Введение к работе
з
Актуальность работы. В конце XX века в физическом материаловедении получило развитие новое научное направление - инженерия поверхностей раздела (interface engineering), основателем которого считается японский профессор Т. Ватанабэ. Межзеренные и межфазные границы раздела в металлических и керамических материалах, представляющие собой плоские дефекты кристаллической структуры толщиной около 1 нм, во многом определяют их физические и механические свойства, стабильность структуры и характер разрушения. В связи с этим основной задачей инженерии внутренних поверхностей раздела является улучшение (оптимизация) комплекса свойств металлических и керамических поликристаллических материалов путем управления структурой и поведением межзеренных или межфазных границ. Наиболее актуальными развиваемые в рамках данного направления подходы представляются для исследования и разработки ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов, в которых, вследствие малого размера зерен, значительно возрастает роль внутренних поверхностей раздела. Особое внимание границам зерен и фаз в металлических поликристаллах уделяется в работах В.Е. Панина, где они рассматриваются как самостоятельная планарная подсистема, управляющая поведением, и во многом определяющая механизмы пластической деформации и разрушения металлов и сплавов на разных структурно-масштабных уровнях.
Развитие представлений о возможности перехода границы в неравновесное высокоэнергетическое состояние в условиях внешних для нее воздействий можно отнести к числу наиболее важных достижений в теории границ зерен. Как было установлено в работах Колобова Ю.Р. с соавторами, помимо взаимодействия с вакансиями и дислокациями в процессе пластической деформации, еще одним фактором, обусловливающим переход границ в неравновесное высокоэнергетическое состояние, может быть воздействие направленными зерно-граничными диффузионными потоками атомов примеси. Несмотря на большое число работ, посвященных исследованиям влияния неравновесного высокоэнергетического состояния границ зерен на механические свойства металлов, до настоящего времени не существует общепринятой экспериментальной методики, позволяющей оценить изменение энергии болыпеугловых границ в результате их взаимодействия с дефектами решетки или атомами примеси. Кроме того, практически отсутствуют работы по изучению влияния хорошо аттестованных зернограничных ансамблей, содержащих большое число границ, на механические свойства и деформационное поведение металлических поликристаллов в различных термосиловых условиях.
Степень разработанности темы исследования
К настоящему времени основная часть экспериментальных исследований влияния характеристик границ на поведение и свойства поликристаллических материалов выполнена на ансамблях, содержащих небольшое число границ зерен. Это связано с высокой трудоемкостью определения зернограничных разо-риентировок в частности методами просвечивающей электронной микроскопии. Появившийся сравнительно недавно метод исследования с использованием анализа картин дифракции обратно-рассеянных электронов (в англоязычной литературе - EBSD) позволяет существенно ускорить процесс получения информации о характеристиках структуры, включая спектр разориентировок большого числа границ. Вместе с тем, до настоящего времени комплексные исследования влияния пластической деформации, диффузии атомов примесей с различной склонностью к сегрегациям по границам зерен и зернограничных выделений вторичной фазы на формирование структуры и характеристик зернограничного ансамбля поликристаллических (в том числе ультрамелкозернистых) материалов с использованием указанного метода не проводились. Изучение закономерностей такого влияния на примере никеля и сплавов Al-Mg-Li в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях позволит сформулировать принципы получения поликристаллических материалов с заданным ансамблем границ зерен, определяющим их механические свойства и деформационное поведение в различных условиях внешних воздействий.
Целью диссертационной работы является выяснение закономерностей и механизмов влияния пластической деформации и зернограничной диффузии на характеристики структуры, ансамбли границ зерен, а также деформационное поведение ГЦК металлов и сплавов на примере никеля и сплавов Al-Mg-Li в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях. Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Провести сравнительные исследования влияния деформационных и диффузионных воздействий на характеристики структуры и ансамбли границ зерен никеля в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состоянии.
-
Изучить влияние характеристик структуры и зернограничного ансамбля на механические свойства и сопротивление ползучести никеля, в том числе в условиях диффузии атомов примеси по границам зерен, в широком интервале температур и приложенных нагрузок.
-
Разработать способ оценки изменения энергии болыпеугловых границ зерен поликристаллических металлов в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состоянии в условиях пластической деформации и воздействия зерногранич-ными диффузионными потоками атомов примесей.
4. Провести сравнительное исследование влияния эволюции ансамблей и
структурно-фазового состояния границ зерен при пластической деформации и
диффузионных отжигах на механизмы упрочнения ультрамелкозернистых и
крупнозернистых металлов и сплавов с гранецентрированной кубической ре
шеткой.
5. Изучить влияние выделений вторичных фаз на границах и в объеме зерен на
закономерности фазовых превращений и деформационное поведение ультра
мелкозернистых сплавов Al-Mg-Li, полученных методом интенсивной пласти
ческой деформации.
Научная новизна. В работе впервые:
с использованием метода дифракции обратно-рассеянных электронов обнаружено уменьшение доли двойниковых границ в зернограничном ансамбле крупнозернистого никеля в процессе высокотемпературной ползучести при напряжениях ниже предела текучести из-за распада границ S3 на специальные границы Х9 и Z27 при взаимодействии с дефектами кристаллической решетки;
установлено, что при отжиге крупнозернистого никеля в условиях диффузионного контакта с медью формируется зернограничный ансамбль с преимущественно специальными границами зерен (больше 70%); увеличение доли специальных границ зерен происходит путем инициированной диффузией слабосег-регирующей по границам зерен примеси (меди) миграции участков границ общего типа к положениям, соответствующим двойниковым разориентировкам S3, и повышением в приграничных областях концентрации меди;
показано, что увеличение доли границ зерен специального типа в зернограничном ансамбле крупнозернистого никеля (до 55%) приводит к уменьшению предела текучести и коэффициента деформационного упрочнения при низких температурах (295К), а также к снижению скорости деформации на установившейся стадии ползучести (в том числе в условиях зернограничной диффузии атомов примеси) в интервале повышенных температур 773-923К (0,4-0,6 Tra); обнаруженное снижение скорости ползучести и уменьшение эффекта ее активации диффузионными потоками атомов примеси замещения обусловлено повышенным сопротивлением зернограничному проскальзыванию и трещинооб-разованию низкоэнергетических границ специального типа по сравнению с границами зерен общего типа;
предложен оригинальный способ оценки изменения энергии (степени неравновесности) болыпеугловых границ зерен в зернограничном ансамбле поликристаллического материала (в том числе с ультрамелкозернистой структурой) при их взаимодействии с дефектами кристаллической решетки или атомами диффундирующей примеси, основанный на расчете величины удельной протяжен-
ности (кривизны) болыпеугловых границ зерен, определяемой методом дифракции обратно-рассеянных электронов;
установлено ускорение распада твердого раствора в сплавах Al-Mg-Li с ультрамелкозернистой структурой в условиях сверхпластической деформации, обусловленное развитием процессов миграции границ зерен и зернограничного проскальзывания;
методом внутреннего трения показано, что снижение температурного и повышение скоростного интервала проявления сверхпластичности в сплавах системы Al-Mg-Li с ультрамелкозернистой структурой по сравнению с крупнозернистыми аналогами обусловлено снижением температуры и уменьшением энергии активации развития истинного зернограничного проскальзывания.
Теоретическая и практическая значимость работы:
на основе результатов проведенных исследований эволюции зернограничного ансамбля в никеле при различных термосиловых воздействиях и диффузии примеси замещения по границам зерен разработаны комплексные термомеханические обработки, включающие диффузионные отжиги, для формирования в ГЦК металлах и твердых растворах замещения зернограничных ансамблей с заданной долей специальных границ и среднего размера зерен;
на основании расчета величины удельной протяженности (кривизны) болыпеугловых границ зерен, определяемой методом обратно-рассеянных электронов, предложен способ оценки изменения энергии таких границ в поликристаллических материалах (в том числе с ультрамелкозернистой структурой) для определения степени неравновесности границ зерен при взаимодействии с дефектами кристаллической решетки или атомами диффундирующей примеси;
повышение доли границ зерен специального типа в никеле в результате инициированной диффузией слабосегрегирующей примеси (меди) миграции участков границ зерен общего типа в процессе отжига к низкоэнергетическим разориентировкам может использоваться при разработке сплавов на основе никеля с высоким сопротивлением трещинообразованию и зернограничному проскальзыванию при эксплуатации в условиях повышенных температур;
увеличение сопротивления локализации пластического течения на мезо- и макромасштабных уровнях в сплавах Al-Mg-Li при комнатной температуре путем выделения в объеме и на границах зерен частиц вторичных фаз может быть использовано для повышения технологической пластичности (равномерного удлинения) гетерофазных сплавов с ультрамелкозернистой структурой;
обнаруженное на сплавах Al-Mg-Li с ультрамелкозернистой структурой смещение температурно-скоростного интервала проявления сверхпластичности
в область более низких температур и высоких скоростей деформации может служить основой при разработке режимов сверхпластической формовки для получения полуфабрикатов и изделий из указанных материалов.
Методология и методы исследования
Задачи исследований диссертационной работы направлены на выявление закономерностей влияния деформационных и диффузионных воздействий на структуру и характеристики зернограничного ансамбля, а также деформационное поведение никеля и сплавов Al-Mg-Li в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состоянии. Экспериментальные исследования проводились с использованием следующего аналитического и испытательного оборудования (в том числе Томского материаловедческого ЦКП при ТГУ и ЦКП ИФПМ СО РАН «НАНОТЕХ»): оптических микроскопов AXIOVERT-200MAT и Olympus GX-7IF; растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO 50 XVP, оснащенного энерго- и волнодисперсионным анализаторами; систем с электронным и сфокусированным ионным пучками Quanta 200 3D и Quanta 600 FEG с приставками для EBSD (Pegasus) и микрорентгеноспектрального (EDAX) анализа; рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD 6000 с высокотемпературной приставкой ТТК-450; термоанализатора SDT Q600 для дифференциально-термического анализа; просвечивающих электронных микроскопов JEM 2100, с приставкой для энерго дисперсионного анализа Х-МАХ, и ЭМ-125К (для магнитных никелевых образцов); установок для механических испытаний на растяжение и ползучесть Instron 3369, ПВ-3012М и «ИМАШ»; автоматического комплекса для измерения микротвёрдости на базе микротвердомера «Duramin-5».
Положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности эволюции зернограничного ансамбля в крупнозернистом и ультрамелкозернистом никеле при высокотемпературной ползучести (823К), а также прокатке и ковке при температуре жидкого азота, заключающиеся в распаде специальных низкоэнергетических границ S3 с образованием границ Х9 и S27, формировании малоугловых границ, развитии динамической рекристаллизации в областях локализованного сдвига.
-
Механизм увеличения в зернограничном ансамбле крупнозернистого никеля доли специальных границ зерен (более 70%) путем инициированной диффузией слабосегрегирующей по границам зерен примеси замещения (меди) миграции участков границ общего типа к положениям, отвечающим специальным разо-риентировкам S3, с образованием твердого раствора меди в никеле в приграничных областях.
-
Повышение сопротивления ползучести крупнозернистого никеля в интервале температур 773-923К (0,4-^0,6 Тщ) при увеличении доли специальных границ зерен, в том числе в условиях зернограничных диффузионных потоков примеси замещения, обусловленное уменьшением вклада механизмов зернограничного проскальзывания и трещинообразования в общую деформацию.
-
Способ (методика) оценки изменения энергии болыпеугловых границ зерен поликристаллического материала (в том числе с ультрамелкозернистой структурой) при их взаимодействии с дефектами кристаллической решетки и атомами диффундирующей примеси замещения, основанный на расчете величины удельной протяженности (кривизны) болыпеугловых границ зерен, определяемой методом дифракции обратно рассеянных электронов.
-
Экспериментально установленное смещение температурного интервала развития сверхпластичности в гетерофазных сплавах системы Al-Mg-Li с ультрамелкозернистой структурой в область более низких температур и более высоких скоростей деформации по сравнению с крупнозернистыми аналогами и обусловливающие его механизмы: понижение температуры и уменьшение энергии активации истинного зернограничного проскальзывания в результате уменьшения удельной плотности зернограничных выделений -фазы и повышения степени неравновесности болыпеугловых границ зерен.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Достоверность полученных экспериментальных результатов, обоснованность положений на защиту и сформулированных в работе выводов обеспечены использованием современных методов и аналитического оборудования при исследовании структуры, фазового состава и механических свойств, указанных выше материалов, а также анализом и статистической обработкой полученных экспериментальных данных в сопоставлении с теоретическими моделями и данными других исследователей.
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: V Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных (на-но-) систем», Екатеринбург, 2000 г.; Научно-практической конференции мате-риаловедческих обществ России «Новые конструкционные материалы», Москва, 2000 г.; International Workshop «Мезомеханика: основы и приложения», г.Томск, 2000 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов», Уфа, 2001 г.; VI Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии в XXI веке», Пекин,
КНР, 2001 г.; VI Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем», г.Томск, 2002 г.; XXXIX семинаре «Актуальные проблемы прочности», г.Черноголовка, 2002 г.; IX Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2002 г.; Междунаодной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г.Томск, 2004, 2006, 2009, 2011 гг; Научной сессии Московского инженерно-физического института, Москва, 2005 г.; Nanomaterials by Severe Plastic Deformation NanoSPD3, Fukuoka, Japan 2005; Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2006, 2010, 2012 гг; Ш-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 2006 г.; II Всероссийской конференции по наноматериалам « НАНО-2007», г.Новосибирск, 2007 г.; 2-nd International symposium "Physics and mechanics of large plastic strains". St.-Petersburg, 2007; International symposium on bulk nanos-tractured materials BNM, Ufa 2007; Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения», г.Томск, 2008г.; Nanomaterials by Severe Plastic Deformation NanoSPD4, Goslar, Germany, 2008; Second International Symposium "Bulk Nanostructured Materials: from fundamentals to innovations", Ufa, 2009; IV International seminar "Nanotechnology, energy, plasma, lasers", Tomsk, 2010; IV Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2011», Москва, 2011; 5th International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation, Nanjing, China, 2011; 3nd International Symposium "Bulk nanostructured materials: From fundamentals to innovations BNM-2011", Ufa, 2011.
Личный вклад автора в работу. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат идеи в определении цели и задач работы, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке положений и выводов.
Публикации. Основное содержание работы представлено в 35-ти научных работах, в том числе 30-ти статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК, а также 3-х коллективных монографиях и 2-х патентах РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и списка цитируемой литературы из 236 наименований. Всего 268 страниц, в том числе 139 рисунков и 16 таблиц.
