WWW.SIGMA-NOT.PL Inżynieria Materiałowa 3 (205) (2015) 102 106 DOI 10.15199/28.2015.3.1 Copyright SIGMA-NOT MATERIALS ENGINEERING Wpływ procesu naprzemiennego gięcia na mikrostrukturę i własności stopu CuSn6 Waldemar Kwaśny *, Paweł Nuckowski Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Politechnika Śląska, Gliwice, * waldemar.kwasny@polsl.pl Effect of repetitive bending on the microstructure and properties of CuSn6 alloy The paper presents the results of the study on tapes of CuSn6 alloy after plastic deformation using the repetitive bending process. The influence of process parameters on the structure, texture and mechanical properties was investigated. Obtained results were correlated with the results obtained for alloy subjected to cold rolling. Has been shown that the major texture component of the analyzed tapes regardless of the treatment process is the Brass component. Examination in high-resolution transmission electron microscopy confirmed the impact of the repetitive bending process on formation of nanometric structure in the form of deformation twins. It has been shown that using a repetitive bending process increases the maximum tensile strength in comparison with conventionally rolled tapes. Key words: copper alloys, plastic deformation, repetitive bending, structure analysis, STEM, texture, XRD. W pracy przedstawiono wyniki badań taśm ze stopu CuSn6 poddanych obróbce plastycznej z zastosowaniem procesu naprzemiennego gięcia. Określono wpływ parametrów procesu na strukturę, teksturę oraz właściwości mechaniczne. Otrzymane wyniki porównano z wynikami uzyskanymi dla taśm walcowanych klasycznie. Wykazano, że dominującą składową w analizowanych taśmach niezależnie od zastosowanego procesu obróbki jest składowa typu Brass. Badania w wysokorozdzielczym transmisyjnym mikroskopie elektronowym potwierdziły wpływ procesu naprzemiennego gięcia na powstanie struktury nanometrycznej w postaci bliźniaków odkształcenia. Wykazano, że po obróbce plastycznej z zastosowaniem procesu naprzemiennego gięcia następuje zwiększenie maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie w porównaniu z wytrzymałością taśm walcowanych klasycznie. Słowa kluczowe: stopy miedzi, odkształcenie plastyczne, naprzemienne gięcie, analiza struktury, STEM, tekstura, XRD. 1. WPROWADZENIE Rosnące wymagania stawiane nowoczesnym materiałom inżynierskim, od których oczekuje się lepszych właściwości przy zachowaniu optymalnego kosztu produkcji powodują wzrost innowacyjności metod ich przetwarzania i obróbki. Zauważalne jest rosnące zainteresowanie masywnymi materiałami o strukturze drobnoziarnistej tzw. UFG (Ultrafine Grain Size) [1, 2]. Do materiałów o strukturze UFG są zaliczane materiały nanometryczne, w których rozmiar ziarna nie przekracza 100 nm oraz materiały submikrometryczne o ziarnistości w granicach 100 1000 nm. Materiały o takiej strukturze charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami fizycznymi, mechanicznymi i chemicznymi w porównaniu z materiałami polikrystalicznymi o ziarnistości w granicach 10 300 µm [3]. Do najbardziej efektywnych metod służących do syntezy materiałów o strukturze UFG można zaliczyć metody z grupy metalurgii proszków oraz metody wykorzystujące intensywne odkształcenie plastyczne SPD (Severe Plastic Deformation), takie jak: skręcanie pod wysokim ciśnieniem (HPT), wyciskanie przez kanał kątowy (ECAP), kumulacyjne walcowanie z łączeniem (ARB), hydrostatyczne