УСТАНОВКА ДЛЯ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЕМ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

В последние годы материалы с нанокристаллической (НК) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой пользуются большой популярностю среди исследователей. Средний размер зерна, которых менее 100 нм и от 0,1 до 1 мкм соответственно. В следствии малого размера кристаллита данные материалы характеризуются большой площадью границ зерен. Например, при среднем размере зерна около 10 мкм, площадь границ зерен по отношению к объему зерна составляет 0,01%, в НК материала она достигает 10 % [1]. Благодаря этому, материалы с УМЗ и НК структурой обладают повышенными функциональными и механическими свойствами.

Одним из способов создания УМЗ и НК материалов является интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК). При данном способе образец в виде диска диаметром от 10 до 20 мм подвергается сдвиговой деформации под высоким гидростатическим давлением. Поскольку данные установки не выпускаются серийно, исследователи вынуждены проводить исследования на самостоятельно спроектированных установках.

Собственная установка была создана с целью исследования влияния режимов интенсивной пластической деформации на структуру и свойства чистой меди.

Новая установка была построена на базе гидравлического пресса модели Д2430Б, имеющего максимальное усилие 1000 кН. Она состоит из неподвижной и вращающейся наковален (см. рисунок 2), электродвигателя, двух последовательно соединенных редукторов (малого и деформирующего) и частотного преобразователя фирмы Danfoss. Общий вид установки представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Общий вид установки для ИПДК

Рисунок 2. Увеличенный вид наковален

Принцип работы схож с принципом, предложенным П.В. Бриджменом в 1935 году [2] и заключается в следующем, дисковый образец диаметром до 10 мм помещается на рабочую плоскость нижней наковальни, далее с помощью верхней наковальни, закреплённой на ползуне пресса, на образец прикладывается гидростатическое давление более 10 ГПа. Вращение нижней наковальни начинается с запуска электродвигателя с помощью частотного преобразователя. Крутящий момент с вала электродвигателя передается на малый редуктор через клиноременную передачу, далее с малого редуктора через муфту передается на деформирующий редуктор. Вращение нижней наковальни осуществлялось за счет шпоночного соединения вала деформирующего редуктора и самой наковальни. Схема процесса показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема способа ИПДК

Данная установка имеет следующие особенности:

- максимальное усилие – 1000 кН;

- скорость вращения до 1 об/ мин;

- возможность исследования образцов диаметром и толщиной до 10 мм и до 1 мм соответственно;

- диапазон рабочих температур 15-25°C.

В результате исследований с помощью просвечивающей электронной микроскопии(ПЭМ) микроструктуры медных образцов, подверженных ИПДК, было установлено, что на вновь разработанной установке в образцах можно получать структуру с размером зерна в пределах от 90 до 300 нм, что согласуется с ранними исследованиями [3, 4].

В заключение следует отметить, что исследования и испытания прошли успешно – удалось добиться УМЗ и НК структуры материала.

В дальнейшем планируется усовершенствование установки в плане применения другого материала для наковален с целью достижения давления более 30 ГПа, и программирование частотного преобразователя для автоматизации управления скоростью вращения нижней наковальни, что позволит исследовать поведение более твердых материалов под высоким гидростатическим давлением, используя запрограммированные режимы деформации.

Список литературы:

1. Грачева, Т.А. Структура ультрамелкозернистой меди и бронзы // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, Серия: Физика твердого тела. – 2004. -№ 1. – С. 178-142.
2. Bridgman P.W. Effects of high shearing stress combined with high hydrostatic pressure // Phys. Rev. 48, -1935, -Р. 825-847.
3. Microstructures and mechanical properties of pure copper deformed severely by equal-channel angular pressing and high pressure torsion / N. Lugo, N. Llorca, J.M. Cabrera, Z. Horita // Materials science and engineering. - A. – 2008. – N 1- 2. - Vol.477. – Р. 366–371.
4. Edalati, K. Microstructure and mechanical properties of pure Cu processed by high-pressure torsion / K. Edalati, T. Fujioka, Z. Horita // Mater. Sci. Eng. A - 2008. - Vol. 497. - P. 168-173.