Введение к работе
Актуальность темы. Одна из основных задач современного материаловедения заключается в повышении прочностных и технологических характеристик конструкционных материалов. Эффективным способом ее решения является придание металлам и сплавам субмикрокристаллической (СМК) и нанокристаллической (НК) структуры. Наиболее перспективным методом получения СМК и НК материалов служит интенсивная пластическая деформация (ИПД). Известен широкий спектр способов реаліпации ИПД. Особое место занимает деформация сдвигом под высоким квазигидростатическим давлением (КГД), поскольку позволяет сравнительно просто и дешево получать СМК и НК структуру в высокопрочных сплавах и интерметаллидных соединениях. Однако, несмотря на значительное количество работ в данной области остается открытым вопрос о влиянии природы материала на эволюцию структуры при ИПД, а также о достижении минимального размера зерен.
К моменту постановки настоящей работы в научно-технической литературе отсутствовали данные о закономерностях измельчения зеренной структуры до нанокристалличесхих размеров в интерметаллидных соединениях и композитных материалах при интенсивной пластической деформации, а также сведения о режимах получения СМК массивных заготовок из малоуглеродистых низколегированных сталей. Отсутствие комплексных исследований влияния величины энергии дефекта упаковки (ЭДУ), типа решетки, типа связи, фазового состава, величины энергии упорядочения в сплавах и интерметаллидных соединениях препятствовало разработке общих представлений формирования структуры при ИПД металлических материалов. В связи с этим проведение системных экспериментальных исследований эволюции структуры при ИПД материалов различного класса представляло значительный интерес и являлось актуальным. Наиболее сложными для понимания являются закономерности возникновения, и развития внутренних поверхностей раздела - границ зерен, что весьма важно сточки зрения структурообразования при пластической деформации.
Известно, что НК и СМК материалы имеют ограниченную размерную стабильность при нагреве. Поиск путей повышения термостабильности также потребовал проведение системных исследований эволюции структуры при отжиге материалов с различным типом решетки, фазовым составом, природой и дисперсностью вторых фаз. Актуальность этой части работы обусловлена возможностью расширения области перспективного практического использования СМК и НК материалов.
Цель работы - установление закономерностей формирования структуры в металлах и сплавах с различным типом решетки, фазовым составом, энергией дефекта упаковки, типом связи и энергией упорядочения в интерметаллидных соединениях при интенсивной холодной пластической деформации к последующей термической обработке.
В работе решались следующие задачи:
1. ІЬучить фенодіенологию формирования нано- и субмикрокристаллических
структур в металлах, сплавах и иктерметаллидах при интенсивной пластической
деформации.
2. Исследовать влияние размера зерна, структуры границ зерен и степени дальнего
порядка на механические свойства материалов.
-
Провести анализ суперпозиции различных видов упрочнения в НК и СМК материалах.
-
Выполнить сравнительный анализ структурных превращений при различных методах ИПД.
-
Исследовать эволюцию НК и СМК структур при отжиге и разработать способы повышения их термостабильности.
Исследование проводили на чистых металлах и сплавах, отличающихся энергией дефекта упаковки, типом решетки и фазовым составом, (Ni, Fe, Mo, ферритной 13Х25Т, аустенитной AISI 316L и высокоуглеродистой стали У12А), интерметаллидных соединениях с различной энергией упорядочения (МізАІ, TiAl), механических смесях (Ag -50ат.%Си), и композитах с металлической матрицей и оксидной упрочняющей фазой (Ni-МехОу, Fe-MexOj).
Научная новизна. Проведен сравнительный анализ феноменологии структурообразоБания при интенсивной пластической деформации чистых металлов,-сплавов, механических смесей, интерметаллидов и композиционных материалов.
Установлено, что для чистых металлов и твердых растворов замещения величина ЭДУ и тип решетки слабо влияют на величину минимального размера зерен, достигаемого при ИПД. Легирование элементами внедрения, наличие ковалентной связи и отсутствие растворимости в твердом состоянии способствуют уменьшению минимально достигаемого при ИПД размера зерна на порядок по сравнению с чистыми металлами.
Показана принципиальная возможность получения беспористых дисперсно-упрочненных композитов с нанокристаллическон структурой методом ИПД порошковых
металлокерамических смесей. Обнаружена корреляция морфологии второй фазы и соотношения энергии связи металлоида в соединении и дислокации металлической матрицы.
Установлено, что ИПД интерметаллида ИізАІ, помимо формирования НК структуры, приводит к ее полному разупорядочению. При этом на начальной стадии деформации обнаружен атермический пик напряжения течения, связанный с изменением преимущественного механизма деформации от двойникования к скольжению. ИПД интерметаллида ТІА1 приводит к формированию двухфазной НК структуры, состоящей из частично разупорядоченной у-фазы с тетрагональной решеткой и разупорядоченной а-фазы с ГПУ решеткой.
