WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Национальный исследовательский университет Учебно-научный и инновационный комплекс «Новые многофункциональные материалы и нанотехнологии» Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В.

Пирожникова О.Э., Грязнов М.Ю., Лопатин Ю.Г., Смирнова Е.С.

ФИЗИКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ (Учебное пособие) Мероприятие 1.2 Совершенствование образовательных технологий, укрепление материально-технической базы учебного процесса Учебные дисциплины: «Физика металлов и сплавов», «Проблемы современного материаловедения» Специальности, направления: «Физика» ННГУ, 2010 ПРЕДИСЛОВИЕ Этот текст посвящен описанию структуры и физико-механических свойств нано- и микрокристаллических (НМК) материалов, полученных методом равноканального углового прессования (РКУП).

Литература, посвященная этой проблеме, в последние годы стала весьма обширной, число публикаций нарастает лавинообразно и в небольшой по объему работе невозможен сколько-нибудь исчерпывающий обзор всех или даже последних работ. Мы и не ставили перед собой задачу создать такой обзор. Гораздо важнее, мы полагаем, предложить вниманию читателя более или менее целостный взгляд на проблему НМКРКУП материалов, описать общий подход к рассмотрению разнообразных задач, возникающих при изучении структуры и свойств таких материалов, и предложить эффективные методы (способы) решения таких задач.

Текст представляет собой краткое описание основных результатов полученных группой отдела «Физики металлов» НИФТИ ННГУ в последние несколько лет. Главным образом здесь описаны результаты теоретических исследований и представлены новые модели, разработанные для описания НМК материалов. Для обоснования наиболее важных выводов, мы использовали, в первую очередь, свои собственные экспериментальные исследования. В тех случаях, когда их оказывалось недостаточно, мы опирались на результаты исследований наших коллег (и в этом смысле – и только в этом – в работе присутствует и элемент обзора).

Чтобы сохранить объем пособия в разумных объемах, мы должны были принять много тяжелых решений о том, что не включать в текст.

В книгу практически не вошли «простые» вопросы, касающиеся общего описания НМК-РКУП материалов. Предполагается, что читатель уже имел возможность познакомиться с проблемой хотя бы в общих чертах. Мы не стали уделять заметного внимания и обсуждению очевидных изменений структуры и свойств, типичных для материалов, подвергнутых большим пластическим деформациям. Основной акцент был сделан на описании фундаментальных основ физики пластической деформации и теории эволюции структуры, а также рассмотрению особых свойств НМК-РКУП материалов.

Пособие состоит из двух основных разделом Первый раздел посвящен описанию теоретического базиса, лежащего в основе анализа физико-механических свойств НМК материалов. В этом разделе рассмотрены подходы к описанию дефектов структуры НМК материалов и основное внимание уделено описанию теории неравновесных границ зерен, которая дает ключ к пониманию специфики поведения НМК материалов.

Во втором разделе рассмотрены вопросы эволюции структуры НМК материалов при интенсивной пластической деформации и нагреве. Описаны процессы возврата и рекристаллизации в металлах, описана специфика предельного измельчения зеренной структуры при РКУП. Специальный блок второго раздела посвящен также анализу механических свойств НМК материалов. Рассмотрены особенности сверхпластического поведения НМК материалов, а также проблемы их прочности и пластичности при комнатной температуре.

ВВЕДЕНИЕ Главная задача настоящего Введения конкретизировать объект, предмет и метод нашего исследования.

Говоря кратко, объект исследования – металлические материалы, полученные методом равноканального углового прессования (РКУП). Предмет изучения – их структура и свойства. Методы – теоретические методы теории дефектов решетки и традиционные экспериментальные методы анализа структуры и свойств.

Остановимся подробнее на описании объекта исследований.

Как принято в работах по Materials Science новый объект изучения должен быть рассмотрен в единстве и взаимодействии четырех основных аспектов: технологии его получения, результатов исследования структуры, результатов изучения свойств и моделирования основных процессов: процессов технологии, эволюции структуры и связи свойств со структурой.

Начнем наше описание с рассмотрения вопроса о структуре и ее связи с технологией.

Технология РКУП являясь универсальной технологией обработки металлов давлением, представляет весьма широкие возможности для управлениями параметрами и режимами деформации – и, соответственно, структурой материалов [1]. Изменяя уровень деформации за цикл, скорость и температуру деформации, а также варьируя число циклов и режимы кантовок можно управлять зеренной и дислокационной структурой, а также морфологической и кристаллографической текстурой материала [1, 2]. Описать даже в общих чертах все возможное многообразие структур, которое можно получить с помощью РКУП не представляется возможным. В настоящей работе в качестве объекта исследования мы выбрали один из типов получаемых методом РКУП материалов - материалы с нано- и микрокристаллической (НМК) структурой, которые далее мы будем называть НМК-РКУП материалы или, для краткости, - НМК материалы. Это понятие также нуждается в разъяснении.

