2011 r. HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 188 Dr inż. radosław ŁYSZKOWSKi Dr HAB. inż. JErZY BYSTrZYCKi PrOf. WAT, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa e-mail: rlyszkowski@wat.edu.pl Zmiany mikrostruktury i właściwości mechanicznych Fe-α poddanego ograniczonemu prasowaniu bruzdowemu Evolution of microstructure and mechanical properties of Fe-α after constrained groove pressing Bardzo duże odkształcenie plastyczne (ang.: severe plastic deformation SPD) jest jedną z najbardziej efektywnych metod wytwarzania litych nanokrystalicznych (średnica ziarna < 100 nm) lub ultradrobnoziarnistych (100 nm < średnica ziarna < 1000 nm) metali i stopów. Istnieje wiele znanych technik SPD do wytwarzania nano- lub ultradrobnoziarnistych metali i stopów, np. przeciskanie przez kanał kątowy (ECAP) i skręcanie pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym (HPT). Jednakże, techniki te są procesami nieciągłymi i mogą być stosowane do produkcji próbek jedynie do pewnej wielkości. Ostatnio pokazano skuteczność rozdrobnienia ziarna z zastosowaniem techniki ograniczonego prasowania lub walcowania bruzdowego (CGP/R), która umożliwia zmniejszenie wielkości ziarna do wielkości submikrometrycznych w różnych materiałach. W artykule przedstawiono przydatność procesu CGP do rozdrobnienia ziarna i poprawy właściwości mechanicznych Fe-a. Zmiany właściwości mechanicznych określono na podstawie próby rozciągania i pomiarów twardości, a następnie powiązano je z rozwojem mikrostruktury. Severe plastic deformation (SPD) is one of the most effective methods for producing of nanocrystalline (grain size < 100 nm) or ultrafinegrained (100 nm < grain size < 1000 nm) metals and alloys. There are several SPD techniques to synthesize bulk nano- or ultrafinegrained metals (alloys), including equal channel angular pressing (ECAP) and high-pressure torsion (HPT). However, both of these techniques are discontinuous processes and can be applied to fabrication of samples up to certain sizes. Recently, it has been shown the effectiveness of constrained groove pressing or rolling (CGP/R) in reducing the grain size from tens of micrometers to submicrometers in several materials. In our work the applicability of CGP for grain refinement and improvement in mechanical properties of Fe-α was studied. Changes in mechanical properties were measured by tensile and hardness tests and then related to microstructure development. Słowa kluczowe: silne odkształcenie plastyczne, ograniczone prasowanie bruzdowe, mikrostruktura, właściwości mechaniczne, żelazo-a Key words: severe plastic deformation, constrained groove pressing, microstructure, mechanical properties, iron-a 1. Wstęp. W ostatnich latach znaczącą poprawę właściwości mechanicznych metali i stopów udało się uzyskać poprzez znaczne rozdrobnienie struktury materiału, aż do nanometrycznych rozmiarów ziarna, na drodze silnego odkształcenia plastycznego. Jednakże, konwencjonalne metody obróbki plastycznej, jak ściskanie lub walcowanie, nie pozwalają na uzyskanie odpowiednio dużych wartości odkształcenia w wyniku ograniczonej grubości (ilości) materiału w osi odkształcenia. Obróbka realizowana z wykorzystaniem procesu silnego odkształcenia plastycznego (SPD), ze względu na bardziej złożony stan naprężeń, pozwala na uzyskanie znacznie większej koncentracji odkształcenia w materiale i rozdrobnienia mikrostruktury. Z tego też względu, procesy SPD uważane są za jedne z najbardziej efektywnych metod wytwarzania nanokrystalicznych (wielkość ziarna poniżej 100 nm) lub ultradrobnoziarnistych (100 nm < d < 10 µm) metali i stopów. Istnieje wiele metod służących do rozdrobnienia wielkości ziarna poprzez silne odkształcenie plastyczne, m.in. wyciskanie przez kanał kątowy ECAP, skręcanie pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym HPT, cykliczne wyciskanie ściskające CEC, walcowanie ze składaniem