Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние структурного состояния на механическое поведение металлов и сплавов 10
1.1. Структура и свойства сплавов, подвергнутых интенсивной пластической деформации 10
1.1.1. Материалы с субмикрокристаллическим поверхностным слоем 11
1.1.2. Объемные субмикрокристаллические материалы 15
1.1.3. Термическая стабильность субмикрокристаллических материалов 21
1.2. Изменение состояния поверхности металлов за счет наводороживания 25
1.2.1. Общие закономерности взаимодействия водорода с металлами 25
1.2.2. Особенности взаимодействия водорода с титаном и его сплавами 32
1.3. Постановка задачи 41
Глава 2. Материалы и методика эксперимента 43
2.1. Материалы исследований 43
2.2. Методы исследований 44
Глава 3. Особенности локализации деформации и механического поведения титана марки ВТ1-0 в различном структурном состоянии 47
3.1. Микроструктурные исследования 47
3.2. Особенности развития деформационного рельефа в процессе активного нагружения 51
3.2.1. Рекристаллизованный титан 51
3.2.2. Титан в состоянии прокатки 52
3.2.3. Титан с субмикрокристаллическим поверхностным слоем 56
3.2.4. Субмикрокристаллический титан 66
3.3. Механические свойства 71
3.4. Обсуждение результатов 73
3.5. Выводы 80
Глава 4. Влияние термического отжига на характер локализации пластического течения нагруженных образцов 82
4.1. Титан, подвергнутый ультразвуковой обработке 82
4.1.1. Микроструктурные исследования 82
4.1.2. Особенности развития поверхностного деформационного рельефа 85
4.2. Титан, подвергнутый равноканальному угловому прессованию 87
4.2.1. Микроструктурные исследования 87
4.2.2. Особенности развития поверхностного деформационного рельефа 92
4.3. Исследование механических характеристик 93
4.4. Обсуждение результатов 96
4.5. Выводы 100
Глава 5. Влияние водородной обработки на механическое поведение технического титана, находящегося в различном структурном состоянии 102
5.1. Исследование структуры и элементного состава 102
5.2. Особенности развития поверхностного деформационного рельефа 104
5.3. Исследование механических характеристик 110
5.4. Обсуждение результатов 114
5.5. Выводы 117
Заключение 119
Список литературы 121
- Термическая стабильность субмикрокристаллических материалов
- Титан с субмикрокристаллическим поверхностным слоем
- Особенности развития поверхностного деформационного рельефа
- Особенности развития поверхностного деформационного рельефа
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно принципам физической мезомеханики, поверхностные слои нагруженных твердых тел являются автономным мезоскопическим структурным уровнем пластической деформации. В них развиваются специфические механизмы деформации различного масштабного уровня. Состояние поверхности существенно влияет на характер деформации в объеме материала и механическое поведение деформируемого твердого тела в целом.
Наиболее наглядно автономный характер пластического течения поверхностных слоев проявляется в наноструктурных материалах. В работе [1] впервые было показано, что создание нанокристаллической структуры в тонком поверхностном слое малоуглеродистой стали блокирует дислокационную деформацию на микромасштабном уровне и вызывает распространение переплетающихся мезополос экструдированного материала в виде двойных спиралей. В зависимости от характера развития мезополос прочность и пластичность данных материалов могут изменяться в широких пределах.
Интенсивного развития мезоскопических механизмов деформации можно ожидать в наноструктурных поверхностных слоях титановых образцов. Титан имеет высокую температуру плавления, большое сродство к водороду, очень низкую энергию дефекта упаковки (10 мДж/м) и склонность к полиморфному превращению. Это обусловливает существование в его поверхностных слоях спектра различных атомных конфигураций, которые должны облегчать развитие потоков деформационных дефектов. Большой вклад в исследование механического поведения нано- и субмикрокристаллического титана внесли Р.З. Валиев, И.В. Александров, СП. Малышева, М.М. Мышляев, Г.А. Салищев, Ю.Р. Колобов, Е.Ф. Дударев и др. Однако, несмотря на большое количество работ, закономерности распространения полос локализованной пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях до конца остаются не выясненными.
Благодаря высокой способности титана и его сплавов к поглощению
водорода, их физико-химические и механические свойства могут изменяться в
широких пределах. В одних случаях водород вызывает охрупчивание, в других
- увеличение пластичности металлов. Особенно сильно воздействие водорода
w должно проявляться в субмикрокристаллических материалах, имеющих
протяженные границы зерен и повышенную плотность дефектов. Для подтверждения автономного характера деформации поверхностных слоев технического титана, а также для выявления роли поверхности в развитии пластического течения нагруженных твердых тел в данной работе тонкий приповерхностный слой титановых образцов модифицировали путем электролитического наводороживания.
