Повышение работоспособности алюминиевых и медных сплавов за счет равноканального углового прессования

Получаемые рассматриваемым методом интенсивной пластической деформации конструкционные металлы и сплавы приобретают свойства, не типичные для обычных металлов: прочность при достаточно высоком уровне пластичности, твердость, износостойкость, низкотемпературная и высокоскоростная сверхпластичностью, повышенное сопротивление малоцикловой и многоцикловой усталости, высокодемпфирующие свойства.
Процесс практического применения равноканального углового прессования как способа получения материалов с новыми характеристиками требует, чтобы эти новые свойства были максимально равномерно распределены по образцу. Это позволит снизить процент неиспользуемой части и уровень неравномерности в изделии, полученном из обработанного материала [13, 14].

...

Содержание
1. Алюминий и сплавы на его основе 2
1.1. Алюминий и его марки 2
1.2. Сплавы на основе алюминия 4
1.3. Влияние скандия на свойства алюминия 8
2. Медь 11
2.1. Коррозионное поведение меди 13
3. Электрохимическая коррозия 15
3.1. Понятие о субкристаллической структуре и процесс коррозии таких сплавов 20
4. Равноканальное угловое прессование 22
Список использованных источников 28

1. Алюминий и сплавы на его основе
1.1. Алюминий и его марки


Рисунок 1. Кристаллическая решетка алюминия

Алюминий занимает 3 место по распространению в земной коре после кислорода и кремния. Это металл серебристо-белого цвета. Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке (рисунок 1) и полиморфных превращений не испытывает. Алюминий обладает малой плотностью, низкой температурой плавления (660°С), а также высокой электро- и теплопроводностью. Для алюминия характерна высокая пластичность и малая прочность, он обладает высокой отражательной способностью. По масштабам производства и потребления алюминий занимает второе место после железа [1].
Алюминий обладает хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и среде многих органических кислот, что обусловлено образованием на его пов ерхности сплошной тонкой и плотной оксидной пленки Al2O3. Металл хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, неплохо обрабатывается резанием. Литейные свойства алюминия не высоки (усадка затвердевания 6%). Высокая теплота плавления и теплоемкость способствуют медленному остыванию алюминия из жидкого состояния, что дает возможность улучшать отливки из алюминия и его сплавов путем модифицирования, рафинирования и других операций [2].
Постоянными примесями в алюминии являются железо, кремний, медь, цинк, титан. В отечественном стандарте содержание алюминия определяется для металла высокой чистоты – по разности между 100% и суммой (в процентах) содержания примесей железа, кремния, меди, цинка и титана; для алюминия технической чистоты – по разности между 100 % и суммой (в процентах) содержания железа, кремния и других контролируемых примесей (например, меди, цинка, титана), содержание которых не превышает 0,01%.