ARB, skrętna ekstruzja, czy też naprzemienne kucie MAC [1 4]. Jednakże, techniki te są procesami nieciągłymi i praktycznie są stosowane jedynie w skali laboratoryjnej do wytwarzania próbek o niewielkich rozmiarach. Ostatnio wykazano skuteczność rozdrobnienia ziarna z zastosowaniem techniki ograniczonego prasowania lub walcowania bruzdowego (ang.: Constrained Groove Pressing CGP or Rolling CGR), która umożliwia zmniejszenie wielkości ziarna do wielkości submikrometrycznych w różnych materiałach [5 7]. Może to prowadzić do polepszenia zwykle niskiej plastyczności, czy też wytrzymałości materiałów oraz ułatwić ich kształtowanie. Dodatkową zaletą jest stosunkowo nieskomplikowana technologia, łącząca możliwość produkcji na skalę półprzemysłową płaskich elementów, takich jak: taśmy, płaskowniki czy też płyty, z zaletami metod SPD. W niniejszej pracy badano przydatność ograniczonego prasowania bruzdowego CGP do rozdrobnienia ziarna i modyfikacji właściwości mechanicznych metali o strukturze A2 na przykładzie żelaza a. 2. Materiał i metodyka badań. Przedmiotem badań było czyste technicznie żelazo armco, o składzie chemicznym przedstawionym w tabl. 1. Badania zrealizowano na próbkach o wymiarach 60 60 3 mm, które w celu usunięcia skutków obróbki mechanicznej, poddano wygrzewaniu rekrystalizującemu w temperaturze 450 C przez 30 minut. Następnie płytki odkształcono plastycznie z wykorzystaniem metody ograniczonego prasowania bruzdowego. Na początku bieżącego dziesięciolecia, Shin i wsp. [8] opracowali metodę otrzymywania,,plate-shaped materials o strukturze ultradrobnoziarnistej i nanokrystalicznej bazującej na technice ograniczonego
S. 189 HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 2 Zginanie z rozciąganiem Obszar nieodkształcony Matryca dolna Matryca górna Czyste ścinanie Rys. 1. Schemat ukształtowania fali matrycy z zaznaczonymi obszarami o różnych mechanizmach odkształcenia w próbce Fig. 1. Scheme showing wave s shape in the die and regions of different deformation modes in the workpiece a) b) c) d) e) f) Nieodkształcony 0.58 1.16 Rys. 2. Schemat pokazujący kolejne etapy procesu ograniczonego prasowania bruzdowego CGP Fig. 2. Diagram showing consecutive deformation steps in CGP process prasowania bruzdowego CGP. Metoda CGP wykorzystuje matrycę składającą się z dwóch części: górnej i dolnej, pomiędzy którymi umieszczona jest badana próbka (rys. 1). Powierzchnie matryc ukształtowane są w profil fali opartej na zwielokrotnionym trapezie Tablica 1. Skład chemiczny (% at.) badanego żelaza armco Table 1. Chemical composition (% at.) of investigated iron ingot a) b) c) foremnym, a grubość próbki jest proporcjonalna do wielkości tej amplitudy. Cały cykl procesu składa się z czterech etapów. W pierwszym etapie (rys. 2a) próbka jest ściskana przez szczęki matrycy z określoną siłą lub zadaną wartością przemieszczenia. Na bokach falki matrycy (φ = 45º) badany materiał ulega ścinaniu i rozciąganiu, czego efektem jest niewielki przyrost jego długości. Pozostałe obszary próbki pozostają nieodkształcone. W drugim etapie (c) próbka jest ściskana przez dwa prostopadłościenne elementy w celu przywrócenia jej płaskiego kształtu. Wartość odkształcenia na tym etapie wynosi ε 0,6. W dalszej kolejności następuje obrót próbki względem osi pionowej o kąt 180º, dzięki czemu niezdeformowane wcześniej obszary są odkształcane w kolejnym kroku procesu (d). W końcowym etapie próbka jest ponownie ściskana przez dwa prostopadłościenne elementy (f). Całkowite odkształcenie plastyczne w jednym czteroetapowym cyklu wynosi ε 1,16. Ograniczone prasowanie bruzdowe przeprowadzono na wykonanej wg zamieszczonego powyżej opisu matrycy o module 3 mm, przy użyciu uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej Instron 8802. Badania wykonano w temperaturze 20 C z szybkością przemieszczenia trawersy maszyny 0,01 mm/s, realizując jeden, a następnie dwa pełne cykle odkształcenia. Przed