Влияние скорости деформации на микроструктуру и механические свойства алюминиевого сплава AA2B06-O системы Al–Cu–Mg

Исследованы механические свойства при растяжении и микроструктура авиационного алюминиевого сплава AA2B06-O системы Al–Cu–Mg при малых (0,001–1,0 с–¹) и высоких (1293–5045 с–¹) скоростях деформации. При относительно медленном (квазистатическом) растяжении скорость деформации слабо влияет на механические характеристики. При быстром (динамическом) нагружении повышение скорости деформации приводит к существенному (почти в 2 раза) одновременному увеличению предела прочности сплава при растяжении и его пластичности (относительного удлинения до разрушения) при почти неизменном пределе текучести. С помощью просвечивающей электронной микроскопии установлен гомогенный характер пластической деформации на микроуровне при медленном нагружении и негомогенный – при быстром, проявляющийся в ее локализации в виде адиабатических микрополос сдвига, в которых формируются сложные дислокационные структуры, такие как сплетения дислокаций, дипольные и мультипольные конфигурации. В отдельных участках микрополос сдвига наблюдается первая стадия динамической рекристаллизации из-за выделяющейся теплоты локализованной пластической деформации. Показано, что смена механизма деформации при переходе от квазистатического к динамическому растяжению является причиной значительного изменения механического поведения материала. Таким образом, одновременное повышение прочности и пластичности может иметь место не только в наноструктурированных сплавах, полученных методами интенсивной пластической деформации (например, равноканальным угловым прессованием), но и при высокоскоростной деформации алюминиевого сплава с «обычной» микроструктурой после прокатки и низкотемпературного отжига. Экспериментальные результаты открывают новые перспективы практического применения методов высокоскоростной импульсной деформации, таких как гидроударная штамповка, для получения деталей сложной формы из листовых заготовок за одну операцию вследствие значительного улучшения технологической пластичности материала.

1. Покровский А.И. Развитие технологий пластического формообразования металлов с использованием промежуточных сред (гидродинамическое выдавливание, гидроударная штамповка). Известия НАН Беларуси. Сер. физ.-техн. наук. 2016. No. 1. C. 80—92.

2. Ma Y., Xu Y., Zhang S.H., Banabic D., El-Aty A.A., Chen D.Y., Cheng M., Song H.W., Pokrovsky A.I., Chen G.Q. Investigation on formability enhancement of 5A06 aluminium sheet by impact hydroforming. CIRP Annals — Manufact. Technol. 2018. Vol. 67. P. 281—284. DOI: 10.1016/j.cirp.2018.04.024.

3. Zhang S.H., Ma Y., Xu Y., El-Aty A.A., Chen D.Y., Shang Y.L., Chen G.Q., Pokrovsky A.I. Effect of impact hydroforming loads on the formability of AA5A06 sheet metal. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 418. No. 1. Art. 012114. DOI: 10.1088/1757-899X/418/1/012114.

4. Chen D.Y., Xu Y., Zhang S.H, Ma Y., El-Aty A.A., Banabic D., Pokrovsky A.I., Bakinovskaya A.A. A novel method to evaluate the high strain rate formability of sheet metals under impact hydroforming. J. Mater. Proc. Technol. 2021. Vol. 287. Art. 116553. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2019.116553.

5. Hopkinson B. A method of measuring the pressure produced in the detonation of high explosives or by the impact of bullets. Philos. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A. 1914. Vol. 213. No. 497-508. P. 437—456. DOI: 10.1098/rsta.1914.0010.

6. Ващенко А.П. Экспериментальные методы и механические свойства конструкционных материалов при высокоскоростной деформации (102...105 с–1) и температурах 77...773 К. Проблемы прочности. 2002. No. 3. С. 55—61.

7. Степанов Г.В. Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении. Киев: Наук. думка, 1991.

8. Brandon D., Kaplan W.D. Microstructural characterization of materials. Chichester, England: John Wiley & Sons, 2008.

9. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов. М.: Изд. Дом МИСиС, 2009.

