автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Получение статистически изотропных и анизотропных материалов

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

' ОД 1 .

МАРТЬЯНОВ Анатолий Михайлович

ПОЛУЧЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИ ИЗОТРОПНЫХ И АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск -1995

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом

университете

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук,

профессор ТАЛАШКЕВИЧ И.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ПЕРЕЛЬМАН В.Е.

кандидат технических наук, академик СО ИАН РФ ШИЛЬДИН В.В.

Ведущая организация - Институт металлургии им. А.А.Байкоиа г.Москва

Защита дисссргациисостоится " 2 " июня 1995 года в14 часов на заседавши диссертацишюосо совета Д 064.54.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск ул. Киренского, 26, ауд. Г-5-22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан 28 апреля 1995 года.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

Сильчснко П.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рациональное проектирование материалов, полученных различными методами обработки, в том числе методами порошковой металлургии, с максимальным использованием природной микроскопической анизотропии материалов, является фундаментальной проблемой при разработке современных технологий. Проектирование выражается в создании технологий, воздействие которых формирует в материале текстуры определенного вида (симметрии), способствующей или повышению физико-механических характеристик в определенных" направлениях в изделии или к изотропии свойств.

Под текстурами в общем случае понимают статистическую упорядоченность частиц любой физической природы. Широко распространены' кристаллографические текстуры в поликристаллических металлах, представляющие из себя упорядоченность кристаллитов в объеме образца кристаллографическими плоскостями и направлениями. Наличие кристаллографической упорядоченности приводит к появлению в материале аниэатропии физико-механических свойств, которую иногда называют наведенной и, которая является следствием монокристаллической анизатропии. Именно анизатропию физико-механических свойств текстурирован-ных материалов можно рассматривать как фактор, регулируя который можно получать материалы (изделия) с необходимыми эксплуатационными свойствами.

Успешное решение актуальных для науки и практики Задач моделирования свойств и поведения материала в процессе обработки, связано с симметрийными аспектами анализа полей воздействия и материала и их взаимодействия. Это дает во первых естественную классификацию структурных образований (поле, материал и т.д.) и во вторых позволяет ответить на многие вопросы о результатах взаимодействия, последнее особенно важно, если для взаимодействующих систем не известны ни точная величина внутренних и внешних характеристик, определяющих взаимодействие на разных уровнях, ни их точной функциональной зависимости. Любой материал можно представить как структурный объект, состоящий из частей и системы соотношений связи, объединяющих части системы в единое целое (под структурой симметрического объекта понимаем закон его строения, включая за-

данную последовательность соотношений эквивалентности между элементами структуры). В качестве характеристики отношений между элементами объекта мм рассматриваем симметрийные преобразования, а анализ симметрийных аспектов взаимодействия проводится на основе обобщенного принципа симметрии, что позволяет говорить о физических свойствах и процессах происходящих в материале при его обработке. Данный подход позволяет с достаточной степенью определенности решать вопросы разработки технологических процессов создания материалов с заданной структурой (текстурой), базируясь на модельных представлениях различных способов обработки материалов. Теоретический вывод продемонстрирован на реальных текстурах в экспериментальной части диссертации.

В диссертации экспериментально обоснована и получила теоретическое развитие модель текстура - "квазимонокристалл" соответствующей симметрии, что позволяет применять математический аппарат теории групп и методы симметрийных описаний и исследований, известных в кристаллографии и кристаллофизике, для моделирования и описания текстурированных материалов. Для текстур выбор возможных вариантов организации структуры по симметрии шире, чем спекар кристаллографических групп, в частности в текстурах возможна ось пятого порядка, запрещенная в "идеальных" кристаллах и ось шестого порядка.

Цель работы. На основе принципа симметрии разработать теоретические и методологические основы моделирования, получения и анализа статистически изотропных и анизотропных материалов с различной симметрией. Выявить симметрию текстур, полученных известными и вновь разработанными способами обработки порошковых и литых металлов давлением. Для реализации по. ставленной цели была разработана специальная теория на основе принципа диссиметризации Кюри и принципа симметризации Шубни-кова.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи, связанные как с обоснованием, так и применением данного системного метода:

1. Провести специальный анализ обобщенного принципа симметрии Шубникова-Кюри.

2. На основе принципа симметрии провести анализ структурных объектов (полей напряжения, исходного материала, образца) , до взаимодействия и в процессе взаимодействия.

3. Экспериментально получить статистически изотропные и анизотропные материалы различной симметрии на основе технологий, разработанных с применением симметрийного метода.

4. Теоретически и экспериментально исследовать симметрию известных и новых типов текстур, появлякщихся при обработке порошковых и литых материалов, (имеющих в исходном состоянии квазиизотропную поликристаллическую структуру и текстуриро-ванных порошковых материалов), полями напряжений различной симметрии, показать практическую целесообразность симметрийного метода классификации текстур.

5. Разработать методики экспериментального исследования симметрии текстур с применением традиционных средств, предназначенных для исследовании анизотропии свойств (ультразвуковой метод, рентгенографический метод прямых и обратных полюсных фигур).

Научная новизна. В диссертации получило дальнейшее теоретическое развитие и экспериментальное обоснование новое научное направление - использование обобщенного принципа симметрии Шубникова-Кюри для проектирования, получения и исследования материалов с Заранее заданными свойствами, полученных при взаимодействии с физическими полями различной природы и структуры. Предложена на основе обобщенного принципа симметрии специальная теория систем, которая позволяет на качественно новом уровне решать задачи моделирования и получения новых статистически анизотропных (изотропных) материалов самой различной природы.

Автором диссертации впервые получены следующие основные результаты:

1. Выведены группы симметрии пространственных тензоров напряжения с использованием принципа симметрии Кюри.

2. Экспериментально подтверждены теоретические утверждения о проявление принципа симметризации Шубникова при взаимодействии гомогенных структурных объектов (кристаллиты в изотропном поликристаллическом материале) с механическими полями напряжений.

