Výzkum vlivu extrémních podmínek deformace na submikrostrukturu kovů

1. Výzkum vlivu extrémních podmínek deformace na submikrostrukturu kovů a zkušebních metod pro diagnostiku jejich technologických vlastností Věcná náplň projektu v programu Trvalá prosperita, ev. č. 2A-1TP1/124, řešeného v průběhu let 2006 až 2011 řešitelé: Ing. Vít Michenka, Ing. Milan Gottwald, Ing. Karel Malaník, CSc. Laboratoře a zkušebny, VUHZ a. s. Prof. Ing. Stanislav Rusz, CSc. VŠB – TUO, Fakulta strojní

2. PŘEDMĚT ŘEŠENÍ PROJEKTU vytýčené cíle • oblast technologie tváření b) oblast materiálového zkušebnictví • ad a) • Vyhodnocení průběhů a intenzity deformace vybraných materiálů na bázi hliníku v průběhu tvářecího procesu ECAP, návrhy úprav geometrie tvářecího nástroje vedoucích ke zvýšení efektivity procesu, jejich realizace, praktické ověření a vyhodnocení výsledků. • Vypracování výrobní dokumentace prototypu zařízení tvářecího procesu DRECE, realizace a uvedení zařízení do zkušebního provozu, hodnocení vlivu tvářecího procesu na výstupní vlastnosti materiálů na bázi hliníku, mědi a vybrané třídy oceli. • ad b) • Zhotovení jednotných návrhů pro hodnocení kvalitativních vlastností UFG materiálů: aplikace zkoušky tahem s použitím zkušebních těles malých rozměrů, aplikace tzv. penetrační zkoušky, zkušební postup pro hodnocení mikrostrukturní stability a tvařitelnosti. Zpracování zkušebních postupů do závazných dokumentů normativního charakteru, zavedení metod v rámci praktických experimentálních prací.

3. Princip protlačování pravoúhlým rovnostranným kanálem ECAP p Obr. 1 Úhly kanálu Obr. 2 Parametry kanálu R1 - vnější poloměr R2 - vnitřní poloměr b - šířka kanálu b1 - šířka kanálu mezi zaoblením p - zatížení  - úhel přechodu dvou kanálů  - úhel vnějšího zaoblení kanálu

4. Ukákzka intenzity deformace při prvním průchodu v programu QForm R1 = 2,4 mm, R2 = 0,2 mm  = 90°,  = 90° R1 = 5,5 mm, R2 = 0,2 mm  = 90°,  = 90° 1. průchod 1. průchod

5. Návrh změny geometrie na dosažený stupeň deformace • Zvýšení stupně deformace v prvním průchodu tvářecím nástrojem změnou cesty deformace • Optimalizace podmínek protlačovacího procesu • Snižování tření mezi nástrojem a vzorkem • Snížení počtu průchodů nástrojem ECAP

6. Konstrukční návrh protlačovacího nástroje s vychýlenou výstupní částí o 10° a 20° NÁVRH UKÁZKA REALIZACE

7. Konstrukční návrh protlačovacího nástrojes vychýlenou výstupní částí o 10° a 20° R1 = 2,4 mm, R2 = 0,5 mm, R5 = 5 mm  = 90°,  = 90° Vychýlení 10° Vychýlení 20°

8. Efektivní plastická deformace slitiny AlMn1Cu při 20°C po 4 průchodech, vychýlení 20° Efektivní plastická deformace Efektivní plastická deformace 1. průchod 2. průchod Efektivní plastická deformace Efektivní plastická deformace 3. průchod 4. průchod

9. Další nová konstrukce nástroje ECAP s vloženou šroubovicí v horizontální části kanálu(úhel stoupání 10° a 30°) 30° 10°

10. Dosažená velikost intenzity deformace po procesu ECAP(klasická geometrie vs. šroubovice, stoupání 10°) Klasická geometrie nástroje ECAP: Φ = 90°; Ψ = 60° Zabudovaná šroubovice v horizontálním kanále, stoupání 10°

