Введение к работе
Актуальность работы. Одной из фундаментальных задач физического материаловедения является разработка научных основ получения новых металлических материалов и перспективных технологий их получения, Новым направлением на этрм пути является создание материалов с ультрамелкозервистой (УМЗ) структурой с размером зерен менее 1 мкм. Такие материалы стали важными объектами металловедческих и физических исследований и одновременно актуальными для многих областей промышленности. Физико-механические свойства УМЗ материалов по сравнению с аналогичными по химическому составу, но крупнозернистыми, оказываются существенно различными.
Однако, несмотря на очевидные успехи в области изучения н практического освоения УМЗ материалов, многие важные вопросы в этой области знаний требуют дальнейших исследований. Прежде всего, это относится к проблеме получения объемных УМЗ материалов. Получившие распространение методы газовой конденсации и шарового размола приводят к пористости, загрязнению примесями и необходимости последующего компактнрования. Многие из упомянутых проблем могут быть преодолены путем формирования в материалах УМЗ структуры за счет использования интенсивной пластической деформации (ИПД), то есть деформирования до больших степеней при относительно низких температурах (обычно меньше 0.3-0.4 Т№ К) и условиях высоких приложенных давлений. К достоинств^! метода ИПД можно отнести также возможность по тушение объемных образцов УМЗ материалов в различных металлах, сплавах и интерметаллидах. К нгстолще>гу времени разработано несколько механических схем реализации этого метода. К ним, в частяоети, относятся деформация кручением (ДК) под высоким давлением, равноканальяо-угловое (РКУ) прессование и всесторонняя ковка.
Структура образцов, подвергнутых ИЦД, характеризуется не только малым размером зерен, но и рядом структурных особенностей (внутренние напряжения, микроискажения решетки, плотность дефектов). Особую роль в УМЗ сплавах должны играть степень неравновесиости границ зерен и фазового состава. Термодинамическая неравновесность сплава возрастает с уменьшением размера зерен и особенно заметно в многокомпонентных гетерофазных УМЗ сплавах. Такие сплавы принято называть метастабнлыгыми, подразумевая под зтпм, что сплав находится в состоянии с локальным минимумом свободной энергии. Именно в метастабильных, сильно неравновесных УМЗ сплавах, полученных при экстремальных внешних воздействиях (механическое легирование, сверхбыстрая закалка, ИПД) ожидается появление новых необычных свойств, вызванных хах
малым размером зерен, так н степенью нсрамовесыости фазового и химического состава в теле зерен и яа их границах.
Другим важным аспектом в данной проблеме является выбор исследуемых систем. К моменту постановки настоящей работы область исследуемых материалов, полученных методом. ИПД кручением, была ограничена, в основном, чистыми металлами илн однофазными твердыми растворами на их основе. Оставались неясными многие особенности, связанные с формированием УМЗ структуры и свойств в более сложных системах - в многофазных сплавах различной природы.
В этой связи важной задачей научного направления, представленного настоящей диссертацией, является экспериментальное исследование метаетабильных УМЗ сплавов с целью создания высокопрочных и высококоэрцитивных состояний в них и определения роли структуры и фазового состава в проявлении необычных физико-механических свойств.
В качестве материалов для исследований сред были выбраны алюминиевые сплавы (системы Al-Zn-Cu-Mg-Zr и A!-Fe), титановые сплавы (ВТІ-0 и двухфазный ВТб) и магнитотвердые сплавы (на основе твердого раствора - Fe-Cr-Co и интерметаллидных соеднненнй MajjAl^ я RjFe14B). Выбранные системы являются предстазигелямн материалов с принципиально разным типом равновесных диаграмм состояния и перспективными с точки зрения практического использования.
В работе впервые представлены результаты комплексного изучения структуры, механических и магнитных свойств ковструюпяшных и магнитотвердых сплавов с УМЗ структурой, полученной ИПД. Поскольку при повышенных температурах в УМЗ материалах наблюдаются релаксационные процессы, связанные с возвратом дефектной структуры границ, ростом зерен и фазовыми превращениями, важной задачей являлось также изучение эволюции структуры, механического и магнитного поведения при нагреве УМЗ материалов.
Таким образом, актуальность темы диссертации определяется как необходимостью более глубокого понимания и регулирования процессов формирования УМЗ структуры в свойств в метаетабильных сплавах в процессе воздействия ИПД, так и широкими перспективами использования этих материалов в различных областях науки и техники.
Решение перечисленных проблем потребовало развития нового научного направлення на стыке металловедения и физики твердого тела - исследование структуры я свойств УМЗ метаетабильных сплавов, полученных интенсивной пластической деформацией.
Цель работы состоит в разработке режимов в способов получения УМЗ структуры в объемных образцах, установлении особенностей структурно-фазовых превращений, закономерностей формирования физико-механических свойств, развитии представлений о
физической природе метастабильных состояний и определения областей применения УМЗ сплавов, полученных ИПД. Для достижения згой цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Сравнительный анализ деформационно-термических методовГ получения метастабильных УМЗ сплавов.
-
Изучение особенностей формирования структуры и фазового состава в процессе ИПД в сплавах с различной природой компонентов.
-
Исследование эволюция структуры и фазового состава деформированных сплавов при нагреве методами просвечивающей электронной и Оже-спектрометрии, дифференциальной сканирующей калориметрии, реттеноструктурного и термомапштного фазового анализов.
-
Экспериментальное изучение фундаментальных и гистерезисных магнитных характеристик з УМЗ ферромагнитных сплавах в деформированном состоянии.
-
Выяснение роли исходного фазового состава и влияния режимов термической обработки на формирование высококоэрпитивного состояния в сплавах системы Nd(Pr)-Fe-B.
-
Изучение механического поведения наноструктурных сплавов при кратковременном и циклическом нагружении при комнатпой температуре.
7. Исследование механического поведения УМЗ сплавов при повышенных температурах.
S, Определение областей практического применения УМЗ сплавов.
Каучпуш и практическую значимость работы составляют:
Ї. Режимы и схемы получения массивных УМЗ спланов с нано- и субмикронным зерном с
использованием методов ИПД и их комбинации с быстрой закалкой, горячей
деформацией.
-
Закономерности формирования высокопрочного и высококозрцитивиого состояния в сплавах различных систем.
-
Комбинированные методы получения высокопрочных состояний в титановом сплаве ВТ1-0 (сочетание РКУ прессования и ТМО) с уровнем прочности о, = 1150 МПа и пределом выносливости ст., = 500 МПа на базе 2x10Т циклов и в сплаве Al-5%Fe (сочетание быстрой закалки и ИПД) с уровнем прочности 750 МПа.
-
Способы получения объемных постоянных магнитов (сплавы систем Mn-Al-C, Fe-Cr-Co и R-Fe-B) и медицинских имплантантов (сплав ВТ1-0) с УМЗ структурой и повышенным уровнем гистерезисных я прочностных свойств.
Полученные в работе результаты по повышению свойств магнитных сплавов и сплава ВТ 1-0 закреплены авторскими свидетельствами и патентом.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием современных методов структурного анализа и исследования физико-механических свойств, сравнением с литературными данными теоретических и экспериментальных исследований, практическим использованием и патентоспособностью разработанных материалов. Тема диссертационной работы связана с выполнением планов работ по:
-
Федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы», проект «Развитие учебно-научного межведомственного комплекса "Конструкционные наноструктурные материалы: получение, исследование и применение" (контракт # 2.1.-80А)»
-
Государственной научно-технической Программе на 1997-98 "Новые материалы". Проект "Высокопрочные материалы с нанокристашшческой структурой на основе Al, Fe и Ті сплавов, обладающих повышенной прочпостью и вязкостью".
-
Региональной программе на 1993-2000 г. "Научно-технические проблемы социально-экономического развития республики Башкортостан", проект "Разработка научных основ технологии получения новых материалоз с контролируемой поликристаллической структурой".
-
Межвузовской программе "Экспортные технологии и международное научное сотрудничество", проект "Нанохристаллические материалы".
-
Договору между Уфимским государственным авиационным техническим университетом и Лос-Аламоской национальной лабораторией, США.
6. Гранту РФФИ № 98-02-17249 "Неравновесные структурные состояния сплавов на основе
' интерметаллида NdjFeMB".
Научная новизна. Впервые, используя методы ИПД, получены и систематически исследованы метастабильные УМЗ состояния на широком круге промышленных сплавов на основе титана, алюминия и интерметаллидного соединения RjFenB. Изучены эволюция структуры и закономерности формирования магнитных и механических свойств в процессе деформации кручением и РКУ прессованием, а также нагрева. Установлена последовательность структурно-фазовых превражений при ИПД в исследуемых сплавах (измельчение, распад, аморфизация, растворение) и их обратимость при нагреве (кристаллизация из аморфной фазы). Обнаружен сильный эффект старения, связанный с образованием и распадом пересыщенных твердых растворов в термически яеупрочняемом нанострукгурном сплаве Al-Fe. Полученные результаты использованы для получения высокопрочных и высококоэрцитивных состояний в объемных образцах титановых сплавов и сплавов системы R-Fe-B, соответственно. Достигнуга рекордные значения кратковременной и усталостной прочности в титановом сплаве ВТ1-0 Разработаны способы
получения массивных полуфабрикатов для промьшшенного изготовления постоянных магнитов и медицинских имплантов.
Основные положения, представленные к защите.
1. Зависимости формирования метастабильных УМЗ состояний в титановых (ВТ1-0 и ТІ-6А1-
4V), алюмігаиевьіх (Al-Zn-Cu-Mg-Zr, Al-Fe) и магнитотвердых (Mn-АЇ-С, Fe-Cr-Co и R-Fe-B)
сплавах or режимов а способов ИПД.
2. Результаты исследования особенностей формирующейся УМЗ структуры в
сильнодеформированных сплавах с различного типа (механическая смесь, твердый раствор,
щхтерметаллидные соедипепия): экспериментальное обнаружение образования
пересыщенных твердых растворов в системах с ограниченной растворимостью и ее
отсутствием; частичной аморфизации сплавов на интерметаллидной основе и сильного
эффекте измельчения ст^^кт^^ных составляющих ппи послептіотїтем Катаеве.
-
Результаты исследования эволюции структуры а фазового состава при нагреве деформированных сплавов систем R-Fe-B, Al-Fe, Ti-Al-V, связанных с распадом пересыщенных твердых растворов, нанокрнсталлизацией, возвратом и рекристаллизацией.
-
Результаты пз^'чєііїія влияния МП/^ " noc.ieTTvKMnro отжита на фундаментальные и гистерезискые магнитные свойства ферромагнитных сплавов разных систем (антермета;ищды, твердые растворы) и фазового н химического состава.
j. Особенности формирования высококоэрцитивных состояний и роль фазового состава в іле>яомстрііЧес.томіізастехіїомят/.гзесі;0М сплавах системы R-Fe-B.
6 Закономерности механического повеления при статическом и циклическом нагружении при комнатной температуре и определение факторов, ответственных за формирование высокопрочного состояния в УМЗ титановых и алюминиевых сплавах (режимы ИПД, размер зерен, текстура, эффект старения).
7. Особенности механического поведения при повышенной температуре в сплавах, подвергнутых ИПД. Обнаружение явлений повышенной пластичности в магнитных сплавах и высокоскоростной сверхпластичности в титановом сплаве ВТ6.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Уральских школах металловедов-термистов (Устинов, 1987; Ижевск 1998; Екатеринбург, 2000); Всесоюзных семинарах по структуре, дефектам и свойствам ультрадисперсных, квазикристаллических и аморфных материалов (Свердловск, 1987, 1990, 1993-99); Всесоюзных конференциях по шггеркристаллитной хрупкости сталей и сплавов (Ижевск, 1984); по структуре и свойствам границ зерен (Уфа, 1983); по текстурам и рекристаллизации (Уфа, 1983, Москва, 1991); по физике прочности и пластичности (Куйбышев,198б, 1989); по получению и обработке
металлов высоким давлением {Минск, 1987); по постоянным магнитам (Суздаль, 1985,1988, 1998), по сверхпдастичносга металлов (Тула, 1986, Уфа, 1989); по проблеме исследования структуры аморфных материалов (Ижевск, 1992); Международном симпозиуме по материаловедению для высоких технологий (MASHTEC -90); Европейской конференпшш по магнитным материалам и их применению EMMA (1991-Дрезден, 1995-Вена, 1998-Сарагоса); Школах и конференциях НАТО по перспективным исследованиям нових магнитных материалов (Миконос, 1996), по наноструктурным материалам (Санкт-Петербург, 1997), по исследованию и применению интенсивной пластической деформации (Москва, 1999); Международном семинаре по высококозрцитивным материалам НСМ-97 (Перт, Австралия, 1997); ISMANAM-97, 98 (Прага, Барселона); Международной конференции по нанокристаллическим материалам NANO'98 (Стокгольм, 1998); Бершптейновских чтениях по термомеханической обработке (Москва, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 42 научные статьи в отечественных и зарубежных журналах, получены 7 авторских свидетельств и 1 патент на изобретения, список которых приведен в конце автореферата, а также тезисы докладов, представленных на перечисленных выше семинарах и конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и общих выводов, изложена на 246 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 109 рисунков, список использованной литературы включает 252 наименования.