Зависимость механических свойств НК интерметаллида №зА1 от температуры отжига имеет немонотонный характер. Максимальной прочностью и пластичностью обладает материал в НК разупорядоченном состоянии. Формирование при отжиге частичного дальнего порядка приводит к полной потере пластичности, которая восстанавливается лишь с полным формированием дальнего порядка. Легирование бором сужает температурный интервал, в котором отсутствует пластичность.
Анализ механизмов упрочнения СМК малоуглеродистых низколегированных сталей показал, что 30 % упрочнения обусловлено неравновесным состоянием границ зерен.
Положения, выносимые на защиту:
Трехстадийность формирования НК и СМК структуры при ИПД металлических материалов сдвигом под давлением.
Величина минимально достигаемого при ИПД размера зерна и стадийность эволюции структуры зависят от степени легирования элементами внедрения, типа химической связи, отношения атомных радиусов компонентов сплава. В сплавах металл-металлоид и интерметаллидах величина предельного размера зерен после ИПД меньше на порядок по сравнению с технически чистыми металлами и составляет 10-20нм.
В чистых металлах и сплавах замещения предельный размер зерна, полученный ИЦЦ, и стадийность эволюции структуры слабо зависят от величины ЭДУ, при этом формируется структура с размером зерна около ЮОнм.
В сплавах (металл-металлоид), (металл-МехСу, Ме-Ме^Оу) при ИЦЦ формируется нанокомпозитная структура матричного типа, либо пересыщенный твердый раствор, что определяется величиной энергии связи дислокации металла матрицы с металлоидом.
ИПЦ интерметаллида МзАІ приводит к формированию полностью разупорядоченной НК структуры с повышенными характеристиками прочности и пластичности. Формирование частичного дальнего порядка при отжиге, приводит к полной потере пластичности. Восстановление дальнего порядка, сопровождаемое ростом зерен при отжиге при повышенных температурах, восстанавливает его пластичность.
Разработаны режимы прокатки получения малоуглеродистых сталей с волокнистой СМК структурой, обеспечивающие повышение прочностных свойств в 2-3 раза, и ударной вязкости при 77К на порядок.
Научно-практическая значимость работы.
Установленные в работе закономерности процессов структурообразования в чистых металлах и фазовых превращений в сплавах и интерметаллидах при деформации кручением под КГД позволяют глубже понять природу формирования СМК и НК структур при ИПД. Результаты исследований могут быть использованы при разработке новых высокопрочных материалов.
Предложен новый метод повышения конструкционной прочности промышленных малоуглеродистых низколегированных сталей за счет формирования в них волокнистой СМК структуры интенсивной теплой прокаткой. Разработанный способ защищен патентом РФ.
Вклад соискателя. Личный вклад автора в диссертационную работу состоит в следующем: автор диссертации сформулировал концепцию научного направления, принимал непосредственное участие в разработке методик, интерпретации и обсуждении результатов, осуществлял научное руководство при проведении экспериментов.
Апробация работы Основные результаты были обсуждены и доложены на VI Всесоюзной конференции "Текстура и рекристаллизация в металлах и сплавах" (Свердловск, 1991); XIII Международной конференции "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов "(Самара, 1992); VI и VH Международных семинарах "Структура дислокаций и механические свойсгва металлов и сплавов" (Екатеринбург.1993, 1996); II и IV Международных семинарах "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах" (Барнаул 1994, 1998); XIII и XIV Уральских школах металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического материаловедения перспективных материалов" (Свердловск. 1995, Ижевск .1998); П Международной конференции по сверхчистым материалам (Сент-Этьенн, 1995); научно-техническом семинаре "Бернштейновские чтения по термической обработке металлических материалов" (Москва, 1996), Международном симпозиуме по метастабильным механически легированным и нанокристаллическнм
материалам (Рим, 1996); Международном симпозиуме по аэрозолям IAS-3 (Москга, 1996); II и IV Международных конференциях по нанокристаллическим материалам (Штутгарт, 1994; Стокгольм, 1998); IV Международной конференции по физическому металловедению и материаловедению "Перспективные материалы и технологии" (Краков-Криница, 1998).
Тематика диссертации являлась частью комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН, Всероссийской Государственной научно-технической программы "Новые материалы" и Федеральной научно-исследовательской программой "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" подпрограммой "Актуальные направления в физике конденсированных сред", проект №98046, тема 1.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 37 статьях, 20 тезисах докладов конференций и защищены патентом на изобретение. Список работ, в которых отражено основное содержание диссертации, приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Она изложена на 253 страницах, содержит 85 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 248 наименований.