Введение небольшого его количества позволяет уменьшить средний размер зерна, а в сплавах некоторых систем полностью сохранить нерекристаллизованную структуру.Рисунок 6. Влияние скандия на предел текучести алюминиевых сплавов(■ ‒ сплав с добавкой скандия)С этой точки зрения наиболее эффективно вводить скандий совместно с цирконием. Добавка циркония позволяет экономить дорогой скандий и усиливать его положительное воздействие. Это явление объясняется растворением циркония в интерметаллиде Al3Sc, где цирконий замещает до 40 % атомов скандия. Оптимальными свойствами обладает фаза Al3(ScZr), в которой скандий предельно возможно замещен цирконием. Установлено, что предел прочности и предел текучести сплавов с микродобавками скандия и циркония после горячей прокатки соответственно на 30 и 40 МПавыше по сравнению со сплавами без добавок.Таким образом, алюминиевые сплавы легированные скандием обладают сочетанием уникальных свойств: хорошей свариваемостью, возможностью деформироваться в режиме сверхпластичности, высокими механическими свойствами и др. Одно из важнейших направлений использования скандия – производство легких высокопрочных алюминиево-скандиевых сплавов. Скандий оказывает модифицирующее влияние на структуру сплавов, обеспечивая дополнительное упрочнение.Области применения легких сплавов, содержащих скандий, очень разнообразны – от аэрокосмической техники до спортивного инвентаря, в том числе автомобилестроение (производство коррозионно-стойких дисков колес), морские транспортные средства, железнодорожный транспорт, трубы для бурения скважин нефть и газа (особенно в условиях морского бурения), крышки атомных реакторов.Однако, высокая стоимость исходного сырья – оксида скандия - препятствует широкому использованию алюминиевых сплавов, легированных скандием [5, 6].2. МедьМедь – металл красного (в изломе розового) цвета, кристаллизуется в гранецентрированной решетке (см. рисунок 1) и полиморфных превращений не имеет. Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью.Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по отношению к другим металлам. Характеристики этих свойств меди оцениваются 100 %, в то время как у алюминия, магния и железа они составляют соответственно 60, 40 и 17 % от свойств меди. Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием.На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой «патины» зеленого цвета. Эта пленка в определенной мере защищает медь от дальнейшей коррозии.Среди цветных металлов по объему потребления медь занимает второе место (после алюминия), причем около половины производимой меди используют в электро- и радиотехнике, а вторую половину – для получения медных сплавов. Применение меди и ее сплавов обусловлено их высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью. В машиностроении чистая медь не получила широкого распространения из-за низкой прочности [4].В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок: М00 (99,99% меди), М0 (99,97%), М1 (99,9%), М2 (9меди прмеси9,7%), М3 (99,5%). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства. Все они ухудшают тепло- и электропроводность меди, дифференцированно влияя на другие свойства. Как правило, примеси, образующие с медью твердые растворы, повышают ее твердость и прочность, а примеси, которые образуют химические соединения (кислород, сера) и лекгоплавкие эвтектики (свинец, висмут) резко снижают пластичность, прочность и технологические свойства. Таким образом, все эти элементы считаются вредными примесями, поэтому ограничивают их содержание в меди. Так, содержание свинца должно быть не более 0,005%, остальных примесей – не боле 0,002% [3, 4].Медь марки М1 – качественная медь с высокой содержанием основного металла. Цифра 1 после буквенной маркировки обозначает чистоту медного сплава. Также в его состав входит незначительное количество железа, свинца, серы, цинка, серебра, никеля, мышьяка, сурьмы и олова. Химический состав меди данной марки представлен в таблице 1.Таблица 1Химический состав меди М1, %FeNiSCuAsPbZnAgOSbBiSnдо 0,005до 0,002до 0,004min 99,9до 0,002до 0,005до 0,004до 0,003до 0,05до 0,002до 0,001до 0,002Марка М1 отличается высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, электрической и тепловой проводимостью. Она легко обрабатывается и участвует в создании популярных сплавов цветных металлов (бронза и другие). Из чистой меди изготавливают проводники тока, изделия криогенной техники и полуфабрикаты. На ее полезные свойства сильное влияние оказывают легирующие элементы: фосфор, никель и другие. В зависимости от способа производства различают следующие марки меди: М1б – бескислородная, М1к – катодная, М1р – раскисленная кислородом, а М1ф - фосфором. С учетом физических параметров существует медь мягкая М1М и твердая М1Т. Область их применения охватывает производство деталей самолетов, машин, приборов и архитектурных элементов [7].2.1. Коррозионное поведение медиКоррозия меди – это ее разрушение под воздействием окружающей среды. В атмосферных условиях, в отличие от многих других металлов, медь не подвергается коррозии, так как на ее поверхности образуется тонкий ровный слой (пленка) продуктов коррозии, не содержащая никаких агрессивных соединений, способных при каких-либо условиях разрушать металл. Коррозия меди в атмосферных условиях – процесс самопроизвольно затухающий, так как продукты коррозии защищают поверхность металла от внешней среды.