Введение к работе
Актуальность темы. В современном физическом материаловедении большую научную и практическую значимость имеют так называемые функциональные материалы, назначение и применение которых определяется их специфическими и зачастую уникальными физико- техническими характеристиками. Важные классы функциональных материалов составляют, в частности, магнитотвердые материалы и сплавы с памятью формы. Наиболее перспективными и широко применяемыми представителями магнитотвердых материалов являются сплавы системы R- Fe-B (где R - редкоземельные элементы Nd, Pr), имеющие рекордную магнитную энергию среди производимых промышленностью постоянных магнитов [1Л,2Л]. Среди материалов с эффектами памяти формы (ЭПФ) особенно выделяются сплавы никелида титана (Ti-Ni), обладающие наиболее высокими прочностными, пластическими свойствами, а также уникальными по величине эффектами термомеханической памяти [3Л].
Дальнейшее повышение эксплуатационных характеристик указанных материалов является важной научно-технической задачей, перспективный способ решения которой - формирование нанокристаллического (НК) состояния. Хорошо известны такие способы получения нанокристаллических тонких лент и порошков, как быстрая закалка расплава и интенсивный размол, которые уже показали свою эффективность, в том числе для повышения функциональных свойств сплавов R-Fe-B и Ti-Ni. Однако указанные методы обладают рядом недостатков и не позволяют получать объемные монолитные образцы.
В последние два десятилетия активно развивается новое научное направление - получение объемных НК и ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов методом интенсивной пластической деформации (ИПД) [4Л,2]. ИПД заключается в воздействии на материалы деформации большой степени (истинная деформация е>4) при относительно низких гомологических температурах (меньше 0.5 от температуры плавления Тпл), по специальным схемам, в условиях высокого давления с большой гидростатической компонентой, что препятствует разрушению образца. Методы ИПД [4Л] позволили преодолеть проблемы получения объемных наноструктурных (НС) материалов, которые возникали при использовании методов быстрой закалки и интенсивного размола. Наиболее известными методами ИПД являются интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) под высоким давлением, которая позволяет реализовать максимально высокие степени деформации на малых модельных дисковых образцах, а также метод равноканального углового прессования (РКУП), используемый для получения массивных наноструктурных образцов. Как показано в серии работ [4Л,2], формирование НК состояния методами ИПД приводит к значительному повышению прочности, предела текучести, усталостных свойств металлических материалов, т.е важнейших характеристик для конструкционного применения. Можно было предполагать, что применение ИПД также перспективно к сплавам R-Fe-B и Ti-Ni для повышения их специфических функциональных свойств, и исследования в этом направлении представляют несомненный интерес.
Сплавы Ti-Ni и R-Fe-B объединяет также то, что при воздействии ИПД они аморфизируются. Исследование явления формирования аморфного состояния при ИПД представляет безусловный интерес. Известно большое число работ, посвященных аморфизации сплавов при интенсивном размоле [5Л]. В то же время, на момент постановки данных исследований, формирование аморфного состояния при ИПДК было отмечено только в некоторых работах, в частности, в [6Л, 7Л] на сплавах Ti-Ni и Mg-Al-C. Аморфизация сплавов R-Fe-B при ИПДК впервые была обнаружена в цикле наших работ [3-6]. Хотя в ряде работ (например [5Л, 8Л, 9 Л]) был проведен анализ закономерностей аморфизации при деформационном воздействии, можно утверждать, что физика аморфизации сплавов различного состава на данный момент далеко не раскрыта. Дополнительная информация о закономерностях структурных превращений была получена в наших исследованиях воздействия ИПД на исходно-аморфные быстрозакаленные сплавы (БЗС) системы R-Fe-B и Ti-Ni [12, 19, 27]. Было обнаружено, что в данных аморфных БЗС интенсивная деформация кручением приводит к релаксации путем нанокристаллизации [12, 19, 27]. Кроме того, впервые показано, что воздействие ИПД позволяет изменить кинетику кристаллизации БЗС R-Fe-B, Ti-Ni при нагреве и в результате сформировать более мелкую и однородную НК структуру с повышенными свойствами [19, 27].
Вышесказанное определяет актуальность цели диссертационной работы: определение закономерностей трансформации структуры и свойств кристаллических сплавов системы R-Fe-B, Ti-Ni и их быстрозакаленных аморфных аналогов при интенсивной пластической деформации, разработка научных основ получения методами ИПД данных материалов с рекордным уровнем свойств за счет создания НК структур, что составляет основу нового научного направления в области наноматериалов и технологий, обеспечивающих их получение.
