1 Содержание: 1.Введение ( цель, задачи, методы наноструктурирования объемных материалов) 2.Краткий обзор ( литературных и собственных результатов по ЭПД до 2008 г ) Феноменология электропластического эффекта в титане и его сплавах Деформируемость и наноструктурирование Упрочнение и деформационное поведение Скачки напряжения 3.Новые результаты 4.Материалы, методика. Тепловой эффект и природа скачков в нитиноле 4. Заключение ФЦП Кадры- 2013, Москва, Президент-отель, г. Московский государственный индустриальный университет Институт машиноведения РАН Объемное и поверхностное наноструктурирование титановых сплавов методами мощных внешних воздействий Столяров В.В.

2 ВВЕДЕНИЕ. Цель и задачи исследования. Терминология 1.Фундаментальная задача - проявление ЭПЭ в наноструктурных материалах, например в титановых сплавах. Критический размер зерен? 2.Прикладная задача - традиционные методы ИПД ограничены в получении наноструктур в длинномерных и тонкого сечения изделиях (проволока, лист, фольга), особенно, в труднодеформируемых металлах и сплавах. ЭПД рассматривается как альтернативный метод разрешения выше указанных проблем. Цель – создание технологии ЭПД для получения длинномерных наноструктурных полуфабрикатов тонкого сечения О терминах ЭПД и ЭПЭ ЭПД проявляется в повышенной технологической пластичности, стимулированной током. ЭПЭ проявляется в скачкообразном снижении напряжения течения при вводе импульса тока

3 Сверху-вниз: Взрывное нагружение Интенсивная пластическая деформация: - кручение (d < 100 нм) - РКУП (d > 100 нм) - всесторонняя ковка (d > 100 нм) - винтовая экструзия (d > нм) - ЭПД* ( нм) ВВЕДЕНИЕ. Методы получения объемных наноматериалов * В.Столяров, У. Угурчиев, И. Трубицына, и др // ФТВД, 4, 16, (2006) 64

4 ОБЗОР. Феноменология электропластического эффекта Условия проявления ЭПЭ: Плотность тока j ~ А/мм 2 частота ~ 10 3 Гц длительность импульса ~ с ЭПЭ - скачкообразное снижение сопротивления деформации при ОМД или при растяжении-сжатии, в монокристаллах ЭПЭ максимален (до 40%) и наблюдается только при > 02. Предполагаемые механизмы: локальный тепловой эффект, взаимодействие е - с дислокациями, пинч-эффект и др. механизмы. ( σ/σ) max = 40% в монокристаллах Zn (j max = 1200 A/мм 2 ) 2% в поликристаллах Zn J крит уменьшается с уменьшением температуры Cu, Al, Nb, Ti, Zn – ряд активности по J крит

5 ОБЗОР. Влияние условий электропластической деформации Повышение частоты приводит к снижению ЭПЭ, деформационного упрочнения, но повышает пластичность Скачки напряжений не наблюдаются в отсутствие тока и деформации ЭПЭ отсутствует в упругой области ЭПЭ максимален вблизи предела текучести

6 Обзор. Влияние плотности тока на ЭПЭ Монокристалл Zn Поликристаллы Ti, Nb, Al, Cu длительность импульса 100 мкс для Ti – пороговая j крит = 80 A/мм 2 H. Conrad, MSE A 287 (2000) Не тепловая природа ЭПЭ подтверждается: 1. линейностью по току 2. наличием порогового значения тока 3. полярностью эффекта (зависимость от направления тока) Влияние плотности тока на скорость деформации log j / j=0 log Поликристаллы Монокристалл

7 ОБЗОР. ЭПЭ В МОНО И ПОЛИКРИСТАЛЛАХ /,% Плотность тока, A/мм 2 монокристалл поликристалл Zn Sn Pb In Влияние размера зерен в УМЗ и НС материалах? нанокристалл ?

8 ОБЗОР. Деформационная способность б – с током, e=2.5, j=10 2 A/мм 2, =10 3 гц a – без тока, e=0.8 материалсостояние e j=0 без тока e j с током e j / e j=0 Ti-50.7ат%Ni КЗ УМЗ Другие сплавы ? нитинол

9 Обзор. Деформационное поведение наноструктурного ЭПД сплава TiNi До отжига После отжига 450 °С Модули упругости на участках пропорциональности различны и соответствуют модулям аустенита и мартенсита (80 и 40 ГПа) При напряжениях < 50 МПа имеются горизонтальные площадки δ = 0.5% соответствующие А + М (R), в которой часть мартенсита переориентируется. е=0.6 е=1.81 Стабилизированн ый аустенит Аустенит + мартенсит