В быстро движущихся водных растворах и воде медь подвергается такому виду разрушения, как ударная коррозия. Скорость протекания ударной коррозии меди сильно зависит от количества растворенного кислорода. Если вода сильно аэрирована – ударная коррозия меди протекает интенсивно, если же обескислорожена – разрушение незначительно. Коррозия меди в аэрированной воде усиливается с уменьшением рН, увеличением концентрации ионов хлора.Особенностью меди, омываемой морской водой, можно считать то, что она является одним из немногих металлов, которые не подвержены обрастанию микроорганизмами. Ионы меди для них губительны.Чтоб исключить вредное влияние воды с медных труб на другие металлы используют луженую медь. Внутреннюю часть медного трубопровода покрывают оловом. Оловянное покрытие должно быть без пор, во избежание возникновения гальванического элемента (олово по отношению к меди является катодом).В атмосферных условиях медь отличается высокой коррозионной стойкостью. На сухом воздухе поверхность меди почти не меняется. В зависимости от состава среды и еще многих факторов на медной поверхности в атмосфере сначала образуется очень тонкая защитная пленка, состоящая с оксидов меди и ее чистой закиси. Время образования этой пленки может достигать нескольких лет.Коррозия меди в почве сильно зависит от значения рН грунта. Чем грунт щелочнее либо кислее, тем быстрее проходит коррозия меди в почве. Менее сильное влияние оказывает аэрация, влажность грунта. При сильном насыщении почвы микроорганизмами усиливается коррозия меди и ее сплавов. Это объясняется тем, что некоторые из них в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают сероводород, который разрушает защитную оксидную пленку.При нормальных температурах медь устойчива в следующих средах:сухой воздух;пресная вода (аммиак, сероводород, хлориды, кислоты ускоряют коррозию);в морской воде при небольших скоростях движения воды;в неокислительных кислотах и растворах солей (в отсутствии кислорода);щелочные растворы (кроме аммиака и солей аммония);сухие газы-галогены;органические кислоты, спирты, фенольные смолы.Медь неустойчива в следующих средах:аммиак, хлористый аммоний;окислительные минеральные кислоты и растворы кислых солей.Коррозионные свойства меди в некоторых средах заметно ухудшаются с увеличением количества примесей [8].3. Электрохимическая коррозияКоррозия – это разрушение конструкций и изделий из различных материалов, которое происходит из-за их физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Такую среду называют коррозионной (или агрессивной), а образующиеся химические соединения – продуктами коррозии. Коррозионная среда содержит одно или несколько веществ, вступающих в реакцию с материалом (например, металлом). Коррозия сопровождается выделением энергии, причем процессы коррозии протекают самопроизвольно.Коррозия – это совершенно естественный процесс. Каждое вещество стремится к своему исходному состоянию, так как с энергетической точки зрения эта форма самая стабильная, хотя и самая несовершенная.По характеру разрушения различают коррозию сплошную (или общую) и местную (локальную). Сплошная коррозия развивается на всей поверхности металла, при этом она может быть равномерной или неравномерной. Местная коррозия происходит с разрушением отдельных участков поверхности металлов. Разновидность этой коррозии: точечная, коррозия пятнами и сквозная коррозия.По механизму протекания процессов различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. В целом, классификацию коррозийных процессов можно представить в виде схемы, изображенной на рисунке 7.Рисунок 7. Классификация коррозионных процессовЭлектрохимическая коррозия – наиболее распространенный вид коррозии металлов, это разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока. Электрохимическая коррозия развивается в различных жидких средах: влажной атмосфере или почве, морской воде, водных растворах солей, щелочей, кислот. В этих средах на поверхности металла возникают участки с различным электрохимическим потенциалом, что приводит к возникновению микрогальванического коррозионного элемента. Участок с пониженным потенциалом в таком элементе является анодом и растворяется.Причины возникновения местных гальванических элементов могут быть самые разные. Например, электрохимическая неоднородность корродирующей поверхности. Причинами такой неоднородности является наличие в сплавах нескольких фаз с различным электрохимическим потенциалом; наличие микро- и макровключений; неоднородность тонкой структуры металлов и сплавов, вследствие возникновения участков с искаженной атомно-кристаллической структурой (дислокации, границы зерен); неоднородность микроструктуры вследствие ликвации, неравномерность оксидных пленок на поверхности за счет наличия макро- и микропор, а также неравномерного образования вторичных продуктов коррозии; наличие на поверхности границ зерен кристаллов, выхода дислокации на поверхность, анизотропность кристаллов.