Введение к работе
Актуальность темы. Повышение пластичности и прочности материалов является одной из основных задач современного материаловедения Пластичность поликристаллических однофазных металлов и сплавов зависит от соотношения границ общего и специального типа Пластичность упорядоченных сплавов и интерметаллидов со сверхструктурой Ы2 зависит также от других факторов, таких, как сегрегации примесей на границах зерен, энергетическое состояние границ специального типа, отклонение от стехиометри-ческого состава Изменение соотношения границ разного типа в поликристаллах возможно осуществить разными способами легироваїшем, термомеханической обработкой и посредством фазовых превращений порядок-беспорядок При легировании может происходить изменение энергии дефекта упаковки (ДУ), в сплавах со сверхструктурой Ll2 - энергии антифазных грашщ (АФГ) Исследование влияния таких фундаментальных физических характеристик сплавов как энергия ДУ, энергия АФГ и энергия упорядочения при фазовых переходах А1—»Ы2 на параметры зернограничных ансамблей является актуальной проблемой Под параметрами зернограничного ансамбля понимается взаимное расположение границ разного типа и их количественное соотношение, тип распределений зерен по размерам, распределение границ зерен в зависимости от угла разориентации, оси поворота и энергии и, наконец, атомная структура границ зерен. Хотя роль множественного двойникования в металлах и сплавах с низкой энергией ДУ известна и выполнено достаточно много работ на эту тему, до настоящей работы не проводилось систематических исследований влияния энерпш ДУ в твердых растворах на параметры зернограничного ансамбля Влияние фазовых переходов порядок-беспорядок на зерешгую структуру упорядочивающихся сплавов является отдельной проблемой В работах Сюткиной В И. и Гринберг Б А было установлено, что при неоструктурных фазовых переходах, сопровождающихся появлением тетрагональности в кристаллической решетке, в частности, при фазовом переходе А1—>Ы0, происходит рекристаллизация. Вопрос о влиянии изоструктурного фазового перехода А1—»Ы2 на параметры зеренной структуры до настоящей работы оставался неисследованным Представляет интерес атомная структура границ зерен в упорядоченных сплавах Влияние энергии АФГ и энергии упорядочения на распределения специальных границ в зависимости от их энергии в данной работе исследуется впервые Не менее актуальным является исследование закономерностей пластической деформации в сплавах с разным состоянием атомного порядка, а именно, влияние дефектной структуры границ зерен разного типа на решеточное внутризеренное скольжение дислокаций и накопление кривизны кручения кристаллической решетки в тройных стыках и вблизи фасеток границ-зерен
Целью работы является комплексное исследование зернограничных ансамблей ГЦК твердых растворов и упорядочивающихся сплавов со сверх-
структурой Ы2и выявление влияния различных факторов, таких как энергия ДУ, энергия АФГ в упорядочивающихся сплавах, фазовый переход порядок-беспорядок А1-»Ы2 и несоответствие атомных радиусов компонентов сплавов на параметры этих ансамблей. Целью работы также является исследование барьерного вклада границ зерен разного типа в предел текучести и эволюции дефектной структуры границ и ігх кристаллографических параметров при пластической деформации сплавов с разным состоянием атомного порядка.
> Поставленные в работе цели определили выбор сплавов для іюследования. Это сплавы I) на основе меди с разным несоответствием атомных радиусов, разной шнцгнтрацией легирующих элементов и разной зависимостью энергии ДУ от концентрации легирующего элемента (сплавы систем Cu-Al и Cu-Mn), 2)сплавы с ближним атомным порядком (БІТ) на основе никеля и палладия, имеющие одинаковую энергию ДУ, но разное несоответствие атомных радиусов (Ni3Fe, PdjFe), 3) сплавы с дальним атомным порядком (ДП) со сверх-струкгурой Ы2 на основе никеля и палладия и итврметаллид M3AL Для реализации указанной цели в работе были поставлены и решались следующие задачи.