wyciskanie (HE), naprzemienne gięcie i prostowanie (RCS) oraz cykliczne wyciskanie ściskające (CEC) [4 7]. Metody SPD bazują na konwencjonalnych technikach obróbki plastycznej (walcowanie, prasowanie, kucie, ciągnienie), ale są prowadzone z wykorzystaniem zmodyfikowanej aparatury oraz w odmiennych warunkach procesu, w których głównym celem nie jest nadawanie kształtu, jak w metodach konwencjonalnych obróbki plastycznej, lecz uzyskanie pożądanych właściwości fizycznych i mechanicznych. Jedną z efektywniejszych metod intensywnego odkształcenia plastycznego jest proces RCS (Repetitive Corrugation and Straightening). Proces ten polega na cyklicznym naprzemiennym gięciu i prostowaniu blach w celu uzyskania stanu silnej akumulacji odkształcenia plastycznego. Zgodnie z pracami [8 11] taką technikę obróbki można zastosować do szerokiej grupy stopów metali w celu zmian mikrostruktury przez wygenerowanie dużej liczby dyslokacji. Efektem jest wytworzenie ziaren o granicach wąskokątowych, które przy dalszym narastaniu odkształcenia utworzą jednorodne ziarna o granicach szerokokątowych. W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu procesu naprzemiennego gięcia na mikrostrukturę i właściwości taśm wykonanych ze stopu CuSn6 w stanie wstępnie utwardzonym przez walcowanie na zimno. Określono wpływ parametrów procesu na mikrostrukturę, teksturę oraz właściwości mechaniczne. Otrzymane wyniki zostały porównane z wynikami uzyskanymi dla taśm walcowanych klasycznie. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Do wytworzenia serii próbek wykorzystano stanowisko do cyklicznego gięcia i prostowania. W skład stanowiska wchodził zestaw walców gnących oraz walców prostujących. Jako walce gnące zastosowano dwa współpracujące koła zębate odkształcające obrabianą taśmę w kierunku poprzecznym (rys. 1a) oraz dwa współpracujące walce z profilami odkształcające taśmę w kierunku wzdłużnym (rys. 1b). Wyjściowy materiał do badań stanowiły taśmy o wymiarach 0,8 20 130 mm wykonane ze stopu CuSn6 (tab. 1) walcowane na zimno w stanie niewyżarzonym (z4). W celu wytworzenia stanu silnej akumulacji odkształcenia w materiale obrabianym taśmy poddano obróbce plastycznej polegającej na naprzemiennym gięciu w kierunku wzdłużnym i poprzecznym, obracając taśmę o 180 po każdym cyklu. Dla każdego kierunku gięcia zastosowano odrębne ustawienia docisków, tak aby wykonać jak najwięcej cykli. Dobrane parametry docisku pozwoliły na wykonanie serii próbek w zakresie od 1 do 35 cykli. Każdą taśmę po ostatnim cyklu gięcia poddano prostowaniu za pomocą walcowania klasycznego. Dla porównania wykonano zestaw próbek, stosując 102 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI
Rys. 1. Układ walców gnących taśmę: a) w kierunku poprzecznym, b) kierunku wzdłużnym Fig. 1. Layout of bending rolls: a) in the cross direction, b) in the longitudinal direction Tabela 1. Skład chemiczny stopu CuSn6 (PN-92/H-87050) (% mas.) Table 1. Composition of applied CuSn6 alloy, % wt (PN-92/H-87050) Materiał Sn Zn P Ni Pb Fe Inne Cu CuSn6 5,5 7 0,3 0,01 0,35 0,3 0,05 0,1 0,2 reszta walcowanie klasyczne przy takich samych parametrach jak dla prostowania próbek giętych. Procesy gięcia wzdłużnego i poprzecznego oraz walcowania klasycznego przeprowadzono w temperaturze pokojowej. oraz (311) tej fazy. Na zarejestrowanych w trybie dwuwymiarowym liniach dyfrakcyjnych (rys. 2b) dla badanych próbek jest obserwowane rozmycie maksimów dyfrakcyjnych w pozycji