Среди других причин образования гальванических элементов можно выделить такие, как: неоднородность среды; неоднородность физических условий (облучение, воздействие внешних токов, температура). Такое множество причин приводит к тому, что любой металл может подвергаться коррозии. Однако, скорость разрушения при этом зависит не только от природы металла и его структурного состояния, но и от условий, в которых протекает процесс. Это обстоятельство усложняет определение коррозионной стойкости и условия испытания должны быть максимально приближены к условиям эксплуатации.Электрохимическая коррозия имеет некоторые особенности: делится на два одновременно протекающих процесса (катодный и анодный), которые кинетически зависимы друг от друга; на некоторых участках поверхности электрохимическая коррозия может принять локальный характер; растворение основного металла происходит именно на анодах.Поверхность любого металла состоит из множества короткозамкнутых через сам металл микроэлектродов. Контактируя с коррозионной средой, образующиеся гальванические элементы способствуют электрохимическому его разрушению.С определенным упрощением процесс электрохимической коррозии может быть представлен в виде схемы:анодный процесс – ионизация атомов металла с образованием ионов (гидратированных) в растворе и нескомпенсированных электронов в металле;процесс переноса электронов в металле от зон анодной реакции и участков, на которых термодинамически и кинетически возможен катодных процесс;процесс подвода окислителя-деполяризатора к катодным зонам;;катодный процесс – ассимиляция избыточных электронов деполяризатором, для которого в этих зонах обеспечены термодинамические условия процесса восстановления.Механизм электрохимической коррозии может протекать по двум вариантам (рисунок 8):гомогенный механизм электрохимической коррозии:поверхностный слой металла рассматривается как гомогенный и однородный;причиной растворения металла является термодинамическая возможность протекания катодного или анодного актов;К и А участки мигрируют по поверхности во времени;Рисунок 8. Схема электрохимической коррозиискорость протекания электрохимической коррозии зависит от кинетического фактора (времени);однородную поверхность можно рассматривать как предельный случай, который может быть реализован и в жидких металлах.гетерогенный механизм электрохимической коррозии:у твердых металлов поверхность негомогенная, т.к. разные атомы занимают в сплаве различные положения в кристаллической решетке;гетерогенность наблюдается при наличии в сплаве инородных включений.Процессы, развивающиеся при электрохимической коррозии, подобны процессам, протекающим в гальваническом элементе. Скорость протекания процесса определяется величиной электрического тока, возникающего в коррозионном элементе. Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Человечество несет огромные материальные потери в результате коррозии трубопроводов, деталей машин, судов, мостов, морских конструкций и технологического оборудования. Коррозия приводит к уменьшению надежности работы различного оборудования.С учетом возможной коррозии приходится завышать прочность этих, а следовательно, увеличивать расход металла, что приводит к дополнительным экономическим затратам. Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к потерям сырья и продукции, к энергетическим затратам для преодоления дополнительных сопротивлений, вызванных уменьшением проходных сечений трубопроводов из-за отложения ржавчины и других продуктов коррозии. Коррозия также приводит к загрязнению продукции, а значит, и к снижению ее качества [9…11].3.1. Понятие о субкристаллической структуре и процесс коррозии таких сплавовОдним из способов повышения механических свойств металлических материалов является формирование в них нано- и субмикрокристаллической структуры. Согласно принятой терминологии под нанокристаллическими материалами принято понимать такие материалы, у которых величина среднего размера основного элемента структуры хотя бы в одном измерении не превышает 100 нм. В субмикрокристаллических материалах размер зерен колеблется от 0,1 до 1 мкм.Необычность кристаллической структуры таких материалов приводит к проявлению у них принципиально новых физико-химических и механических свойств. Такие материалы обладают высокой прочностью при сохранении удовлетворительного уровня пластичности, в них часто наблюдается изменение фундаментальных, обычно структурно нечувствительных характеристик, например, модулей упругости, температуры точки Кюри и Дебая, отмечается повышение коррозионной стойкости и однородности коррозионного повреждения материала при формировании в нем ультрамелкозернистого состояния.На сегодняшний день разработан ряд методов получения субмикрокристаллических материалов. Среди них можно отметить следующие методы: электроосаждение, быстрая закалка, компактирование нано размерных порошков с последующей горячей экструзией заготовок, методы интенсивной пластической деформации. Наибольший интерес с практической точки зрения представляют методы интенсивной пластической деформации, позволяющие получить в объемных заготовках беспористое субмикрокристаллическое состояние.Для металлов и сплавов с субмикрокристаллической структурой, сформированной при интенсивной пластической деформации, помимо субмикронного размера зерен (меньше 1 мкм) характерны границы зерен с несовершенной структурой.