11. Vliv změny úhlu vychýlení kanálu na velikost přetvárného odporu v 1., 4. a 5. průchodů

12. Příklad mikrostrukturní analýzy naTEM a metodou SAED u slitiny AlMn1Cu 1. průchod, příčný směr, vychýlení kanálu 20° TEM analýza SAED analýza 5. průchod, příčný směr, vychýlení kanálu 20°

13. Metalografická analýza vzorků AlMn1Cu na TEM a SAED, kanál sešroubovicí 10° a)TEM výchozíb) SAED výchozí c) TEM 5. průchodd) SAED 5. průchod

14. Závěry • Pomocí matematické simulace i experimentálním ověřením bylo jednoznačně prokázáno, že změna cesty deformace v prvním průchodu nástrojem ECAP zvyšuje stupeň deformace • při vychýlení kanálu - 10° o cca 10% • při vychýlení kanálu - 20° o cca 15% • Při zavedení šroubovice (10°) do vertikální části kanálu – o cca 25%

15. Konstrukční návrh a prototypové zařízení procesu DRECE Proces DRECE je progresivním typem tvářecího procesu – jedná se o dosažení vysokého stupně deformace technologii protlačování pásu plechu při zachování konstantní velikosti příčného průřezu. Zásadním rozdílem mezi konvenčním válcováním a procesem DRECE je různá podstata tvářecího pochodu. U procesu DRECE je pás plechu vtlačován podávacím válcem a pomocí dvou válců přitlačován do vlastního tvářecího nástroje (dva kusy tvořící funkční matrici). V pásmu deformace dochází k vysokému přetvoření materiálu v důsledku vzniku střižných napětí, což vede ke zjemnění zrna, jehož důsledkem je podstatné zvýšení mechanických vlastností. Mezi dvěma přítlačnými válci je umístěn vodící segment, aby nedocházelo ke zvlňování plechu. Při vlastním tvářecím procesu nedochází ke změně příčného průřezu pásu  (tzn. ani šířky, ani tloušťky). Konstrukční schéma zařízení DRECE Daný prototyp zařízení se s kládáz těchto hlavních funkčních částí: hlavní pracovní válec, přítlačné válce, distanční deska, vlastní dvoudílný protlačovací nástroj, 2 uchycovací desky. Pás plechu rozměrů 60 x 1,5 1000 mm  je zasouván silou vyvozenou pracovním válcem do tvářecího nástroje. Ve finální fázi je pás plechu vytažen ze zařízení pomocí speciální čelisti ovládané hydraulickým válcem (dané zařízení je samostatné a není uvedeno v uvedené výkresovém schéma Vlastní zařízení DRECE - fotodokumentace Základní technické parametry Fmax = 72 kN (síla vyvozená hlavním podávacím válcem) Fs = 120 kN (přítlačná síla válců) st = 480 MPa (napětí indikované ve tvářeném materiálu) frekvenční měnič řízení otáček motoru rychlost protlačování v = 0,5 – 100 (mm. s-1)

16. Konstrukční návrh a prototypové zařízení procesu DRECE Uvedení zařízení do zkušebního provozu • b) • Geometrie tvářecíhonástroje a) původní, b) upravená Zařízení bylo sestaveno na podzim roku 2008. Dále byly provedeny různé praktické úpravy související se zajištěním jeho bezproblémového chodu (změna geometrie tvářecího nástroje, změna přítlaku a drsnosti povrchu válců, volba maziva, možnost rozebíratelnosti dílů, apod.). Po těchto počátečních úpravách bylo zařízení plně uvedeno do laboratorního provozu a započaly experimenty se zpracováním materiálů na bázi hliníku, mědi a vybrané třídy oceli – viz dále v prezentaci.

17. Ukázky matematické simulace procesu DRECE materiál Al 99,5% - 1. průchod a) Intenzita deformace na okraji vzorku b) Intenzita deformace v polovině průřezu plechu materiál Cu 99,5% - 1. průchod

18. Navržené směry řešení pro komplexní hodnocení kvalitativních vlastností UFG • navržení a verifikace zkušebního postupu pro provádění zkoušky tahem za okolní teploty s použitím malého zkušebního tělesa, • použití tzv. penetrační zkoušky pro UFG materiály, • metodika hodnocení mikrostrukturní stability a tvařitelnosti.