3. Введено понятие интегральной и дифференциальной прокатки, по своим возможностям организации структуры в процессе взаимодействия поля прокатки с материалом, приводящей к получению принципиально разных, по анизотропии (симметрии) свойств, изделий и полуфабрикатов.

4. Получены текстуры прессования и прокатки порошковых и литых материалов с различными группами симметрии.

5. На основе принципа симметрии смоделирован и практически реализован способ получения прокаткой листов с тетрагональной и гексагональной (изотропной) симметрией.

6. Дополнен рентгенографический метод исследования симметрии текстур по исследованию полюсных фигур, определены ограничения метода.

Практическая значимость. Разработанная на основе принципа симметрии теория текстур как квазимонокристаллов дала и может дать практически бесконечный ряд приложений. В частности :

- проанализированы и выявлены группы симметрии текстур, получаемых известными и вновь разработанными способами, решена проблема их классификации, что позволяет целенаправленно решать задачу теоретического и экспериментального исследования анизотропии их физико-механических свойств и, как следствие , рационального применения в народном хозяйстве;

- предложены новые технологии получения статистически изотропных и анизотропных материалов с ранее неизвестной ани-затропией физико-механических свойств, например, изотропных и анизотропных с ромбической, тетрагональной и т.д. структурой, металлических листов, прессованных полуфабрикатов с ромбической, гексагональной и т.д. структурами.

Все это позволило и позволяет оптимизировать разрешение проблемы потребности промышленности в новых материалах с необходимыми эксплуатационными свойствами.

Методические, теоретические и экспериментальные результаты переданы научным и производственным организациям в рамках хоздоговорных работ ( Институт физики СО РАН, Красноярский завод телевизоров ) и творческого содружества ( Череповецкому металлургическому комбинату, Ленинградской инженерно-экономической академии).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзных конференциях по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах (Красноярск 1980г., Горький 1983г., Уфа 1987г., Свердловск 1991г.), по итогам обсуждения этих работ им дана положительная оценка, зафиксированная в решениях конференций; 6 Всесоюзном совещании по физике и металловедению электротехнических

сталей и сплавов (Аша 1980г.); Всесоюзной конференции "Исследование и разработка теоретических проблем в области порошковой металлургии и защитных покрытий" (Минск 1982г.); Всесоюзной конференции "Повышение долговечности и надежности машин и приборов" (Куйбышев 1981г.); Второй Всесоюзной научной конференции "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа" (Днепропетровск 1982г.); 3 Всесоюзной школе-семинаре по гидродинамике больших скоростей (Красноярск 1987г.); объединенном заседании трех Постоянных Всесоюзных семинаров "Дифракционные методы исследования текстур" , "Актуальные проблемы прочности" и "Физико-технологические проблемы поверхности металлов" (Череповец 1988г.); на научно-технической конференции с международным участием "Проблемы техники и технологий 21 века" (Красноярск 1994г.), основные результаты вошли составной частью в монографию Дурнева В.Д. и Талашкевича И.П. "Симметрия в технологии".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и общих выводов, списка литературы, содержащего 143 наименования и 2 приложений. Основной материал изложен на 165 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц и 32 рисунка.

_Основное содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна и практическая значимость результатов работы, определены цель и задачи исследования.

В первой главе проведен литературный обзор, рассматриваются математические и методологические основы проектирования технологий получения материалов с необходимой симметрией анизотропии его физико-механических свойств. Кратко излагается теория симметрии с привлечением некоторых положений и закономерностей абстрактной теории групп. Особо обращается внимание на понятия тождественности и самостоятельности элементов симметрии и, прежде всего, сложных осей симметрии - инверсионных и зеркальных.

Теоретико-групповые исследования структурных объектов позволяют с математической точностью и определенность установить взаимно-однозначное соответствие между текстурированными металлическими материалами - квазимонокристаллами соответствующей симметрии и математическими объектами теории групп -инвариантами группы симметрии объекта. Теоретическое исследо-

вание инвариантов - математических и геометрофизических моделей дает возможность, применяя стандартный и достаточно хорошо разработанный инструмент- теорию групп, определить порождающие элементы группы и закон строения групп или, что тоже самое, соотношения эквивалентности между частями, составляющими материал и задающими закон строения материала. Причем в данном случае не важно, какой структурный уровень выбран: Для анализа, главное чтобы для частей выполнялось два условия -это относительное равенство и закономерность. В качестве порождающих элементов симметрии выступают элементы симметрии: плоскость симметрии, центр симметрии, ось симметрии и зеркальные и инверсионные оси симметрии. Располагая элементы симметрии в пространстве определенным образом относительно друг друга можно смоделировать группу преобразований пространства, а помещая в пространство материальные объекты, элементы структуры, можно построить структуру материального объекта.

Для групп имеющих одинаковую структуру справедлив изоморфизм (взаимно однозначное соответствие), при котором д1д2<->Ь1Ь2, если д!<-»Ь.1 и дгЧ-УЬг, в этом случае ШИ (группа в изоморфна группе Н).

Центральными в данной главе является вопрос о обобщенном принципе симметрии Шубникова-Кюри, являющемся ярким примером применения теоретических методов групп для исследования физических процессов в кристаллах. Суть феноменологического подхода к кристаллофизике, связанного с симметричным аспектом принципа причинности (принципа Пьера Кюри), кратко можно пояснить так: в замкнутой системе, состоящей из кристалла К и воздействия Среды С, после включающего воздействия в кристалле К возникает реакция , проявляющаяся в виде эффектов пьезоэлектрического, пьезотеплового, пьезомагнитного, пьезодис-торсионного и т.д., в предельном случае связь между бесконечной системой воздействий и соответствующей системой реакций будет бесконечно сложной, единственно возможно выделение изолированных эффектов и замена реальных систем упрощенными математическими и физическими моделями.

