автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Текстура и упругие свойства гетерофазных поликристаллических материалов

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

АБРАМОВА ВЛАДА ИГОРЕВНА

ТЕКСТУРА И УПРУГИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОФАЗНЫХ'ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.16.01. - Металловедение и термическая

обработка металлов 01.04.07. - Физика твердого тела

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор Д.М.Левин

Тула - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Список условных обозначений ................................. ^

%

Введение ....................................................... д

1. Аналитический обзор......... / д;^>:......................

1.1 Металлические композиционные материалы..............

1.2. Деформация композиционных материалов ...............

1.3. Обзор моделей образования текстуры.................... 21

1.4. Методы теоретического расчета текстуры .............. 23

1.5. Экспериментальные методы определения текстуры металлов ........................................................ 24

Постановка задач исследования ............................... ^

2. Материалы и методы исследования ....................

2.1. Исследуемые материалы. Технология процесса изготовления металлических порошковых композитов.............. ^

2.2. Методы исследования структуры и механических свойств металлических композитов................................ ^

2.2.1. Методы определения плотности и пористости порошковых изделий...............................................

2.2.2. Динамический метод определения характеристик упругости ...................................................... сц

2.2.2.1. Общие требования .................................... ^

2.2.2.2. Требования к проведению эксперимента.............. ^

2.2.2.3. Форма и размер образцов.............................

2.2.2.4. Обработка результатов...............................

2.3. Нейтронографический структурный анализ .............

2.4. Методика получения полюсных фигур ................... ^

2.4.1. Обработка экспериментальных данных ................ ^

2.5 Метод геометрической аппроксимации для текстурного анализа....................................................

3. Определение эффективных упругих модулей пластически деформированных гетерофазных микронеоднородных материалов ........................................

3.1. Физико-механические основы построения модели тексту-рообразования в двухкомпонентных микронеоднородных материалах................................................ ^

3.2. Определение характеристик формоизменения эффективного зерна.................................................

3.3. Алгоритм расчета эффективных упругих модулей тексту-рированного гетерофазного поликристаллического материала ......................................................

3.3.1. Определение средних упругих констант в текстуриро-ванных компонентах ......................................

3.3.2. Методы определения эффективных упругих модулей гетерофазных материалов с изотропными нетекстурирован-ными компонентами.......................................

3.3.2.1. Вилка Фойгта-Ройса для эффективных модулей материала ......................................................

3.3.2.2. Корреляционное приближение теории микронеоднородных упругих сред ........................

3.3.2.3. Обобщенное сингулярное приближение...............

3.3.3 Определение эффективных упругих постоянных

и ' в деформированном гетерофазном материале с анизотропными текстурированными компонентами ......

Выводы по главе ............................................... дд

4. Расчет упругих характеристик железо-медного ком*

позиционного материала .................................. д^

4.1. Результаты нейтронографического эксперимента ....... д^

4.2. Расчет средних констант упругости ..................... д^

4.3. Выбор расчетного метода определения эффективных упругих модулей .......................................... 99

4.4. Расчет эффективных констант упругости ...............^00

Выводы по главе ...............................................^Ц

Заключение и общие выводы ..................................

Литература ....................................................-Ц7

Приложения ....................................................

Список условных обозначений

£ij - деформация матрицы;

- напряжение; Síjki - тензор упругих податливостей; - /(#) ~ функция распределения ориентаций (ФРО); J - индекс остроты текстуры; р - плотность образца, кг/м3; т - начальная масса образца, кг; V - объем образца, м3;

та - масса образца с закрытыми порами и удерживающего устройства, взвешенных в воздухе, кг;

тъ - масса образца с закрытыми порами и удерживающего устройства, взвешенных в воде, кг;

ръ - плотность воды при данной температуре взвешивания, кг/м3;

Pk - теоретическая плотность компактного материала заданного состава, кг/ж3;

с0 объемная доля остаточной пористости;

с\ - объемная доля лигатуры;

PhPi ~ плотности компонентов, кг/ж3;

са - начальная пористость спеченного каркаса, объемная доля;

ра - плотность спеченного каркаса, кг/ж3;

/, d - длина и диаметр образца, ж;

fu - резонансная частота изгибных колебаний, Гщ

а - коэффициент термического расширения, К~1;

Т - температра испытаний, К;

Е - модуль нормальной упругости для изотропных материалов, ГПа;

¡i - модуль сдвига для изотропных материалов, ГПа; /кр - резонансная частота крутильных колебаний, Гц;

V - коэффициент Пуассона для изотропных материалов, ГПа;

К - модуль объемной упругости для изотропных материалов, ГПа;

t - время пролета нейтроном пролетной базы Ь.