Для достижения поставленной в работе цели решались следующие основные задачи:
-
Определение закономерностей трансформации микроструктуры исходно крупнозернистых и быстрозакаленных аморфных сплавов R-Fe-B при воздействии интенсивной пластической деформации кручением; определение закономерностей эволюции структуры в подвергнутых ИПД сплавах при последующем нагреве; разработка физических моделей, объясняющих наблюдаемые трансформации.
-
Установление взаимосвязи формируемых микроструктур с магнитными свойствами КЗ и БЗС сплавов R-Fe-B, подвергнутых ИПДК различной степени и последующим отжигам, выявление физической природы этих взаимосвязей.
-
Определение закономерностей трансформации микроструктуры исходно крупнозернистых и быстрозакаленных аморфных сплавов системы
Ti-Ni в результате действия ИПД. Установление взаимосвязи структурного (НК и аморфного) состояния сплавов Ti-Ni, полученного ИПД и отжигами, c их механическими свойствами и мартенситными превращениями.
4. Создание научных принципов получения методами интенсивной пластической деформации наноструктурных сплавов Ti-Ni и магнитов R-Fe- B с повышенными служебными свойствами, перспективных для практического применения.
Научная новизна работы: Обнаружено явление расслоения фазы R2- Fei4-B при ИПДК сплавов R-Fe-В различного состава на нанокристаллическую фазу a-Fe и аморфную фазу. Обнаружено явление ИПД - индуцированной нанокристаллизации в аморфных БЗС Nd-Fe-B и Ti- Ni-Cu. Предложены физические интерпретации обнаруженных явлений. Установлено, что воздействие ИПД на исходно-аморфные БЗС Nd-Fe-B, Ti- Ni-Cu приводит к изменению процессов кристаллизации аморфной фазы при последующем отжиге, что позволяет сформировать более мелкую НК структуру и достигнуть более высоких свойств, чем отжигом недеформированных БЗС. Установлены закономерности изменения магнитных свойств в сплавах R-Fe-В различного состава при воздействии ИПД и последующих отжигов и предложены модели их взаимосвязи со структурными трансформациями. Определены зависимости механических свойств и напряжения деформационно-индуцированного мартенситного превращения сплавов Ti-Ni от размера зерна в НК диапазоне, сформированного ИПД и отжигами. Предложены физические интерпретации обнаруженных зависимостей.
Практическая значимость работы: Полученные данные о зависимости магнитных гистерезисных свойств подвергнутых ИПДК сплавов R-Fe-B от их микроструктуры могут быть использованы для разработки новых методов производства постоянных магнитов R-Fe-B с рекордными магнитными свойствами. Разработан способ получения магнитов R-Fe-B с высокими значениями коэрцитивной силы Нс и остаточной удельной намагниченности Gr на основе равноканального углового прессования (РКУП). Разработаны пути получения НК сплавов Ti-Ni c высокими прочностными и функциональными свойствами с использованием ИПД. Из НК сплавов Ti-Ni изготовлены медицинские имплантаты с повышенными служебными характеристиками. Предложен способ получения монолитных НК образцов с повышенными свойствами из сплавов Nd-Fe-B, включающий комбинацию быстрой закалки расплава, ИПД и отжиг. Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ студентов ГОУ ВПО УГАТУ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Явление нанокристаллизации при воздействии интенсивной пластической деформации кручением при комнатной температуре на
исходно- аморфные быстрозакаленные сплавы R-Fe-В, Ti-Ni-Cu, которая в БЗС R-Fe-В происходит путем расслоения аморфной фазы и нанокристаллизации фазы a-Fe, а в БЗС Ti-Ni-Cu - путем полиморфной нанокристаллизации распределенных в аморфной фазе нанокристаллов В2 фазы. Данное явление является результатом релаксации, связанной с интенсификацией диффузии, обусловленной генерируемой ИПДК повышенной концентрацией областей свободного объема атомарного размера.
2. Аморфизация при воздействии ИПДК на исходно-кристаллические сплавы, сопровождаемая в сплавах R-Fe-B динамической нанокристаллизацией с расслоением основной фазы R2Fei4B на аморфную фазу и НК фазу a-Fe, и полиморфной нанокристаллизацией без расслоения в сплавах Ti-Ni. В результате как в исходно-кристаллических, так и в исходно- аморфных сплавах R-Fe-B и Ti-Ni при воздействии ИПД формируются подобные метастабильные структуры.
-
-
Установленные закономерности изменения магнитных гистерезисных свойств сплавов R-Fe-B, механических свойств и мартенситных превращений в сплавах Ti-Ni при воздействии ИПДК, последующих отжигов и модели, объясняющие обнаруженные закономерности.