Принцип симметризации-диссиметризации Шубникова-Кюри в общем виде можно представить как:

в = О <3° О вс и в = О в0* О <3°*

где Gi - группа симметрии частей, составляющих фигуру; Gc и Gc*

- система представителей смежных классов G(p)c = {gi, g2<p) , . . . , gi(p) ) , принадлежащих охватывающей группе GOXB D Gi ; G°

- оператор диссиметризации. Принцип Кюри справедлив для гетерогенных систем (операции диссиметриаации) , принцип Шубникова для гомогенных систем (операции симметризации) , их взаимопроникновение друг с другом в реальных физических системах выражается в законе сохранения стационарной симметрии изолированных систем, который можно записать в общем виде;

G системы^ ^ G (вз. подсистем) ^ М'' 3 ^ G(Hcbs.подсистем) V^ М — GoicTeMU •

В дальнейшем изложении работы обобщенный принцип симметрии применен : в отношении анализа симметрии всевозможных полей воздействия на материал, для определения симметрии материала и классификации текстур, для определения технологий воздействий, с целью моделирования и получения материалов с заданными свойствами.

Во второй главе проведен симметрийный анализ физических полей и материала, рассмотрены результаты исследования внешней симметрии абстрактных тензоров второго ранга и тензоров напряжения.

Внешняя симметрия тензоров второго ранга определяется набором и величиной его компонентов. Тензор второго ранга обладает той или иной внешней симметрией, если при воздействии на него элементами симметрии данной группы симметрии компоненты тензора переходят сами в себя. Воспользовавшись формулой преобразования компонент тензора второго ранга при переходе от заданной системы координат к штрихованной Шубников A.B. нашел группы симметрии абстрактных тензоров второго ранга. Аналогичную задачу Желудев И.С. решил, комбинируя различным образом симметричный и антисимметричный тензоры второго ранга.

В 1965г. Талашкевич И. П. рассмотрел вопрос о внешней симметрии тензоров напряжения. Оперируя тензорами напряжения в главной системе координат и применяя принцип симметрии Кюри нашел, что суперпозиция всевозможных неоднородных полей напряжения с групповой точки зрения описываются 14 труппами симметрии. После открытия в 1972 году принципа симметризации Шубникова, мы исследовали симметрию всевозможных полей напряжения, основываясь на этом принципе. Объединяя результаты наших исследований по симметрии тензоров напряжения с ранее по-

лученными, а также учитывая симметрию других физических полей, получили, что все многообразие тензоров и физических полей, а следовательно и текстур, описываются 44 группами симметрии (табл.1).

Классификация металлических материалов по симметрии ориентировок базируется на нашем исходном утверждении, что любой материал и изделие с точки зрения внутренней организации структуры и свойств можно отнести к квазимонокристаллу соответствующей симметрии, применяя к нему традиционный аппарат теории групп и методы симметрийного описания и исследования. Классификация текстур на основе симметрии распределения ориентировок, образующих текстуру, с нашей точки зрения, является более полной, более фундаментальной и перспективной. Исходя из классификации текстур металлов по симметрии образующих их ориентировок, их можно рассматривать как квазимонокристаллы.

Вполне понятно, что вследствие многих причин, связанных с условиями зарождения, развития и окончательного формирования текстурированных материалов, в частности, текстур металлов , образование в них более или менее совершенной трехмерно-периодической структуры практически исключено. В связи с этим для рассмотрения текстурированных материалов как квазимонокристаллов и описания их с помощью групп симметрии необходимо несколько ослабить инвариантные признаки, положенные в основу учения о симметрии. Именно это интуитивное предположение принималось во внимание, когда было предложено описывать текстуры по симметрии распределения их ориентировок в объеме материала. Несколько позднее концепция статистической симметрии или, тоже самое, обобщенной кристаллографической симметрии была определена более строго в виде четырех принципов Дж.Берналом в 1968г. Эти принципы определяют упорядоченное состояние любого объекта. Они связаны, во-первых, с протяженностью пространственного порядка, измеряемой количеством повторяющихся в выбранном направлении структурных элементов; во-вторых, степенью совершенства упорядоченной части рассматриваемой структуры; в-третьих, размерностью наблюдаемого порядка. Он может быть трех-, двух-, одномерным, а также нульмерным; и, наконец, в-четвертых, степенью идентичности и квадратичности структурных элементов.

ТАБЛИЦА 1

Группы симметрии кристаллов, статистически анизотропных и изотропных сред (текстур, композиционных материалов и т.д.)

Обозначения Формула симмет-

Сингоняи рии (символика

Международные По Шубникову Браве)