- межплоскостное расстояние;

6, ф - полярный и азимутальный углы вращения гониометра;

Л - разрешение дифрактометра по времени пролета;

Р{ф - фоновая составляющая для компоненты г;

- коэффициент интенсивности для пиковых компонент полюсной фигуры (ПФ);

тп - коэффициенты интенсивности для аксиальной компоненты

ПФ;

9) - составляющие ФРО для пиковой компоненты ПФ;

гфПг{я) - составляющие ФРО для аксиальной компоненты ПФ;

ак°' > ~ значения углов Эйлера (а, 7, ¡3), соответствующие пиковым значениям на времяпролетном спектре;

Ъркс - полуширина резонансного пика;

Io.Ii ~ обобщенные функции Бесселя;

Щ - полуширина пика для аксиальной компоненты спектра;

^кчЬук ~ декартовы координаты единичных векторов;

Уц - координаты матрицы вращений, которые соответствуют направляющим косинусам при ориентировке кристаллографических осей кристаллита относительно системы координат образца;

(ёц) - компоненты девиатора средних скоростей деформаций в каждом компоненте и во всем материале;

А? - пластический модуль ьго компонента;

<т81~ предел текучести материала ьго компонента;

интенсивность средних скоростей деформации в ьм компоненте;

Ъ и а - полуоси эллипсоида, в который превращается сферическое

зерно полсе деформации;

г\ - параметр формоизменения;'

(с^ы) ~ усредненные значения констант упругости в каждом компоненте, ГПа;

,с'г]к1 - компоненты тензора упругих постоянных для компонента в кристаллографической системе координат;

су,сд,ся - константы упругости, усредненные по Фойгту, Ройсу, Хиллу, ГПа;

{в^ы) ~ компоненты тензора средних податливостей; Е*, К*, д* - эффективные модули нормальной упругости, сдвига, объемной упругости, ГПа;

с^тп - компоненты тензора упругих постоянных тела сравнения, ГПа;

с*-шп - компоненты тензора эффективных упругих постоянных материала, ГПа;

е - параметр анизотропии;

Е\, - эффективные модули нормальной упругости анизо-

тропного материала, ГПа;

^21^315^23 " эффективные коэффициенты Пуассона анизотропного материала, ГПа;

¿¿23,/¿13,М12 " эФФективные модули сдвига анизотропного материала, ГПа.

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс в машиностроении, энергетике, авиакосмической и других рбластях промышленности невозможен без создания новых конструкционных материалов, способных улучшить важнейшие параметры двигателей, машин, агрегатов, приборов и повысить массовые показатели, надежность, срок службы изделий и снизить их материалоемкость. Успехи науки в области материаловедения за последнее время привели к созданию материалов, называемых композиционными, уровень свойств которых несравненно выше уровня свойств существующих традиционных материалов.

Одними из наиболее важных эксплуатационных свойств композиционных материалов является их способность к управляемому формированию оптимальных эксплуатационных характеристик и механических свойств, к числу которых относятся жесткость, упругость, параметры пластичности. Развиваются и технологические способы получения композиционных материалов с варьируемой структурой и свойствами, в частности, основанные на методах порошковой металлургии.

Также как и однородные материалы, композиты обладают направленностью механических свойств (анизотропией). Явление анизотропии свойств проявляется при термической обработке и пластической деформации композиционного материала, сопровождаемой возникновением кристаллографической текстуры, т.е. преимущественной ориентировки отдельных кристаллов или зерен в поли-

кристалле. На микроскопическом уровне в гетерофазных композиционных материалах эта ориентировка наблюдается в основном компоненте - матрице - и в дополнительных компонентах, имеющих форму отдельных включений. Кроме того, образование текстуры в композитах происходит и на уровне включений, когда под влиянием макронапряжений включения меняют свою пространственную ориентировку и форму. В этом случае помимо кристаллографической текстуры появляется текстура формы (механическая текстура), масштабы развития которой зависят, прежде всего, от интенсивности и вида пластической деформации.

Появление композитов и их широкое применение в промышленности требует глубокого изучения свойств этих материалов. Одной из важных задач в этом направлении является исследование механических свойств и текстурных характеристик композиционных материалов, которые во многом определяют основные их эксплуатационные свойства.

Вопросами определения эффективных свойств материалов занимались многие отечественные и зарубежные исследователи. Успехи в этой области были достигнуты российской школой механики, создавшей статистическую механику деформируемого твердого тела. Большое внимание отечественных и зарубежных исследователей уделяется проблемам образования текстуры в металлах и сплавах при их пластической деформации. Работы в этой области относятся как к физике металлов, так и к физической теории пластичности. В последнее время широко развиваются экспериментальные методы исследования текстуры, в том числе основанные на применении методик нейтронного структурного анализа.