10 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА. Схема подвода импульсного тока Форма импульса: I – амплитуда (А); – длительность импульса (мкс); Q – скважность; Т – период Генератор: 5 кВт, ток – 2000 А, длительность импульса – мкс, частота 0 –1000 Гц

11 НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА Ti-50.7%Ni, твердый раствор на основе интерметаллида TiNi (d=80 мкм) ВТ1-0, технически чистый титан (d=20 мкм) ВТ6 в КЗ состоянии (d=10 мкм) Сергеева А.Е., Столяров В.В., Материаловедение, 11 (2008) 50-53

12 НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. Деформационная способность материалсостояние e j=0 без тока e j с током e j / e j=0 Ti (Grade 4) КЗ УМЗ Ti (ВТ1-0) КЗ УМЗ Ti-50.7ат%Ni КЗ УМЗ ВТ6 ( ) ( + ) КЗ Преимущество ЭПД сильнее проявляется в 2-х фазных УМЗ материалах

Новые результаты. Особенности деформационного упрочнения 13 Ti 49,3 Ni 50,7 6,1 мм ВТ6 Характер и степень упрочнения зависит от природы сплава

Microstructures of TiNi prepared by EPR Microstructures of TiNi prepared by EPR from X. Zhang, Yanshan University, Proceedings of Russia-China seminar, Moscow, May, 2009 EPR, e=1.7 EPR (e =1.7) C

15 НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. Микроструктуры сплавов после ЭПД и отжига Ti 49,3 Ni 50,7 ВТ6 ВТ1-0 Измельчение микроструктуры до субмикрокристаллической в ВТ1-0 и ВТ6 и до нанокристаллической в нитиноле 500 нм Без отжига

Деформационное растворение в сплаве ВТ6 16 Под действием ЭПП увеличивается параметр а, количество -фазы уменьшается с 10 до 1-2% исх ЭПП -(112) -(103) -(002) а = 2,9260 0,0002 Å с = 4,6710 0,0004 Å а = 2,9323 0,0081 Å с = 4,6709 0,0021 Å

Новые результаты. Электропластический эффект в титане ВТ КЗ, d=20 мкмУМЗ, d = 200 нм ЭПЭ зависит от дисперсности структуры: чем меньше размер зерен, тем меньше σ σ = МПа σ = 50 МПа

Структурные исследования титана Grade-4 18 Экзотермический пик при рекристаллизации в ДСК 1.ЭПП образец имеет слегка большую плотность дислокаций, меньший размер кристаллитов и большую прочность. 2. В ЭПП образце доля дислокаций меньше 3. Двойниковые границы в ЭПП и ХП образцах отсутствуют 4. Термостабильность ЭПП образца выше E. Khosravi, J. Gubicza and V.V. Stolyarov, MSMF-2010 Анализ профиля рентгеновской линии

Новые результаты. ЭПЭ и ЭПФ в TiNi при растяжении Крупнокристаллическое состояниеНанокристаллическое состояние V. Stolyarov // Trans Tech Publications, Mater. Sci. Forum , (2008) 507 V. Stolyarov // Mater. Sci. Eng. A, 503, 15, (2009) 18

Новые результаты. ЭПЭ и ЭПФ при растяжении TiNi с одиночными импульсами тока * 20 КЗ (до ЭПП )НС (после ЭПП + отжиг) В КЗ состоянии направление скачков напряжения меняет знак В НС состоянии ЭПЭ либо очень мал, либо отсутствует * У. Угурчиев, И. Пантелеев, О. Плехов, Наймарк О и др., «Бенштейновские чтения», МИСиС, , с.123. j ~ 3x10 3 А/мм 2 Нет скачка напряжения Знак скачка зависит от σ = σ эпф - σ эпд

21 Новые результаты. ЭПЭ в моно-, поли- и нанокристаллах, / % Плотность тока, A/мм 2 моно полиУМЗ/НаноАморфный Zn PbInВТ1-0TiNiВТ6 ВТ1-0 УМЗ TiNi нано ? (4.5-6)х10 3 (2.7-5)х Уменьшение размера зерен до нанометровой области приводит к исчезновению ЭПЭ