Триклинная 1 1 1 L,

2 1 2 С

3 2 2 и

Моноклинная 4 m m Р

5 2/m 2:m LjPC

6 222 252 iU

Ромбическая 7 mm 2 2:m I*2P

8 mmm m2:m 3U3PC

9 3 I U

10 "3 6 LeC = L15

Тригоиальная и 32 3-2

12 Зт 3-m 1зЗР

13 3m 6-m 1вЗЬгЗРС

14 4 4 Li

15 4 7 Li+ или Li,

16 4/m 4:m LfPC

Тетрагональная 17 422 4:2 Ц41*

18 4mm 4-m L»4P

19 4/mmm m«4:m L>4Ie5PC

20 4m2 4<m L'42Lt2P

21 5 5 Ls

22 5/m 5:m UP

Пентагональная 23 522 5:2 1*514

24 5mm 5-m Ls5P

25 5/mmm m 5:m L?5Lj5P

2ё 6 6 U

27 6 3

28 6/ra 6:m UPC

Гексагональная 29 622 6:2

30 6mm 6>m U<SP

31 6m2 m»3:m

32 6/mmm m*6:m - U6L*7PC

33 23 3/2 ЗЦ4Ь,

34 m3 6/2 3Li4Lj3Pc

Кубическая 35 432 3/4 31^4La6L2

36 43m 3/4 3L»4Ls6P

37 m3m 6/4 3ML&6U9PC

38 OO ofl

39 °° !m »га

40 2 ~>:2

Предельная 41 «»«•mm

42 ^/штш m-o" :m

43 cx> 00 00/00

44 o»wm m

Одним иэ базовых инвариантных признаков структуры и ее симметрийного описания является (квази) идентичность образующих ее элементов. Другим важным инвариантным признаком будет (квази) регулярность строения объекта, которая связана с (квази) идентичностью его структурных элементов. Если рассматривать в качестве статистически анизотропных сред текстуро-ванные поликристаллические металлические материалы, то структурной единицей, подобной элементарной ячейке в кристаллической решетке и определяющей геометрию пространственной микроструктуры данной анизотропной среды (множества упорядоченных своими кристаллографическими направлениями и плоскостями кристаллов, заполняющими пространство металла и прочно связанных друг с другом по контактным поверхностям) , будут кристаллиты со своими особенными кристаллографическими направлениями и плоскостями. Морфология, внешняя форма и размер кристаллитов изменяются в широком диапазоне и определяются условиями получения текстурованного материала.

Одним из важных и определяющих следствий симметрийного описания текстур является возможность связать ортогональную систему координат однозначно с элементами симметрии труппы, описывающей текстуру, и тем самым обеспечить однозначность и корректность теоретического и экспериментального исследования ее физико-механических свойств.

Далее, знание группы симметрии текстуры позволяет ограничить область измерения физико-механических свойств симметрически независимой областью телесных углов. Такой выбор направлений измерения осуществляется на основании теоремы, утверждающей, что число симметрически независимых или симметрически равных областей, на которые можно разделить симметрическую фигуру, равно порядку ее группы симметрии. Например, для куба такими областями будут 1/48 части этой фигуры. Это обстоятельство существенно позволяет сократить число измерений для выявления анизотропии физико-механических свойств в текстуре.

В третьей главе определен состав физической системы, выбранной в качестве базовой модели для моделирования процессов пластической деформации и текстурообразования в металлических материалах различной структуры и симметрии под воздействием полей механической деформации и тепловых полей. В качестве структурных уровней выбраны для внешнего поля - внеш-

няя (пространственная) симметрия тензоров, полученных сложением элементарных полей напряжений, исходя из геометрии и расположением инструмента, для образца - геометрия внешней формы образца и ее расположение относительно инструмента и внутренний структурный уровень - статистическая симметрия распределения кристаллографических плоскостей и направлений кристаллитов поликристаллического материала. Анализ результата взаимодействия проводился на основе обобщенного принципа симметрии и закона сохранения стационарной симметрии замкнутых систем.

Рассмотрим некоторые примеры моделирования технологических процессов. Решить задачи получения металлического листа с различной анизотропией и классификации возможной анизотропии в металлическом листе можно на основе обобщенного принципа симметрии. С этой целью необходимо воздействиям (полю напряжения и деформируемому материалу) приписать соответствующую им симметрию. Если ограничиться различными вариантами прокатки в плоскости листа, то рабочим полем продольной прокатки будет поле напряжения с симметрией трехосного эллипсоида или, тоже самое, спичечного коробка. В интернациональных обозначениях эта группа, симметрии записывается тптптп и содержит три взаимноперпендикулярные оси симметрии 2-го порядка, три плоскости симметрии, пересекающихся по осям симметрии 2-го порядка, и центр симметрии.

Деформируемый материал в начальном состоянии для упрощения решения поставленной задачи считается квазиизотропным, что никоим образом не сказывается на общности полученных результатов. Такой квазиизотропный материал при симметрийном описании будет характеризоваться предельной группой ас / ее /шшт, содержащей в бесконечном количестве все возможные элементы симметрии. Геометрически такая группа симметрии отображается шаром.

При обычной (продольной) прокатке такого квазиизотропного материала в соответствии с принципом симметрии сложная система - поле напряжения и деформируемый материал будут описываться хруппой симметрии поля прокатки, т.е. группой - шшт. Этой же группой симметрии будет описываться и появившаяся в процессе пластической деформации преимущественная ориентация кристаллов (анизотропия). Рассмотренный вид продольной прокатки будем называть простым или обычным. Все остальные виды

прокаггки будут сложными и в одних случаях представлять собою различные комбинации схем и способов обычной прокатки, а в других - модернизированные способы простой прокатки. Схемы прокатки исчерпываются прокаткой в одном направлении, в двух симметрично не связанных направлениях (под произвольным углом) , в двух симметрично связанных направления (во взаимно перпендикулярных направлениях), в трех симметрично связанных направлениях (под углом 120° ) и т.д. Способов прокатки по нескольким направлениям, представляющих практический интерес и физически различных с точки зрения вызываемых ими структурных изменений в материале, может быть только два. В первом способе первоначально прокатка осуществляется в одном направлении до заданной, структурно проявляющейся в деформируемом материале, деформации, а Затем в другом направлении до деформации, сопоставимой с деформацией в первоначальном направлении. Такой способ прокатки нами назван интегральным (последовательным). Другой способ прокатки, названный дифференциальным (параллельным), заключается в прокатке по нескольким направлениям при небольшой степени деформации за один проход при постоянной смене одного направления прокатки на другое. Таким способом прокатка осуществляется до тех пор, пока в каждом из направлений не будет получена заданная сопоставимая деформация. Дифференциальный способ прокатки нами был предложен с целью, чтобы реализовать как бы одновременную прокатку в нескольких направлениях, и эта реализация будет тем вероятнее, чем меньше деформация за один проход. Введение дифференциальной и интегральной прокатки позволяет смоделировать все возможные гетерогенные и гомогенные сложные системы (поле напряжения плюс деформируемый материал) , охватываемые принципом симметрии Шубникова-Кюри. С точки зрения как дифференциального, так и интегрального способа прокатки обычная продольная прокатка должна быть отнесена к интегральной.