-
Обусловленное ИПДК изменение механизма и кинетики кристаллизации аморфных БЗС R-Fe-В, Ti-Ni-Cu при последующих нагревах, приводящее к формированию в них более однородных НК структур и более высоких служебных свойств, чем при отжиге аналогичных недеформированных БЗС.
Достоверность результатов и выводов диссертации обусловлена использованием современных, взаимодополняющих друг друга методов исследования и испытаний, включая просвечивающую электронную микроскопию, рентгеноструктурный анализ, термомагнитный анализ и др.; воспроизводимостью результатов; их согласием с литературным данным. Разработанные модели основаны на известных физических законах и признанных концепциях и хорошо объясняют полученные новые экспериментальные данные.
Работа выполнялась в рамках государственных научно-технических программ Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2001 -2002), Федеральной Целевой Программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы", ФЦП «Интеграция» «Конструкционные наноструктурные материалы: получение, исследование, применение» (1999 - 2003 гг), проектов Международного научно-технического центра (1998 - 2010 гг.), грантов РФФИ (1998 - 2010 гг), проектов INTAS (1999 - 2007 гг). Исследования в рамках проектов проводились совместно с ИФМ УрО РАН
Екатеринбург (группы А.Г. Попова, В.Г. Пушина), МИСиС, Москва (группа С. Д. Прокошкина), ИМаш РАН, Москва, (группа В.В. Столярова).
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Личный вклад автора состоит в постановке общей цели исследований и проблем в работах, которые составляют основу диссертации; разработке режимов ИПД и получении по данным режимам экспериментальных образцов; проведении значительной части экспериментальных исследований структуры и свойств. Экспериментальные исследования структуры и магнитных свойств подвергнутых ИПД сплавов R-Fe-B были выполнены в сотрудничестве с группой А.Г. Попова, ИФМ УрО РАН, Екатеринбург. Экспериментальные исследования структуры и мартенситных превращений ИПД сплавов Ti-Ni были выполнены в сотрудничестве с группой В.Г. Пушина, ИФМ УрО РАН, Екатеринбург, и группой С. Д.Прокошкина, МИСиС, Москва.
Автором проводились обработка и анализ полученных данных, а также обобщение результатов работы в публикациях и отчетах по проектам.
Модели трансформации структуры, взаимосвязи структуры и свойств, представленные в диссертации, разработаны лично автором.
В дискуссиях в процессе экспериментальных исследований и в обсуждении результатов принимали участие соавторы публикаций Р.З. Валиев, А.Г. Попов, , С.Д.Прокошкин, В.Г. Пушин, В.В.Столяров.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались лично автором на следующих конференциях: VII, VIII, IX, X Международные семинары "Дислокации и механические свойства металлов и сплавов ДСМСМС" г. Екатеринбург (1996, 1999, 2002, 2005 гг.); XII и XIII «Международные конференции по постоянным магнитам", Суздаль, (1997, 2000 гг); NATO ASI-97, Санкт- Петербург, 1997г.; 15-th International Workshop on Rare-Earth Magnets, Дрезден, 1998 г.; Международная конференция EASTMAG - 2001, Екатеринбург; Всероссийская конференция «Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов», Уфа, 2001; 2nd International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation "NanoSPD2" Vienna, Austria, 2002; XV Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», Тольятти, 2003 г.; III международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2004 г; Международная научно-практическая конференция «Нанотехнологии - производству» г. Фрязино, 2004 г; Всероссийская конференция НАНО-2004 2004 г. Москва, XVII Уральская школа металловедов-термистов г. Киров, 2004 г; Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов» Москва, 2006; 9-я и 10-я Международные конференции «Высокие давления», Судак, Украина (2006, 2008 г.); International conference «NanoTech 2007», Tokyo, Japan, 2007; Межрегиональная конференция «Актуальные проблемы естественных и технических наук», Уфа 2009 г.; 1-ый, 2-ой Международный симпозиум «Объемные наноструктурные материалы» «BNM2007», «BNM2009» Уфа, (2007, 2009 г.); Научная сессия МИФИ, Москва, 2010 г.; Открытая школа- конференция стран СНГ УМЗНМ-2010, Уфа; международный семинар "Atomic transport in bulk nanostructured materials and related unique properties" 2010, Rouen, France.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы (233 наименований). Общий объем диссертации составляет 278 страниц, диссертация содержит 124 рисунка и 27 таблиц.
Публикации. Материал диссертационной работы отражен в 65 публикациях, из них участие в монографиях - 2, статей - 59 (из них - 39 в журналах, рекомендованных ВАК), 4 патента.
Похожие диссертации на Трансформация структуры и физико-механических свойств кристаллических и аморфных сплавов систем Nd(Pr)-Fe-B и Ti-Ni, при воздействии интенсивной пластической деформации
-
