ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 4, с. 424-436
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.3'234:539.25
ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВА Cu—47Pd (ат. %) В ПРОЦЕССЕ АТОМНОГО УПОРЯДОЧЕНИЯ ПОСЛЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2015 г. О. В. Антонова*, О. С. Новикова*, Б. Д. Антонов**, А. Ю. Волков*
*Институт физики металлов УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, 620219Екатеринбург, ул. Академическая, 20
e-mail: oksananov@e1.ru Поступила в редакцию 27.05.2014 г.; в окончательном варианте — 30.09.2014 г.
Продемонстрирована возможность интенсивной пластической деформации (ИПД) сплава Cu— 47Pd (ат. %) путем прокатки слитка при комнатной температуре на высокие степени без промежуточных отжигов. Изучены микроструктура и физико-механические свойства лент толщиной 100 и 4.5 мкм в исходном, сильно деформированном состоянии (истинная степень деформации в « 4.4 и б « 7.5, соответственно), а также после термообработок различной продолжительности. Высокая пластичность сплава при прокатке объясняется процессами возврата, которые протекают в материале в ходе ИПД. При температуре 400°С обнаружено формирование однофазного, упорядоченного по типу B2 состояния, что расходится с фазовой диаграммой.
Ключевые слова: сплавы медь—палладий, интенсивная пластическая деформация, фазовые превращения, микроструктура, механические испытания.
DOI: 10.7868/S0015323015040026
ВВЕДЕНИЕ ченного сплава Cu—47Pd (ат. %) увеличивается до
Сплавы медь-палладий, содержащие от 36 до температуры, щш к°т°рой сплав переходит в разу-47 ат. % палладия, при температурах ниже 600°C ис- порядоченное А1-с°ст°яние. Дальнейшее п°вы-пытывают структурно-фазовый переход А1 ^ В2, в шение температуры прив°диг к р^к^ сниже-процессе которого разупорядоченная ГЦК-ре- нию транспорта вод°р°да.
шетка (А1-фаза) перестраивается в ОЦК, упоря- В настоящее время для получения мембран, доченную по типу В 2 [1]. предназначенных для извлечения водорода из га-
Ранее было показано, что упорядоченные зовых смесей чаще всего используют метод рас-сплавы Cu—Pd вблизи эквиатомного состава обладают высокой водородопроницаемостью и одновременно демонстрируют повышенную стойкость к "отравлению" поверхности серой [1]. Это позволяет использовать сплавы медь-палладий в качестве мембранного материала для получения водорода высокой степени чистоты [1, 2]. На рис. 1 представлен участок фазовой диаграммы сплавов системы медь-палладий, упорядочивающихся по типу В2. На этом же рисунке выделены области составов сплавов с различной водородопроницаемо-стью. Как показано в [2, 3], оптимальным набором свойств для сепарации водорода из газовых смесей обладает сплав Cu—47Pd (ат. %) (60 мас. % палладия). К примеру, в [3] было показано, что этот сплав в упорядоченном состоянии имеет более высокую способность к транспорту водорода по сравнению с чистым палладием. В [4] отмечали, что перенос водорода через мембрану из упорядо-
Рё, мас. %
Рис. 1. Участок фазовой диаграммы сплавов системы Си—Рё, упорядочивающихся по типу В2 [1].
пыления мишени из сплава на подложку [5]. Однако ранее нами было установлено, что сплавы медь-палладий могут быть продеформированы кручением под высоким давлением на очень большие степени (до е « 7.5) без каких-либо признаков разрушения [6]. Недостатком такого метода интенсивного воздействия являются малые линейные размеры получаемых образцов. Очевидно, что с практической точки зрения интерес представляют более протяженные образцы. На основе полученных результатов было предположено, что процесс получения мембран из сплава Си—47Рё можно существенно упростить, используя только интенсивную пластическую деформацию (ИПД) прокаткой исходной заготовки до тонкой ленты. Однако микроструктура и механические свойства сильно деформированных фольг из этого сплава практически не изучены. Кроме того, остаются невыясненными вопросы стабильности микроструктуры сплава Си—47Рё при нагреве после ИПД.
Целью работы является исследование микроструктуры и физико-механических свойств сильно деформированных тонких лент из сплава Си— 47Рё в исходном состоянии и после низкотемпературных отжигов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплав Си—47Рё выплавлен из меди и палладия чистотой 99.98% в вакууме не хуже 10-2 Па методом двойного переплава с разливкой в графитовый тигель. Согласно рентгеновскому микроанализу (8ирегргоЪе JCXA-733, ускоряющее напряжение 25 кВ, ток зонда 50 нА), в полученном слитке содержится 40.4 мас. % меди и 59.6 мас. % палладия. Погрешность измерения составляет не более 0.4%; содержание примесей не превышает нижнюю границу чувствительности прибора (0.05 мас. %). Таким образом, полученный сплав имеет состав 53.2 Си—46.8 Рё (ат. %). Для упрощения записи сплав данного состава будет обозначен ниже как Си—47Рё.
Полученный слиток диаметром 8 мм был гомогенизирован в течение 5 ч при температуре 850°С и закален в воду. Деформация проводилась в два этапа при комнатной температуре без промежуточных отжигов. Сначала слиток деформировался волочением до прутка диаметром 3.0 мм. Затем этот пруток прокатывался до получения протяженных лент толщиной 100 и 4.5 мкм.