Рассмотрим сложную гетерогенную систему, состоящую из неоднородных частей: поля напряжения и деформируемого материала. В этом случае в соответствии с принципом симметрии, как указывалось выше, в металлическом листе, полученном прокаткой в одном направлении (продольная прокатка), появится текстура (анизотропия) с симметрией лишь Далее прокатываем текстурованный (анизотропный) металлический лист с симметрией шшт в другом произвольном направлении - но с большой степенью

деформации и, используя принцип Кюри, находим, что существующая (окончательная) анизотропия в металлическом листе с сим-метрийной точки зрения должна быть отнесена теперь к группе симметрии 2/т. Эта группа симметрии моноклинной сингонии: одна ось симметрии второго порядка, перпендикулярная плоскости листа, плоскость симметрии, лежащая в плоскости металлического листа, и центр симметрии. Такой группой симметрии будет описываться анизотропия в металлическом листе, полученным интегральной прокаткой, например, по двум симметрично не связанным направлениям. Дальнейшая прокатка данного листа (анизотропия описывается группой 2/т) в плоскости по любым направлениям может принципиально привести к любым закономерным изменениям (рассеянию, новым ориентировкам и т.д. текстуры) , оставляя неизменным только одно - группу симметрии, описывающей появившуюся анизотропию, т.е. труппа симметрии, характеризующая конечную анизотропию, по-прежнему будет 2/т. Если после первичной продольной прокатки вторую производить по симметрично-равным (взаимноперпендикулярная или - тоже самое - перекрестная) направлениям, то в соответствии с принципом Кюри окончательная группа симметрии текстуры, как и текстура продольной симметрии, будет характеризоваться той же труппой симметрии - лзшт. Итак, все виды возможной чисто интегральной прокатки с симметрийной точки зрения исчерпаны. В этом случае возможны только два варианта анизотропии в металлическом листе, которые описываются труппой симметрии тпппп и 2/т.

Для проверки теоретических данных по симметрии анизотропии текстуры металлических листов, полученных продольной м сложной интегральной прокаткой, образцы для исследования были изготовлены из металлов в компактном и порошковом состоянии.

В первой группе образцы для исследования были получены из заготовок компактной меди марки М-1 и алюминия чистотой 99,99%. Из литого металла вырезались круглые заготовки диаметром 20 мм (медь) и 40 мм (алюминий) , которые затем отжигались в течение одного часа соответственно при температуре 800° С и 350° С. В дальнейшем эти отожженые заготовки подвергались прокатке в одном направлении (продольная прокатка) и интегральной прокатке в двух направлениях, а именно, вторая прокатка производилась под углом 40° и 90° к первоначальному направлению. Прокатка заготовок осуществлялась на стане для

листового проката с двумя ведущими валками в одном направлении с малыми обжатиями за один проход. Деформация составляла для меди 80% и 75%, а для алюминия - 75%.

Другим компактным материалом, взятым для изготовления образцов продольной и сложной интегральной прокаткой, была релейная сталь следующего состава: С - 0,007%; в! - 0,11%; Мп - 0,20%; Р - 0,009%, Б - 0,019%; Сг - 0,08%; Си - 0,12%; -

0.008.. Полоски из релейной стали были подвергнуты дезориентирующему отжигу в защитной атмосфере по следующему режиму:

1. Нагрев выше температуры фазового перехода - до 950° С, выдержка 0,5 ч. , охлаждение до 600° С;

2. Нагрев до 950° С, выдержка 0,5 ч. , охлаждение до 600° С;

3. Нагрев до 950° С, выдержка 0,5 ч. , охлаждение до комнатной температуры вместе с печью. Далее эти образцы были прокатаны по различным схемам на лабораторном стане, а именно, часть из них была подвергнута продольной прокатке с обжатием 40%, а другая - двойной прокатке с направлениями прокатки под углом в 25° относительно друг друга со степенью обжатия 25% в каждом из направлений.

Третья группа образцов была изготовлена из металлических порошков. Работа с материалом в виде металлического порошка, который в исходном состоянии, благодаря шаровой форме частиц порошка, был абсолютно изотропен, обеспечивала оптимальные условия эксперимента, избавляя от текстуры неизвестной природы и от анизотропного внутреннего поля напряжения. Для получения компактных материалов из порошков в общем случае применена стандартная схема - прессование + спекание. Ограничения касаются только процесса прессования, обеспечивающего изотропию -свойств. Лучший вариант в этом случае - гидростатическое прессование предварительно подпрессованного для создания формы порошка. Можно также использовать прессование в жесткой матрице цилиндрических брикетов. Нами использовались оба варианта, но необходимо отметить, что предпочтительнее оказался вариант с гидростатическим прессованием, поскольку он обеспечивал меньшую разноплотность по сечению брикета при большей конечной плотности и большую прочность брикетов при прокатке.

В качестве исходного материала был взят медный порошок марки ПМС1, подвергнутый стабилизирующему отжигу при 250° С с выдержкой 1 час (отжиг проводился в вакууме) . Затем его под-прессовывали в жесткой матрице с квадратной формой сечения

(20мм х 20мм) при удельном давлении 2 кг/мм2. Высота засыпки порошка обеспечивала конечную высоту после прессования около 15 мм. Затем, для создания прочного каркаса, спрессованный брикет спекали в вакууме при температуре 750° С с выдержкой 15 мин. После спекания образец подвергался гидростатическому сжатию (гидростатическая жидкость - горячий парафин). Окончательно образец спекали в вакууме при температуре 750° С с выдержкой 15 мин. Спекание проводили для укрепления связей, стабилизации структуры и удаления парафина. Во всех случаях после окончания процесса спекания образцы остывали вместе с печью. Для получения из этих брикетов образцов для прокатки они обрабатывались до правильного параллелепипеда. Прокатку осуществляли на лабораторном прокатном стане с шириной валко 500 мм и рабочей скоростью 0,2-1,2 м/мин. Величина обжатия за каждый проход определялась требованием целостности образца. Для снятия упрочнения использовался отжиг в вакууме при температурах 250° С и 350° С в течении 1 часа или 0,5 час. Охлаждались образцы после отжига вместе с печкой.

