METAL 2004
Hradec nad Moravicí
VZTAH MEZI MIKROSTRUKTUROU A VLASTNOSTMI ULTRAJEMNOZRNNÉHO HLINÍKU PRIPRAVENÉHO TECHNIKOU ECAP Petr Král 1), Jirí Dvorák 1), Milan Svoboda1), Václav Sklenicka 1) 1)
Ústav fyziky materiálu,Akademie ved Ceské republiky, Žižkova 22, 616 62 Brno, CR,
[email protected]
Abstrakt Experimenty byly provedeny na cistém hliníku, který byl pripraven intenzivní plastickou deformací použitím techniky equal – channel angular pressing ( ECAP ). Touto technikou lze pripravit ultrajemnozr nné materiály vetšího objemu. Vlastnosti techto materiálu se mohou významne lišit od vlastností polykrystalických materiálu se standartní velikostí zrna. Vlastní experimenty ukazují, že již po 1 aplikaci techniky ECAP mikrostruktura obsahuje subzrna, která se postupne s dalšími prutahy mení na zrna oddelená velkoúhlovými hranicemi zrn. V práci je blíže studována stabilita mikrostruktury a souvislost zmen této mikrostruktury se získanými mechanickými vlastnostmi ECAP materiálu. Abstract Experiments were conducted on pure ultrafine grained aluminium processed by severe plastic deformation using the equal – channel angular pressing – ECAP technique. Using this technique a bulk ultrafine grained material can be prepared. The propertis of the ECAP material may considerably differ from properties of material with standard grain size. It was found that microstructure of ultrafine grained aluminium after one pass by the ECAP die contains subgrains and these subgrains are transformed by subsequent ECAP passes into grains separated by high angle grain boundaries. In this work a special attention is given to the stability of microstructure and the relationship between microstructure and mechanical properties of ECAP material. 1. Úvod V soucasné dobe vzrustá zájem o zkoumání ultrajemnozrnných materiálu tj. polykrystalických materiálu s velikostí zrna zpravidla menší než 1 ? m. UFG (ultrafine – grained) materiály vytvárí skupinu materiálu s jinými mechanickými a fyzikálními vlastnostmi prisuzovanými jejich neobvyklé strukture, které jsou odlišné od vlastností polykrystalických materiálu se standartní velikostí zrna. Nekteré práce uvádejí, že muže docházet ke zmenám takových vlastností, jako jsou Curieho a Debyeho teplota a modul pružnosti. Jak je dobre známo, velká deformace (napr. válcování za studena ) vede ke zjemnování struktury. Avšak struktura je obvykle tvorena velkým množstvím subzrn, které mají maloúhlové hranice. Pokud chceme dosáhnout ultrajemnozrnné struktury s velkoúhlovými hranicemi je nutné materiál vystavit extrémne intenzivní deformaci. Významnou technikou, využívající tohoto poznatku, je metoda ECAP (equal-channel angular pressing), která umožnuje intenzivní lokální plastickou deformaci pri protlacování vzorku. Pomocí této metody lze po nekolika prutazích dosáhnout približne homogenní struktury s velikostí zrna na submikronové úrovni. Velmi duležitým smerem je výzkum mikrostruktury UFG materiálu a také mechanických vlastností. V poslední dobe lze nalézt práce zabývající se jak strukturou tak i mechanickými
1
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
vlastnostmi UFG materiálu [1]. Cílem této práce je prispet k vysvetlení vztahu mezi mikrostrukturou a vybranými mechanickými vlastnostmi UFG materiálu. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A POSTUPY 2.1 Príprava ECAP materiálu Výchozím materiálem pro prípravu ultrajemnozrnného materiálu byl hrubozrnný hliník cistoty 99,99% ve stavu po válcování za tepla s velmi nehomogenní velikostí zrna ( strední prumer zrna ~ 5 mm). Pás byl rozrezán na polotovary o rozmerech 10 x 10 x 75 mm. Ultrajemnozrnný hliník byl pripraven metodou ECAP. Základní princip metody je znázornen na obr. 1. Tvárecí prípravek je tvorený zápustkou se dvema protínajícími se kanály o témer stejném prurezu. Polotovar materiálu, který byl pred