Введение к работе
Актуальность исследований. Перспективные в плане использования в качестве конструкционных субмикрокристаллические материалы (размер зерен менее 1 мкм), полученные методами интенсивной пластической деформации (ИПД), обладают высокой прочностью при сохранении удовлетворительного уровня пластичности. В них часто наблюдается снижение температуры перехода в сверхпластическое состояние. В некоторых работах отмечается повышение коррозийной стойкости металла при формировании в нем субмикрокристаллического состояния. Однако специфическая структура субмикрокристаллических материалов, полученных методами ИПД, связанная с присутствием высоких плотностей решеточных и зернограничных дислокаций, упругих искажений решетки и дальнодействующих полей напряжений, является неравновесной. Кроме того, установлено, что коэффициенты диффузии по границам зерен (ГЗ) в субмикрокристаллических (СМК) материалах на несколько порядков выше, по сравнению с соответствующими коэффициентами в крупнозернистых (КЗ) поликристаллах. Поэтому рост зерен в таких неравновесных материалах наблюдаются уже при температурах ниже 0,4 Tra (Тпл - температура плавления). Между тем размер зерен является одной из важнейших структурных характеристик субмикрокристаллических материалов, которая во многом определяет его механические и физико-химические свойства. Это обусловливает необходимость экспериментальных исследований и теоретического описания закономерностей роста зерен в субмикрокристаллических материалах с целью разработки методов стабилизации их структуры.
Высокая диффузионная проницаемость границ зерен субмикрокристаллических металлических материалов, полученных методами ИПД, предполагает возможность диффузии атомов примесей замещения и внедрения из внешней среды или контактирующего материала по границам зерен в процессе эксплуатации. Такие диффузионные потоки атомов примеси способны инициировать в материале миграцию границ зерен, рекристаллизацию и рост зерен и, как следствие, деградацию структурно-чувствительных свойств материала. Поэтому исключительно важным является вопрос об устойчивости субмикрокристаллической структуры, полученной методами ИПД, не только к температуре, но и к воздействию диффузионными потоками атомов примеси замещения и внедрения из внешней среды или внутренних источников.
Целью данной работы является изучение на примере молибдена и сплава ВТ6 диффузионной проницаемости и закономерностей эволюции структуры субмикрокристаллических металлических материалов в условиях одновременного воздействия температуры, напряжения и диффузионных потоков атомов примеси замещения и внедрения.
Для достижения указанной цели в работе решали следующие задачи: 1. Аттестация субмикрокристаллической структуры (определение размера зерен, спектра разориентировок границ зерен зернограничного ансамбля) молибдена, титана ВТ 1-0 и сплава ВТ6, полученных различными методами ИПД.
Исследование на примере субмикрокристаллического молибдена влияния внешнего приложенного напряжения на диффузионную проницаемость субмикрокристаллической структуры, полученной методами ИПД.
Изучение на примере субмикрокристаллического молибдена закономерностей эволюции структуры субмикрокристаллических материалов с неравновесными границами зерен в условиях одновременного воздействия температуры, напряжения и диффузионных потоков атомов примеси замещения с поверхности.
Сравнительные исследования проницаемости водородом и способности накапливать водород в объеме титана ВТ 1-0 и сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом и крупнозернистом состояниях.
Исследование влияния водорода на эволюцию структуры субмикрокристаллического сплава ВТ6 в процессе свободного отжига и под напряжением.
Научная новизна. В работе впервые:
на примере системы молибден-никель (никель диффузант) проведено комплексное экспериментальное исследование влияния внешнего напряжения на развитие активированной рекристаллизации (АР) в субмикрокристаллических материалах, полученных методами ИПД, и определены значения энергий активаций движения фронта активированной рекристаллизации и роста зерен в рекристаллизованном слое;
показано, что тормозящее влияние внешнего приложенного напряжения на развитие АР не связано с изменением коэффициента диффузии, а обусловлено уменьшением миграционной способности границ зерен;
- установлено, что зарождение новых зерен в тройных стыках и на мигрирую
щих границах в результате воздействия зернограничных диффузионных пото
ков атомов никеля с поверхности в субмикрокристаллическом молибдене
происходит с образованием границ зерен, имеющих разориентировку относи
тельно оси [001], близкую к специальной разориентировке (0 = 28,07);
- установлено, что причиной изменения скорости роста зерен субмикрокри
сталлического сплава ВТ6, легированного водородом, при наличии внешнего
напряжения является уменьшение энергии активации скорости роста зерен.
Практическая значимость. В работе на примере молибдена выявлены основные закономерности влияния приложенного напряжения на развитие АР в субмикрокристаллических металлах, полученных методами ИПД. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов стабилизации структуры нано- и субмикрокристаллических материалов.
На примере сплава ВТ6 установлено, что водород, находясь в твердом растворе, увеличивает скорость роста зерен в условиях деформации в интервале температур 873^-973 К.
Установлено, что формирование субмикрокристаллический структуры снижает проницаемость водородом титана ВТ 1-0 и сплава ВТ6 и повышает их способность накапливать водород в объеме. Эти результаты могут быть использованы при разработке материалов - накопителей водорода.
Положения, выносимые на защиту:
Эффект повышения коэффициента зернограничной гетеро диффузии в субмикрокристаллическом молибдене при наличии внешнего растягивающего напряжения.
Экспериментальные доказательства снижения эффективного коэффициента диффузии водорода и повышения способности накапливать водород в объеме для титановых сплавов в субмикрокристаллическом состоянии по сравнению с крупнозернистым состоянием.
Закономерности развития в субмикрокристаллическом молибдене инициированной диффузией никеля рекристаллизации, заключающиеся в зарождении новых зерен в тройных стыках и на мигрирующих границах с образованием специальных границ типа Е17а и снижении энергии активации движения фронта рекристаллизации по сравнению с мелко- и крупнозернистым состоянием.
Результаты экспериментального исследования развития рекристаллизации в процессе деформации субмикрокристаллическом сплаве ВТ6, устанавливающие увеличение скорости и снижении энергии активации роста зерен в присутствии в сплаве водорода в твердом растворе.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: I, III и IV Всероссийской конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005 - 2008); 45 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006); Российской школе-конференции молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения» (Белгород, 2006); VI Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Новые материалы. Создание, структура, свойства-2006» (Томск, 2006); II Всероссийской конференции «НАНО 2007» (Новосибирск, 2007); VIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов молодых ученых (Екатеринбург, 2007); Международной школе семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (Томск, 2008); Открытой школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2008" (Уфа, 2008); VIII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Белгород, 2008); «Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов» (Томск, 2009); VI Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010); XII Международной Конференции «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16 статьях, включая 9 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и 7 в сборниках трудов научных конференций различного уровня. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора в проведение исследований и получение результатов является определяющим. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации - 168 страниц, включая 50 рисунков, 11 таблиц и список цитируемой литературы из 166 наименований.
