Низкотемпературная квазигидроэкструзия
Описаны методы и устройства, позволяющие осуществлять пластическую деформацию металлов и сплавов при криогенных температурах в условиях всестороннего сжатия. Приведены результаты применения этой технологии на некоторых металлах и сталях. Показано, что она позволяет формировать в металле структуры, о...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70311 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Низкотемпературная квазигидроэкструзия / П.А. Хаймович // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 2. — С. 12-19. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70311 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-703112025-02-23T17:19:59Z Низкотемпературная квазигидроэкструзия Низькотемпературна квазігідроекструзія Low-temperature quasi-hydroextrusion Хаймович, П.А. Описаны методы и устройства, позволяющие осуществлять пластическую деформацию металлов и сплавов при криогенных температурах в условиях всестороннего сжатия. Приведены результаты применения этой технологии на некоторых металлах и сталях. Показано, что она позволяет формировать в металле структуры, обеспечивающие такие высокое упрочнение и термоустойчивость свойств, которые не могут быть реализованы при других видах обработки. Methods and devices for plastic deformation of metals and alloys at cryogenic temperatures in conditions of uniform compression are described. The results of using this technology for several metals and steels are presented. The opportunity of obtaining metal structures which provide such high hardening and heat resistance of the properties, which cannot be implemented by other kinds of deformation, is shown. 2007 Article Низкотемпературная квазигидроэкструзия / П.А. Хаймович // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 2. — С. 12-19. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.Fe, 81.40.−z https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70311 ru Физика и техника высоких давлений application/pdf Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Описаны методы и устройства, позволяющие осуществлять пластическую деформацию металлов и сплавов при криогенных температурах в условиях всестороннего сжатия. Приведены результаты применения этой технологии на некоторых металлах и сталях. Показано, что она позволяет формировать в металле структуры, обеспечивающие такие высокое упрочнение и термоустойчивость свойств, которые не могут быть реализованы при других видах обработки. |
| format |
Article |
| author |
Хаймович, П.А. |
| spellingShingle |
Хаймович, П.А. Низкотемпературная квазигидроэкструзия Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Хаймович, П.А. |
| author_sort |
Хаймович, П.А. |
| title |
Низкотемпературная квазигидроэкструзия |
| title_short |
Низкотемпературная квазигидроэкструзия |
| title_full |
Низкотемпературная квазигидроэкструзия |
| title_fullStr |
Низкотемпературная квазигидроэкструзия |
| title_full_unstemmed |
Низкотемпературная квазигидроэкструзия |
| title_sort |
низкотемпературная квазигидроэкструзия |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2007 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70311 |
| citation_txt |
Низкотемпературная квазигидроэкструзия / П.А. Хаймович // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 2. — С. 12-19. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT hajmovičpa nizkotemperaturnaâkvazigidroékstruziâ AT hajmovičpa nizʹkotemperaturnakvazígídroekstruzíâ AT hajmovičpa lowtemperaturequasihydroextrusion |
| first_indexed |
2025-11-24T03:40:06Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:40:06Z |
| _version_ |
1849641514064412672 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
12
PACS: 62.20.Fe, 81.40.−z
П.А. Хаймович
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ КВАЗИГИДРОЭКСТРУЗИЯ
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина
E-mail: pavel.41@bk.ru
Описаны методы и устройства, позволяющие осуществлять пластическую дефор-
мацию металлов и сплавов при криогенных температурах в условиях всестороннего
сжатия. Приведены результаты применения этой технологии на некоторых ме-
таллах и сталях. Показано, что она позволяет формировать в металле структуры,
обеспечивающие такие высокое упрочнение и термоустойчивость свойств, кото-
рые не могут быть реализованы при других видах обработки.
Понижению температуры пластического деформирования как фактору,
способствующему достижению повышенных прочностных характеристик
металлов и сплавов, три-четыре десятилетия назад уделялось большое вни-
мание. При этом была убедительно показана роль диспергирования структу-
ры, тем большего, чем ниже температура деформирования [1]. Однако по-
степенно интенсивность подобных исследований упала, так как по мере по-
вышения степени деформации пластичность металла снижалась вплоть до
хрупкости. Это объяснялось накоплением в металле микротрещин при всех
использовавшихся в то время методах низкотемпературного деформирова-
ния, общим для которых являлось наличие значительных напряжений рас-
тяжения в очаге деформации.