Для моделирования процессов прессования-в жестких матрицах использовались медный порошок ПМС-1 и гранулированный алюминий. Для процессов выдавливания через фигурные матрицы использовался гранулированный алюминий.

_В четвертой главе проведен анализ известных методов исследования текстур - рентгенографический и ультразвуковой, излагаются результаты экспериментального исследования и анализа под углом зрения симметрии текстурированных материалов, полученных в различных физических полях.

Для определения симметрии распределения кристаллографических ориентировок в металлических листах после интегральной прокатки в зависимости от метода исследования и его особенностей образцы готовились по соответствующей технологии. В частности, для дебаеграмм из листов были вырезаны образцы в виде пластин толщиной 2 мм параллельно и перпендикулярно направлению прокатки в плоскости прокатки как в случае простой, так и при сложной схеме деформации, в дальнейшем проводилось травление и электрохимическая полировка. Рентгенографирование велось на Ре-К излучении методом на просвет на плоскую пленку в параллельном пучке рентгеновских лучей с плоскости прокатки и плоскости, перпендикулярной прокатке.

Рис.1 Полюсные фигуры (а=65°) текстур прокатки и прессования: а - интегральная прокатка под произвольным углом б - интегральная прокатка под углом 120° в - дифференциальная прокатка под углом 120°, г - 90° д - прессование в треугольной матрице, е - в четырехугольной.

Для получения прямых и обратных полюсных фигур поверхности, с которых они снимались, подвергались соответствующей механической и электрохимической обработке. За квазиизотропный эталон брали, в частности для меди, образец, полученный двусторонним прессованием медного порошка в цилиндрической матрице при давлении 0,5 МПа и отожженного в вакууме. Со всех образцов релейной стали, а также с исходной заготовки, которая подвергалась только дезориентяфугащему отжигу, прямые полюсные фигуры были сняты на рентгеновском аппарате УРС-50И в кобальтовом излучении по методу Шульца. Полюсные фигуры с медных образцов снимались на рентгеновском аппарате ДРОН-2 на Си-К излучении. Эти полюсные фигуры приведены на рисунках рис.1 (а-е) . На рис. в-г приведены полюсные фигуры текстур дифференциальной прокатки в - под углом 90°, г - под углом 120°. На рис. д-е показаны полюсные фигуры прессования д - в треугольной матрице, е - в четырехугольной матрице.

Определение точечных групп симметрии текстур по анизотропии скорости распространения продольных и сдвиговых ультразвуковых волн в различных направлениях в образцах были выполнены на образцах меди марки М1 и релейной стали. Образцы были получены из кваэииэотропной поликристаллической меди и релейной стали, по схемам деформации аналогичным, за небольшим исключением, для образцов, исследованных рентгеновскими методами, в частности, простой прокаткой, интегральной перекрестной прокаткой, двойной интегральной прокаткой (под углом 40° для меди и 25° для релейной стали) .

Рассматривая текстурованный материал как квазимонокристалл и используя известные правила установки кристаллофизи-ческих осей для монокристаллов, можно однозначно их выбирать и для текстур. В частности, для текстуры продольной прокатки кристаллефизические оси будут совпадать с направлением прокатки, поперечным направлением прокатки и нормально к плоскости прокатки.

А теперь перейдем к анализу результатов эксперимента и, как следствие, к выявлению их тождественности ранее изложенным теоретическим результатам по симметрии текстур интегральной прокатки. Все заготовки в исходном состоянии находились в квазиизотропном состоянии. Такой материал по симметрии распределения в нем составляющих его кристаллитов будет характеризоваться группой симметрии оо/ оо/ш(оо/оо /т) . Любые сня-

■гые с такого материала рентгенограммы и диаграммы скорости ультразвука будут иметь вид круга или набора кругов, что и подтверждается в частности, рентгенограммами (дебаеграммами). Текстуры продольной прокатки и интегральной прокатки будут описываться одной и той же группой - тптптп (ta -2:in) .

Итак, текстура продольной прокатки описывается тремя осями симметрии 2-го порядка, совпадающими с направлением прокатки, поперечным направлением прокатки и с направлением, перпендикулярным плоскости прокатки, тремя плоскостями симметрии, одна из которых совпадает с плоскостью прокатки, а две другие, пересекающиеся по перпендикуляру к ней, проходят через продольное и поперечное направления прокатки, и центром симметрии. Это утверждение, базирующееся на экспериментальных результатах, согласуется с теоретическими выводами на основе принципа Кюри.

Особняком от разработанных текстур находятся текстуры двойной косой интегральной прокатки. В принципе к этому классу текстур будут относиться и текстуры, о чем будет говориться ниже, после тройной интегральной прокатки по трем симметрично-равным направлениям ( 120° ) , а также интегральной перекрестной плюс третья прокатка опять под каким-то произвольным углом к любому из предыдущих направлений и т.д. Однако все эти текстуры будут принадлежать к одной и той же группе симметрии 2/m (2:т) . Здесь пока остановимся на текстурах после двойной интегральной прокатки под произвольным углом. Экспериментально нами были исследованы текстуры двойной прокатки под углом 40° в меди и 25° в релейной стали. В образце, который был подвержен двойной прокатке под углом в 25° между направлениями, при измерении скорости продольных ультразвуковых волн были получены изменения скорости от 5213 до 5233 м с"1, что составляло около 1,5%. При определении на этом же образце скорости поперечных волн импульсно-фазовым методом было обнаружено , прежде всего, разложение их на две составляющие с взаимно перпендикулярной поляризацией, что наблюдается в монокристаллах и, вполне возможно, в текстурах, которые можно рассматривать как квазимонокристаллы. Скорости этих составляющих были 3110 и 3285 м с"1, а в процентном отношении эта разница достигла 2%. Ультразвуковые полюсные фигуры, полученные по результатам измерения для этого образца могут быть охарактеризованы группой симметрии 2/m (2 :m) , т.е. осью сим-

