Введение к работе
Актуальность темы.
Создание и развитие новых материалов обычно определяется необходимостью улучшения свойств известных материалов или созданием новых комплексов свойств. Недавнее появление нового класса материалов -нанокристаллических сплавов в полной мере отвечает этому принципу. Нанокристаллическими материалами, согласно общепринятым представлениям Гляйтера, называются сплавы с экстремально малым размером зерна (до 50 нм). Нанокристаллические материалы представляют собой чрезвычайно интересный объект исследования, поскольку в нем значительная доля атомов находится на поверхностях раздела или в непосредственной близости от них. Такая ультрамелкодисперсная зеренная структура и большая доля поверхностей раздела являются причинами уникачьных свойств этих материачов.
Одним из методов получения нанокристаллических материалов является контролируемая кристаллизация металлических стекол. Нанокристаллические материалы, полученные таким способом, обладают высокими магнитными и механическими свойствами, которые находятся на стыке свойств кристаллических и аморфных сплавов.
Причины реализации высоких прочностных свойств в нанокристаллических сплавах с экстремально малым размером зерен до конца не ясны. Согласно теории упрочнения поликристачлических материалов, с ростом размеров зерен прочность должна уменьшаться. Однако для нанокристаллических материалов наблюдается обратная зависимость прочности от размера зерен, что видимо связано с другим механизмом упрочнения.
Вопрос о получении нанокристаллической структуры высокой стабильности в настоящее время является весьма актуальным. Понимание процессов, приводящих к увеличению стабильности нанокристаллической структуры, чрезвычайно важно, как с точки зрения развития представлений о природе стабильности жстремально мелкодисперсных систем, так и с точки зрения практического применения этих материалов.
Структура нанокристаллических сплавов, полученных кристаллизацией метачлнческич стекол, как правило представляет собой частицы нанокристаллической фазы, запакованные в оставшуюся аморфную матрицу. Важным вопросом является в данном случае изменение состава оставшейся аморфной матрицы в процессе зарождения п роста кристаллов и его корреляция с такими параметрами структуры, как средний размер н микротверлость. Ответ на подобные вопросы позволит сделать ныводы не только о составе нанокрисіалдическоіі фазы. Но также, возможно о причинах стабильности наноструктуры. v
Цель работы.
Основной целью работы является исследование условий формирования нанокрисгатдической структуры в системах Ni-Mo-B и Al-Ni-Yb. ее эволюции в процессе изотермической выдержки и определение корреляции с механическими свойствами сплавов. В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:
-
Определение составов и условий получения аморфных сплавов и системах Ni-Mo-B и Al-Ni-Yb. при нагреве которых возможно образование нанокристатлической структуры.
-
Исследование структуры полученных нанокрисіалличсских сплавов.
-
Установление зависимости структурных изменений, or длительности изотермических выдержек, в том числе тменения размера нанокристаллов и доли ианокристатлической фа ;ы.
-
Проведение исследований химического состава нанокристаллов в процессе зарождения и роста.
-
Исследование дефектной структуры нанокристаллов.
-
Изучение механизма образования нанокрисгаїлпческой структуры на примере сплава системы Al-Ni-Yb.
-
Исследование стабильности нанокристаллической структуры и ее распада в зависимости от времени и «термических выдержек в сплавах системы N1-Мо-В.
К. Определение микроівердости нанокристаїлических сплавов и ее зависимости от размера ісрна. доти ианокрисіаллическозї фиш и .иитедыюсш иютермичеекиу выдержек.
На ішцітіу выгн/сится.
І'сіу.н.гаї ы исследования фаюві.іх превращении при магреве аморфных
сплавов и определения фа южно состава полученных нанокрисіалдических
сплавин.
Определение итисимосіи доли крнсіалличсской фа<м. среднею раїмера и
хихнічсскої о состава нанокристаллов. микршвердосш оі времени и
lexniepaiypu и юісрчичсскои видержки
І'сіулмиш определения мехамиіма іаро. и.шіеоораюнаїшя иаінжрнсіад.тп и
кинетических napavteipoii при крисі ал.іп сниш сплава системы Al-Ni-Yb.