Эффективно развиваемые в то время в ДонФТИ НАНУ методы гидроэкс-
трузии свидетельствовали о преимуществах этого вида воздействия, когда ма-
териал побуждается продавливаться через очаг деформации, а не вытягивается
тем или иным способом из него. Было доказано, что процесс образования мик-
ротрещин в случае гидроэкструзии может быть подавлен либо вообще исклю-
чен [2]. Но реализация гидроэкструзии, как известно, осуществлялась только
при комнатной или повышенных температурах, так как для работы в области
криогенных температур не существует жидких передающих давления сред.
Тем не менее в ХФТИ, продолжая попытки осуществления низкотемпера-
турной гидроэкструзии, испытывали в качестве такой среды самые различные
материалы. Задача свелась к поиску пусть и твердого тела, но многократно
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
13
уступающего по прочностным харак-
теристикам обрабатываемому металлу,
пластичного при низкой температуре
деформирования и имеющего при этом
низкий коэффициент упрочнения. В
таком качестве из многих исследован-
ных материалов наилучшие результа-
ты показал индий. Однородность
свойств получаемого экструдата ока-
залась такова, как если бы он дефор-
мировался под воздействием гидроста-
тической среды. Но поскольку среда в
действительности являлась твердым
телом, то и метод был назван авторами
«низкотемпературной квазигидроэкс-
трузией» (НТ КГЭ) (рис. 1) [3].
Параллельно необходимо было
решить задачу приложения усилий к
экструзионному узлу в условиях низ-
ких температур. В первом устройстве
усилием до 15 t, которое разрабатыва-
лось для обычного выдавливания и
представляло собой специализиро-
ванный низкотемпературный пресс,
реализована классическая схема опор-
ная колонка−тяга, помещенные в со-
суд Дьюара с хладагентом [4]. Был
разработан и значительно более мощ-
ный (усилием до 200 t) пресс такого
же типа. Отличался он тем, что для
уменьшения охлаждения его гидроси-
ловой системы от находящегося в
среде хладагента (сжиженного газа)
рабочего узла как опорная колонка,
так и тяга должны были выполняться
каждая из двух практически разомк-
нутых секций, смыкание которых
предполагалось только в процессе на-
гружения пресса [5]. Однако реализо-
вана эта конструкция не была, а все
последующие устройства для НТ КГЭ
разрабатываются и изготавливаются
как приставки к обычным промыш-
ленным прессам.
Рис. 2. Приставка к прессам для НТ
КГЭ в среде сжиженных газов H2, He,
требующих замкнутого контура для
испаряющегося газа (патрубки для
заливки ожиженного газа и выхода
паров на рисунке не показаны)
Рис. 1. Экструзионный узел для осу-
ществления НТ КГЭ: 1 − пуансон, 2 −
передающая давление среда, 3 − заго-
товка, 4 − матрица
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
14
Общей их особенностью является то, что они размещаются в сосудах
Дьюара, в которых внутреннее и наружное днища выполнены с возможно-
стью взаимного осевого перемещения вплоть до смыкания (рис. 2) [6]. В от-
сутствие сжимающих усилий со стороны пресса днища разомкнуты, и сосуд
Дьюара выполняет свои термоизолирующие функции. Под воздействием пе-
ремещающегося плунжера пресса днища смыкаются, реализуется процесс
экструдирования, а после поднятия плунжера днища размыкаются, и сосуд
восстанавливает свои качества теплоизолятора. Так как процесс экструдиро-
вания достаточно быстротечен (как правило, несколько десятков секунд),
элементы пресса не успевают существенно охладиться.
В устройствах такой конструкции КГЭ в диапазоне температур 300−20 K
был подвергнут широкий круг металлов и сплавов [7−10]. Ряд факторов сви-
детельствует, что в контейнере высокого давления действительно реализуют-
ся близкие к гидростатическим давления, побуждающие заготовку полностью
истекать через матрицу, так что в пресс-остатке оказывается только передаю-
щая давление среда. В частности, вне зависимости от размеров применяющих-
ся заготовок (максимальный диаметр до 12 mm) уровень упрочнения постоянен
по сечению экструдата, что многократно проверялось как измерениями микро-
твердости, так и испытаниями на сжатие и на растяжение по методикам, опи-
санным для технологии гидроэкструзии.