Истинная (логарифмическая) деформация определялась по формуле
е = М/О/Рк), (1)
где РО и Рк — площадь поперечного сечения образца до и после деформации.
Таким образом, при получении ленты толщиной 100 мкм истинная деформация сплава соста-
вила: е « 4.4. Лента толщиной 4.5 мкм претерпела деформацию на: е « 7.5.
Далее ленты подвергали отжигам различной продолжительности при температурах ниже границы фазового перехода о (В2 + А1) (см. рис. 1). Все термообработки выполняли в вакуумирован-ных кварцевых или стеклянных ампулах.
Рентгеноструктурный анализ осуществляли на дифрактометре DMAX 2200 фирмы Ш§аки. Использовался метод непрерывной съемки со скоростью 4°/мин. Излучение Си^а было монохромати-зировано графитовым монокристаллом. Степень дальнего порядка в образцах сплава оценивали из соотношения интенсивностей сверхструктурных и структурных рефлексов по методике, описанной в [7, 8]. Исследование микроструктуры осуществляли с помощью просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе JEM-200CX при ускоряющем напряжении 160 кВ. Гистограммы размеров зерен строили на основе электронно-микроскопических снимков микроструктуры по 300 измерениям.
Зависимости электросопротивления образцов сплава от температуры были получены при скорости нагрева 120 град/ч. Измерения проводили в ва-кууммированной кварцевой ампуле с использованием стандартного четырехконтактного метода, величина пропускаемого через образец постоянного тока составляла 10 мА. Описание аппаратуры и методологические подробности приведены в [9].
Механические испытания проводили на разрывной машине ZD 10/90. Эксперименты выполняли на проволочных образцах диаметром 1.5 мм с длиной рабочей части 30 мм, скорость растяжения составляла 3 мм/мин. Образцы для механических испытаний были изготовлены из слитка путем волочения без промежуточных отжигов (истинная степень деформации е « 3.5). Для каждого структурного состояния испытанию подвергали не менее пяти образцов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Дифрактограмма сплава после гомогенизацион-ного отжига при температуре 850°С в течение 5 ч и закалки в воду соответствует разупорядоченному состоянию с ГЦК-структурой (рис. 2). Параметр решетки в таком состоянии а = 0.37566 нм, что близко к литературным данным [10]. В результате ИПД параметр решетки несколько увеличивается и в ленте толщиной 4.5 мкм (е « 7.5) достигает: а = = 0.37584 нм. Аналогичный эффект наблюдался ранее и на других сплавах медь-палладий. Как было предположено в [11], это вызвано формированием нанокристаллического состояния. В этом состоянии на параметр кристаллической решетки оказывает влияние близость границ и их относительно большой объем.
л н о о я <ч
и
о Я
В
Я
И
Закалка 850°С
1-1
ИПД (е = 4.4)
ИПД (е = 7.5) ^
(111) (200) J_
±
(220) (311) (222) _I_1_
(400)
(331)(420)
J_I
40
60
80 29, град
100
120
140
с/
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
3
.— Закалка 850°С
Деформация (5 = 95%) -5-ИПД(Е = 7.5) J_I_I
Рис. 2. Дифрактограммы образцов сплава Си—47Рё, разупорядоченных различными способами: закалка от 850°С (рентгенограмма 1); деформация 5 « 4.4 (2) и е « 7.5 (3).
Как и следовало ожидать, в результате ИПД происходит перераспределение интенсивностей пиков на рентгеновском спектре. К примеру, после деформации е « 4.4 (лента толщиной 100 мкм) самой интенсивной линией на рентгеновском спектре (рентгенограмма 2 на рис. 2) является (220), а не (111), как у исходно закаленного образца (рентгенограмма 1 на рис. 2). Для ленты толщиной 4.5 мкм (е « 7.5) наблюдаются только 4 пика, из которых линия (220) имеет максимальную интенсивность на фоне трех других слабых отражений (рентгенограмма 3 на рис. 2). Эти результаты указывают, что в образцах формируется текстура прокатки типа латуни [12]. Очевидно, что в ленте большей толщины этот эффект выражен слабее. Средний размер областей когерентного рассеяния (ОКР) d в деформированных лентах после прокатки на высокие степени оценивали по методу Вильямсона—Холла [13]. Согласно проведенным расчетам, в ленте толщиной 100 мкм размер ОКР составляет d ~ 64 нм, а в ленте толщиной 4.5 мкм d ~ 34 нм.
Ранее было установлено, что предварительная пластическая деформация значительно ускоряет кинетику ^ В2 фазового превращения в сплавах медь—палладий [14]. Однако влияние интенсивной пластической деформации на структуру и свойства сплава Си—47Рё практически не изучено: достигнутое ранее максимальное значение степени предварительной деформации составляло 95% [9]. Различие в скоростях атомного упорядочения образцов сплава Си-47Рё, находящихся в различных исходных состояниях, наглядно видно при сравнении соответствующих температурных зависимостей электросопротивления (рис. 3). Кривая 1 на рис. 3 относится к образцу, закаленно-
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Температура, °С
Рис. 3. Изменение электросопротивления при нагреве обра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.