Особенности ЭПД в сплавах 1. Условия ЭПД (материал, режим, деформационная схема) могут подавлять или усиливать общий ЭПЭ (скачки напряжений). При ослаблении ЭПЭ основной вклад в механизм ЭПД вносят тепловой и другие эффекты. 2. ЭПЭ (дислокационный механизм) является структурно-чувствительным и зависит от : - Dз (уменьшается и исчезает в ряду монокристалл- поликристалл- нанокристалл ) - присутствия второй фазы (уменьшается при переходе от однофазных к многофазным материалам, ВТ1-0 ВТ6 TiNi) - наличия фазового превращения при температуре деформации (А М А) 3. Повышение энергии импульсного тока (j и ) приводит к увеличению ЭПЭ 22

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА 23 1 –генератор УЗК; 2 –компрессор статической нагрузки; 3 – механизм регулировки усилия пневмосистемой; 4 – пьезо- или магнитострикционный преобразователь; 5 – бустер; 6 – волновод; 7 – рабочий инструмент. Установки для УЗО поверхности деталей на фрезерном и токарном станках. Цели Упрочнение Наноструктурирование Градиентные структуры ν = 20 кГц А колебаний инструмента = 20 мкм индентора = 10 мм V инструмента = 0,3 м/мин Р ст = Н подача инструмента 0,1 мм.

Микроструктура после УЗО в наноструктурном TiNi 24 на поверхности на глубине 14 мкм

МИКРОТВЕРДОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ TiNi ПОСЛЕ КОМБИНИРОВАННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭПП и УЗО 25 Деформационные кривые при растяжении TiNi 1 –КЗ состояние, 2 – НС состояние после ЭПП, 3 – НС состояние после ЭПП+УЗО зависимость микротвердости от усилия УЗО при разных нагрузках на индентор твердомера.

Ионная имплантация металлами 26 Тип ионовU, кВJ, АD, ион/см 2 Ti Ni + 400,12,31017 Примечание: U – ускоряющее напряжение; J – плотность тока ионного пучка; D – доза имплантируемых ионов.

Имплантация ионами Ti + в TiNi 27 НСКЗ Измельчение структуры усиливает обеднение поверхности элементами Ti и Ni и увеличивает толщину обедненного слоя

Имплантация ионами Ni + в TiNi 28 НСКЗ 1.ИИ никелем повышает его концентрацию вдали от поверхности. 2.Измельчение структуры практически не влияет на распределение элементов

Механические свойства TiNi после имплантации ионами Ni + 29 Измельчение структуры снижает эффект упрочнения ионами Ni + что согласуется с данными ВИМС Наноиндентирование выполнено к.т.н.М.И. Петржиком (МИСиС) СостояниеHV E, ГПа R, % h m, нм h f, нм КЗ 278±2262± КЗ +ИИ 362±1955± НС 400±7752± НС +ИИ 422±4853± h m – максимальная глубина проникновения индентора h f,– остаточная глубина проникновения индентора

Микротвердость TiNi после ИИ 30 Метод косых шлифов КЗНС 1. Толщина модифицированного слоя в КЗ (10-12 мкм) больше чем в НС (6-8 мкм) 2. Относительный эффект упрочнения после ИИ выше для КЗ состояния (2-2.5 раза) по сравнению с НС ( ). Различие в степени упрочнении Ti и Ni связано с их разными атомными радиусами :Ti (0,149 нм) и Ni (0,124 нм). Ионы титана с большим атомным радиусом при внедрении в матрицу или образовании твердых растворов замещения вызывают большее количество дефектов в кристаллической решетке.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. ЭПП резко повышает деформируемость, формирует УМЗ и наноструктуры, упрочняет материал. Как и при ИПД наблюдается растворение вторых фаз. 2. Условия ЭПП (материал, режим, деформационная схема) могут подавлять или усиливать общий ЭПЭ (скачки напряжений). При ослаблении ЭПЭ основной вклад в механизм ЭПД вносят тепловой и другие эффекты. 3. ЭПЭ (дислокационный механизм) является структурно-чувствительным и зависит от : - Dз (уменьшается и исчезает в ряду монокристалл- поликристалл- нанокристалл ); - присутствия второй фазы (уменьшается при переходе от однофазных к многофазным материалам, ВТ1-0 ВТ6 TiNi) - наличия фазового превращения при температуре деформации (А М А) 4. Повышение энергии импульсного тока (j и ) приводит к увеличению ЭПЭ 5. УЗО и ИИ в комбинации с ЭПП изменяет структурно-фазовый состав на поверхности, создает градиентную наноструктуру в объемных полуфабрикатах. Работа выполнена при финансовой поддержке Рособразования (проект П340) группой в составе: Угурчиев У.Х., Сергеева А.Е., Федоткин А.А., Потапова А.А. с участием китайского партнера проф. H. Xiangyi