aplikací potrený vhodným lubrikátorem, se vloží do vertikálního kanálu a je pohybem prutlacníku protlacován do výstupního kanálu. Kanály svírají úhel ? = 90°, címž je dosaženo intenzivní lokální smykové plastické deformace.Protlacování vzorku probíhalo za pokojové teploty pri rychlosti prutlacníku 10 mm.s-1 . Jedním pruchodem pres formu dosáhneme celkové deformace ~ 1 (100%). Bližší popis použitého postupu byl publikován dríve [2]. Pri vlastní extruzi mužeme využít nekolika Obr. 1. Princip metody ECAP Fig.1. Principle of ECAP variantních procesních postupu, které se liší rozdílným otácením vzorku kolem podélné osy mezi jednotlivými pruchody. V této práci se budeme prednostne zabývat UFG hliníkem, pripraveným procesním postupem B? Bc, pri kterém se vzorek otácí o 90° mezi jednotlivými pruchody vždy ve stejném smeru rotace. viz. obr. 2. Výhoda metody B spocívá v rychlém vývoji približne homogenní struktury srovnoosými zrny [3].
Obr. 2. Princip variantního postupu B Fig.2. Principle of way B
2.2 Mechanické vlastnosti Z polotovaru ECAP byly pripraveny ploché zkušební vzorky pro creepové zkoušky v tahu a merení tvrdosti. Tvrdost Hv byla merena na leštených vzorcích pri použití tvrdomeru Zwick pri zatížení 200g po dobu 15s. Merení probíhalo minimálne na peti místech po celé délce podélného rezu plochého vzorku s ruzným poctem pruchodu a pro daný pocet pruchodu byla stanovena prumerná hodnota. Creepové zkoušky v tahu byly provedeny v ochranné atmosfére pri konstantní teplote 473K a tahovém napetí 15 MPa. Všechny creepové
zkoušky byly vedeny do lomu.
2
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
2.3 Mikroskopická pozorování Z polotovaru ultrajemnozrnného hliníku byly odebrány vzorky ve smeru podélném tj. ve smeru protlacování. Vzorky byly broušeny a následne lešteny na 1? m diamantové paste. Príprava povrchu vzorku byla zakoncena mechanickým leštením na OPS a následným elektrolytickým leštením pri použití elektrolytu o složení 50 ml HClO 4 , 15 ml HNO3 a 1000 ml metylalkoholu pri napetí 50V po dobu 3 - 5s. K analýze mikrostruktury byla použita metoda difrakce zpetne odražených elektronu EBSD (Electron Backscattered Diffraction) v rastrovacím elektronovém mikroskopu (SEM). Tato metoda umožnuje získat obraz povrchu vzorku v nemž je každému obrazovému bodu prirazena barva podle krystalové orientace odpovídajícího místa vzorku. Orientace každého místa se urcuje vyhodnocením difrakcního obrazce - Kikuchiho car - snímaného CCD kamerou umístenou v komore vzorku SEM. Základním výstupem je orientacní mapa, jejíž príklad je na obr. 3. Každému obrazovému bodu je prirazena barva na základe urcení krystalového smeru kolmého k povrchu vzorku podle barevného klíce uvedeného v jednotkovém trojúhelníku. Místa na povrchu vzorku odpovídající jednomu zrnu mají stejnou orientaci normály a proto jsou zobrazena stejnou barvou. Napríklad zrna oznacená na obr. 3 modrou barvou mají smery <111> krystalové mrížky blízké normále k povrchu vzorku. Z orientacních map je možno získat informace nejen o velikosti zrn, ale i o jejich vzájemné orientaci, mikrotexture a rozdelení velikostí úhlu disorientace zrn. Orientacní mapy je možno prevést na mapy zrn zadáním velikosti úhlu pro který jsou obrazové body považovány ješte za body jednoho zrna. Tento úhel je obvykle vrozsahu 2 až 5?, což souvisí s presností urcení orientace danou vlastnostmi prístroje a kvalitou prípravy povrchu vzorku. Tento úhel je však možno zadat libovolne velký a zobrazit napríklad jen zrna oddelená hranicemi s disorientací vetší než napr. 15?. Barvy v mapách zrn již nesouvisí s orientacním trojúhelníkem, ale slouží jen k rozlišení jednotlivých zrn. Bližší popis metody EBSD a prehled jejích aplikací v oblasti studia materiálu je možno nalézt v publikaci [4]. Merení byla provádena na mikroskopu JEOL 6460 vybaveném EBSD zarízením INCA Crystal.
