Введение к работе
Актуальность работы. В поликристаллических мелкозернистых и ультрамелкозернистых металлах и сплавах наличие развитой системы внутренних поверхностей раздела (границ зерен, субзерен, вторичных фаз и других) во многом определяет комплекс их механических, физико-химических и других свойств. В последние годы активно разрабатываются и исследуются объемные субмикрокристаллические (СМК, размер зерен 102-103 нм) и наноструктурные (НС, размер зерен менее 100 нм) металлы, сплавы и композиты на их основе, полученные воздействием пластической деформацией.. Интерес к таким материалам обусловлен прежде всего их физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от соответствующих для обычных ультрамелкозернистых (размер зерен 1-10 мкм) и, тем более, от крупнозернистых (размер зерен более 10 мкм) поликристаллов. В частности металлы и сплавы в наноструктурном состоянии обладают высокой прочностью при сохранении удовлетворительной или даже, в некоторых случаях, более высокой пластичности, чем в мелкозернистом состоянии. В них наблюдается низкотемпературная и/или высокоскоростная сверхпластичность. Установлено, что в СМК и НС металлах, полученных воздействием пластической деформацией, коэффициенты зернограничной диффузии на несколько порядков величины выше по сравнению с соответствующими для индивидуальных границ зерен (ГЗ) в бикристаллах или ГЗ в крупнозернистых поликристаллах. Тем самым процессы зернограничной диффузии играют определяющую роль в формировании структурно-чувствительных свойств таких материалов, что связано с большой протяженностью и высокой диффузионной проницаемостью их границ зерен.
Целенаправленное использование контролируемых диффузией процессов лежит в основе получения и управления свойствами не только конструкционных, но и многих функциональных наноматериалов. К таким материалам, в частности, относятся так называемые наноламинаты, представляющие многослойные металлические сверхпроводники системы медь-ниобий (сплав на основе ниобия) с наноразмерной толщиной слоев. Оптимизация технологии получения таких наноламинатов требует изучения закономерностей и механизмов диффузионно-контролируемых процессов, фазовых и структурных превращений на межслойных границах в системах с различной степенью растворимости и характером взаимодействия компонентов, составляющих многослойный нанокомпозит. Процессы взаимной диффузии приобретают особую значимость при переходе к толщинам слоев в нанодиапазоне размеров. Это связано с увеличением объемной доли и степени неравновесности межзеренных и межфазных границ.
Другим известным объектом многочисленных исследований, в которых установлена важная роль диффузионно-контролируемых процессов, являются тиган и титановые сплавы в СМК и НС состояниях. В связи с тем, что решение задачи улучшения служебных характеристик и возможность оценки ресурса работы СМК и НС титановых сплавов в реальных условиях эксплуатации требует, прежде всего, рассмотрения проблемы термической стабильности указанных состояний и разработки способов торможения процессов возврата и рекристаллизации. Уменьшение температуры начала и ускоренное развитие указанных процессов, особенно в НС состоянии, обусловлено большой избыточной энергией, связанной, как отмечалось выше, с развитой системой внутренних поверхностей раздела, главными из которых являются границы зерен. Последние представляют неравновесные дефекты в поликристаллическом материале и обладают существенно
большей энергией по сравнению с объемом зерен. Традиционно данная проблема рассматривается с точки зрения выявления роли энергии и подвижности границ зерен в условиях наличия зернограяичных сегрегации, либо роли мелкодисперсных вторичных фаз в объеме и на границах зерен, в стабилизации структуры в отношении развития процессов возврата и рекристаллизации. В результате многочисленных исследований были установлены два основных механизма подавления роста зерен: торможение миграции ГЗ за счет взаимодействия с частицами дисперсных фаз, атомами примесей или уменьшение энергии границ зерен (а значит и движущей силы роста зерен) при сегрегации на них малорастворимых в объеме зерен примесей. Запасенная в результате формирования субмикрокристаллического и наноструктурного состояний воздействием пластической деформацией энергия приводит к тому, что объемные образцы металлов и сплавов с СМК и НС структурой после указанной обработки характеризуются высокими внутренними напряжениями, источниками которых являются границы зерен деформационного происхождения, дислокации и дислокационные субграницы. Наличие таких напряжений увеличивает трудоемкость получения изделий и может приводить к их короблению, а также является серьезным препятствием для их применения в практике. Однако ранее в литературе этот вопрос подробно не рассматривался. В связи с перспективой широкого практического применения СМК и НС материалов исследование данного вопроса также представляется актуальным.
В связи с изложенным выше для разработки и реализации на практике оптимальных режимов формирования наноструктуры в различных материалах, получения нанокомпозитов и анализа закономерностей деградации их структуры в реальных условиях эксплуатации большое значение имеют исследования закономерностей и физических механизмов диффузионно-контролируемых процессов в рассматриваемых материалах в условиях, близких к соответствующим при эксплуатации.
Целью настоящей работы является исследование закономерностей и физических механизмов диффузионно-контролируемых процессов фазовых и структурных превращений в многослойных композитах, в том числе с наноразмерной толщиной слоев (наноламинатов) и объемных металлических материалов, измельчение элементов структуры в которых достигается воздействием пластической деформацией.
