ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 12, с. 1751-1763
УДК 669.15:539.422:539.25
СТРУКТУРНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ СО СМЕШАННОЙ НАНО- И МИКРОЗЕРЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
© 2007 г. В. А. Поздняков
ГИЦЦИИИчермет им. И.П. Бардина, Москва E-mail: Pozdnyakov_home@tochka.ru
Предложена классификация структурных состояний материалов со смешанной наномикрокристалли-ческой структурой. Проведен теоретический анализ структурных механизмов и особенностей пластической деформации однофазных и двухфазных наноструктурных металлов и сплавов с бимодальным распределением зерен и фаз по размерам. Проанализировано влияние зернограничного и дислокационного механизмов пластической деформации на особенности деформационного поведения и пластичность наноструктурных материалов. Предложена микроструктурная модель деформационного упрочнения материала с двухмасштабной наномикрозеренной структурой и исследовано условие потери устойчивости пластического течения такого материала. Рассчитана зависимость предела текучести и однородной деформации наноструктурных материалов с двухмасштабной структурой от размеров зерен и соотношения объемных долей нано- и микроструктурных составляющих.
Характерные черты деформационного поведения наноструктурных материалов (НМ) - высокий, по сравнению с микрокристаллическими материалами, предел текучести, высокое деформационное упрочнение на начальной стадии пластической деформации и малая величина деформации до разрушения. Прочность НМ при растяжении существенно превышает прочность крупнозернистых аналогов, но, как правило, нанокристаллические металлы и сплавы обнаруживают весьма низкую пластичность [1-5]. При размере зерен менее 25 нм пластичность НМ ^ < 2%. Низкий уровень пластичности обусловлен размерным ограничением процессов генерации и движения дислокаций в нанозернах.
Однако в ряде наноструктурных металлов и сплавов наблюдается заметная пластичность. Например, алюминиевые наносплавы А1-Мп^п и А1-Сг-Се-Со, полученные кристаллизацией из аморфного состояния, обнаружили сочетание высокой прочности и хорошей пластичности [4, 5]. Субмикрокристаллические медь и титан, полученные методом интенсивной пластической деформации, имеют более высокие пластические свойства [4, 6]. Высокая пластичность (~30%) наблюдается у нанокристаллической меди, полученной методом механоактивации поочередно при температуре жидкого азота и при комнатной [7].
Перспективный метод синтеза пластичных НМ -формирование двухмасштабной зеренной структуры. Высокую пластичность наблюдали для нано-кристаллической меди и алюминиевых сплавов с бимодальным распределением зерен по размерам [8, 9]. Наноструктурная медь синтезирована методом "криопрокатки" (ниже 77 К) с последующим
нагревом до 450 К. В результате получена бимодальная структура, состоящая из микрозерен (объем фракции до 25%), погруженных в матрицу с ультрамелкими (100-200 нм) зернами [8]. Алюминиевые наноструктурные сплавы с бимодальным распределением зерен по размерам были получены механическим сплавлением порошков двух фракций [9]. В таких НМ высокая прочность сочетается с заметной пластичностью. Предполагается, что матричная нанозеренная структура обеспечивает прочность материала, а микрозерна стабилизируют деформацию растяжения и обеспечивают релаксацию напряжений.
Прочность и пластичность - обычно взаимоисключающие характеристики: чем выше прочность, тем меньше пластичность, и наоборот. Чем труднее дислокациям образовываться и двигаться, тем прочнее любой кристаллический материал, но тем менее он пластичен. Повысить вязкость НМ можно, формируя двумасштабную (многомасштабную) наноструктуру. В матричной нанозерен-ной структуре со средним размером зерен до 100 нм можно создавать "каналы" пластичности, в качестве которых использовать микро- и/или субмикрокристаллические зерна.
В данной работе предложена классификация структурных состояний материалов со смешанной наномикрокристаллической (п-т) структурой и проведен анализ структурных механизмов пластической деформации, деформационного поведения НМ и величины однородной деформации в зависимости от размера зерен и соотношения объемных долей нано-(п) и микро- (т) структурных составляющих.
1751
а.1
а.2
а.3
ГО 1 '
сты; 2) обе фазы непрерывны; 3) одна из фаз является прерывистой, и области этой фазы окружены другой - матричной фазой (дисперсная структура) (рис. 1а. 1, 2 и 3). В [12-15] рассмотрены следующие типы двухфазных структур: Б - дуплекс (статистическая); В - дисперсная (матричная); Г - ячеистая; Д - сетчатая (рис. 16). В дальнейшем двухфазная структура была описана более подробно и рассмотрены зерна дисперсной фазы столбчатой, пластинчатой и равноосной формы [10, 14, 15]. Этот подход был использован при описании структур двухфазных НМ в [16].
Кроме среднего размера, формы зерен и объемных долей фаз важно знать также параметры непрерывности (связности) фаз. Для количественной характеристики степени связность зерен фазы а- (фазы в) в а-в-смеси фаз было введено понятие "смежности", определяемой как доля площади поверхностей контактов зерен этой фазы между собой относительно полной внутренней поверхности зерен обеих фаз [12]:
С =
2 #аа
2 +&ав
С в =
2 &
вв
2 & +
вв
(1)
Рис. 1. а - три типа топологически различных двухфазных структур: а.1 - обе фазы прерывисты; а.2 - обе фазы непрерывны; а.3 - одна из фаз является прерывистой и области этой фазы окружены другой - матричной фазой (дисперсная структура); • - структуры: А - зеренная; Б - дуплекс (статистическая); В - дисперсная (матричная); Г - ячеистая; Д - сетчатая.
СТРУКТУРНЫЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ СО СМЕШАННОЙ НАНО-И МИКРОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРОЙ.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И МАСШТАБНО-ФАЗОВЫЕ ТИПЫ
Для анализа возможных структурных состояний наноструктурных материалов со смешанной нано- и микромасштабной структурой - наномик-рокристаллических материалов (Н-МкМ) использованы методы стереометрического описания двухфазных структур [10-15].
Выделены [11] три типа топологически различных двухфазных структур: 1) обе фазы прерыви-
где С а и Ср - смежности а- и в-фаз; и - площади межфазных границ на единицу объема между зернами а-фаз и между зернами в-фаз соответственно. Полные площади границ зерен а- и в-фаз
в а-в-смеси; ¿V и ¿V определяются соответственно как ^ = 2 + , $ = 2 &Рр + , где -площадь межфазных границ на единицу объема между - и в-зернами.
Площади межфазных границ на единицу объема между зернами а- и в-фаз, объемные доли фаз /а, / и средние размеры зерен В а, В в связаны между собой соотношениями [17]
&¥ = /аВв, &У = /в Ва -Тогда степени связности а- и в-фаз равны:
/аВв п - / в Ва
(2)
С = а /аВ в + /в Ва'
С в =
/аВ в + / в В 0
(3)
Если ввести отношение размеров зерен Я в случайной смеси равноосных а- и в-частиц Я = Вв/В а, соотношение (3) примет вид
/аЯ ^ _ / в
С =
Са /аЯ + /в'
С в =
(4)
/а Я + / в
Другие важные характеристики, которыми было предложено характеризовать связность зерен фаз, - это число контактов N аа между зернами данной фазы, приходящихся на одну частицу [15], и непрерывный объем, определяемый как доля объема соприкасающихся частиц одной фазы, /ас = С/а и/вс = С/ для а- и в-фаз соответственно [18].
Для двухфазных материалов возможна реализация (например, при применении технологий порошковой металлургии, механического легирования и термообработок с фазовыми превращения-
Таблица 1. Структурные состояния материалов со смешанной нано- и микромасштабной структурой (Н-МкМ). Морфологические типы
Масштаб, фаза Масштаб/^^ фаза Нанокристаллические зерна Микрокристалические зерна
Фаза 1. А, В, С Фаза 2. А, В, С Фаза 1. А, В, С Фаза 2. А, В, С
Нанокристалли-ческие зерна А. Пластинчатые В. Столбчатые С. Равноосные А. Пластинчатые В. Столбчатые С. Равноосные
Фаза 1. Форма зерен фазы: A. Пластинчатая; B. Столбчатая; C. Равноосная Однофазные НМ с зернами разной формы А, В , С Двухфазные НМ (нанокомпозиты) с зернами фаз разной формы А, В, С (статистические и матричные) Однофазные Н-МкМ с зернами разной формы А, В, С (связные и несвязные структурные составляющие) Двухфазные Н-МкМ (наномикрокомпози-ты) с зернами разной формы А, В, С (статистические и матричные)
Фаза 2. Форма зерен фазы: A. Пластинчатая; B. Столбчатая; C. Равноосная Двухфазные НМ (нанокомпозиты) с зернами фаз разной формы А, В, С (статистические и матричные) Однофазные НМ с зернами разной формы А, В, С Двухфазные Н-МкМ с зернами разной формы А, В, С (статистические и матричные) Однофазные Н-МкМ с зернами разной формы А, В, С (связные и несвязные структурные составляющие)
Микрокрсталличе-ские зерна А. Пластинчатые В. Столбчатые С. Равноосные А. Пластинчатые В. Столбчатые С. Равноосные
Фаза 1. Форма зерен фазы: A. Пластинчатая; B. Столбчатая; C. Равноосная Однофазные Н-МкМ с зернами разной формы А, В, С (связные и несвязные структурные составляющие) Двухфазные Н-МкМ с зернами фаз разной формы А, В, С (статистические и матричные) Однофазные МкМ с зернами разной формы А, В, С Двухфазные МкМ с зернами разной формы А, В, С (статистические и матричные)
Фаза 2. Форма зерен фазы: A. Пластинчатая; B. Столбчатая; C. Равноосная Двухфазные Н-МкМ с зернами фаз разной формы А, В, С (статистические и матричные) Однофазные Н-МкМ с зернами разной формы А, В, С (связные и несвязные структурные составляющие) Двухфазные МкМ с зернами разной формы А, В, С (статистические и матричные) Однофазные МкМ с зернами разной формы А, В, С
ми либо при их совмещении) любых вариантов нано- (п) и микро- (т) масштабных структур с различными комбинациями средних размеров, формы зерен, объемных долей и связностей фаз. В табл. 1 и 2 приведены морфологические и масштабно-фазовые типы структурных состояний материалов со смешанной нано- и микрокристаллической (п-т) структурой. По химическому составу и распределению фаз можно выделить следующие типы наноструктурных состояний: однофазные (п, т и п-т), статистические многофазные с идентичными и неидентичными поверхностями раздела и матричные многофазные (п, т и п-т), а также дву-фазные с
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.