Одной из основных является проблема определения текстурных и эффективных механических характеристик металлических композиционных материалов. Эффективные константы материала являются

важными расчетными параметрами при решении задач прочности, пластичности, долговечности изделий из композитов. Основной текстурной характеристикой гетерофазных композиционных материалов является функция распределения ориентаций (ФРО), показывающая наличие и характер распределения текстуры в компонентах композита.

Особое значение имеет разработка методов учета особенности возникновения текстуры в двухфазных композиционных материалах. В этом случае собственно текстура разделяется на текстуру формы и кристаллографическую текстуру, возникающую в компонентах под действием пластической деформации и имеющую особую природу и механизм возникновения.

В настоящее временя имеется достаточно много подходов для решения данной проблемы, но в большей степени они относятся к исследованию свойств квазиизотропных материалов, либо анизотропных композиционных материалов, составленных из изотропных фаз. При этом методы расчета эффективных упругих характеристик композиционных материалов с различной структурой, в основном, были основаны на предположении о неизменности механических свойств компонентов от характеристик их реального размещения в композите. Однако, к настоящему времени стало очевидным, что эти свойства значительно изменяются вследствие стесненности деформации компонентов, в зависимости от их предварительной термической обработки при технологическом процессе изготовления и т.д. Все эти факторы оказывают существенное влияние на упругие и другие механические свойства композитов.

Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование влияния текстуры, возникающей при различных видах обработок, на эффективные упругие характеристики композитов на основе анализа

функции распределения ориентации в различных структурных компонентах является актуальной задачей, имеющей научное и практическое значение.

Основная цель диссертации заключается в установлении основных закономерностей влияния предварительной пластической деформации на текстурные параметры, структуру и упругие характеристики гетерофазных поликристаллических материалов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Разработка теоретической модели процесса образования текстуры формы при пластической деформации гетерофазного поликристаллического материала со случайным распределением механических свойств компонентов.

2. Создание алгоритма расчета эффективных упругих характеристик гетерофазных поликристаллических материалов, учитывающего реальное распределение ориентаций кристаллитов в объеме материала через функцию распределения ориентаций.

3. Установление закономерностей формирования кристаллографической текстуры при пластической деформации железо-медных композитов, полученных методами порошковой металлургии.

4. Определение средних материальных констант компонентов и эффективных модулей упругости текстурированных железо-медных композиционных материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

- На основе статистической теории пластичности построена математическая модель процесса образования текстуры формы при пластической деформации гетерофазного поликристаллического материала.

- Разработана методика определения текстурных параметров компонентов гетерофазных микронеоднородных материалов по функциям распределения ориентаций, полученных с помощью

нейтронографического структурного анализа.

- Предложен метод определения вкладов кристаллографической текстуры и текстуры формы в анизотропную упорядоченную структуру гетерофазных поликристаллических материалов.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем. Создан алгоритм расчета упругих характеристик (средних упругих констант компонентов, эффективных упругих констант ге-терофазного поликристаллического материала) на основе учета реальных механических свойств компонентов, находящихся в условиях стесненной деформации. Установлено влияние пластической деформации на модули упругости анизотропного железо-медного композиционного материала.

В первой главе данной работы представлен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований текстуры поликристаллических материалов, проведенных до настоящего времени российскими и зарубежными исследователями, а также исследований по определению макроскопических упругих характеристик композиционных материалов. Были рассмотрены существующие физические модели возникновения текстуры под действием пластической деформации, методы теоретического расчета текстуры и экспериментальные методы текстурного анализа.

Вторая глава посвящена описанию материалов и методов исследования, технологии процесса изготовления металлических порошковых композиционных материалов, изучаемых в данной работе, существующим методам исследования структуры. Разработаны дополнения к методу определения остаточной пористости для многофазных материалов. Рассмотрены и обсуждены проблемы применения нейтронографического метода текстурного анализа и обработке результатов эксперимента. Проведен анализ методов восстановления ФРО и, в частности, применяемого в работе метода геометрической

аппроксимации.

С использованием экспериментальных результатов текстурного анализа методами геометрической аппроксимации получены ФРО для компонентов железо-медного композиционного материала при разных степенях пластической деформации.

В третьей главе построена математическая модель образования текстуры формы при пластической деформации гетерофазного микронеоднородного материала. Для этого использованы соотношения статистической теории пластичности и решена задача о пластическом равновесии эффективного включения в гетерогенной среде. В результате расчетов найдена зависимость отношения полуосей эффективного эллипсоидального зерна от внешней средней деформации. Проведен анализ ряда методик расчета эффективных модулей упругости микронеоднородных поликристаллических материалов. Создан алгоритм расчета эффективных упругих модулей тек-стурированного гетерофазного поликристаллического материала.

В четвертой главе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований. Сделан выбор метода расчета эффективных характеристик композиционного материала. С использованием ФРО вычислены средние значения упругих констант в компонентах. Методом обобщенного сингулярного приближения (ОСП) из средних констант текстурированных и дефор