refleksu (220) CuSn. Można sądzić, że zgodnie z równaniem Lauego [13] rozmycie to jest efektem rozdrobnionej mikrostruktury polikrystalicznej występującej w badanym materiale. Analiza wyznaczonych eksperymentalnie figur biegunowych dla taśmy stopu CuSn6 walcowanej klasycznie dowodzi, że rozmieszczenie maksimów jest symetryczne i odpowiada składowym tekstury walcowniczej. Eksperymentalne figury biegunowe dla taśmy poddanej procesowi naprzemiennego gięcia w 35 cyklach (rys. 3), charakteryzują się dużą niesymetrycznością, maksima w pobliżu środka projekcji są obrócone w odniesieniu do kierunku walcowania, co może być spowodowane procesem naprzemiennego gięcia. Na przekrojach ODF wyliczonych dla taśmy walcowanej klasycznie oraz dla taśmy po 35 cyklach naprzemiennego gięcia (rys. 4) zaobserwowano intensywną składową typu Brass {110}<11 2>, składową typu Goss {110}<001> oraz składową typu Copper {112}<111 >. Dominującą składową w analizowanych taśmach niezależnie od zastosowanego procesu obróbki jest składowa typu Brass. Wyniki badań mikrostruktury cienkich folii taśm CuSn6 w wysokorozdzielczym transmisyjnym mikroskopie elektronowym przedstawiono na rysunkach 6 8. Mikrostruktura cienkiej foli z taśmy po procesie naprzemiennego gięcia charakteryzuje się ziarnem o rozmiarach poniżej 100 nm (rys. 6). Średnią wielkość ziarna na przekroju wyznaczono metodą cięciw (liniową), stosując oprogramowanie Matlab z rozszerzeniem Line Cut. Obserwacje cienkich folii z taśmy poddanej naprzemiennemu gięciu w 35 cyklach ujawniły komórkową strukturę dyslokacyjną o większej gęstości dyslokacji w porównaniu ze strukturą materiału walcowanego 3. METODYKA BADAŃ Badania rentgenowskie analizowanych próbek przeprowadzono w dyfraktometrze rentgenowskim X Pert Pro firmy PANalytical, stosując filtrowane promieniowanie lampy o anodzie kobaltowej (λ = 1.79 Å). Rentgenowską jakościową analizę fazową przeprowadzono w układzie Bragg Brentano, wykorzystując detektor PIXcel 3D oraz oprogramowanie X Pert High Score Plus. Linie dyfrakcyjne zarejestrowano w trybach jedno- i dwuwymiarowym w zakresie kątowym 2θ od 20 120 (krok 0,03, czas zliczania 10 s). W celu określenia rozkładu normalnych do wybranej płaszczyzny (eksperymentalnych figur biegunowych rysunek 3), wyznaczenia ODF (funkcji rozkładu orientacji rysunek 4) oraz obliczenia pełnych figur biegunowych (rys. 5) taśmy po walcowaniu klasycznym oraz taśmy po cyklicznym gięciu wykonano badania tekstury. Zarejestrowano po cztery figury biegunowe dla każdej analizowanej taśmy metodą odbiciową z wykorzystaniem koła Eulera [12]. Do analizy tekstury zastosowano oprogramowanie LaboTex 3.0. Badania mikrostruktury analizowanych materiałów przeprowadzono w wysokorozdzielczym transmisyjnym mikroskopie elektronowym S/TEM TITAN 80-300 (FEI Company) z działem o emisji polowej (FEG) oraz wysokokątowym pierścieniowym detektorem pola ciemnego (HAADF). Statyczną próbę rozciągania badanych taśm CuSn6 przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Instron 4505/5500K, stosując głowicę pomiarową siły o obciążalności 10 kn i prędkość rozciągania równą 2 mm/min. 4. WYNIKI BADAŃ Wyniki rentgenowskiej jakościowej analizy fazowej (rys. 2a) potwierdziły występowanie fazy CuSn w badanych taśmach niezależnie od warunków procesu. Na zarejestrowanych dyfraktogramach zidentyfikowano odbicia od płaszczyzn (111), (200), (220) Rys. 2. Dyfraktogramy zarejestrowane dla taśmy CuSn6 po 35 cyklach naprzemiennego gięcia (detektor PIXcel 3D) Fig. 2. Diffraction patterns obtained for CuSn6 strip after 35 cycles of repetitive bending (PIXcel 3D detector) NR 3/2015 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 103
