Z artykułu dowiesz się:
- czym są procesy SPD i jaki wpływ mają na mikrostrukturę metali i ich stopów;
- jaki zachodzi związek pomiędzy mikrostrukturą a adekwatnościami mechanicznymi;
- jak kształtują się zmiany mikrostruktury metali w procesach intensywnej deformacji plastycznej.
Przeczytaj, jaki jest wpływ aplikacji procesów intensywnej deformacji plastycznej (SPD, ang. severe plastic deformation) na mikrostrukturę metali i stopów.
Poprawę własności mechanicznych metali i stopów przy użyciu intensywnej deformacji plastycznej (SPD, ang. severe plastic deformation) stosowano już w czasach starożytnych [1], jednak pionierskie prace nad rozwojem metod intensywnej deformacji plastycznej w dzisiejszym ich rozumieniu rozpoczął dopiero P.W. Bridgman w latach trzydziestych XX wieku na Uniwersytecie Harvarda (za co zresztą otrzymał Nagrodę Nobla w 1946 roku). Bridgman badał deformacje metali przy użyciu własnego stanowiska do skręcania pod wysokim ciśnieniem (HPT, ang. high pressure torsion, por. rys. 1).
Rys. 1. Schemat procesu skręcania pod wysokim ciśnieniem (HPT, ang. high pressure torsion); rys. autorPoczątki rozwoju metod SPD
Istotny wkład w rozwój metod SPD włożył też V.M. Segal, pracując w latach siedemdziesiątych XX wieku w Mińsku (obecnie Białoruś), gdzie opracował proces przeciskania przez kanał kątowy (ECAP, ang. equal channel angular pressing, por. rys. 2).
Rys. 2. Schemat procesu przeciskania przez kanał kątowy (ECAP, ang. equal channel angular pressing); rys. autorZ kolei polski naukowiec Stanisław Erbel dokonał istotnego postępu w badaniach wpływu intensywnej deformacji plastycznej na rozwój mikrostruktury metali. Deformacje materiału uzyskiwał poprzez zastosowanie procesu HPT (również dla próbek pierścieniowych), a powstałe mikrostruktury badał przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Jego książka opublikowana w 1976 roku była pierwszą pracą dotyczącą formowania ultradrobnoziarnistej mikrostruktury w procesach SPD, por. [2, 3].
Czym są procesy SPD?
Procesy SPD doczekały się definicji. W pracy [4] proces intensywnej deformacji plastycznej to: „jakakolwiek metoda formowania metali pod działaniem ciśnienia hydrostatycznego, która może być użyta w celu uzyskania w elemencie bardzo dużych odkształceń bez zmiany wymiarów elementu i w której następuje silne rozdrobnienie ziaren”. W innej publikacji [5] wymóg zachowania wymiarów sprzed procesu został pominięty. Różnice między definicjami są bardzo istotne, albowiem wiele procesów, które mogą być klasyfikowane jako procesy SPD w myśl drugiej definicji, nie jest nimi według definicji pierwszej. Przykładem takiego procesu jest proces KoBo (por. rys. 3) [6], który był traktowany jako proces SPD w wielu podejściach (np. w [7-8]), choć średnica próbki przed procesem i po procesie znacznie się zmienia.
Rys. 3. Schemat procesu KoBo; rys. autorRozwój procesów SPD
W ostatnich latach nad procesami intensywnej deformacji plastycznej pracowano w wielu ośrodkach naukowych na świecie. Bazując na doświadczeniach z HPT, a także ECAP, zaproponowano wiele nowych wariantów procesów SPD. Te spośród nich, które spełniają pierwszą definicję przedstawioną w pracy [4], to m.in.:
- cykliczne walcowanie pakietowe (ARB, ang. accumulative roll bonding) – w tym procesie blacha jest walcowana do 50% redukcji, następnie arkusze są układane jeden na drugim i proces jest powtarzany. W ten sposób można doprowadzić do bardzo dużych odkształceń bez poważnego zmniejszenia grubości blachy;
- kucie wielokierunkowe (ang. multi-directional forging) – w tym procesie próbka jest odpowiednio obracana między kolejnymi operacjami kucia tak, aby jej kształt nie odbiegał znacząco od sześcianu;
- cykliczne wyciskanie ściskające (polski wynalazek z AGH, por. [9], CEC, ang. cyclic extrusion and compression) – w procesie tym występuje kanał z przewężeniem, przez który próbka jest przesuwana w jedną i drugą stronę.