Для реализации указанной цели в работе решались следующие основные задачи:
исследование закономерностей и физических механизмов диффузионно-контролируемых структурно-фазовых превращений в многослойных нанокомпозитах на примере систем Cu-Ti, Cu-TiNb, в том числе с барьерными для диффузии тонкими слоями ниобия;
определение количественных параметров микроструктуры субмикрокристаллического/наноструктурного состояний в ГПУ металлах (на примере нелегированного титана марки ВТ1-0) при воздействии пластической деформацией с использованием сочетания методов винтовой и продольной прокаток;
исследование физических механизмов развития пластической деформации в субмикрокристаллических ГПУ-металлах на наномасштабном уровне (на примере нелегированного титана марки ВТ1-0);
экспериментальное изучение влияния температуры отжига на развитие статического возврата и релаксацию внутренних остаточных напряжений в субмикрокристаллическом нелегированном титане ВТ1-0.
Научная новизна. 1. На примере многослойного нанокомпозита системы Cu-Ti выявлена определяющая роль диффузионного массопереноса по границам зерен в процессе роста интерметаллических фаз на межслойной границе.
2. Установлено, что диффузионный поток атомов меди по границам зерен
ниобия в многослойном нанокомпозите системы Cu-Nb-TiNb приводит к
активированной рекристаллизации ниобия. На основании экспериментальных данных
проведены оценки коэффициентов и энергии активации зернограничной диффузии
меди в ниобии.
3. Прямыми экспериментальными исследованиями показано, что в
субмикрокристаллическом нелегированном титане (сплав ВТ1-0) при комнатной
температуре реализуется механизм высокотемпературной деформации -
зернограничное проскальзывание.
Практическая значимость работы. Результаты фундаментальных и прикладных исследований закономерностей диффузионно-контролируемых процессов в многослойных композитах систем Cu-Ti, Cu-TiNb и Cu-Nb-TiNb могут быть использованы при разработке и оптимизации технологического процесса создания ленточных многослойных сверхпроводников с наноразмерной толщиной слоев (наноламинатов).
Выявленные особенности формирования субмикрокристаллического и наноструктурного состояний, и установленные режимы реализации полного снятия внутренних напряжений при сохранении СМК и НС структуры, используются в технологическом цикле получения полуфабрикатов (длинномерных прутков, пластин) из нелегированного титана (сплав ВТ1-0) медицинского назначения, используемых для изготовления костных имплантатов.
Положения, выносимые на защиту:
Закономерности диффузионно-контролируемых процессов образования интерметаллических фаз на межслойных границах в многослойном композите системы Cu-Ti. Определяющая роль зернограничного диффузионного массопереноса в процессе роста рассматриваемых фаз в многослойном композите системы Cu-TiNb.
Контролирующий физический механизм роста интерметаллидной фазы СщЪз, связанный с ее прерывистым выделением. Экспериментально измеренные значения параметров зернограничной диффузии меди в наноразмерных слоях ниобия в системе Cu-Nb-TiNb.
Экспериментально установленная на наномасштабном уровне возможность проявления в субмикрокристаллическом титане (сплав ВТ1-0) высокотемпературного механизма деформации - зернограничного проскальзывания в условиях растяжения при низких гомологических температурах (74),15.
Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в Научно-образовательном и инновационном Центре «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» Белгородского государственного университета в соответствии с планами государственных научных программ и грантов. Среди них: «Исследование методами электронной микроскопии в сочетании с компьютерным моделированием на атомном уровне металлических многослойных композиционных наноструктурных сверхпроводников на основе сплавов ниобия» (Субподрядный договор № 02.513.11.3198-БелГУ к государственному контракту ФЦП №02.513.11.3198 «Металлические многослойные композиционные наноструктурные материалы - разработка технологии, исследование структуры и свойств», 2007-2008 гг.); «Разработка опытно-промышленных технологий получения нового поколения медицинских имплантатов на основе титановых сплавов» (госконтракт по
комплексному проекту ФЦП №02.523.11.3007, 2007-2009 гг.), «Закономерности диффузии и диффузионно-контролируемых процессов в многослойных металлических композитах» (проект РФФИ № 09-02-00857,2009-2011 гг.).
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: «Инновационные исследования в сфере критических технологий», Белгород, 2007 г.; Ш Международной школе - конференции «Физическое материаловедение. Наноматериалы технического и медицинского назначения», Тольятти, 2007 г.; 6 Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)», Воронеж, 2007 г.; IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», Томск, 2008 г.; 4th International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation NanoSPD4, Гослар, 2008; VIII Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных (нано-)систем», Белгород, 2008; Международном форуме по нанотехнологиям 08, Москва, 2008 г.; Международной конференции «Ті - 2009 в СНГ», Одесса, 2009 г.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, сборниках трудов конференций (из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК) в числе которых 1 коллективная монография.
Личный вклад автора в проведение исследований и получение результатов является определяющим. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, двух приложений и списка цитируемой литературы, включающего 176 наименований. Диссертация содержит 200 страниц, 113 рисунков и 17 таблиц.