drugim cyklem, próbki były obracane w płaszczyźnie poziomej o 90º, co powodowało krzyżowy układ stref odkształcenia. Badania mikrostruktury przeprowadzono na polerowanych i trawionych odczynnikiem Krolla zgładach poprzecznych przy użyciu mikroskopu optycznego i elektronowego mikroskopu skaningowego Philips XL30 (LaB 6 ). Obserwacje przełomów próbek po rozciąganiu przeprowadzono za pomocą mikroskopu skaningowego. Badania własności mechanicznych próbek przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej. Próbki płaskie o długości odcinka pomiarowego 8,9 mm i przekroju poprzecznym 2,5 1 mm, rozciągano z prędkością odkształcenia 0,014 s -1. W celu oceny stopnia umocnienia materiału, przeprowadzono pomiary mikrotwardości próbek przed Mn Al C Cr Ni Cu Si S P N 2 Fe 0,22 0,05 0,03 0,02 0,02 0,02 0,01 0,009 0,008 0,0068 reszta Rys. 3. Makrofotografie płytek żelaza-α na różnych etapach procesu CGP w temperaturze 20 C: (a) ¼ cyklu, (b) 1 pełen cykl i (c) dwa cykle Fig. 3. Macrophotographies of Fe-α plates after different stages of CGP 20 C: (a) ¼ of a pass, (b) 1 pass, (c) 2 passes
2011 r. HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 190 Tablica 2. Wpływ procesu CGP na własności mechaniczne żelaza Table 2. Influence of CGP on mechanical properties of iron Naprężenie [] a) b) c) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Stan Mikrotwardość HV01 Rys. 4. Mikrostruktura żelaza: (a) w stanie wyjściowym, (b) po jednym i (c) dwóch cyklach CGP Fig. 4. Microstructure of Fe-α: (a) in the initial stage, (b) after one and (c) two passes of CGP 0 5 10 15 20 25 30 Odkształcenie [%] Stan wyjściowy Po CGP Granica plastyczności R e Rys. 5. Wykres rozciągania Fe-α w stanie wyjściowym i po dwóch cyklach CGP Fig. 5. Tensile test of Fe-α in the initial stage and after 2 passes of CGP i po odkształceniu, w trzech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach, po czym wyniki końcowe uśredniono. Pomiary przeprowadzono metodą Vickers a przy obciążeniu 100 g, wykorzystując do tego celu mikrotwardościomierz Shimadzu typ M. Wytrzymałość na rozciąganie R m Wytrzymałość do zerwania R c Wyjściowy 93 ± 1,9 130 242 135 2 CGP 144 ± 3,3 690 760 380 3. Wyniki badań. Jak przedstawiono na rys. 2, proces ograniczonego prasowania bruzdowego wywołuje w materiale znaczne odkształcenie plastyczne. Jego efekty, w postaci pasm poślizgu, można było obserwować zarówno na powierzchni czołowej, jak i wzdłużnej płytki (rys. 3a). Po jednym cyklu CGP w temperaturze 20 C na powierzchni próbki, mimo wyraźnych bruzd po zębach matrycy, nie obserwowano występowania pęknięć (rys. 3b). Dopiero powtórne odkształcenie, w wyniku nakładania się na siebie tych śladów, powodowało pojawienie się niewielkich pęknięć występujących wzdłuż krawędzi przeginania próbki (rys. 3c). Z tego też względu w dalszych badaniach, po pierwszym cyklu CGP, płytka była obracana o 90, co powodowało krzyżowy układ stref odkształcenia i zapobiegało pękaniu. Jednocześnie zaobserwowano, że mimo blokowania możliwości przemieszczania się materiału próbki na boki (w kierunku prostopadłym do zębów matrycy), zjawisko to jednak występowało. Powodowało to niewielkie poszerzenie próbki (zwłaszcza w rejonach bliskich bocznym krawędziom płytki) oraz jej pocienienie. Badania mikrostruktury, przeprowadzone na przekrojach poprzecznych, ujawniają wewnętrzne przemiany odkształconej metodą CGP próbki. Materiał w stanie wyjściowym, tzn. po wyżarzaniu w temperaturze 450 C przez 30 minut, charakteryzował się strukturą gruboziarnistą, o średniej wielkości ziarna ok. 500 µm (rys. 4a). W wyniku jednokrotnego odkształcenia metodą CGP, ziarna przyjmują kształt wydłużony o wielkości poniżej 300 µm (rys. 4b). Po drugim cyklu prasowania, w wyniku krzyżowania się stref odkształcenia i wzrostu stopnia odkształcenia (ε 2,32), struktura żelaza ulega dalszemu rozdrobnieniu, lecz w wyniku nagromadzonych defektów, staje się mało przejrzysta podczas obserwacji w mikroskopie optycznym (rys. 4c). Zarówno po pierwszym, jak i po drugim cyklu prasowania, w strukturze materiału nie obserwowano występowania mikropęknięć. Valiev i wsp. [1] badając przemiany struktury czystego żelaza w trakcie skręcania pod wysokim ciśnieniem zauważył, że dla niewielkiego stopnia odkształcenia, strukturę materiału charakteryzuje znaczna gęstość dyslokacji ze skłonnością do tworzenia przez
