VŠB - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA , FAKULTA STROJNÍ, KATEDRA MECHANICKÉ TECHNOLOGIE

1. VŠB - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA , FAKULTA STROJNÍ, KATEDRA MECHANICKÉ TECHNOLOGIE Využití vícenásobné plastické deformace pro dosažení velmi jemnozrnné struktury (inaugurační přednáška) doc. Ing. Stanislav Rusz, CSc. Vědecké spisy Fakulty strojní Edice: Habilitační a inaugurační spisy sv. 33 2006

2. OSNOVA PŘEDNÁŠKY • Úvod do problematiky • Fyzikální modely vzniku nanostrukturních materiálů • Základní typy technologií výroby velmi jemnozrnných materiálů • Podstata procesu ECAP • Experimentální ověření zjemňování zrna u slitiny AlCu4Mg2 • Vyhodnocení dosažených výsledků, výhled dalšího vývoje dané technologie • Návrh nového konstrukčního řešení geometrie kanálu nástroje ECAP

3. Vývoj materiálů s ultrajemnou strukturou neboli nanostrukturních materiálů patří v současné době k předním oblastem výzkumu materiálů a tvářecích technologií na celém světě • Technologie výroby polotovarů (pásů plechu, kruhových tyčí a profilů) s velmi jemnozrnnou strukturou – je intenzívně vyvíjená zejména v Koreji, USA a Japonsku

4. VELMI JEMNOZRNNÉ MATERIÁLY – ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA • průměrná velikost zrna (50 – 200) nm • velmi vysoká pevnost při zachování velmi dobrých tvářecích vlastností • zvýšení zatížení přenášeného konstrukčními prvky vyráběnými z těchto materiálů a zároveň zvýšení bezpečnostikonstrukcí • uplatnění - ve strojírenství, hutnictví, automobilovém, vojenském a kosmickém průmyslu

5. TEORETICKÉ MODELY VZNIKU NANOSTRUKTŮRNÍCH MATERIÁLŮ • Masumurův teoretický model • Carsleyho teoretický model • Kimův teoretický model • Ovidkův teoretický model • Chokshiho teoretický model

6. DEFINICE – PODSTATA Modely velmi jemnozrnných (nanokrystalických) materiálů jsou definovány jako dvoufázové kompozity popisující jejich mechanické vlastnosti pomocí tzv. pravidla směsi. Mez kluzu u těchto materiálů je definována jako poměr meze kluzu fáze vnitřku zrna a fáze jeho okrajů, který silně závisí na objemovém lomu fáze hranice zrna. Mez kluzu fáze hranice zrna se předpokládá nižší než u fáze vnitřku zrna.

7. Posuzované teoretické modely jsou charakteristické procesem deformačních mechanismů, popisem těchto mechanismů a dislokačními pohyby mřížky - posun hranic zrn, difúzní hromadné přemístění Obr. 1 Hranice zrn (a) hrají roli překážek pro dislokační pohyb mřížky v primárních polykrystalech a (b) působí na změkčení stavebních prvků, které nesou plastický tok v těchto velmi jemnozrnných materiálech

8. Masumurův teoretický model • Masumura vycházel z dat v Hall-Petchově diagramu - meze kluzu a velikosti zrna – vyjádřeného vztahem (1) do doby, než je dosaženo velmi jemného zrna. Jedná se o vývoj defektů a přeměny struktury hranice zrna. τ = τ0 + k.d-1/2 (1)

9. a) b) Obr. 2Závislost mikrotvrdosti na velikosti zrna při rozdílných atomových hustotách hranic nanokrystalů: (a) Cu a (b) Fe. Rovná přerušovaná čára byla vytvořena dle dosažených experim. hodnot.

10. Ovidkův teoretický model • Daný teoretický model popisuje skluz hranic zrn jako převládající deformační mechanismus plastického toku v nanokrystalických materiálech v elementárních, nano-měřítkových úrovních. Plastická deformace se chová jako obecné vady krystalů.

11. ZÁKLADNÍ TECHNOLOGIE VÝROBY NANOSTRUKTURNÍCH MATERIÁLŮ • ECAP - Protlačování rovnostranným pravoúhlým kanálem • DCAP – Dissimilar Channel Angular Pressing (kombinované válcování spojené s protlačováním nerovnostranným kanálem) • HPT – High Pressure Torsion (kombinace krutového namáhání spojeného s namáháním vysokým tlakem) • CCDC – Cyclic Channel Die Compression (cyklické pěchování v kanále) • CEC – Cyclic Extrusion Compression (cyklické protlačování spojené • s pěchováním) • CONFORM – Continuous Extrusion Forming (kontinuální vytlačování otvorem) • ARB – Accumulative Roll Bonding (kumulalativní spojování válcováním) • CGP – Constrained Groove Pressing (lisování do drážek)