IV о.п.іап.і ikv іс.'іонанн» n«.i іїчііііі структури паї.'оіфпсіалдпчсскііх
сн іанок в іом числе и распада при изоісрчических выдержках.
llii\'uum шігшпні і
Н ІИссср і анионной раооі с і it) ічтсни с h,iv юіписнонис pen плаї ы I Мею цім іімсіїміраірсіїміоінеп «тектронной микроскопии обнаружено, чіо к ііаніікрмсіа.і.іііческіі\ ні i.m.ix системы кристамы \і(Мо|
расположены в аморфной фазе таким образом, что они разделены аморфной матрицей и не имеют непосредственно контактирующих областей. .,. .
-
По изменению параметров решетки нанокристаллов Ni(Mo) получена зависимость состава нанокристаллов от химического состава сплавов системы Ni-Mo-B и длительности изотермической выдержки. Показано, что наблюдаемая зависимость обусловлена совместной диффузией Мо и В из нанокристаллов в аморфную фазу.
-
При исследовании тонкой структуры нанокристаллов обнаружено, .что нанокристаллы Ni содержат многочисленные микродвойники и дефекты упаковки, нанокристаллы А1 тоже не всегда являются бездефектными и могут состоять из сдвойникованных частей.
-
Сделан вывод о том, что в сплаве AlsbNinYbj зародышеобразование нанокристаллов происходит по гетерогенному механизму с нестационарной стадией. Получены значения величин инкубационного периода и коэффициента диффузии Yb.
-
Показано, что в сплавах системы Ni-Mo-B нанокристаллическая структура обладает высокой термическая стабильностью, которая обусловлена повышением температуры кристаллизации аморфной фазы, изолирующей нанокристаллы друг от друга. Повышение температуры кристаллизации аморфной фазы вызвано обогащением ее тугоплавким металлом (Мо) и бором во время зарождения и роста нанокристаллов. Показано, методами высокоразрешающей электронной микроскопии, что при отсутствии слоя аморфной фазы между нанокристаллами, происходит быстрый распад нанокристаллической структуры.
-
Изучен распад нанокристаллической структуры в сплавах системы Ni-Mo-B. Установлено кристаллографическое соответствие между решетками новой и нанокристаллической фазы на основании чего предложен механизм, согласно которому появляющаяся при распаде нанокристаллической структуры фаза МзМо с ГПУ решеткой, может образовываться из нанокристаллов Ni(Mo), а не из оставшейся аморфной фазы.
Практическая ценность.
-
Установление причин высокой термической стабильности нанокристаллических сплавов Ni-Mo-B может лечь в основу технологии получения сплавов с заданными свойствами.
-
Полученные значения микротвердости сплава AIjeNinYbs близки к рекордным значениям для легких сплавов. Объяснение причин высокой прочности таких сплавов может быть использовано для оптимизации составов и совершенствования процессов получения высокопрочных легких сплавов.
3. Полученные в работе температурно-временные зависимости среднего размера, доли кристаллической фазы и микротвердости сплавов систем Ni-Мо-В и Al-Ni-Yb могут быть использованы в качестве справочных данных.
Апробация результатов работы.
Результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены на следующих конференциях:
-
Ninth Interactional Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials. RQ9. Bratislava, August 25-30,1996.
-
Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов. РСНЭ*97. Москва-Дубна, 25-29 мал 1997.
-
V International Workshop on Non-Crystalline Solids, Santiago de Compostela, Spain, July 2-5,199^.
-
NATO Advanced Study Institute Nanostructured Materials: Science and Tehnology. St. Petersburg, Russia, August 10-20,1997.
-
Autumn school "Advanced Semiconductors: Formation, Properties and Characterization of Nanoscale Structures". Halle/Saale, September 20-25,1997.
-
Fourth International Conference on Nanostructoied Materials. NANO'98, Stockholm, Sweden, June 14-19,1998.
-
XVII Российская Конференция по Электронной Микроскопии, Черноголовка, 15-18 июня, 1998.
-
XVII Российская Конференция по Электронной Микроскопии, Черноголовка, май - июнь, 2000.
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 8-ми печатных работах, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, включая 62 рисунка. Список литературы содержит 156 наименований.