Obr. 3. Orientacní mapa konstruovaná pro smer normály vzorku. Fig. 3. Orientation map designed for normal direction
3. EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY 3.1 Mikrostrukturní pozorování Mikrostrukturu podélného rezu cistého hliníku po 2 pruchodech metodou B lze pozorovat na obr. 4a.
3
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Mikrostruktura se skládá z vetšího poctu oblastí s velmi blízkou disorientací, které tvorí pásy svírající približne 45° s osou protlacování. Struktura je tedy velmi heterogenní, což lze lépe pozorovat na mape zrn obr. 4b, kde je zrno definováno jako oblast bodu s maximální disorientací 15°. Vyskytují se zde oblasti malých približne rovnoosých zrn o velikosti ~ 2? m, ale také oblasti s velkými protaženými zrny o velikosti 10? m a více, která se skládají z vetšího poctu oblastí s menší disorientací než 15°.
a)
b)
c)
d)
Obr. 4. Snímek mikrostruktury cistého ECAP hliníku získaný pomocí EBSD s orientacním trojuhelníkem a) orientacní mapa po 2 pruchodech sestavená pro normálový smer, b) mapa zrn po 2 pruchodech (barva nesouvisí s orientací) sestavená pro úhel > 15°, c) mapa zrn po 4 pruchodech (barva nesouvisí s orientací) sestavená pro úhel > 15° d) mapa zrn po 8 pruchodech sestavená pro úhel >15°. Fig. 4. EBSD micrograph of pure ECAP aluminium a) orientation map after 2 pressings designed for normal direction, b) grain map after 2 pressings ( the colour is independent of the orientation ) designed for the angle > 15°, c) grain map after 2 pressings ( the colour is independent of the orientation ) designed for the angle > 15°, d)grain map after 8 pressings designed for the angle > 15°.
