Методы с использованием интенсивной пластической деформации

Эта группа методов получения наноструктурных материалов основана на проведении пластической деформации с большими степенями деформации в условиях высоких приложенных давлений при относительно низких температурах. В таких условиях деформирования происходит сильное измельчение микроструктуры в металлах и сплавах до наноразмерного диапазона [7,8,33]. При разработке этих методов существует ряд требований: преимущественное формирование ультрамелкозернистых структур с большеугловыми границами зерен (именно в этом случае наблюдаются качественные изменения свойств материалов), необходимость обеспечения стабильности свойств материала за счет однородного формирования наноструктур по всему объему материала, отсутствие механических повреждений и трещин несмотря на интенсивное пластическое деформирование материала [33]. Эта группа методов позволяет получать объемные безпористые металлические наноматериалы. Следует однако отметить, что диапазон размеров зерен материалов, получаемых рассматриваемыми методами, как правило, составляет все же более 100 нм. Структура, получаемая при интенсивной пластической деформации, отличается сильной неравновесностью из-за малой плотности свободных дислокаций и преимущественно большеугловом характере границ зерен. Поэтому для обработанных изделий применяют дополнительную термообработку или дополнительное пластическое деформирование при повышенных температурах и большой степени деформации [7].

В настоящее время наиболее отработаны два следующих метода (рис. 4.13).

Метод кручения под высоким давлением основан на принципе наковален Бриджмена, в которых образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением в несколько ГПа, а затем прилагается деформация с большими степенями (10 и более) [8]. Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Образец имеет геометрическую форму в виде диска диаметром 10-20 мм и толщиной 0,2-0,5 мм, что обеспечивает условия гидростатического сжатия для основного объема материала и выполнение условия неразрушения образца. Структура материала начинает измельчаться уже после деформации на пол-оборота образца. Образование ультрамелкозернистой структуры достигается после деформации в несколько оборотов образца. Средний размер зерен может достигать 100-200 нм (рис 4. 14а) и определяется условиями деформации – давлением, температурой, скоростью деформации и видом обрабатываемого материала [8].

Рис. 4.13. Схема методов интенсивной пластической деформации: а- метод кручения под высоким давлением, б- метод равноканального углового прессования, 1- пуансон, 2- образец, 3- суппорт, 4- заготовка [8].

Метод равноканального углового прессования обеспечивает получение более крупных размеров деталей с диаметром до 60 мм и длиной до 200 мм (рис. 4.15) [8,33]. Этот метод также основан на использовании деформации сдвигом. Для этого заготовка многократно продавливается в специальной оснастке через два пересекающихся канала с одинаковыми поперечными сечениями. Чаще всего используется угол между каналами равный 90^о, при котором за одно продавливание материала обеспечивается степень истинной деформации»1 [8,33]. Температура процесса в зависимости от обрабатываемого материала выбирается комнатной или слегка повышенной. Важной проблемой является сохранение целостности получаемых образцов для малопластичных и трудно деформируемых материалов. Метод позволяет формировать ультамелкозернистую структуру со средним размером зерен в диапазоне от 200 до 500 нм (рис 4. 14а) [8].

Разрабатываются также другие методы интенсивной пластической деформации, например, всесторонняя ковка и специальная прокатка.

Рис. 4.14. Наноструктуры меди, полученной разными методами: а- методом кручения под высоким давлением, б- методом равноканального углового прессования [8].

Рис. 4.15. Объемные заготовки из наноструктурного титана [8].

Заключение

XXI век — век новых материалов и технологий, век создания композиций с прогнозируемыми свойствами, что в значительной степени связано с использованием новых физико-химических приёмов формирования поверхности заданного химического состава и строение с атомно-молекулярной точностью (“атомная сборка”). Необходимость дальнейшего прогресса в этой области заставляет исследователей “погружаться” в самые глубокие проблемы квантовой механики и физики твёрдого тела. Надёжность микро- и нанокомпозитов должна быть очень высокой на всех стадиях технологического процесса. Поэтому получение принципиально новых характеристик искусственных композиционных структур, основанных на квантовых эффектах, явлении самоорганизации, невозможны без создания новых прецизионных синтетических процессов и разработки новых подходов к их анализу.

В заключение можно сделать вывод, что основными задачами материаловедения являются увеличение выпуска продукции машиностроения и металлообработки и производительности труда. Достижение намеченных задач возможно за счет улучшения качества и ассортимента металлопродукции: увеличения металлопроизводства новых конструкционных материалов, покрытий и изделий на основе металлических порошков; развития производства новых полимерных и композиционных материалов с комплексом требуемых свойств; широкого применения малоотходных технологических процессов; использования высокоэффективных методов обработки металлов и материалов, обеспечивающих существенное улучшение их свойств, и осуществления других мероприятий.

Дата добавления: 2014-11-18