Rys. 3. Figury biegunowe taśmy stopu CuSn6 po 35 cyklach naprzemiennego gięcia wyznaczone eksperymentalnie Fig. 3. Pole figures for CuSn6 alloy strip after 35 cycles repetitive bending determined experimentally Rys. 5. Obliczone pełne figury biegunowe taśmy stopu CuSn6 po 35 cyklach naprzemiennego gięcia Fig. 5. Complete pole figures calculated for CuSn6 alloy strip after 35 cycles repetitive bending Rys. 4. Mapy orientacji ziaren (ODF przekrój Phi2) taśmy stopu CuSn6 po 35 cyklach naprzemiennego gięcia Fig. 4. Orientation Distribution Function ODF (Phi2 section) of CuSn6 alloy after 35 cycles repetitive bending klasycznie, z licznymi bliźniakami odkształcenia o wymiarach nanometrycznych oraz zmiennej szerokości (rys. 8). W strefach granic ziaren i bliźniaków zaobserwowano niejednorodną gęstość dyslokacji, co może świadczyć o zróżnicowanym przebiegu odkształcenia plastycznego. Pomiędzy większymi bliźniakami (szerokości 20 nm) zaobserwowano wąskie pasma, prawdopodobnie bliźniaków odkształcenia, o szerokości do kilku średnic atomowych, Rys. 6. Mikrostruktura cienkiej folii z taśmy CuSn6 po 35 cyklach naprzemiennego gięcia; obraz BF w trybie transmisyjnym Fig. 6. Thin foil microstructure of CuSn6 alloy after 35 cycles repetitive bending; BF transmission mode o czym świadczą rozmycia refleksów na wygenerowanej z tego obszaru transformacie Fouriera (rys. 7). W celu wyznaczenia właściwości wytrzymałościowych analizowanych taśm przeprowadzono statyczną próbę rozciągania w temperaturze pokojowej, której wyniki przedstawiono w tabeli 2. Statyczna próba rozciągania (rys. 9) wykazała znaczne zmniejszenie wydłużenia próbek z taśm po procesie naprzemiennego gięcia w porównaniu z próbkami z taśm walcowanych klasycznie. Proces naprzemiennego gięcia wpłynął na poprawę o 24% maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie (R m max ). 104 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI
Tabela 2. Właściwości wytrzymałościowe taśm CuSn6 wyznaczonych w statycznej próbie rozciągania Table 2. Mechanical properties of CuSn6 strips determined in the static tensile test Próbka CuSn6 W CuSn6 35 Wydłużenie A20, % 27,5 8,5 Fm max, N 1415 1640 Rm max, MPa 472 585 Fp 0,2, N 1281 1329 Rp 0,2, MPa 427 474 Fp 0,05 [N] 1169 1023 Rp 0,05, MPa 390 365 a) Rys. 7. Mikrotruktura cienkiej folii z taśmy CuSn6 po 35 cyklach naprzemiennego gięcia; obraz w trybie HRTEM; transformata Fouriera FFT z obszarów jak na rysunku Fig. 7. Thin foil microstructure of CuSn6 CuSn6 alloy strip after 35 cycles repetitive bending; HRTEM mode; Fourier Transform FFT of the areas as shown in figure b) Rys. 9. Wynik statycznej próby rozciągania dla taśmy: a) walcowanej klasycznie, b) taśmy po 35 cyklach gięcia Fig. 9. Result of static tensile test for the strips: a) after classic rolling, b) after 35 bending cycles 5. PODSUMOWANIE Rys. 8. Mikrotruktura cienkiej folii z taśmy CuSn6 po 35 cyklach naprzemiennego gięcia; obraz w trybie skaningowo-transmisyjnym, detektor HAADF Fig. 8. Thin foil microstructure of CuSn6 alloy after 35 cycles repetitive bending; scanning-transmission mode, HAADF detector NR 3/2015 Analiza tekstury wykazała udział trzech składowych typu: Brass {110}<11 2>, Goss {110}<001> oraz składową typu Copper {112}<111 >, z najsilniejszym udziałem składowej typu Brass w obu taśmach niezależnie od zastosowanej obróbki plastycznej. Badania w wysokorozdzielczym transmisyjnym mikroskopie elektronowym potwierdziły wpływ procesu naprzemiennego gięcia na powstanie struktur nanometrycznych w postaci bliźniaków odkształcenia. Można sadzić, że zróżnicowany przebieg odkształcenia plastycznego zachodzący podczas procesu naprzemiennego gięcia sprzyja powstaniu komórkowej struktury dyslokacyjnej o dużej gęstości dyslokacji. INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 105
Taśmy po obróbce w procesie naprzemiennego giecia charakteryzują się zwiększeniem maksymalnej wytrzymałość na rozciąganie (R m max ) do 585 MPa w porównaniu z wytrzymałością taśm walcowanych klasycznie (472 MPa). LITERATURA [1] Stobrawa J., Rdzawski Z., Głuchowski W., Malec W.: Microstructure and properties of CuNi2Si1 alloy processed by continuous RCS method. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 37/2 (2009) 466 479. [2] Azushima A., Kopp R., Korhonen A., Yang D. Y., Micari F., Lahoti G. D., Groche, Yanagimoto J., Tsuji N., Rosochowski A., Yanagida A.: Severe plastic deformation (SPD) processes for metals. CIRP Annals Manufacturing Technology 57 (2008) 716 735. [3] Rajinikanth V., Gaurav Arora, Narasaiah N., Venkateswarlu K.: Effect of repetitive corrugation and straightening on Al and Al 0.25Sc alloy. Materials Letters 62 (2008) 301 304. [4] Sauvage X., Pippan R.: Nanoscaled structure of a Cu Fe composite processed by high-pressure torsion. Materials Science and Engineering A 410-411 (2005) 345 34. [5] Dobatkin S. V., Szpunar J. A., Zhilyaev A. P., Cho J. Y., Kuznetsov A. A.: Effect of the route and strain of equa-channel angular pressing on structure and properties of oxygen-free copper. Materials Science and Engineering A 462 (2005) 132 138. [6] Kulczyk M., Pachla W., Mazur A., Suś-Ryszkowska M., Krasilnikov N., Kurzydłowski K. J.: Producing bulk nanocrystalline materials by combined hydrostatic extrusion and equal-channel angular pressing. Materials Science 25/4 (2007) 991 999. [7] Huang J. Y., Zhu Y. T., Jiang H., Love T. C.: Microstructure and dislocation configuration in nanostructured Cu processed by repetitive corrugation and straightening. Acta Materialia 49 (2001) 1497 1505. [8] Głuchowski W., Stobrawa J. P., Rdzawski Z. M.: Microstructure refinement of selected copper alloys strips processed by SPD method. Archives of Materials Science and Engineering 47/2 (2011) 103 109. [9] Stobrawa J., Rdzawski Z., Głuchowski W., Malec W.: Ultrafine grained strips of CuCr0.6 alloy prepared by CRCS method. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 33/2 (2009) 166 172. [10] Kwaśny W., Nuckowski P., Jung T., Rdzawski Z., Głuchowski W.: Effect of plastic deformation on the structure and texture of CuSn6 alloy. Czasopismo Techniczne, Mechanika 110 z. 1-M (2013) 213 219. [11] Kwaśny W., Nuckowski P., Rdzawski Z., Głuchowski W.: Influence of RCS process on the structure and mechanical properties of CuSn6 alloy. Archives of Materials Science and Engineering 62/2 (2013) 60 66. [12] Kwaśny W.: Prognozowanie własności powłok PVD i CVD na podstawie wielkości fraktalnych opisujących ich powierzchnie. Wydawca: International Ocsco World Press, Gliwice (2009). [13] Cullity B. D.: Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich. PWN, Warszawa (1964). 106 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXVI