Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие в физическом материаловедении интенсивно развивается новое научное направление - зерногранич-ная инженерия перспективных материалов. Целью данного направления является достижение заданных механических свойств поликристаллических материалов путем управления структурой и поведением границ зерен (ГЗ). Одним из подходов к данной проблеме может рассматриваться разработка способов повышения прочностных и пластических свойств обычных поликристаллов в результате формирования в них термо- механической обработкой зерногранич-ного ансамбля с определенным соотношением границ зерен общего и специального типов.
Важным достижением в теории границ зерен является развитие представлений о возможности их перехода в неравновесное состояние в условиях внешних для границы воздействий: абсорбции решеточных дислокаций, воздействии направленными диффузионными потоками атомов примеси и других. Переход границ в неравновесное состояние приводит к активации в поликристаллическом материале таких процессов как зернограничное проскальзывание, миграция границ зерен, и, как следствие, реализации сверхпластичного состояния, отвечающего взаимосвязанному и согласованному развитию процессов деформации на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях. В то же время, в частности, известно, что структура специальных границ зерен в силу ее низ-коэнергетичности значительно менее подвержена переходу в неравновесное состояние в отличие от структуры ГЗ общего типа. В связи с вышеизложенным можно ожидать, что прочностные и пластические свойства поликристаллов с зернограничным ансамблем, имеющим значительную долю границ зерен специального типа, при деформации в условиях внешних воздействий, например, диффузии атомов примеси, могут существенно отличаться от свойств поликристаллов, зернограничныи ансамбль которых состоит в основном из границ общего типа. Однако, ранее такие исследования не проводились.
Другим объектом исследования зернограничной инженерии являются, вызывающие в последнее время все более возрастающий интерес, ультрамелкозернистые (нано- и субмикрокристаллические) материалы. Благодаря большой протяженности в таких материалах внутренних поверхностей раздела - границ зерен, они обладают целым комплексом уникальных физических, физико - химических и механических свойств. Среди известных способов получения таких материалов наибольший интерес с практической точки зрения представляет метод интенсивной пластической деформации, позволяющий получать объемные субмикрокристаллические (наноструктурные) материалы со средним
размером зерен ~ O.l-rO.5 мкм. В силу особенностей формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, материалы, полученные указанным методом, характеризуются отсутствием пористости и существенно неравновесной структурой фаниц зерен. В связи с вышеизложенным вполне обоснованным представляется предположение о том, что для субмикрокристаллических (СМК) материалов, полученных методом интенсивной пластической деформации, эффекты, связанные с воздействием диффузионными потоками примесей по ГЗ, должны иметь свои особенности. Это может быть обусловлено, во-первых, большой протяженностью в таких материалах фаниц зерен и, во-вторых, с их (ГЗ ) сильной неравновесностью. Однако, до настоящего времени такого рода сравнительные исследования диффузионных и деформационных свойств субмикро- и крупнокристаллических поликристаллов не проводились.
Цель работы: изучение влияния типа зернофаничного ансамбля (доли фаниц зерен специального типа) на эффект активации ползучести металлических поликристаллов диффузионными потоками атомов примесей замещения с различной склонностью к сефегации по фаницам зерен; исследование эволюции микроструктуры фаниц зерен общего и специального типа и прифанич-ных областей в условиях воздействия зернофаничными диффузионными потоками примеси; изучение особенностей ползучести наноструктурных металлов, полученных воздействием интенсивной пластической деформации, в том числе в условиях воздействия зернофаничными диффузионными потоками примесей; определение прямыми экспериментальными методами диффузионных па-рамефов внутренних поверхностей раздела в субмикрокристаллических материалах в сравнении с соответствующими в крупнозернистых материалах.
Научная новизна. - в системах Ni(Cu) и Ni(Ag) (в скобках здесь и далее указана примесь-диффузант) независимо от типа зернофаничного ансамбля материала-основы и склонности диффундирующей примеси к созданию сефегации на ГЗ в определенных температурно-временных условиях деформирования, обнаружен эффект уменьшения сопротивления ползучести крупнозернистого никеля в условиях воздействия зернофаничными диффузионными потоками примеси из внешнего источника (покрытия);
-впервые на примере СМК никеля, полученного воздействием интенсивной пластической деформации (методом равноканального углового прессования), показано, что активация фаниц зерен диффузионными потоками примеси (меди) из внешнего источника приводит к реализации эффекта уменьшения сопротивления ползучести, который ранее наблюдался только на крупнозернистых материалах;
-впервые прямыми экспериментальными методами обнаружено, что коэффициенты зернофаничной диффузии меди в СМК никеле, полученном методом
РКУП, на несколько порядков величины превышают соответствующие в крупнозернистом материале.
Практическая значимость работы заключается в: 1) получении и анализе экспериментальных данных, для определения факторов, влияющих на эффект активации границ зерен крупнозернистых и субмикрокристаллических ГЦК металлов диффузионными потоками примеси с целью построения в дальнейшем феноменологической модели данного явления; 2) обосновании возможности подавления эффекта уменьшения сопротивления ползучести никеля зернограничными диффузионными потоками примесей из внешней среды путем целенаправленного формирования зернограничного ансамбля с границами зерен преимущественно специального типа с использованием механико -термической обработки.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Эспериментальные доказательства реализации явления активации зернограничного проскальзывания диффузионными потоками атомов сильно- или сла-босегрегирующнх примесей замещения в ГЦК металлах, полученные на примере поликристаллов никеля с зернограничными ансамблями, характеризующимися преимущественно границами зерен общего или специального типов.
-
Эффект существенного уменьшения разупрочняющего влияния зерногра-ничной диффузии примесей из внешней среды при ползучести ГЦК поликристаллов с преимущественно специальными границами зерен.
-
Обнаруженное проявление эффекта активации ползучести субмикрокристаллического никеля диффузионными потоками атомов примеси (меди) из внешней среды, наблюдающееся при значительно более низких температурах по сравнению с соответствующими для крупнозернистого состояния.
-
Экспериментально измеренные в исследованном интервале температур значения диффузионной проницаемости беспористого субмикрокристаллического никеля, полученного воздействием интенсивной пластической деформации, превышающие на несколько порядков величины соответствующие для крупнозернистого состояния.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: I Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (г. Новгород, 1994); XIV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Самара, 1995); VII Международном семинаре "Структура, дефекты и свойства нанокристаллических, ультрадисперсных и мультислойных материалов" (г. Екатеринбург, 1996); V Международной конференции "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (r.
Байкальск, 1997); V Российско- Китайском Международном симпозиуме "Advanced Materials and Processes" (г. Байкальск, 1999).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации:Циссертйшія состоит из введения, четырех глав и общих выводов по работе; содержит 36 рисунков, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 185 наименований. Общий объем диссертации 137 страниц.