Skalowanie
Warto również wspomnieć o próbach skalowania procesu ECAP (por. rys. 2) w celu umożliwienia produkcji elementów o znaczeniu praktycznym. Do takich procesów należy proces ECAP-Conform (inaczej ECAP-C), gdzie dzięki połączeniu procesu ECAP z procesem ciągłego wyciskania CONFORM uzyskuje się elementy w postaci długich prętów, posiadające jednocześnie mikrostrukturę, a także adekwatności charakterystyczne dla materiałów przetwarzanych metodami SPD.
Z kolei spośród procesów niespełniających wymogu zachowania wymiarów próbki przed procesem i po procesie oprócz procesu KoBo warto wspomnieć o procesie wyciskania hydrostatycznego (HE, ang. hydrostatic extrusion, por. rys. 4), w którym próbka jest wyciskana przy współudziale ciśnienia hydrostatycznego.
Rys. 4. Schemat procesu wyciskania hydrostatycznego (HE, ang. hydrostatic extrusion); rys. autorZmiany mikrostruktury w procesach SPD
Granica plastyczności materiału σy jest powiązana ze średnim rozmiarem ziarna zgodnie ze słynną relacją Halla-Petcha [10-11]:
gdzie σy,o jest granicą plastyczności przy nieskończenie dużym ziarnie, a k to współczynnik charakterystyczny dla danego materiału. Bywa, iż zamiast pierwiastka kwadratowego używa się podniesienia do potęgi z wykładnikiem mniejszym od jedności. W każdym razie spadek średniego rozmiaru ziarna prowadzi do wzrostu granicy plastyczności, jak pokazano na rys. 5.
Rys. 5. Zależność granicy plastyczności od odwrotności pierwiastka kwadratowego ze średniego wymiaru ziarna [12] (rysunek przedrukowany na podstawie licencji CC BY); rys. autorEfekty aplikacji procesów SPD
W związku z powyższym głównym celem stosowania procesów SPD jest poprawa własności wytrzymałościowych poprzez zmniejszenie średniego rozmiaru ziarna. Już Stanisław Erbel zauważył [2, 3], iż aplikacja dużego odkształcenia plastycznego w materiale powoduje spadek rozmiaru ziarna aż do osiągnięcia wartości nasycenia, po której dalszy spadek nie następuje. Aplikacja procesów SPD prowadzi także do innych efektów, np. zmian tekstury krystalograficznej [7] czy też segregacji na granicach ziaren [13].
Do zrozumienia mechanizmu rozdrobnienia ziaren w procesach deformacji plastycznej przyczyniło się wielu badaczy, a wykaz tych prac można znaleźć np. w [8]. Rozdrobnienie zachodzi w kilku etapach. Na początkowym etapie deformacji powstaje struktura komórek dyslokacyjnych, która następnie stopniowo przekształca się w ultradrobnoziarnistą strukturę poprzez akumulację dyslokacji na granicach komórek. W końcowym etapie rozmiar komórki osiąga wartość nasycenia.
Jakościowe zrozumienie zjawiska rozdrobnienia ziaren w procesach SPD nie umożliwia jeszcze ilościowego przewidywania zmian mikrostruktury. Dlatego też w wielu ośrodkach naukowych na świecie realizowane są prace nad modelowaniem numerycznym tego zjawiska. Można tu wyróżnić makroskopowe modele fenomenologiczne (np. [14-15], gdzie wynikiem są wielkości typu średnia wielkość ziaren), jak również modele oparte na teorii plastyczności kryształów, np. [16-18]. W pracy [16] opisany został model rozdrobnienia ziaren w procesie ECAP oparty o założenie, iż obrót ziaren jest zatrzymywany przy granicach ziaren, a więc krzywizna sieci krystalicznej w pobliżu granic ziaren jest większa niż z dala od granic. To jest powodem rozdrobnienia mikrostruktury poprzez stopniowy wzrost kąta misorientacji.