Если достижение высокого уровня упрочнения было итогом ожидаемым,
то некоторые результаты представили интерес как отправная точка для более
глубокого исследования обнаруженных особенностей структур, получаемых
при этой обработке. Так, испытания на растяжение выявили связь очень вы-
сокого уровня механических характеристик (при отсутствии склонности к
хрупкому разрушению), приобретаемых бескислородной поликристалличе-
ской медью при НТ КГЭ, с высокой регулярностью слоистой высокодисперс-
ной дислокационной структуры, формирующейся при этом деформировании
[11]. Обнаружено, что как только в образце по достижении предела текучести
начинается пластическая деформация, эта регулярная структура лавинообраз-
но перестраивается в мелкоячеистую, что сопровождается сбросом нагрузки,
поскольку образовавшаяся при перестройке структура уже не способна вы-
держивать те напряжения, противостоять которым могла структура регуляр-
ная. Естественно, все это происходит на каком-то небольшом отрезке образца,
где образуется шейка и протекает дальнейшая деформация вплоть до разрыва,
т.е. имеет место локализация деформации. Структура остальной части образ-
ца сохраняет описанную выше регулярность.
На примере нержавеющей, аустенитной в исходном состоянии стали
Х18Н10Т показано, что при деформировании в условиях одновременного
воздействия всестороннего сжатия и криогенных температур возможно
осуществление практически 100%-го γ−α-превращения с образованием мар-
тенсита очень высокой дисперсности, что открывает новые возможности
применения широко распространенного конструкционного материала [12].
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
15
Рост микротвердости, значительное повышение прочностных характери-
стик наблюдались практически у всех подвергшихся обработке металлов и
сплавов. Величина равномерного удлинения в случае испытаний на растя-
жение у обработанного материала падала, однако хрупкое разрушение не
наступало, поперечное сужение, как правило, составляло 80−90% и более.
Особо следует остановиться на тех примерах применения НТ КГЭ, когда
оказывается определяющим для достижения положительного результата ис-
пользование в качестве передающей давление среды твердого тела, а не
жидкости. При исследованиях влияния НТ КГЭ на физико-механические
свойства никеля деформированию подвергались монокристаллические об-
разцы, ориентированные осями [100] и [110] относительно направления экс-
трудирования, и образцы с так называемой «бамбуковой» структурой, когда
образец фактически является крупнозернистым поликристаллом, но все его
поперечное сечение занимает одно зерно [13]. На рентгенограммах моно-
кристаллического никеля обеих ориентаций после КГЭ при 300 K имеют ме-
сто сплошные кольца. С понижением температуры экструдирования до 77 и
20 K наблюдаются уже не кольца, а дугообразные рефлексы, причем их тан-
генциальное размытие существенно больше у образцов, ориентированных
осью [110] относительно направления экструдирования. В случае же КГЭ
заготовки никеля с «бамбуковой» структурой при 77 K прошедший матрицу
экструдат представлял собой заключенный в индиевую оболочку объект, где
каждый из кристаллитов-зерен оказался в той или иной мере развернут от-
носительно первоначальной оси.
Рентгенографические исследования таблет, вырезанных из этих кристал-
литов в сечении, перпендикулярном оси экструдирования, показали, что в
большей или меньшей мере они ориентированы относительно этой оси на-
правлением [112]. Иными словами, через матрицу одновременно продавли-
вались образец и некоторое количество индия, и кристаллит в этой мягкой
индиевой оболочке получал возможность разворачиваться в выгодном на-
правлении без значительных локальных деформаций, приводящих к нерав-
номерной повышенной плотности дефектов. Общая степень деформации тем
не менее составляла около 60%. Это привело к значительному упрочнению
(Нµ около 2100 MPa), большему, чем имело место в случае КГЭ, которое
проводилось при Textr = 77 K, степени деформации 60% при ориентации оси
монокристалла [100] вдоль направления экструдирования. Но наиболее су-
щественным оказался факт необычно высокой термической устойчивости
металла, деформированного таким специфическим образом. Действительно,
если монокристаллы с осями [110] и [100] относительно направления экс-
трудирования (Тextr = 77 K) при получасовых отжигах рекристаллизовались
при 230 и 360°C соответственно, то кристаллы, имевшие возможность в ру-
башке индия сориентироваться так, что их направление [112] совпадало с
осью экструдирования, оказались термически устойчивыми вплоть до 470°C
(рис. 3, кривая 5).