19. Zkouška tahem za okolní teploty s použitím malých zkušebních těles Postup řešení: návrh 6 potenciálních zkušebních těles různého rozměru a geometrie, hodnocení vlivu navržené geometrie a rozměrů srovnáním s výsledky standardizovaných zkoušek dle ISO 6892-1 (resp. dříve dle EN 1002-1) s použitím materiálu na bázi Al slitiny – návrh finálního zkušebního tělesa, stanovení deformační rychlosti pro vybrané zkušební těleso srovnáním se standardizovaným postupem s použitím materiálů na bázi Al slitin v různým stavu deformace struktury.

20. Zkouška tahem za okolní teploty s použitím malých zkušebních těles – zkušební postup Zkušební podmínky: Výlučné použití uvedeného zkušebního tělesa Zkušební (resp. deformační) rychlost: 0,3 mm.s-1 ±20 %, 0,02 s-1 ±20 % Použití smluvní tažnosti A5mm

21. Penetrační zkouška Předmětem zkoušky je zatěžování zkušebního tělesa kulovým průtlačníkem a registrace diagramu sila vs. hloubka průhybů. • rozměry zkušebního tělesa: (8,0 x 8,0 x 0,5)±0,05 mm • rychlost zatěžování: 0,05 mm/s • stanovení Fmax a Fba jim odpovídajících hloubek průhybůdmax a db

22. Zkouška mikrostrukturní stability Zkouška je založena na hodnocení vlivu vybrané teplotní expozice na sledovanou mechanickou veličinu a následné stanovení kritické teploty, při které dochází k zásadním mechanických, potažmo mikrostrukturním změnám. Zkušební postup: Volba zkušebních teplot a doby výdrže, volba sledované mechanické veličiny (přednostně zkouška tvrdosti dle Vickerse) Provedení experimentálního tepelného zpracování Volba přístupu stanovení kritické teploty Popis vhodnou korelační křivkou Výpočet kritické teploty (doporučený popis)

23. Zkouška tvařitelnosti Navržený přístup hodnocení tvařitelnosti vychází z popisu a stanovení deformační energie v průběhu zkoušky tahem. Kde: P je stanovený parametr plasticity v J E* je Youngův modul pružnosti v tahu v MPa Epsilon je deformace (y – na mezi kluzu, f – lomová deformace), bezrozměrná n a K jsou popisné materiálové konstanty Ramberg-Osgoodovy rovnice

24. Praktické ukázky výsledků Zkouška tahem – malé těleso AlFe1,5Mn1Cu • pozn: *materiál tvářen dvoustupňově, tzn. rozdílná historie procesu válcování AlMn1Cu1Cu

25. Praktické ukázky výsledků Penetrační zkouška

26. Praktické ukázky výsledků Zkouška mikrostrukturní stability

27. Praktické ukázky výsledků Zkoušky tahem – proces DRECE, materiál CuZn35 Je sledován 60% nárůst meze kluzu a 30% nárůst meze pevnosti po zpracování čtyřmi průchody DRECE. Rovnoměrný nárůst, dobrý poměr mezi Rp/Rm

28. Praktické ukázky výsledků Zkoušky tahem – proces DRECE, materiál CuZn35, žíháno po procesu Po navrženém post tepelném zpracování dochází pouze k cca 10% až 15% poklesu pevnostních hodnot, avšak v závislosti na počtu průchodů je sledován nárůst tažnosti až 100 %.

29. Praktické ukázky výsledků Zkoušky tahem – proces DRECE, materiál CuZn35, žíháno po procesu následná druhá série zpracování procesem DRECE – celkově 8 průchodů Z provedeného experiment vyplývá, že zpracování vybraným mezioperačním žíháním nepřináší oproti standardnímu postupu pozitivní přínos. Daný režim tepelného zpracování je tedy vhodný pouze jako proces vedoucí k částečnému snížení pevnostních hodnot, který však vede k zásadnímu navýšení tažnosti, což je pro následnou aplikaci výrobní technologie (ohýbání, skružování…) velmi žádoucí. Následné zpracování další sérií procesem DRECE tedy nemá pro daný materiál opodstatnění.

