Механизмы деформации и разрушения нанокристаллических материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

© Н.И. Носкова

Ключевые слова: нанокристаллические материалы; электронная микроскопия.

Исследованы электронно-микроскопическим методом «in situ» деформация и разрушение нанокристаллических материалов: чистые металлы (Cu, Ni, Mo, Ti), твердые растворы (Al-Hf, Al-Pb), сплавы (Al-Re-Sn), (Al-Mo-Sn).

Исследованы электронно-микроскопическим методом «in situ» деформация и разрушение нанокристаллических материалов: чистые металлы (Cu, Ni, Mo, Ti), твердые растворы (Al-Hf, Al-Pb), сплавы (Al-Re-Sn), (Al-Mo-Sn).

Получено, что в зависимости от размера нанозерна изменяется механизм деформации: с уменьшением размера нанозерна дислокационный механизм сменяется на дислокационно-ротационный механизм, а с дальнейшим уменьшением нанозерна - на ротационный. В последнем случае наблюдается растворение нанофаз и массоперенос (рис. 1).

0. ' ^ \ ' V 1 / .« \ i • 4 • * | . * 7 • ч ■ ^ * • V * • у • • ... У •

а)

.»» Щ* ** , к | | ii 1 } V4 - , / •

б)

Щ&Ш .• .4 • • '• "'-л ' , ■ЩШ'-

' . • / 1. •> .ч. у

в)

Рис. 1. Электронно-микроскопические последовательные

снимки одного и того же места, деформируемого в колонне электронного микроскопа нанокристаллического сплава (С = 40 нм) Л1-0,5'^е-0,5%Ке-0,1%7г: а) 5 = 12 %; б) 5 = 24 %; в)5 = 67 %

Механизм разрушения реализуется по границам нанозерен в виде накопления вакансий. В зависимости от размера зерна и скорости релаксационных процессов на границах нанозерен меняется форма микротрещин. Последнее приводит к разному характеру разрушения (квазивязкое, квазихрупкое, вплоть до рассыпания в порошок).

Уменьшение размера зерна до десятков нанометров в субмикрокристаллических и нанокристаллических металлах и сплавах сопровождается ростом их прочности и твердости (выполняется закон Холла-Петча). Однако при достижении размеров нанозерен <40 нм наблюдается нарушение этой зависимости. Изучение активной деформации нанокристаллических металлов и сплавов в колонне электронного микроскопа показало, что деформация реализуется за счет активного движения дислокаций и их взаимодействия с границами зерен, если размер нанозерна >70 нм. Для нанокристаллических материалов с размером нанозерен от 40 до 6 нм механизм пластической деформации изменяется, и в нем начинают преобладать ротационные моды деформации. Ротационный механизм деформации вызывает отклонение от выполнения закона Холла-Петча.

На основании результатов исследования деформации ГЦК, ОЦК и ГПУ нанокристаллических материалов методом «in situ» можно, по-видимому, считать справедливым для всех кристаллических структур, что с уменьшением размера нанозерна в нанокристалличе-ском материале при деформации растяжением возникают ротационные моды деформации, которые вследствие своей кооперативности приводят к развитию мезоскопических деформационных сдвигов. Представление процесса деформации нанокристаллического материала за счет ротационных мод деформации, смещения нанозерен вдоль границ и развития малых сдвигов за счет зернограничных дислокаций в самих границах наиболее близко, по-видимому, к реальному механизму деформации.

Получение сплавов с субмикрокристаллической и нанокристаллической структурой в настоящее время позволило иметь материалы на алюминиевой основе с пределом прочности более >1500 МПа, и на железной основе с пределом прочности 3800 МПа.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

1963

Noskova N.I. MECHANISMS OF DEFORMATION AND DESTRUCTION OF NANOCRYSTAL MATERIALS

Deformation and destruction of nanocrystal materials are investigated by the electronic-microscopic in situ method: pure

metals (Cu, Ni, Mo, Ti), firm solutions (Al-Hf, Al-Pb), alloys (Al-Re-Sn), (Al-Mo-Sn).

Key words: nanocrystal materials; electronic microscopy.

УДК 536:539.312:621.7

АНАЛИЗ КРИВЫХ УПРОЧНЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ В ПРОЦЕССЕ ИПД

© Л.С. Метлов, А.А. Давиденко

Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация; кривые упрочнения; неравновесная термодинамика. Проведено сравнение теоретических, рассчитанных в рамках метода неравновесной эволюционной термодинамики, и экспериментальных кривых упрочнения материалов, подвергнутых обработке интенсивной пластической деформацией. Показано, что эти кривые практически могут быть совмещены подбором масштабов по вертикальной и горизонтальной оси. В рамках трехуровневой модели показано, что процесс накопления микротрещин может привести к деградации материала и к его разупрочнению.

Известно, что в процессе деформации все металлы упрочняются. В качестве меры упрочнения используют либо зависимости предела текучести, либо твердости от накопленной деформации. На рис. 1 приведены кривые твердости меди в зависимости от накопленной деформации для различных видов интенсивной пластической деформации (ИПД) - равноканальное угловое прессование (РКУП) для угла сочленения каналов Ф = 160°, РКУП Ф = 150°, винтовая экструзия (ВЭ) при малых деформациях, угловая винтовая экструзия (УВЭ), ВЭ при больших деформациях.

1400

го'

I 1200

^ 1000 О)

I 800

ф

I 600

X

400

Рис. 1. Зависимость твердости от накопленной деформации после различных видов обработки

Видно, что все способы обработки дают приблизительно одинаковые зависимости. Поэтому для более детального анализа и сравнения с теоретическими кривыми можно ограничиться одной кривой (рис. 2).

Для теоретического описания кинетики структурных дефектов и связанных с нею прочностных свойств на конференции МРРР-2007 была впервые доложена идея метода [1], которая позже была развита в метод неравновесной эволюционной термодинамики (НЭТ) [2, 3]. Модель учитывает генерацию дефектов различной природы в полях напряжений. Для описания гене-

рации дефектов в процессе ИПД учитывались дефекты двух типов - дислокации и границы зерен. Теоретическая зависимость предела пластического течения от времени деформирования приведена на рис. 3. По вертикальной оси отложены упругие деформации, связанные с напряжениями зависимостью в® = а/О , где О -сдвиговый модуль.

1200

> 1000 X

Ot)

фС

о 800

сЗ

Я

600

0 12 3 4

Equivalent deformation (е)

Рис. 2. Зависимость твердости от накопленной деформации после ВЭ при больших деформациях

Измерение предела пластического течения является дорогостоящей и трудоемкой операцией. Поэтому часто прибегают к измерению твердости материала, полагая, что предел пластического течения и твердость приблизительно связаны между собой пропорциональной зависимостью. Сравнивая рис. 2 и 3, можно заключить, что теоретическая кривая и экспериментальная согласуются с точностью до выбора масштабов по горизонтальной и вертикальной оси. Здесь также полагается, что при постоянной скорости деформирования эквивалентная (накопленная) деформация пропорциональна времени.

1964