Характерный размер структурных элементов НМК материалов составляет ~100 нм и лежит обычно в интервале от 50 нм до 1000 нм. (см. рис.1). Смежные области на шкале размеров структурных элементов занимают справа – микрокристаллические (МК) материалы, имеющие характерный размер зерен ~10 мкм, и слева – нанокристаллические (НК) материалы с характерным размером зерен менее 100 нм [2-8].



а) б) в) г) Рис. 1. Микроструктура материалов после РКУП: а) Al-4.5%Mg-0.22%Sc-0.15%Zr, циклов, Т=200°С, Bc (атомно-силовая микроскопия), б) никель, 8 циклов, 20 °С (ПЭМ); в) титан, 8 циклов, T=400°С, Bc (ПЭМ); г) медь, 12 циклов, T=20° C, Bc (ПЭМ) Однако для строгого определения структурного состояния интересующих нас НМК материалов указать только на субмикронный размер их структурных элементов недостаточно. Получить такой размер элементов структуры можно и не используя РКУП.

Однако другие способы, как правило, позволяют создать структуру, которую правильнее называть не микрокристаллической, а микрофрагментированной – поскольку структурным элементом такой структуры являются фрагменты, разориентированные друг относительно друга на небольшие углы. Для создания микрозеренной - микрокристаллической структуры, с большой разориентацией структурных элементов, нужны очень высокие степени однородной деформации, которые позволяет обеспечить именно РКУП. Для этого необходимо провести, как правило, несколько циклов РКУП в оптимальных температурно-скоростных условиях. (При неоптимальных условиях деформирования или недостаточном уровне деформации, при РКУП также может формироваться микрофрагментированная, а не микрозеренная структура – хотя размер элементов структуры и в том, и в другом случае будет подобен.) Это означает, что при описании структуры материалов полученных методом РКУП кроме размера фрагментов, необходимо указывать спектр разориентировок границ зерен [9, 10].

Примечание: (Исследованию спектров разориентировок границ зерен в НМК материалах в настоящее время после распространения методики EBSD посвящено большое количество работ [11-53]. Показано, что доля большеугловых границ (и угол их разориентировки) в алюминиевых [11-20, 22-24, 26, 32-33, 35-37, 40, 42] и магниевых [21, 30, 31, 34, 45] сплавах, а также в различных металлах (в меди [28, 37, 38, 48, 53], никеле [25, 46, 50, 52], ванадии [29] и др.) монотонно возрастает с увеличением степени деформации (числа циклов РКУП), и достигает в оптимальных режимах 80-85% от общей доли границ материала.) В настоящей работе мы сосредоточимся на изучении материалов со спектром разориентировок, в котором доминируют большеугловые (БУГ) границы зерен, т.е. не микрофрагментированных, а на изучении нано- и микрозеренных материалов – нано- и микрокристаллических (НМК) материалах в нашей терминологии.

Количественным критерием близости материалов с субмикронной размером зерна к НМК материалам может выступать близость спектра разориентировок к спектру хаотически разориентированного ансамбля [9]. При их соответствии – можно говорить о полученном методом РКУП «настоящем» поликристаллическом материале.

Принципиальное значение доминирования БУГ в спектре разориентировок границ зерен связано с исключительной ролью, которую они играют в формировании уникальных свойств НМК материалов. Как будет показано ниже особое свойство БУГ (в отличие от малоугловых границ) – их способность переходить в неравновесное состояние во время РКУП и сохранять это состояние в течение определенного времени после деформации, является причиной многих – если не всех – особых физико-механических свойств НМК материалов.

При описании структуры НМК материалов необходимо обратить внимание и на особое состояние других дефектов решетки – вакансий и дислокаций. Хотя, в отличие от неравновесных границ зерен, роль этих дефектов в формировании свойств не является определяющей, в их поведении здесь наблюдается целый ряд особенностей.

Если начать с точечных дефектов, то прежде всего необходимо отметить исключительно высокую концентрацию неравновесных вакансий после РКУП. Иногда уровень их концентрации достигает Cv=10-4 [11, 12]. Заметим, что эти неравновесные вакансии быстро отжигаются при длительной выдержке или при повышении температуры и их вклад в изменения свойств НМК материалов, как правило, незначителен.

Интересные особенности наблюдаются и в дислокационной подсистеме НМК материалов. Во первых, это очень высокая плотность дислокаций, уровень которой ~м-2, что на два порядка выше обычной [2, 8]. Во-вторых, в силу малого размера зерна в НМК материалах имеются трудности в работе обычных внутризеренных источников дислокаций. Основным механизмом генерации (зарождения) дислокаций в НМК материалах является их генерация с границ зерен. Это может приводить к возникновению особых мезоструктурных областей – «областей нулевого заряда», размер которых превышает размер зерен (в отличие от обычных материалов, где область нулевого заряда, как правило, равна размеру зерен).

В-третьих, несмотря на большую плотность дислокаций, в силу малого размера зерен в теле зерен содержится очень мало дислокаций и во время РКУП они не образуют в решетке сложных ансамблей и скоплений и двигаются через зерна достаточно свободно.