4
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Z obr. 4c. je zrejmé, že materiál ješte i po 4 pruchodech obsahuje protažená zrna. Ve strukture je avšak zastoupen vetší podíl približne rovnoosých zrn ve srovnání se strukturou po 2 pruchodech. Strední velikost zrna merená prusecíkovou metodou je ~ 2,3 ? m. Na obr. 4d. je znázornen podélný rez ECAP hliníku po 8 pruchodech metodou B. Struktura se skládá z približne rovnoosých zrn o strední velikost zrna ~ 1,5? m. Obr. 5. znázornuje závislost velkoúhlových hranic na poctu pruchodu. Z obrázku vyplývá, že se zvyšujícím poctem pruchodu dochází ke zvyšování podílu velkoúhlových hranic. Jak bude uvedeno pozdeji tento poznatek muže mít zásadní význam pro interpretaci mechanických vlastností ultrajemnozrnných materiálu pripravených technikou ECAP. 40
80 30 HARDNESS HV0 .2
HIGH-ANGLE BOUNDARIES ??> 15° (%)
100
60
40
20
10
20
0
0
0
2
4 6 NUMBER OF PASSES
8
10
0
Obr. 5. Procentualní zastoupení velkoúhlových hranic v závislosti na poctu pruchodu Fig. 5. The percentage of high angle boundaries vs. number of passes
4 8 NUMBER OF PASSES
12
Obr. 6. Tvrdost HV0,2 v závislosti na poctu pruchodu Fig. 6. The hardness HV0,2 vs. Number of passes
3.2 Výsledky mechanických zkoušek Závislost tvrdosti HV0,2 na poctu pruchodu je znázornena na obr.6. Je zrejmé, že postup ECAP vede k významnému nárustu tvrdosti predevším po 1 pruchodu. Následne tvrdost roste pomaleji do 4 pruchodu a s dalšími pruchody dochází k postupnému snižování hodnoty tvrdosti až na hodnotu nižší než odpovídá pri 1 pruchodu. Ze závislosti minimální rychlosti creepu na poctu pruchodu uvedené na obr. 7. vyplývá, že nejmenší rychlost creepu má vzorek po 1 pruchodu ECAP. Se zvyšujícím se poctem pruchodu dochází k rustu minimální rychlosti creepu, pricemž nejvetší nárust lze pozorovat pri 2 a 4 pruchodech. Hrubozrnný hliník vykazoval minimální rychlost creepu 1,043x10-5 s-1 . Na obr. 8. lze pozorovat závislost doby do lomu na poctu pruchodu. U hrubozrnného hliníku byla doba do lomu 1,08x10-4 h. První aplikace metody ECAP vede k prudkému zvýšení životnosti, avšak u vzorku po 2 pruc hodech již dochází k nekolikanásobnému snížení této životnosti. K poklesu životnosti dochází i behem dalších pruchodu, ale hodnota poklesu již není tak veliká jako u 2 pruchodu.
5
METAL 2004 1x10
Hradec nad Moravicí
-5
1x10
-6
TIME TO FRACTURE tf [h]
MI NIMUM CREEP RATE d?/dt [s-1 ]
1000
1x10 -7
1x10 -8
800
600
400
200
1x10 -9
0
0
4 8 12 NUMBER OF PASSES
16
Obr. 7. Zmena minimální rychlosti creepu v závislosti na poctu pruchodu Fig. 7. The change of minimum creep rate vs. number of passes
0
4 8 12 NUMBER OF PASSES
16
Obr. 8. Závislost casu do lomu na poctu pruchodu Fig. 8. The time to fracture vs. number of passes
4. DISKUSE VÝSLEDKU Experimenty potvrdily, že metoda ECAP vede ke vzniku jemnozrnné struktury. Vzorek hliníku o cistote 99,99 % válcovaného za tepla obsahuje již po 2 pruchodech približne rovnoosá zrna o velikosti ~2? m. Ve strukture je také velké množství subzrn, která jsou prevážne soustredena do protažených zrn, která tvorí pásy. K nejvetšímu snižování velikosti zrna dochází tedy pri 1 a 2 pruchodu. Hrubá zrna se rozdelí na oblasti podlouhlých zrn, která obsahují velké množství subzrn. Tato subzrna se postupne s dalšími pruchody zmení na zrna, což lze pozorovat po 8 pruchodech. Z rozdílné struktury mezi jednotlivými pruchody budou pravdepodobne vycházet i rozdílné vlastnosti. ECAP materiály mají všeobecne vyšší tvrdost než materiály hrubozrnné, což je dáno deformacním zpevnením struktury. Bylo