM. Výsledky bohužel nesplnily očekávání v další fázi se tedy s užitím REM nepočítá. Ve spolupráci s pobočkou Polské akademie věd v Krakově byla také provedena série metalografického hodnocení téhož materiálu jako v případě REM analýzy, ovšem s použitím TEM. Logicky byly získány požadované strukturní informace. Zpráva TEM analýzy jednoznačně potvrzuje úspěšné experimenty s modifikací protlačovacího kanálku ECAP, navrženém v rámci řešení projektu. Slitina již po prvním průchodu zredukovala střední velikost zrna na úroveň v rozsahu cca. 1 µm až 2µm, v pátém (finálním) průchodu byla střední velikost zrna na úrovní 0,2 µm až 0,6 µm. Na obr. 7 jsou uvedeny ukázkové struktury použité slitiny. 7
Obr.7. Struktura AlMn1Cu po prvním průchodu ECAP (20 vychýlení) obr. vlevo; struktura téže slitiny po pátém průchodu (20 vychýlení) obr. vpravo Fig.7. AlMn1Cu structure after 1 st pass ECAP (20 deflection) pic. left; structure of the same alloy after 5 th pass (20 deflection) pic. right V současné době probíhají metalografické vyhodnocovací práce použitých slitin s použitím EBSD mikroskopie a RTG difrakce. Obě technologie jsou rovněž vhodným nástrojem k hodnocení jakosti UFG struktur. Dosažené výsledky budou v nejbližší době publikovány. 4 ZÁVĚR Uvedený příspěvek rámcově představil možnosti komplexního přístupu k hodnocení UFG struktur. Apriori nebylo hlavním cílem vypracovat úplně nové zkušební disciplíny, ale souhrnně zmapovat stávající užívané metody, modifikovat je a ujednotit tak, aby co nejvíce reflektovala specifika UFG materiálů vyrobených obecně některou z SPD technologií. Výstupem je tedy zpracovávaný návrh komplexního normativu, který umožní rozšíření těchto zkoušek v praktickém komerčním zkušebnictví. Práce vznikla v rámci řešení projektu 2A-1TP1/124 za finanční podpory MPO ČR. LITERATURA a) Monografická publikace [1] GUTKIN, M. YU., OVID KO, I. A., PANDE, C. S.: Theoretical models of plastic deformation processes in nanocrystalline materials. Rev. Adv. Mater. Sci., 2001, č.2, s. 80 102 [2] VALJEV, R. Z., ESTRIN, Y., HORITA, Z. et. al: Producing bulk ultrafine grained materials by severe plastic deformation. JOM, April 2006, s. 33 39 [3] ČSN EN 10002-1: Kovové materiály: Zkouška tahem za okolní teploty, únor 2002, ČNI Praha [4] ČSN EN ISO 6507-1: Kovové materiály: Zkouška tvrdosti dle Vickerse, srpen 2006, ČNI Praha 8
b) Přednáška ve sborníku z konference [1] RUSZ, S., MALANÍK, K., KLOS, M.: Increasing effectiveness SPD by changing of deformation process in first step through the ECAP die. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, roč. 23, vyd. 2, August 2007, s.79 82, ISSN 1734-8412 [2] MICHENKA V., MALAN9K K., RUSZ S.: Výzkum vlivu extrémních podmínek deformace na submikrostrukturu kovů a zkušebních metod pro diagnostiku jejich technologických vlastností, konference Metal 2009, Hradec nad Moravicí, květen 2009 [3] RUSZ S:, MALANÍK K., KLOS M.: Refinement of structure of the AlMn1Cu by new type of the ECAP tool, příspěvek na konferenci Plasticity 2009 Saint Thomas 3. - 8. 1. 2009 c) Článek v odborném časopise [1] PURMENSKÝ, J., KUPKA, V.: Hutnické listy, 1993, č. 7, s. 65 69 [2] MATOCHA, K. a kol.: Koroze a ochrana materiálů, vyd. 51, 2007, s. 59 63 [3] GREGER M., VODÁREK V., ČÍZEK L.: Influence of severe plastic deformation by the ECAP method on structure and properties of the P2-04BCh steel, Archieves of materials science and engineering, pg. 13-20, issue 37, May 2009 [4] RUSZ S., MALANÍK K., DUTKIEWICZ J. a spol..: Influence of change of direction of deformation at ECAP technology on achieved UFG in AlMn1Cu alloy, článek AMME journal, Issue 1, vol. 35, str. 21 28, July 2009 9