12. PRINCIP PROTLAČOVÁNÍ ROVNOSTRANNÝM PRAVOÚHLÝM KANÁLEM (ECAP)

13. GEOMETRIE PROTLAČOVACÍHO KANÁLU

14. VARIANTY PRŮCHODU KANÁLEM ECAP

15. VÝSKYT STŘIŽNÝCH ROVIN U JEDNOTLIVÝCH TYPŮ PRŮCHODŮ KANÁLEM ECAP

16. EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ TECHNOLOGIE ECAP

17. HYDRALICKÝ LIS DP 1600 kN S NÁSTROJEM ECAP

18. EXPERIMENTÁLNÍ PRACOVIŠTĚ (celkový pohled)

19. OVĚŘOVANÝ MATERIÁL – SLITINA AlCu4Mg2 Vstupní údaje • výchozí přůměrná velikost zrna - 150 mm • základní mechanické vlastnosti : pevnost Rm = 220 MPa, tažnost A5 = 15 % a tvrdost HB (2,5/62/30) ~ 70 • čtvercový průřez výchozích vzorků 8 x 8 mm. vzorky byly protlačovány při teplotě 20 °C • typ průchou BC • střední velikost deformační rychlosti έ = 5x10-2 s-1

20. DOSAŽENÉ VÝSLEDKY • Po jednotlivých průchodech docházelo ke kumulaci  deformačního zpevnění • Hodnota počátečního přetvárného odporu se pohybovala v oblasti smax = 650 MPa a postupně narůstala tak, že při čtvrtém protlačení dosahovala velikosti sma = 1050 MPa • Velikost deformace i přetvárného odporu byla ovlivňována především vnějším poloměrem zaoblení přechodu kanálu R1 a použitým mazivem

21. STRUKTURNÍ ANALÝZA • Místa odběru pro TEM

22. Vstupní struktura vzorku pčed protlačováním, slitina ALCu4Mg2 (výchozí stav)

23. Struktura vzorku po prvním průchodu nástrojem ECAP u slitiny ALCu4Mg2 (střed vzorku)

24. Struktura vzorku po čtvrtém průchodu nástrojem ECAP u slitiny ALCu4Mg2 (1 mm od okraje vzorku)

25. HODNOCENÍ MIKROSTRUKTURY • Mikrostrukturní pozorování definitivně prokázala, že úspěšné využití technologie ECAP vyžaduje provedení kanálu s hodnotou úhlu  blížící se 90. • Problémy asociované s protlačováním poměrně tvrdých materiálů, nemohou být nahrazeny snahou dosažení vysokého celkového stupně přetvoření malými přírůstky deformace metodou opakovaného protlačování kanálem s vyšší hodnotou úhlu .

26. ZÁKLADNÍ CÍL NOVÉHO KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ • ZVÝŠENÍ STUPNĚ DEFORMACE V PRVNÍM PRŮCHODU KANÁLEM NÁSTROJE ECAP • SNÍŽENÍ POČTU PRŮCHODŮ NÁSTROJEM ECAP OPROTI KLASICKÉMU ŘEŠENÍ - PŘI DOCÍLENÍ STEJNÉ FINÁLNÍ STŘEDNÍ VELIKOSTI ZRNA

27. NÁVRH NOVÉHO KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ GEOMETRIE KANÁLU NÁSTROJE ECAP

28. TVARY PŘECHODŮ PRŮŘEZŮ KANALU

29. ČTVERCOVÝ PRŮŘEZ PŘECHÁZEJÍCÍ DO ŠROUBOVICE

30. NÁVRH ZCELA NOVÉ KONCEPCE NÁSTROJE ECAP

31. KONSTRUKČNÍ NÁVRH NÁSTROJE PRO POLOPROVOZNÍ ZKOUŠKY

32. Schéma přidržovacího válečku upevněného na segmentovém dopravníku

33. Matematická simulace procesu vícenásobné plastické deformace • Program FORMFEM - software pro počítačovou simulaci procesů objemového tváření. Simuluje za tepla i za studenaprocesy lisování, volného kování, zápustkového kování, tažení, protlačování, ohýbání, válcování plochých vývalků a protahování za podmínek rotační symetrie nebo rovinné deformace, • Základní konstitutivní rovnice je vyjádřena vztahem: a podmínka nestlačitelnosti vztahem: εv = ε1+ε2+ε3 = 0

34. Okrajové podmínky materiál polotovaru AlCu4Mg2 teplota polotovaru Tp = 20 C teplota nástrojů Tn = 20 C materiál matrice 19 221

35. horní část kanálunástroje CELKOVÁ SESTAVA průtlačník tvářený polotovar spodní část kanálu nástroje

36. PRŮBĚHY DEFORMACERASTRŮ S POLOMĚRY KANÁLU R1 = 2,4 mm, R2 =0, 2mm A ÚHLY KANÁLU  = 90 ° A  = 90°

37. HODNOTY TVÁŘECÍCHPARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R1 = 2,4 mm, R2 =0,2mm A STEJNÝCH ÚHLECH  = 90 °,  = 90°

38. HODNOTY TVÁŘECÍCHPARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R1 = 5,5 mm, R2 =0,2mm a STEJNÝCH ÚHLECH  = 90 °,  = 90°

39. HODNOTY TVÁŘECÍCHPARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R1 = 1,85 mm, R2 =0,2mm A RŮZNÝCH ÚHLECH  = 90 °,  = 60°

40. HODNOTY TVÁŘECÍCHPARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R1=1,85 mm, R2=0,2mm A RŮZNÝCH ÚHLECH  = 105 °,  = 60°

41. Hodnoty kanálu matrice Velikost vektoru rychlosti [mm.s-1] Intenzita deformace [ - ] Velikost intenzity napětí [ MPa] Velikost změřenéh poloměrů R1 [mm] 1 5,021 1,293 352,3 2,4 2 28,98 1,093 336,7 5,5 3 52,19 1,041 337,7 1,85 4 7,310 1,797 373,5 1,85 TVÁŘECÍ PARAMETRY DOSAŽENÉ MATEMATICKÝM MODELOVÁNÍM • Bod označený 1. • R1 = 2,4 mm , R2 = 0,2 mm , = 90 ° a = 90 ° • Bod označený 2. • R1 = 5,5 mm , R2 = 0,2 mm , = 90 ° a = 90 ° • Bod označený 3. • R1 = 1,85 mm , R2 = 0,2 mm ,  = 105 ° a  = 60° • Bod označený 4. • R1 = 1,85 mm , R2 = 0,2 mm ,  = 90° a  = 60°

42. CELKOVÉHODNOCENÍ Při vlastních experimentech bylo dosaženo maximální velikosti protlačovací síly řádově F = (50 - 55) kN U matematického modelovaní bylo dosaženo velikosti síly rozmezí F = (53 - 57) kN Velikost intenzity deformace u experimentů velikosti i = 0,9~1,1 U matematického modelovaní intenzita deformace dosahovala hodnot i = 0,9~1,3 Intenzita napětí dosahovala maximálních hodnot i= 340 MPa , což je v relaci s teoretickými předpoklady.

43. NOVÉ POZNATKY • Zcela novým poznatkem v dané problematice je určení optimální hodnoty úhlu „y“ (úhel vnějšího poloměru zaoblení kanálu), který podstatně ovlivňuje velikost dosažené deformace. U ověřované slitiny optimální hodnota velikosti daného úhlu byla stanovena na y = 60°. • Metoda ECAP je efektivním nástrojem pro zjemnění zrna u polykrystalických kovů. U slitiny AlCu4Mg2 bylo dosaženo střední velikosti zrna v rozsahu 150 – 250 nm, při její vstupní velikosti 100 – 150 mm.

44. MATEMATICKÁ SIMULACE VLIVU POČTU PRŮCHODŮ NA VELIKOST DEFORMAČNĚ-NAPĚŤOVÉHO STAVU U SLITINY AlCu4Mg2Ti1,5 Parametry kanálu - poloměry R1, 2 = 2,4 mm, úhly kanálu  = 90°,  = 90° Parametry kanálu - poloměry R1, 2 = 1,85 mm, úhly kanálu = 105°, = 60° Parametry kanálu - poloměry R1, 2 = 1,85 mm, úhly kanálu = 90°, = 60°

45. INTENZITA NAPĚTÍ

46. INTENZITA DEFORMACE

47. DOSAŽENÉ VELIKOSTI (max. hodnoty) INTENZITY DEFORMACE A INTENZITY NAPĚTÍ PO 4. PRŮCHODU KANÁLEM ECAP

48. DOSAŽENÉ POZNATKY Z dosažených výsledků vyplývá: 1. U výše uvedené slitiny dochází k daleko významnějšímu nárůstu intenzity deformace s počtem průchodů. 2. Optimální velikost potřebné deformace byla dosažená při  4. průchodů vzorku kanálem nástroje ECAP. 3. V dalších výzkumných pracích bude nutno se zaměřit na snižování počtu průchodu nástrojem ECAP a tím dosažení potřebného stupně přetvoření umožňujicího docílení u dané slitiny vysokého rozdrobení struktury už při 2. příp. 3. průchodu nástrojem ECAP

49. CURRICULUM VITAE • Jméno a příjmení: Stanislav Rusz • Narozen: 28. 1. 1953 • Funkce, pracoviště: docent na katedře mechanické technologie, Fakulty strojní VŠB - TU Ostrava Vzdělání: • 1972-77 Ing. – Vysoká škola báňská v Ostravě, Fakulta strojní a elektrotechnická, obor „Strojírenská technologie" • 1985-89 aspirantura na VŠB Ostrava, obor strojírenská technologie, udělení titulu CSc. • 1989-91 Postgraduální studium vysokoškolské pedagogiky na Filozofické fakultě Univerzity Palackého v Olomouci, ukončení studia vysvědčením • 1997 jmenování docentem pro obor „Strojírenská technologie“, habilitační práce na téma „Tvařitelnost středně a vysokouhlíkových ocelí za podmínek superplastického stavu“

50. VÝUKA V PŘEDMĚTECH • TVÁŘENÍ – 3.roč. BS a KS, Ostrava, Šumperk, Třinec • TECHNOLOGIE I (na FS a FMMI) – 1. roč. BS a KS, Ostrava, Třinec • ZÁKLADY STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE – 1. roč. BS a KS • TVÁŘITELNOST KOVŮ A NEKONVENČNÍ METODY VE TVÁŘENÍ –5. roč. MS