Prace badawcze
Autor niniejszego artykułu prowadził prace nad modelowaniem zmian mikrostruktury materiałów poddanych procesom SPD przy zastosowaniu specjalnie w tym celu opracowanego modelu trójskalowego [17], jak również metody elementów skończonych [18]. W obu przypadkach przedmiotem modelowania był proces ECAP. Pokazano, iż oba podejścia mogą z powodzeniem doprowadzić do poprawnego przewidywania zmian tekstury krystalograficznej (por. rys. 6), a także rozkładów kątów misorientacji (por. rys. 7). Rozkłady kątów misorientacji pozwalają na scharakteryzowanie mikrostruktury materiału. Przy użyciu modelu trójskalowego modelowane były również procesy walcowania na zimno czystego technicznie tytanu (ang. cold rolling), jak również kucia wielokierunkowego (ang. multi-directional forging), a także przeciągania obrotowego (ang. rotary swaging) stopów żelazo-chrom.
Rys. 6. Przykładowy wynik symulacji procesu ECAP: figura biegunowa 111 dla tekstury krystalograficznej po jednym przejściu przez kanał kątowy. Na czerwono zaznaczono teoretyczne położenia maksimów na podstawie założenia o prostym ścinaniu; rys. autor
Rys. 7. Przykładowy wynik symulacji procesu ECAP: rozkład kątów misorientacji między sąsiednimi punktami po jednym przejściu przez kanał kątowy; rys. autorKomercjalizacja procesów SPD
Z uwagi na wyjątkowo obiecujące adekwatności materiałów obrabianych przy użyciu metod SPD, podjęto również wiele prób ich komercjalizacji, z których niektóre zakończyły się sukcesem [19]. Największe postępy osiągnięto w zastosowaniach biomedycznych. Komponenty potrzebne w tych zastosowaniach mają niewielkie wymiary, a temperatura eksploatacji z oczywistych względów nie może przekroczyć ok. 40°C, a zatem niewielkie wymiary próbek po SPD ani stabilność temperaturowa uzyskanej mikrostruktury nie są problemem. Na przykład czeska firma Timplant wykonała implanty zębowe z tytanu przy użyciu procesu ECAP-Conform. Nad podobnym zagadnieniem pracowała również grupa z Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej w Krakowie, por. [7].
Potencjał komercjalizacyjny jest również obecny w produkcji przewodników. Otóż bardzo dobre adekwatności przewodzące miedzi czy też aluminium zmniejsza się poprzez dodawanie dodatków stopowych koniecznych do podniesienia wytrzymałości mechanicznej. Alternatywnie do stosowania dodatków stopowych można podwyższać wytrzymałość, stosując metody SPD. W tego typu zastosowaniach komercyjnych trzeba jednak zwrócić uwagę również na skalowalność rozmiarową oraz możliwość produkcji masowej. W tym kontekście szczególnie interesujące wydają się być procesy C-ECAP oraz CONFORM, dzięki którym można uzyskać materiał w formie cewek lub drutów. Pokazano np., iż w procesie C-ECAP można dziennie uzyskać blisko 50 km drutu aluminiowego o średnicy 9,5 mm.
Gdzie nie uda się zastosować materiałów o właściowościach podwyższonych metodami SPD?
Warto zauważyć, iż w pewnych zastosowaniach materiały o adekwatnościach podwyższonych metodami SPD są z natury wykluczone. Przykładowo komponenty takie zasadniczo nie nadają się do spawania z uwagi na to, iż wysoka temperatura doprowadziłaby do usunięcia powstałej w procesie SPD drobnoziarnistej mikrostruktury.
Podsumowanie
Podsumowując, można stwierdzić, że:
- procesy SPD można wykorzystać w celu znacznej poprawy adekwatności mechanicznych metali i stopów poprzez modyfikację ich mikrostruktury,
- modelowanie procesów SPD umożliwia przewidywanie zmian mikrostruktury, a także adekwatności materiałów deformowanych w tych procesach jeszcze przed wykonaniem kosztownych eksperymentów.
Czytaj też >> jeżeli nie przewidzimy katastrofy, na pewno będzie katastrofa, czyli jak się programuje roboty przemysłowe
Komercjalizacja procesów SPD napotyka jednak na ograniczenia związane z:
- niewielkimi rozmiarami uzyskiwanych komponentów,
- nie do końca poznaną stabilnością (czas, temperatura) uzyskanych mikrostruktur,
- brakiem zaufania użytkowników,
- brakiem odpowiednich norm,
- niemożliwością stosowania dodatkowej obróbki cieplnej czy spawania.
Piśmiennictwo dostępne w redakcji.