S. 191 HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE Nr 2 a) b) d) b Rys. 6. Przełomy Fe-α uzyskane w próbie zrywania w temperaturze pokojowej: (a,b) stan wyjściowy i (c,d) po dwóch cyklach CGP Fig. 6. Fractures of Fe-α after tensile testing at room temperature: (a,b) the initial stage and (c,d) after 2 passes of CGP nie układów komórkowych. Wzrost odkształcenia (e 3) prowadzi do transformacji struktury wyjściowej w mikrostrukturę komórkową o nanometrycznej wielkości. Jednakże do pełnej przebudowy w strukturę ultradrobnoziarnistą lub nanokrystaliczną wymagane jest wystąpienie procesu zdrowienia i rekrystalizacji. Na rys. 5 przedstawiono krzywe σ ε uzyskane ze statycznej próby rozciągania żelaza armco w temperaturze 20 C przy prędkości odkształcenia wynoszącej 0,014 s -1 po dwóch cyklach CGP. Jak widać, badany materiał w stanie wyjściowym (o strukturze gruboziarnistej) charakteryzował się niską (ok. 240 ) wytrzymałością na rozciąganie przy znacznej plastyczności, wyrażonej całkowitym wydłużeniem do zerwania na poziomie 27 %. Natomiast ten sam materiał po prasowaniu bruzdowym (o strukturze silnie zdefektowanej i rozdrobnionej) uzyskiwał silny przyrost wytrzymałości na rozciąganie (760 ), lecz jego plastyczność była znacznie niższa (tabl. 2). Procesowi temu towarzyszy znaczny wzrost mikrotwardości, z 93 HV01 w stanie wyjściowym do 144 HV01 po odkształceniu. Podobne wyniki do prezentowanych w niniejszej pracy, uzyskał Huang i wsp. [9], poddając walcowaniu ze składaniem (ARB) w temperaturze pokojowej stal IF. Silne odkształcenie (4,8) powoduje w materiale powstanie struktury lamelarnej o wielkości komórki 210 700 nm, o znacznym udziale granic wąskokątowych. Poddając rozciąganiu próbki wykonane z tak odkształconego materiału, autorzy zanotowali porównywalny do opisanego przyrost wytrzymałości na rozciąganie z 280 do 870 i jednocześnie spadek plastyczności z 55 % do 2,8 % (procent przemieszczenia). Zastosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej prowadzi do zwiększenia wydłużenia do 6 %. Stosując c) d również inne techniki SPD, obserwowano 2 3-krotny wzrost wytrzymałości żelaza połączony ze spadkiem plastyczności o blisko połowę przy jednoczesnym rozdrobnieniu struktury nawet do 80 nm [10, 11]. Prezentowane w niniejszej pracy wyniki pomiaru właściwości mechanicznych żelaza armco, znajdują pełne poparcie w przeprowadzonych badaniach fraktograficznych przełomów próbek, uzyskanych w wyniku próby rozciągania. Wykazały one, że żelazo armco w stanie wyjściowym charakteryzuje się przełomem ciągliwym z charakterystycznymi dołkami. Powierzchnia przełomu jest gładka i nie można na podstawie jej obserwacji stwierdzić budowy ziarnistej. Jest to spowodowane faktem, że odkształcenie plastyczne w trakcie rozciągania jest na tyle duże, iż powoduje zniekształcenie ziaren i zatarcie ich obrazu (rys. 6a,b). Po dwóch cyklach CGP, przełom nadal jest typu plastycznego, o znacznie mniejszej wielkości jamek, lub mieszany z pewnym udziałem przełomu śródkrystalicznego, tworzącego się wzdłuż pasm ścinania, które generowały zniszczenie próbki (rys. 6d). Krishnaiah i wsp. [6] wykorzystując metodę ograniczonego prasowania bruzdowego poddali odkształceniu miedź (99,3 %). Badania przeprowadzili w temperaturze pokojowej, uzyskując w odkształconym materiale ziarno o średniej wielkości 78 μm. Stwierdzono, że mikrotwardość osiąga wartość maksymalną po trzecim cyklu odkształcenia (ε = 3,48), czemu towarzyszy największe rozdrobnienie struktury. Próbki po odkształceniu poddano rozciąganiu przy prędkości 0,12 mm/s. Zanotowano nieznaczny przyrost wytrzymałości na rozciąganie oraz silny wzrost granicy plastyczności po pierwszym cyklu odkształcenia, po czym następuje ich spadek, co odpowiada rozerwaniu początkowych układów dyslokacji i przejściu