10. Belov N.A., Eskin D.G., Aksenov A.A. Multicomponent phase diagrams: Applications for commercial aluminum alloys. Amsterdam: Elsevier, 2005.

11. Баландин Вл.Вас., Баландин Вл.Вл., Брагов А.М., Игумнов Л.А., Константинов А.Ю., Ломунов А.К. Высокоскоростное деформирование и разрушение стали 09Г2С. Механика твердого тела. 2014. No. 6. С. 78—85.

12. Зубов В.И., Степанов Г.В., Широков А.В. Влияние скорости деформации на предел текучести сталей различной прочности. Проблемы прочности. 2003. No. 5. С. 113—122.

13. Schaefer H.-E. Nanoscience: The science of the small in physics, engineering, chemistry, biology and medicine. Heidelberg etc.: Springer, 2010.

14. Chuvil’deev V.N., Kopylov V.I. Structure and properties of materials produced by severe plastic deformation. In: Fundamentals and engineering of severe plastic deformation (Eds. V.M. Segal, I.J. Beyerlein, C.N. Tome, V.N. Chuvil’deev, V.I. Kopylov). NY: Nova Science Publ., Inc., 2010. P. 291—509.

15. Mungole T., Kumar P., Kawasaki M., Langdon T.G. The contribution of grain boundary sliding in tensile deformation of an ultrafine-grained aluminum alloy having high strength and high ductility. J. Mater. Sci. 2015. Vol. 50. No. 10. P. 3549—3561. DOI: 10.1007/s10853-015-8915-2.

16. Worswick M.J., Smerd R., Salisbury C.P., Winkler S., Lloyd D.J. High strain rate behaviour of aluminium alloy sheet. Mater. Sci. Forum. 2006. Vol. 519—521. P. 139—146. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.519-521.139.

17. Lee W.-S., Lin C.-F. Effects of prestrain and strain rate on dynamic deformation characteristics of 304L stainless steel: Pt. 2. Microstructural study. Mater. Sci. Technol. 2002. Vol. 18. No. 8. P. 877—884. DOI: 10.1179/026708302225004720.

18. Owolabi G., Odoh D., Peterson A., Odeshi A., Whitworth H. Measurement of the deformation of aluminum alloys under high strain rates using high speed digital cameras. World J. Mechanics. 2013. Vol. 3. No. 2. P. 112—121. DOI: 10.4236/wjm.2013.32009.

19. Li Z., Wang B., Zhao S., Valiev R.Z., Vecchio K.S., Meyers M.A. Dynamic deformation and failure of ultrafine-grained titanium. Acta Mater. 2016. Vol. 125. P. 210—218. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.11.041.

20. Meyers M.A. Dynamic behavior of materials. NY: John Wiley & Sons, 1994.

21. Dodd B., Bai Y. (Eds.). Adiabatic shear localization: Frontiers and advances. 2nd ed. Amsterdam: Elsevier Ltd., 2012.

22. Murr L.E., Trillo E.A., Pappu S., Kennedy C. Adiabatic shear bands and examples of their role in severe plastic deformation. J. Mater. Sci. 2002. Vol. 37. No. 16. P. 3337—3360. DOI: 10.1023/A:1016541023502.

23. Richert M., Leszczynska B. Structure and properties of dynamically compressed Al99.5 and AlCuZr alloy. J. Alloys Compd. 2004. Vol. 382. P. 305—310. DOI: 10.1016/j.jallcom.2004.06.004.

24. Leszczynska-Madej B., Richert M. The effect of strain rate on the evolution of microstructure in aluminium alloys. J. Microscopy. 2010. Vol. 237. Pt. 3. P. 399—403. DOI: 10.1111/j.1365-2818.2009.03271.x.

25. Leszczynska-Madej B., Richert M. The effect of dynamic compression on the evolution of microstructure in aluminium and its alloys. Arch. Metal. Mater. 2013. Vol. 58. No. 4. P. 1097—1103.

26. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

27. Hirsch P.B. Work hardening. In: The Physics of metals. Vol. 2. Defects (Ed. P.B. Hirsch). Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1975. P. 189—246.