И, наконец, главное: не только генерация дислокаций, но и кинетика движения дислокаций в зернах и их «исчезновение» необходимое для обеспечения аккомодации деформации, определяется взаимодействием дислокаций с границами зерен [13]. Именно этот процесс является ключевым в понимании особенностей деформационного поведения НМК материалов.





Известно, что рассмотрение подсистем дефектов решетки невозможно без учета процессов их взаимодействия. При описании этого взаимодействия очень важно выделить основную подсистему дефектов, которая в заданных условиях играет определяющую роль в поведении материала. Как правило, несмотря на всю условность такого подхода, это «выделение» возможно и очень полезно. (Примером такого подхода являются, например, карты механизмов деформации Эшби [65], где в осях «напряжение - температура» выделены области, в каждой из которых деформационное поведение контролируется определенным типом дефектов: в области диффузионной ползучести – вакансиями, в области степенной ползучести – дислокациями и т.д., и анализ поведения соответствующего типа дефектов помещен в центр внимания.) Как будет показано ниже, в случае НМК материалов вклады в деформационное поведение и эволюцию структуры вносят все типы дефектов, однако определяющую роль играют неравновесные границы зерен. В описании особенностей поведения неравновесных границ зерен и их взаимодействия с решеточными дислокациями [66] лежит ключ к пониманию структуры и свойств НМК материалов.

Итак, объект нашего исследования с точки зрения структуры может быть определен следующим образом: материалы с однородной нано- и микрозеренной структурой со спектром разориентировок, в котором доминируют большеугловые границы зерен, которые (для обеспечения особых физико-механических свойств материала) находятся в неравновесном состоянии.

В приведенном определении присутствует еще один структурный параметр – однородность структуры, который нуждается в специальном обсуждении.

Очевидно, что всерьез говорить о практическом использовании материала можно только в случае, если структура материала одинакова (однородна) во всем сечении заготовки. Это обеспечивается при реализации в условиях РКУП деформации простого сдвига. Однако, к сожалению, в целом ряде работ, опубликованных в последнее время, пишут о существенной неоднородности структуры материалов подвергнутых РКУдеформации [14, 15]. По нашему мнению это связано с тем, что такие работы имеют отношение к РКУП лишь по названию, а не по сути. С легкой руки неофитов РКУП, распространилось мнение, что суть РКУП состоит в продавливании заготовки через два пересекающихся канала одинакового сечения [16]. Полученные таким образом материалы, очевидно, неоднородны и в них, как правило, не удается реализовать необходимые высокие свойства. Такое определение и понимание РКУП, конечно, недостаточно. В этом определении опущены ключевые слова которые составляют суть процесса – продавливание … при котором обеспечена однородная деформация простого сдвига.

Необходимость обеспечения этого условия делает процесс РКУП нетривиальным и требующим для своей реализации и специальных технических решений, и развитых методов расчета режимов и параметров процесса.

Итак, объект наших исследований с точки зрения технологии его получения может быть определен следующим образом - это материалы, подвергнутые однородным большим (severe) деформациям в условиях простого сдвига.

Другой важный вопрос, относящийся к определению объекта исследований с точки зрения технологии, - это вопрос о числе циклов РКУП. Этот вопрос, очевидно, может быть сведен к вопросу о том, какая величина деформации простого сдвига должна быть достигнута, чтобы создать НМК-РКУП структуру, обладающую заданными свойствами.

Таким образом, определяя число циклов РКУП необходимо понять, для обеспечения какого свойства мы формируем структуру.

Например, для обеспечения высоких сверхпластических свойств необходимо создать материал с максимально высокой долей БУГ, поскольку только в таких границах зерен может осуществляться зернограничное проскальзывание (ЗГП). Для создания таких границ обычно необходимо провести несколько циклов РКУП (это число циклов зависит от природы материала, температуры РКУ-деформации, ее скорости и величины деформации за цикл) [9, 10, 17]. Высокая доля БУГ необходима и для обеспечения одновременного повышения прочности и пластичности НМК материалов [18, 19].

В то же время при создании РКУП-материалов с высокой устойчивостью к ползучести, для препятствования развитию диффузионной ползучести Кобла, необходимо создавать структуру с высоким содержанием (долей) малоугловых границ.

В более сложных случаях, в сплавах, с помощью варьирования температурных и скоростных режимов РКУП может быть обеспечен более тонкий дизайн границ зерен, позволяющий управлять, например, усталостными свойствами НМК материалов.

Это означает, что для каждого типа задач – для создания и обеспечения необходимого уровня заданных свойств – необходимо определить свой режим РКУП и свой режим последующей термообработки.

Понимание этого аспекта позволяет перейти к вопросу об определении НМК материалов с точки зрения их свойств.

Анализируя свойства, мы будем рассматривать только принципиально важные для понимания природы РКУП-материалов экспериментальные результаты - только те, которые не являются очевидными и которые мы далее условно будем называть «эффектами».

Под «эффектом» здесь понимается нелинейное поведение (изменение) какого-либо параметра, характеризующего физическое свойство, при линейном изменении параметров структуры или параметров внешних условий.

Введем простую классификацию различных физических эффектов, которые могут проявляться в НМК материалах.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.