метрии второго порядка, перпендикулярной к плоскости рисунка центром симметрии, и, как следствие, плоскостью симметрии, лежащей в плоскости ультразвуковой фигуры. Подобные элементы симметрии можно обнаружить и на диаграмме скорости ультразвука, снятой с медного образца, подвергнутого двойной прокатке под углом 40°. Полученная из экспериментальных результатов группа симметрии двойной косой прокатки 2/та. (2:т) не противоречит теоретическим данным. В данном случае, несмотря на равенство напряжений, но благодаря последовательности прокатки (сначала в одном, а затем в другом направлении) , для теоретического определения возникающей при этом текстуры необходимо воспользоваться принципом диссимметризаии Кюри. Действительно, при первоначальной прокатке с достаточной степенью деформации, способной вызвать частичную упорядоченность кристаллов, появившаяся текстура в соответствии с принципом симметрии Кюри будет обладать симметрией шшт (т 2 :т) . При дальнейшей прокатке под углом 25° (40°) к первоначальному направлению прокатки необходимо рассматривать взаимодействие текстурован-ного поликристаллического материала с действующим полем напряжения. Здесь при определении результирующей группы симметрии этих взаимодействующих объектов можно и нужно воспользоваться опять принципом Кюри. В соответствии с ним конечная текстура в дважды прокатанном под углом 25° (40°) материале должна характеризоваться группой симметрии 2/m (2:т).На рис.1 (а,б,с)приведены полюсные фигуры с абсолютной изотропных заготовок (спрессованный металлический медный порошок, частицы которого имели сферическую форму), интегрально прокатанных с относительно большой и сопоставимой (приблизительно одинаковой) , степенью деформации около 90% в одной направлении, двух (под 90°) и трех (под 120°) симметрично-равных направлениях. Симметрично-равные направления относительно точки их пересечения в плоскости листа связаны осью симметрии 4-го порядка (совмещаются друг с другом при повороте на 90°) и 6-го порядка (60°) . Анализ полюсных фигур с образцов, прокатанных в одном направлении и в двух (под 90°) симметрично связанных направлениях показывает, что с точки зрения симметрии эти полюсные фигуры совершенно не отличаются друг от друга. Следовательно, вторичная интегральная прокатка под углом 90° к первоначальному направлению прокатки с такой же относительно большой степенью деформации (94%) , что и предварительная (91%) , сохрани-

ет ромбическую упорядоченность (текстуру), появившуюся в результате первичной прокатки (группа симметрии шшт) .

А теперь проанализируем полюсные фигуры образцов после последовательной двойной и тройной прокатки под углом 90° и утлом 120° к первоначальному направлению прокатки со степенями деформации (около 90%) в каждом из направлений. Заготовка в результате первичной (продольной) прокатки. была деформирована со степенью деформации приблизительно 94%, т.е. это была деформация при первичной продольной прокатке одного и того же порядка с деформациями второй и третьей интегральной прокатки. Сопоставляя полюсные фигуры, можно отметить, что появившаяся в процессе продольной (первичной) прокатки ромбическая структура (текстура) в какой-то мере разрушена в результате вторичной прокатки (под 120° ) , а именно будет описываться более низкой хруппой симметрии (2/т) . Текстура данной последовательной прокатки (сначала в одном направлении, а затем в другом под углом 120° к направлению первичной прокатки) характеризуется моноклинной группой симметрии (2/т). После тройной последовательной прокатки симметрия текстуры не изменится, т.е. будет описываться той же группой симметрии (2/т) , что и текстура двойной прокатки. При этом появляющиеся ориентированные структуры (текстуры) описываются или ромбической симметрией, как текстуры продольной прокатки, или более низкой моноклинной симметрией (2/т) .

С помощью ультразвукового измерителя скорости У ЗИС-7 с точностью до 0,5% на указанных темплетах была измерена скорость распространения ультразвуковых поперечных и продольных волн.

В заключение обсуждается вопрос практической целесообразности формирования заданной симметрии текстур, в частности, при изготовлении штампованных деталей из анизотропного листа методами гибки, обтяжки, формовке, вытяжки, раздаче, обжиме и др. требуется согласование схем напряженного состояния и анизотропии свойств листа. Это позволяет более эффективно использовать деформационные возможности листового материала, снизить отход металла и количество брака и рациональнее построить технологический процесс. На фотографиях (см.рис.3 а-б) алюминиевых колпачков, вытянутых с прижимом из изотропного листа ( а) и анизотропного листа ( б) (полученных по технологии автора) видно наличие фестонов у образца с ани-

зотропной структурой, являющихся следствием анизотропии заготовки и указывающих на необходимость корректировки технологического процесса.

Рис. Проявление анизотропии при вытяжке стаканов: а - вытяжка из изотропного листа (отсутствие фестонов)

б - вытяжка из анизотропного листа (образование фестонов) .

Также в работе приведены другие практически целесообразные примеры использования материалов с заданной анизотропией.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследован обобщенный принцип симметризации-диссиметризации Шубникова-Кюри как методологическая основа моделирования, получения и анализа текстурированных материалов. Выявлены условия, определяющие исходную группу расширения в гомогенных системах, знание которой более однозначно определяет группу симметрии, описывающую саму гомогенную систему .

2. Предложена и обоснована концепция текстуры как квазимонокристалла

соответствующей симметрии. Структура и симметрия текстуры определяется характером распределения кристаллографических направлений и плоскостей в объеме поликристаллического материала. Размеры этого объема во много раз превышают размеры неоднородностей (зерен кристаллитов). Только при этом условии текстуры можно рассматривать как макроскопически сплошную квазиоднородную среду.