Установление структуры зернограничных ансамблей в однофазных сплавах на основе никеля, палладия и меди в зависимости от энергии дефекта упаковки, концентрации легирующих элементов и несоответствия атомных радиусов
Исследование влияния фазового перехода А1 —>L 12 в однофазных упорядочивающихся сплавах на основе никеля и палладия на зеренную структуру, а также влияние степени дальнего атомного порядка, энергии дефекта упаковки, энергии антифазных границ и энергии упорядочеяїи на параметры зернограничного ансамбля.
Описание зернограничных ансамблей в многофазных сплавах на основе ингерметалли-да NijAl и влияние легирования бором и гафнием їй мшфосгруктуру и параметры зоренной структуры.
Установление влияния типа границ зерен на механические характеристики сплавов (предел текучести и микротвердость) и на условия генерации дислокаций границами зерен
Исследование влияния дефекпюй структуры границ зерен на параметры разориенти-ровок зерен и кривизну-кручения кристаллической решетки в условиях пластической деформации.
Научная ноешчаработы В сплавах с БП на основе никеля, палладия и меди экспериментально методами оптической металлографии и просвечивающей дифракционной атек-тронной микроскопии выполнена аттестация зернограничных ансамблей в зависимости от энергии ДУ и среднего размера зерна Выявлено влияние энергии ДУ и среднего размера зерна на эшропию зеренной структуры, среднее число специальных границ в расчете на одно «материнское» зерно и распределение специальных границ в зависимости отудельдай относительной энергии.
В однофазных сплавах на основе никеля (NfcFe) и палладия (PdJFe) выявлено влияние фазового перехода А1 ->L 12 на атомную структуру границ зерен и параметры Зфюгранич-ного ансамбля Установлено, что в процессе упорядочивающего отжига происходит частичная рекристаллизация, в ходе которой образуется другой Зфгюграничньїй ансамбль, а в плоскостях залегания специальных границ возникают зернограничные антифазные грани-
цы Установлено влияние характера фазового перехода 1-рода (точечный в сплаве M3Fe пли через двухфазную область А1+Ы2 в сплаве Pdje) їй імгенсивность рефіклашпвации. В сплавах с высокой энергией упорядочения при фазовом переходе A1-»L12 возрастает доля фасетированных границ зерен за счет расширения спектра специальных границ до Z81, в сплавах с низкой энергией упорядочения-доля шпкшнергешческих специальных границ 23 Устаїювлеію, что с ростом энергии АФГ и энергии упорядочения в сплавах со евфхструкгурой Ы2 уменьшается среднее число специальных границ зерен в расчете на одно «материнское» зерно, а средняя относительная энергия- возрастает
В многофазных сплавах на основе интерметаллида N13AI выявлено влияние легирования бором и гафнием на микроструктуру и соотношение границ разного типа
Все факторы, іірепятствуюіцие миграции границ общего типа (растворенные атомы легирующего элемента, БП и ДП в расположении атомов, увеличение энергии ДУ, наличие вторых фаз по границам зерен), прегопствуют образованию границ специального типа При фазовом переходе А1-»Ы2 образование специальных границ зерен происходит путем расщепления границ зерен
Изучен барьерный вклад границ разного тала в предел текучести. Установлено, что барьерный вклад специальных границ меньше, чем границ общего типа Исследована эволюция дислокационной структуры в зернах гюликрисгалла и дефектной структуры границ зерен. Установлено, что внутризеренное дислокапиошюе скольжение дислокадпй сопровождается зердаграничными сдвигами. Выявлена связь между кривизшйнфучением кристаллической решетки вблизи границ зерен, плотностью зфнограничных линий и изменением кристаллографінеских параметров границ зерен при пластической деформации
Практическая значимость работы заключается в том, что получена обширная эгепе-р.іментальнач информация о влиянии различных физических характеристик и фазового перехода пфядок-беспорядок А1—>Ы2 на количественные параметры зфнограничных ансамблей в ГЦК твердых растворах. Эш данные могут быть основой при моделировании специально заданных зергюграничных ансамблей Установленные закономерности о влиянии границ раздало гит на механические характфиешки однофазных сплавов и интерметаллида МзМ роли границ разного типа в пластической деформации поликристаллов с разным состоянием атомного порядка позволют прогнозировать свойства поликристал-лических агрегатов при механических испытаниях. В работе получен важный результат о том, что влияние типа границ зерен на механические свойства определяется не только кри-сгашюграфическими параметрами границ зерен, но и атомной структурой границ, отклонениями от стехиометрического состава вблизи границ Этот результат должен изменить общепринятое представление о том, что повышение пластичности можно добиться только увеличением доли двойниковых границ, особенно это касается разработки сплавов на основе МзА1
Основные полозкашя, выносимые т заиртгу:
1 Для твердых растворов ГЦК сплавов на основе никеля, меди и палладия реализуется концепция строения поликристаллов, в которой базисной является модель «материнских» зерен. Патнкристалл состоит из зерен («материнских»), ограниченных криволинейными
границами общего типа Границы общего типа образуют замюгутую сетку Часть «материнских» зерен содержот специальные границы.