2011 r. HUTNIK-WIADOMOŚCI HUTNICZE S. 192 materiału w obszar ultradrobnoziarnisty. Podobnie Lee [5] i Shin [8] wraz ze współpracownikami, odkształcając opisywaną metodą aluminium doprowadzili do rozdrobnienia jego struktury, uzyskując ziarno o wielkości 0,5 µm w wyniku tworzącej się w jego objętości struktury komórkowej. Procesowi temu również odpowiadał znaczny wzrost wytrzymałości (R m = 140 ) i twardości, by wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia przyjąć tendencję spadkową. Natomiast plastyczność cechowała się odwrotną charakterystyką. Podsumowując, należy stwierdzić, że uzyskanie tak dużej wytrzymałości przy zachowaniu plastycznego charakteru pękania dla żelaza armco jest sukcesem niniejszej pracy. Natomiast zarejestrowany spadek plastyczności żelaza armco jest typowy dla materiałów o strukturze ultradrobnoziarnistej lub nanokrystalicznej i wiąże się on z silną lokalizacją odkształcenia plastycznego podczas rozciągania próbki o wielkości ziarna poniżej 500 nm. 4. Podsumowanie. Otrzymane wyniki wskazują, że ograniczone prasowanie bruzdowe prowadzi do rozdrobnienia struktury czystego technicznie żelaza, jednakże proces ten wymaga bardziej szczegółowych badań. Prasowanie metodą CGP powoduje 3-krotny wzrost wytrzymałości na rozciąganie (do 760 ) z jednoczesnym wydłużeniem do zerwania wynoszącym ok. 6 %. Pomimo znacznego stopnia umocnienia, badany materiał charakteryzuje się przełomem plastycznym. Zachowanie spójności przez odkształcony materiał sugeruje, że możliwe jest uzyskanie większego odkształcenia niż ε = 2,32 w temperaturze 20 C przez zwielokrotnienie liczby cykli prasowania. Niniejsza praca była finansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektów nr R 15 0010 06/2009 oraz 344/1/R/T02/2008/IT1. Literatura 1. Valiev R. Z., Islamgaliev R. K., Alexandrov I. V.: Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation, Progress in Materials Science t. 45, 2000, p. 103 2. Segal V. M.: Severe Plastic Deformation: Simple Shear Versus Pure Shear. Mat. Sci.& Eng. t. A 338, 2002, p. 331 3. Richert M.: Inżynieria nanomateriałów i struktur ultradrobnoziarnistych, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2006 4. Beygelzimer Y. Y., Orlov D. V., Varyukin V. N.: A new severe plastic deformation method: twist extrusion, Ultrafine Grained Materials t. II, 2002, p. 297 5. Lee J. W., Park J. J.: Numerical and experimental investigations of constrained groove pressing and rolling for grain refinement, J. Mater. Proc. Tech., 2002, no 130/131, p. 208 6. Krishnaiah A., Chakkingal U., Venugopal P.: Applicability of the groove pressing technique for grain refinement in commercial purity copper, Mater. Sci. Eng. t. A 410/411, 2005, p. 337 7. Peng K., Su L., Shaw L. L., Qian K. W.: Grain refinement and crack prevention in constrained groove pressing of two-phase Cu-Zn alloys, Scripta Materialia t. 56, 2007, p. 987 8. Shin D. H., Park J. J., Kim Y. S., Park K. T.: Constrained groove pressing and its application to grain refinement of aluminium, Materials Science and Engineering 2002, no A328, p. 98 9. Huang X., Kamikawa N., Hansen N.: Increasing the ductility of nanostructured Al and Fe by deformation, Materials Science and Engineering 2008, no A 493, p. 184 10. Noskova N. I.: Deformation of nanocrystalline pure metals and alloys based on Fe and Al, Journal of Alloys and Compounds 2007, no 434/435, s. 307 11. Huang J., Zhu Y. T., Alexander D. J., Liao X., Lowe T. C., Asaro R.J.: Development of repetitive corrugation and straightening, Materials Science and Engineering 2004, no A 371, p. 35