3. На основе предложенной модели текстуры как квазимонокристалла была решена проблема классификации текстур по их симметрии. Это позволило и позволяет решать целенаправленно и эффективно многие задачи, связанные с исследованием и применением текстурированных материалов. В частности, однозначно связать систему координат с элементами симметрии группы, описывающей текстуру и тем самым обеспечить однозначность и корректность теоретического и экспериментального исследования ее физико-механического свойств.

4. На основе принципа Германа выявлена общность и различие между полем напряжения и описывающем его тензором напряжения , что нашло отражение во введенных понятиях структуры поля напряжения и структуры тензора напряжения.

5. Было показано, используя принцип диссиметризации Кюри, что все многообразие структур тензоров напряжения исчерпывается 14 группами симметрии.

6. Применяя принцип симметризации Шубникова, нашли, что с точки зрения структуры разнообразие полей напряжения бесконечно . Однако, если ограничиться текстурированными материалами, физико-механические свойства которых описываются тензорами не выше шестого ранга, то практически целесообразный спектр полей напряжения будет охвачен 44 группами симметрии.

7. Сформирован системный метод на основе принципа симметрии, позволяющий эффективно решать все проблемы, связанные с получением материалов с различной по симметрии и величине анизотропии их физико-механических свойств, а также изготовлением из них изделий способами обработки металлов давлением с наложением дополнительных воздействий тепловых, магнитных и др. полей.

8. Получены текстуры прессования, выдавливания, прокатки порошковых и литых металлов с различной анизотропией (симметрией) , исследована анизатропия свойств методом упругих

колебаний и методом осисимметричной вытяжки цилиндрических стаканчиков.

9. На основе принципа симметрии смоделирован и практически реализован способ получения прокаткой листов с тетрагональной и гексагональной (изотропной) симметрией, введено понятие интегральной и дифференциальной прокатки, как способ обработки.

10. Проанализированы на основе принципа симметрии возможности рентгенозрафическкого и ультразвукового метода для обнаружения элементов симметрии текстур, показаны ограничения методов, связанные с инструментальными особенностями данных методов.

Основные результаты диссертация опубликованы в следующих работах:

1. Талашкевич И.П., Славов В.И., Мартьянов A.M. Симметрия текстур порошковых металлов, спрессованных, в однородных полях напряжений // Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации в мет. и спл. Красноярск, 11-13июня 1980 г. -Красноярск, 1980.-С.5-6.

2. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M., Кравченко Т.А. Симметрия текстур порошковых металлов, спрессованных в неоднородных полях напряжений // Там же.-с.14.

3. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M., Украинцева С.Б. О симметрии текстуры медного порошка, спрессованного в пятиугольной матрице // Там же.-с.14-15.

4. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Текстурообразование при прессовании порошкового титана // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение долговечности и надежности машин и приборов". Куйбышев 1981 г..-Куйбышев, 1981.-С.18.

5. Талашкевич И.П., Мишнев C.B., Мартьянов A.M. Текстурообразование при прокатке в многовалковых калибрах // Тезисы докладов 5 Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы физики и металловедения электротехнических сталей и сплавов".-Аша, 1981г.-С.31.

6. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M., Мишнев C.B. Текстурообразование при обработке порошковых материалов прессовани-ем+прокаткой // Там же.-С.35.

7. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M., Мишнев C.B. Эффекты симметризации-диссиметризации при обработке сплавов эвтектического типа / / Материалы IX Всесоюзной научной конференции "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа". -Днепропетровск, 1982г.-С.272-273.

8. Мартьянов A.M., Талашкевич И.П. К методике рентгеновского исследования центросимметричных текстур // Тезисы докладов 4 Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации. -Горький, 1983г.-С.86.

9.'Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Текстура как фактор по оптимизации свойств порошковых материалов // Материалы Всесоюзной конференции по порошковой металлургии.-Минск, 1983г.-С.130.

10. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Симметрийный анализ текстурообразования в металлах при выдавливании их через фигурные матрицы // Сб. докладов III Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах. -Красноярск,!фасноярский политехнический институт, 1982г.-С.

11. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Симметрия текстур при обработке порошковых металлов прессованием-прокаткой // Там же.-С.

12. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M., Коваленко А. П. Структуры полей напряжений // Тр. 3-й Всесоюзной школы-семинара по гидродинамике больших скоростей, 8-14 июня 1987г., Красноярск.-Краноярск:КрПИ, 1987.-С.188-192.

13. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Исследование влияния формы заготовки на симметрию текстуры деформации // Тр. 5 Всесоюз. конф. " Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах", 29сент.-1окт. 1987 г., Уфа.-Уфа: ИСП АН СССР, 1987.-С.31-32.

14. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Об эффекте памяти поверхности при пластических деформациях // Тр. Всесоюзн. семинаров "Дифракционные методы исследования структур", "Актуальные проблемы прочности" и "Физико-технологические проблемы поверхности металлов", 13-17 июня 1988 г., Череповец. -Череповец: ЧПИ, 1988.-С.53.

15. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Технологии получения текстур на основе эффекта симметризации // Тезисы докл. науч-Hô-технической конференции с международным участием "Проблемы

техники и технологии", 22-25марта 1994г., Красноярск.-Красноярск,С.45.

16. Мартьянов A.M., Талашкевич И.П. Эффект симметрии при рентгеновском исследовании текстур // В кн. "Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением с целью повышения их эффективности.-Красноярск: НТО МашПром, 1984.С.15-18

17. Талашкевич И.П., Коваленко А.П., Мартьянов A.M. Классификация анизотропии физико-механических свойств в металлическом листе // Там же.С.10-13.

18. Талашкевич И.П., Истомин В.Н., Мартьянов A.M. // Там же.С.6-9.

19. Талашкевич И.П., Мартьянов A.M. Текстура металлических порошков, спрессованных в гидростате // Там же.С.13-15.

Подписано в печать 26.04.95. Зак. Я' 129 Объем 100 экз. Отпечатано УПЦ "Инопроф"