Введение к работе
Актуальность работы Наноструктурные материалы (НМ) привлекают большое внимание исследователей в связи с тем, что их физико-химические свойства существенно отличаются от свойств крупнозернистых объемных материалов [1-5] Уменьшение размера кристаллитов ниже некоторой пороговой величины может приводить к значительному изменению фундаментальных характеристик материала (магнитных, механических свойств, диаграмм равновесных состояний вещества и др) Это находит широкое практическое применение и стимулирует развитие фундаментальных научных направлений современной физики
На сегодняшний день разработано большое количество методов получения нанокристаллического состояния в металлах и сплавах Наиболее перспективными являются методы, использующие различные варианты интенсивной пластической деформации (ИПД) [1,3] Однако полностью использовать все преимущества методов ИПД и разработать на их основе полноценную технологию создания перспективных материалов невозможно без понимания механизмов деформационного зарождения и развития наноструктур
Помимо уменьшения размера зерна, ИПД может приводить к образованию сильно пересыщенных неравновесных твердых растворов, аморфизации, зарождению новых метастабильных фаз, отсутствующих на диаграммах фазовых равновесий металлов, не обладающих наноструктурой Так, при различных способах ИПД наблюдалось растворение фаз, стабильных в обычных условиях (например, карбидов, оксидов, боридов и др) [4, 5] Интерес к изучению подобных явлений связан с сильным влиянием процесса растворения на структуру и свойства сплавов, и дискуссия о механизмах и причинах де-формационно-индуцированного растворения дисперсных фаз продолжается до сих пор Более того, эта проблема является достаточно общей для всей теории структурно-фазовых превращений в наноструктурах металлов и существенно связана с фундаментальными представлениями о пока еще мало изученных механизмах пластического деформирования наноструктурированных материалов
Исследование обозначенного круга явлений представляет не только значительный теоретический интерес, но и имеет большую практическую ценность. Это, в частности, обусловлено широким промышленным применением углеродистых сталей в изготовлении таких тяжелонагруженных элементов конструкций как армирующие корды, пружины, стальные тросы, канаты подвесных мостов, железнодорожные рельсы и колеса и тп Растворение фаз при деформации может приводить к разупрочнению и значительной деградации физических свойств Вместе с тем, существуют и многочисленные примеры, когда деформационное растворение фаз значительно улучшает многие физико-химические свойства сталей и сплавов
Таким образом, изучение явлений деформационно-индуцированных структурно-фазовых превращений в металлах является актуальным Резуль-
таты такого исследования могут привести к развитию существующих и созданию новых методов синтеза современных высокотехнологичных материалов, обладающих уникальными физико-химическими свойствами.
Целью настоящей работы являлось исследование процессов растворения фаз в нанокристаллическом железе при интенсивной пластической деформации и разработка моделей деформационного зарождения и эволюции наноструктур. В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи
-
Разработка модели деформационно-индуцированного растворения фаз внедрения в сталях и сплавах при ИПД
-
Разработка моделей, описывающих механизмы деформационного фраг-ментирования наноструктур металлов и сплавов и оценка на их основе предельно достижимого размера зерна материала методами ИПД на примере процесса обработки в шаровых планетарных мельницах
3. Анализ кинетики процессов фазообразования при механообработке в шаровых планетарных мельницах. Научная новизна
Впервые введено понятие о расширенной диаграмме равновесных и ме-тастабильных состояний наноструктурированных материалов
Впервые проведен полный анализ эффективности существующих моделей растворения фаз в металлах при деформации и предложен новый механизм поглощения примеси формирующимися в процессе деформации межкристал-литными и межфазными границами и образующейся высокотемпературной фазой.
Впервые предложены механизмы фрагментации наноструктур деформа-ционно-индуцированные двойникование и полиморфные превращения мар-тенситного типа, и получена теоретическая оценка предела измельчения
Впервые выведены кинетические уравнения, описывающие процесс растворения фаз при деформации
Впервые предложена полная схема процесса формирования наноструктуры металлов и сплавов при интенсивной пластической деформации.
Положения, выносимые на защиту
1. Модель деформационно-индуцированного растворения вторых фаз поглощение примеси вновь образующимися межкристаллитньши и межфазными границами
2 Модели фрагментации наноструктур металлов и сплавов при интенсивной пластической деформации деформационное двойникование и полиморфные превращения мартенситного типа
3. Кинетические уравнения процесса растворения вторых фаз при деформации зависимость изменения радиуса изолированного включения и объемной доли растворяющейся фазы от времени измельчения
4 Общая схема процесса формирования структуры металлов и сплавов при интенсивной пластической деформации в высокоэнергетических мельницах
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях и семинарах- конференции молодых ученых ФТИ УрО РАН, Ижевск, 2004, 2005, всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем», Ершо-во, 2005, международной школе «Физическое металловедение» и XVII Уральской школы металловедов-термистов, Тольятти, 2006; III международной конференции по физики кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, МИСиС, 2006; VII международной конференции «Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых», Екатеринбург, 2006, второй всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2007», Новосибирск, 2007, первом международном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов» — МСМО-2007, Ростов-на-Дону — п Лоо, 2007, 10 международном симпозиуме «Упорядочение в кристаллах и сплавах» — ОМА-10, Ростов-на-Дону — п. Лоо, 2007, VIII молодежном семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества «СПФКС-8», Екатеринбург, 2007, XI международной конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов ДСМСМС-2008», Екатеринбург, 2008, tenth annual conference YUCOMAT 2008, Herceg Novi, Montenegro, 2008
Основные результаты работы изложены в 17 публикациях
Работа выполнена в рамках темы НИР ФТИ УрО РАН «Структура, фазовый состав и физико-химические свойства наносистем на основе Fe и sp-элементов при деформационных и термических воздействиях» № гос регистрации 04120 0 603319 и проектов РФФИ 03-03-32081 «Термо- и деформаци-онно-индуцированные структурно-фазовые превращения в нанокристалличе-ских и нанокомпозиционных механически сплавленных системах железо-бор и железо-углерод» и 07-03-96011 «Механически сплавленные нанокристалли-ческие композиты (TiC, VC, NbC)-Fe механохимический синтез, термическая и деформационная стабильность»
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы Объем диссертации — 115 стр, включая 34 рис и 2 табл Список литературы содержит 175 наименований.