Доля «материнских» зерен, содержащих специальные границы, и среднее число специальных границ в расчете на одно «М»-зерго в зерюграиичном ансамбле уменьшаются с ростом концентрсцш лепіруїощих элементов, энфгай ДУ и АФГ, энергии упорядочения и степени дальнего атомного порядка Это отітровождзется увеличением средней опюси-тельной энергии специальных границ, в спектрах которых преобладают ивкоэнергетиче-ские двойншсовые границы S3
При фазоюм переходе А1->Ы2 в процессе нщкотемпературного упорядочивающего отжига происходігг частичная рекристаллизация сплавов, которая заключается в образовании новых границ общего и специального типов, изменении спектра специальных границ и их средней энергии Этот процесс зависит от энергии упорядочения и характера фазового перехода 1-рода (точечный или через двухфазную область АІ-ЧЛг) В плоскостях специальных границ зерен могут образовываться зернограничные АФГ
Решеточные дклокацшігенфіфуются сгрошщзеренмгшросгупеньками Часть вектора Бюргерса испускаемой дислокации залегает в плоскости границы зерна С развитием деформации возрастает плотность дефектов на границах зерен, что приводит к изменению ігх крисгаллографікеских параметров и увеличению крившньькручегшя кристаллической решетки вблизи тройных стыков и фасеток специальных границ Установлено влияние состояния атомного порядка на закономерности генерации дисдакаций с границ зерен и накопления дефектов в них.
Экспгримешально определенные для ряда ГЦК сплавов статистические распределения «материнских» зерен по размерам, распределения расстояний между ближайшиш границами зерен, распределенил границ зерен в зависимости от углов разориентировки соседних зерен и осей поворота, зависимости среднего числа специальных границ в растете на одно «материнское» зерно и средней энергии специальных границ от энергии дефекта упаковки, гонцеїгграции легарутощих элементов, энергии ангифазных границ и фазового перехода А1—>Ы2
Апробшция работы Результаты работы докладывались и ебсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах. IV, V Международные школы-семгпгары 'Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1998,2000), II, III, IV, V Междутиродные семинары "Современные проблемы прочности" (Старая Русса, 1998— 2003), Shenyang International Conterence on Material Science and Engineering (S1SME'99) (Shenyang, China, 1999), International Conference Deformation and Fracture m Structural PM Materials (Piestany, Slovak Republic, 1999), V Рскхггжжг>китайскггй международный стшгюзиум "Новые материалы и технологии" (Байкальск, Россия, 1999), Iа International Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials (Tomsk, Russia, 2000), Международная конференция «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002), VI Всероссийская (международная) конференцій «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем (Томск, 2002), International Conference DF PM 2002 ((Stara Lesna, Slovak Republic, 2002), International Conference on the strength of materials (ICSMA-9, Haifa,
Israel, 1991, ICSMA- 13, Budapest, Hungary, 2003), 7,8 Международные симпозиумы «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» ОМА-2004, ОМА-2005 (Сочи, 2004, 2005)
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 52 статьях, го них 35 статей в рецензируемых отечественных и междушродньгч научных журналах
Объем и структура диссертации. Диссертацюнігая работа состоит id введения, главы по методике исследования и семи оригинальных глав, основных выводов и списка литературы го 218 нанменозаний. Содержание работы изложено на 333 страницах Диссертация содержит 192 рисунка и 52 таблицы
