Microstructural saturation, hardness stability and superplasticity in ultrafine-grained metals processed by a combination of severe plastic deformation techniques

Abstract

A commercial Al-7075 aluminum alloy was used to investigate the significance of the saturation hardness and saturation microstructure after processing by high-pressure torsion (HPT) through up to 20 turns or a combination of equal-channel angular pressing (ECAP) for 4 or 8 passes and HPT. The results show additional grain refinement by initially processing the material by ECAP to produce an ultrafine grain size before conducting the HPT. Thus, the grain size immediately prior to the HPT processing controls the saturation microstructure and hardness. Microstructural images reveal a significant grain refinement from elongated grains in the samples prior to processing with an average grain diameter of ~8 μm to equiaxed grains with an average grain size of ~200 nm after processing by a combination of ECAP for 8 passes and HPT through 20 turns. This grain refinement leads to an improvement in the mechanical properties of the Al-7075 alloy. Vickers microhardness tests show a significant increase in the microhardness values of the Al-7075 alloy from Hv≈102 in the annealed samples to Hv≈270 after processing by a combination of ECAP for 8 passes and HPT through 20 turns. Specimens processed by a combination of ECAP and HPT also exhibit excellent superplastic properties with elongations up to >1000% at 673 K.Keywords: aluminum 7075 alloy, equal-channel angular pressing, hardness, high-pressure torsion, severe plastic deformation, superplasticity Насыщение микроструктуры, стабильность твердости и сверхпластичность ультрамелкозернистых металлов, полученных комбинацией методов интенсивной пластической деформацииПромышленный алюминиевый сплав Al-7075 был использован для исследования степени насыщения твердости и насыщения микроструктуры после обработки путем кручения под высоким давлением (КВД) вплоть до 20 оборотов или комбинации равноканального углового прессования (РКУП) в 4 или 8 проходов и КВД. Результаты показывают, что имеет место дополнительное измельчение зерен при предварительной обработке материала путем РКУП, кото-рый создает ультрамелкозернистую структуру перед КВД. Таким образом, размер зерен непосредственно перед КВД определяет микроструктуру и твердость при насыщении. На микроструктурных изображениях выявляется значи-тельное измельчение зерен, их преобразование от удлиненных зерен со средним диаметром около 8 мкм в образцах перед деформацией до равноосных зерен со средним размером около 200 нм после комбинации РКУП в 8 проходов и КВД в 20 оборотов. Это измельчение зерен приводит к улучшению механических свойств сплава Al-7075. Измерения микротвердости по Виккерсу показывают значительное повышение микротвердости сплава Al-7075 от Hv≈102 в отожженных образцах до Hv≈270 после обработки комбинацией РКУП в 8 проходов и КВД в 20 оборотов. Образцы, обработанные комбинацией РКУП и КВД, проявляют также отличные сверхпластические свойства с удлинениями до более чем 1000% при 673 K.

Enhanced grain refinement and microhardness by hybrid processing using hydrostatic extrusion and high-pressure torsion

“…At this point, from a thermo-mechanical point of view, dislocation annihilation and recovery processes start to play a crucial role and an equilibrium is reached between work hardening and recovery processes. Some published data show that further enhancements of strength may be obtained by changing the deformation route [13,[16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26]. Nevertheless, the concept of combining different SPD methods in a hybrid technique is relatively new and only partially explored.…”

“…However, even among these results there are some contradictions regarding the beneficial influence of using hybrid processing. For example, the use of ECAP and HPT on a large group of metallic samples, including pure titanium [20], nickel [22], copper [17], Cu 0.1Zr [13] and an Al-7075 alloy [18,25,26], was shown to introduce additional grain refinement and an increase of strength in these materials. By contrast, in experiments on pure niobium [16] the use of a hybrid technique gave no significant change in the microstructure and mechanical properties when comparing with samples processed only by HPT [32].…”

Effect of combined loading on the microstructure and microhardness of austenitic steel

“…Примером немонотонного нагружения является всесторонняя ковка, при реализации которой смена схемы главных напряжений реализуется в результате поворота заготовки последовательно относительно трех осей [9,10]. Исследования, проведенные на титановых [11], медных [12] и алюминиевых [13,14] сплавах, показали, что сочетание РКУП с волочением или прокаткой приводит к дополнительному увеличению микротвердости и прочности УМЗ материалов. Аналогичный результат был получен для аустенитной стали: при проведении дополнительной прокатки на 77 % образцов после РКУП микротвердость и прочность стали увеличились на 35 % за счет формирования более мелкозернистой микроструктуры и увеличения плотности дислокаций [15].…”

Superior Strength of Austenitic Steel Produced by Combined Processing, including Equal-Channel Angular Pressing and Rolling

“…This procedure has already been tested successfully for Ti-based [15], Cu-based [16] and Al-based alloys [17,18]. At the first stage of processing, SPD by ECAP-Conform was conducted, and at the second stage, rolling or drawing was performed.…”