zjišteno, že deformacní zpevnení dosáhne maximální hodnoty po 4 pruchodu. Jestliže ovšem dále deformujeme vzorek pomocí metody ECAP dochází k odpevnování struktury, což muže patrne souviset se zmenou rozložení dislokací. Totou zmenou je pravdepodobne pohyb dislokací z vnitrního objemu subzrn a zrn na hranice, címž se zvyšuje jejich disorientace, což dokládá zvyšování podílu velkoúhlových hranic. Významným mechanismem zotavení muže být i intenzivní migrace velkoúhlových hranic. Z experimentálních výsledku vyplývá, že metoda ECAP zvyšuje dobu do lomu [5]. Je zrejmé, že životnost je neprímoúmerná poctu pruchodu (s poctem pruchodu klesá), pricemž je vždy vyšší než životnost hrubozrnného hliníku. Nejvetší životnost dosahuje materiál po 1 pruchodu, který obsahuje heterogenní strukturu s vysokým podílem subzrn oddelených maloúhlovými hranicemi. Maloúhlové hranice se neúcastní pokluzu, což vede k potlacení tohoto deformacního mechanismu. S pribývajícím poctem pruchodu dochází k postupnému snižování heterogenity a ke zvyšování podílu velkoúhlových hranic [6], které se úcastní pokluzu[7]. U vzorku s vetším podílem velkoúhlových hranic dochází k vetšímu uplatnování pokluzu, což patrne vede ke zvýšování deformace a minimální rychlosti creepu. 5. ZÁVER Metoda ECAP vede k postupné premene hrubozrnné struktury na strukturu jemnozrnnou. Po 2 pruchodu struktura obsahuje velké množství subzrn. S pribývajícím poctem pruchodu
6
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
dochází k homogenizaci a snížení velikosti zrna z puvodních ~ 5mm na ~ 1,5 ? m. Neobvyklá mikrostruktura ECAP hliníku výrazne zvyšuje tvrdost. Hodnota tvrdosti má své maximum pri 4 pruchodu, potom následuje pokles. Tento prubeh muže být prisuzován sníženým poctem dislokací v objemu zrna. Creepová merení prokázala, že doba do lomu výrazne závisí na poctu pruchodu a tím na podílu velkoúhlových hranic. Z techto výsledku vyplývá, že u ECAP hliníku mají pravdepodobne velký význam pokluzy po hranicích zrn. PODEKOVÁNÍ Financní podporu pro tuto práci poskytla Grantová agentura Akademie ved Ceské republiky v rámci rešení grantového projektu GA AVCR IAA 204 1301. LITERATURA [1] VALIEV, R. Z. , ISLAMGALIEV, R.K. , ALEXANDROV, I.V.. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation. Progress in Materials Sci. , 2000, roc.45, s. 103– 189. [2] DVORÁK, J., SKLENICKA, V., SVOBODA, M. Creepové chování ultrajemnozrnného hliníku. Int. Conference: 20.-22.5.2003, Cervený zámek, Hradec nad Moravicí, Czech Republic [CD-ROM]. Ostrava : Tanger: ISBN 80-85988-82-8. [3] IWAHASHI, Y. , HORITA, Z. , aj.. The process of grain refinement in equal-channel angular pressing. Acta Materialia, Volume 46, Issue 9, 1998, s. 3317-3331. [4] SCHWARTZ, A., KUMAR, M., ADAMS, B. Electron Backscatter Diffraction in Materials Science, Kluwer Academic/ Plenum Publishers, New York, 2000. [5] SKLENICKA, V., DVORÁK, J., SVOBODA, M.. Influence of processing route on creep of ultrafine grained aluminium prepared by ECAP. Sborník z konference Ultrafine Grained Materials III. Warrendale, TMS, 2004, in print. [6] McNELLEY, T.R., aj. Influence of processing route on microstructure and grain boundary development during equal – channel angular pressing of pure aluminium. Sborník z konference Ultrafine – grained Materials II. Warrendale: TMS, 2002, s. 15-24. [7] DVORÁK, J., SKLENICKA, V., KRÁL, P. Mechanisms of creep deformation in an ultrafine- grained aluminium processed by ECAP method. Int. Conference: 18. – 20.5.2004, Hradec nad Moravicí, Czech Republic, [CD-ROM].
7