30. Praktické ukázky výsledků Zkoušky tahem – proces DRECE, ocel 11321 pozn.: zkouška hlubokotažnosti – standardní zkouška dle ISO 8490 Je sledován 115% až 140% nárůst meze kluzu a 35% nárůst meze pevnosti po zpracování DRECE. Optimum mezi 3 až 4 průchody, dostatečné hodnoty tažnosti i hlubokotažnosti.

31. Praktické ukázky výsledků Zkoušky tahem – proces DRECE, ocel 11321, žíháno po procesu Pozn.: výsledky „výchozí“ jsou v grafu uvedeny pro názornost, nejedná se o žíhaný stav, ani zpracovaný procesem DRECE Je sledován cca 35% pokles meze kluzu a 25% pokles meze pevnosti po provedeném tepelném zpracování. Hodnoty tažnosti A80mm však ve všech případech převyšují 10 % (min. obvyklá hodnota požadovaná pro hlubokotažné oceli). Takto zpracované pásy plechů vykazují ve všech sledovaných mechanických veličinách lepší hodnoty, porovnáno k nezpracovanému stavu (tj. bez zpracování DRECE a následného žíhání).

32. Porovnání dosažených výsledků se světovým vývojem dané oblasti tváření • Aktivní účasti na významných světových vědeckých konferencích (Plasticity 2009, TMT 2010, AMME 2010, ICOD 2011, METAL 2010, 2011 a zejména pak BNM (BulcNanoMaterials) 2011 (23 - 26. 8. 2011) v Ufě byla potvrzena správnost vývoje daných typů tvářecích nástrojů a zařízení pro výrobu materiálů s UFG (velmi jemnozrnnou) strukturou, • Významní světoví odborníci – prof. Valiev (Rusko), prof. Dobatkin (Rusko) prof. Kim (Korea), prof. Wang (Čína), prof. Wilde (Německo), prof. Zehetbauer (Rakousko) apod. projevili zájem o spolupráci při vývoji materiálů s UFG strukturou na daných zařízeních, • Z výše uvedených poznatků a srovnání vyplývá, že výzkum v oblasti výroby polotovarů s UFG strukturou je velmi perspektivní a proveditelný na výše uvedených zařízeních a odpovídá požadavkům průmyslové praxe.

33. Souhrn výsledků řešení bylo provedeno rozsáhlé zmapování tvářecího procesu ECAP z prohledu průběhu intenzity deformace, byly navrženy geometrické úpravy tvářecího nástroje, tyto úpravy byly realizovány a vyhodnocovány, byl navržen, zkonstruován a zaveden do zkušebního provozu prototyp zařízení tvářecího procesu DRECE, byly provedeny návrhy a verifikace zkušebních postupů pro hodnocení jakosti UFG materiálů – formou jednotné prováděcí dokumentace byly zpracovány zkušební postupy pro zkoušku tahem za okolní teploty s použitím zkušebních těles zmenšených rozměrů, dále pro tzv. penetrační zkoušku, zkouškumikrostrukturní stability a zkoušku tvařitelnosti, tyto zkušební postupy byly v rámci praktických experimentů plně zavedeny do užívání, byla provedena četná hodnocení materiálů na bázi hliníku, mědi a vybrané třídy oceli po zpracování uvedenými SPD technologiemi – standardní i nestandardní zkoušky, metalografická hodnocení s použitím optické i elektronové mikroskopie, byla prokázána správnost navržených úprav tvářecího nástroje ECAP i úspěšné výsledky se zpracováním materiálů na bázi mědi a vybrané třídy oceli procesem DRECE, v průběhu řešení bylo vyhotoveno více než 50 dílčích zpráv, výsledky byly publikovány na tuzemských i zahraničních odborných konferencích s pozitivním ohlasem.

34. Konec presentace