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
16
Описанные выше условия, в которых деформировался крупнозернистый
поликристалл никеля, близки к идеальным для выявления текстуры металла
в конкретной области температур при конкретном виде деформирования.
Действительно, при деформации относительно мелкозернистого металла
зерна его должны разворачиваться в текстурном направлении, испытывая
противодействие со стороны окружающих его кристаллитов этого же мате-
риала. А при квазигидроэкструзии поликристалла, содержащего практиче-
ски одно зерно в сечении заготовки (как это было осуществлено в настоящей
работе), зерно имеет возможность развернуться в выгодном направлении, не
испытывая значительного внешнего сопротивления, поскольку оно находит-
ся в рубашке из индия − металла, который начинает течь при очень низких
напряжениях.
Исследования, проведенные на широком круге металлов и сплавов, не
только показали возможность достижения применением НТ КГЭ такого
уровня физико-механических характеристик, который другими методами
недостижим, но и обозначили пределы возможностей описанного метода.
Один из недостатков состоит в том, что уровень сил всестороннего сжатия,
во многом определяющий характер образующейся при экструдировании
структуры, однозначно определяется заданной степенью деформации обра-
батываемого объекта. Второй основной недостаток касается материалов с
низкой пластичностью, которые могут растрескиваться при выходе из мат-
рицы. Существовало понимание, в частности, благодаря работам сотрудни-
ков ДонФТИ [14], что решить эти проблемы можно приложением противо-
давления к выходящему из матрицы экструдату. Такой подход и был реали-
зован в методах НТ КГЭ с противодавлением, разработанных в ХФТИ [15].
На рис. 4 представлена схема одного из таких устройств. Оно содержит ра-
бочую камеру 1 с пуансоном 2 и матрицей 3, заполненную твердой пластичной
промежуточной средой 4, которая окружает заготовку 11. Устройство включает
также заполненную твердой пластичной промежуточной средой 5 камеру про-
тиводавления 6, сообщающуюся с рабочей камерой через матрицу последней,
Рис. 3. Влияние получасовых
нагревов на микротвердость
экструдированного монокри-
сталлического никеля. С на-
правлением экструдирования
совпадают оси: [110] (кривые
1, 2), [100] (3, 4), [112] (5).
Тextr = 77 K – кривые 2, 4, 5;
Тextr = 20 K – кривые 1, 3
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
17
дополнительную камеру 7 с филье-
рой 8, сообщающуюся с камерой
противодавления через подвижную
дополнительную матрицу 9, выпол-
ненную с возможностью осевого пе-
ремещения в камере противодавле-
ния. Дополнительная камера уста-
новлена на опорном элементе 10.
Все описанные выше детали разме-
щены в сосуде Дьюара 12 специаль-
ной вышеописанной конструкции,
содержащем хладагент. Наличие до-
полнительной камеры диктуется не-
обходимостью расширения уровня
противодавления.
Применением описанного мето-
да оба упомянутых выше основных
недостатка устройств, использо-
вавшихся ранее, были устранены.
Уровень действующих на заготовку сил всестороннего сжатия в описанном
устройстве можно задавать без связи со значением планируемой степени
деформации заготовки. Это обеспечило дополнительное повышение проч-
ностных характеристик обрабатываемых материалов, что определяется бо-
лее высоким диспергированием структуры. С другой стороны, оказалось
возможным при криогенных температурах деформировать материалы (кото-
рые раньше при этих температурах успешно обрабатывать не удавалось) при
сообщении этим материалам высоких механических характеристик (рис. 5).
Рис. 5. Образцы углеродистой стали, подвергнутой упрочняющей обработке КГЭ
при 77 K: а − без применения противодавления (упрочнение 10−15%); б − с примене-
нием противодавления (упрочнение 50−70% при отсутствии нарушений сплошности)
Рис. 4. Устройство для НТ КГЭ с проти-
водавлением
а б
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
18
Описанные методы воздействия на металлы и устройства для их реали-
зации, обеспечивая возможность пластического деформирования металла в
условиях всестороннего сжатия при криогенных температурах, позволяют
достичь такого уровня физико-механических свойств монолитного металла,
который другими видами воздействия недостижим.
1. И.А. Гиндин, М.Б. Лазарева, В.П. Лебедев, Я.Д. Стародубов, В.М. Мацевитый,
В.И. Хоткевич, ФММ 24, 347 (1967).
2. Д.К. Булычев, Б.И. Береснев, М.Г. Гайдуков, Е.Д. Мартынов, К.П. Родионов,
Ю.Н. Рябинин, ФММ 18, 437 (1964).
3. Я.Д. Стародубов, П.А. Хаймович, Проблемы прочности 10, 116 (1975).
4. И.А. Гиндин, С.Ф. Кравченко, Я.Д. Стародубов, Приборы и техника экспери-
мента 6, 206 (1970).
5. В.У. Асанов, И.А. Гиндин, С.Ф. Кравченко, Я.Д. Стародубов, П.А. Хаймович,
С.Я. Чеканов, В.П. Яшин, А.С. 846304 (СССР) (1981).
6. В.У. Асанов, А.В. Мац, П.А. Хаймович, в сб.: Физика и техника высоких давле-
ний, Наукова думка, Киев (1983), вып. 14, с. 64−65.
7. И.А. Гиндин, Я.Д. Стародубов, М.П. Старолат, П.А. Хаймович, ФММ 40, 403
(1975).
8. А.В. Мац, Я.Д. Стародубов, П.А. Хаймович, ВАНТ. Серия «Вакуум, чистые ма-
териалы, сверхпроводники» № 1, 161 (2002).
9. В.К. Аксенов, А.В. Мац, в сб.: Физика и техника высоких давлений, Наукова
думка, Киев (1989), вып. 31, с. 31−36.
10. В.В. Брык, И.М. Неклюдов, В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов, П.А. Хаймович,
Металлофиз. новейшие технол. 27, 551 (2005).
11. И.А. Гиндин, Я.Д. Стародубов, М.П. Старолат, П.А. Хаймович, ФММ 48, 1004
(1979).
12. А.С. Кальченко, А.В. Мац, И.М. Неклюдов, В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов,
П.А. Хаймович, Металлофиз. новейшие технол. 27, 585 (2005).
13. И.А. Гиндин, Я.Д. Стародубов, П.А. Хаймович, Металлофизика 10, вып. 3. 97
(1988).
14. В.З. Спусканюк, В.А. Богданов, Я.Е. Бейгельзимер, И.М. Коваленко, в сб.: Физи-
ка и техника высоких давлений, Наукова думка, Киев (1989), вып. 32, с. 72−76.
15. П.А. Хаймович, Патент Украины № 75155 (2006).
P.A. Khaimovich
LOW-TEMPERATURE QUASI-HYDROEXTRUSION
Methods and devices for plastic deformation of metals and alloys at cryogenic tempera-
tures in conditions of uniform compression are described. The results of using this tech-
nology for several metals and steels are presented. The opportunity of obtaining metal
structures which provide such high hardening and heat resistance of the properties, which
cannot be implemented by other kinds of deformation, is shown.
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 2
19
Fig. 1. A device for realization of the low-temperature quasi-hydroextrusion (LT QHE): 1 −
piston, 2 – medium that transmits pressure, 3 − preform, 4 − die
Fig. 2. A device for the presses for the LT QHE in medium of liquefied gas H2, He,
which demand a closed loop for evaporating gas (branch pipes for filling a vessel with
liquefied gas and for evaporating-fluid escapement are not shown)
Fig. 3. Influence of half-hour’s heatings on microhardness of extruded monocrystalline
nickel. Axes coincide with a direction of extrusion: [110] − (curves 1, 2), [100] (3, 4),
[112] (5). Textr = 77 K – curves 2, 4, 5; Textr = 20 K – curves 1, 3
Fig. 4. A device for the LT QHE with backpressure
Fig. 5. Samples of carbon steel subjected to QHE at 77 K: a − without application of
backpressure (10−15% hardening); б − with application of backpressure (50−70% hard-
ening with no crack formation)
|