Цель работы. Исследовать механизмы деформации на мезо- и макромасштабных уровнях поверхностных слоев технического титана марки ВТ1-0, находящегося в различном структурном рекристаллизованном, прокатанном, имеющем субмикрокристаллическую структуру в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала). В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
Изучить основные закономерности распространения полос локализованной пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях в образцах из технического титана марки ВТ1-0, имеющего субмикрокристаллическую структуру в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала;
Путем последовательного термического отжига при постепенно повышающихся температурах выявить корреляцию между субмикрокристаллической структурой технического титана и характером локализации пластической деформации;
Изучить влияние наводороживания на характер пластической деформации образцов из титана марки ВТ 1-0, находящегося в различных структурных состояниях;
Исследовать механические характеристики наводороженного поверхностного слоя и его влияние на прочность и пластичность
б технического титана марки ВТ1-0, подвергнутого предварительной ультразвуковой обработке или равноканальному угловому прессованию. На защиту выносятся следующие положения:
1. Совокупность экспериментальных данных, позволивших выявить на
V различных масштабных уровнях закономерности пластического течения
поверхностных слоев технического титана марки ВТ1-0, находящегося в рекристаллизованном состоянии, после деформации прокаткой, ультразвуковой обработки, равноканального углового прессования и последующего термического отжига или наводороживания;
Деформация неравновесных высокодефектных поверхностных слоев технического титана марки ВТ1-0 развивается на мезомасштабном уровне в виде переплетающихся мезополос экструдированного материала, распространяющихся по направлениям максимальных касательных напряжений. С увеличением степени деформации ширина и высота мезополос возрастают. Макролокализация пластической деформации в субмикрокристаллических материалах проявляется в виде протяженных зигзагообразных макрополос интрудированного материала;
На стадии предразрушения в поверхностном слое деформируемого образца образуется макрогофр в виде стоячей волны, длина которой соизмерима с длиной образца. В месте максимальной амплитуды гофра появляется макроконцентратор напряжений, который формирует шейку, обусловливающую глобальную потерю сдвиговой устойчивости нагруженного материала;
Возникающее в процессе термического отжига разрушение субмикрокристаллической структуры в тонком поверхностном слое или во всем объеме технического титана марки ВТ 1-0 вызывает постепенное размытие мезо- и макрополос локализованной деформации. Исчезновение макрополос изменяет характер разрушения субмикрокристаллических материалов от схемы скола к схеме нормального отрыва;
Наводороживание поверхностного слоя технического титана марки ВТ 1-0
позволяет выявить тонкую структуру мезополос локализованной
деформации. Введение малой концентрации водорода приводит к
повышению его пределов текучести и прочности с одновременным
увеличением пластичности. Максимальный эффект увеличения
V механических свойств при наводороживании наблюдается в
субмикрокристаллических материалах. Научная новизна. В работе впервые:
Выявлены закономерности локализации пластической деформации на мезо-и макромасштабных уровнях поверхностных слоев технического титана марки ВТ1-0, находящегося в различном структурном состоянии;
Показано, что место формирования шейки в деформируемом образце определяется макрогофром его поверхностного слоя. Вскрыто влияние полос локализованной деформации на характер разрушения субмикрокристаллического титана;
Установлено, что характер кривых "напряжение - деформация" нагруженных образцов существенно зависит от картины развития полос локализованной пластической деформации. Распространение переплетающихся полос экструдированного материала задерживает накопление дефектов в объеме и переход от мезо- к макролокализации деформации. Распространение макрополос сопровождается падением деформирующего напряжения на кривой а - є.
Научная и практическая значимость:
Низкотемпературный термический отжиг субмикрокристаллического титана
марки ВТ1-0 позволяет увеличить как прочность, так и пластичность
материала за счет уменьшения локализации деформации на мезо- и
макромасштабных уровнях и более однородного вовлечения в одновременное пластическое течение большего объема материала;
При наводороживании титана марки ВТ 1-0 формируется упрочненный
поверхностный слой, приводящий к повышению его пределов текучести и
прочности при одновременном пластифицировании образца. Введение
концентрации водорода выше некоторого критического значения обусловливает охрупчивание поверхностного слоя технического титана и снижение макромеханических характеристик материала.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: III, IV, V Всероссийской конференции молодых ученых "Физическая мезомеханика материалов" (Томск, 2000, 2001, 2003); VIII международной научно-практической конференции "Современная техника и технологии СТТ'2002" (Томск); International Workshop "Mesomachanics: Foundations and Applications" (Томск, 2001, 2003); "Korea-Russia International Symposium on Science and Technology (Ulsan, Repablic of Korea, 2003); VI Всероссийской (международной) конференции "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем", (Томск, 2003); I Международной конференции "Современные проблемы машиностроения и приборостроения" (Томск, 2003), II Всероссийской конференции молодых ученых "Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии", (Томск, 2003); II международном семинаре "Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM-04" (Саров, 2004); 2nd International Symposium on Hydrogen In Matter "ISOHIM" (Sweden, 2005).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической главы, трех оригинальных глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 139 страниц, включая 67 рисунков, 2 таблицы, библиографический список содержит 161 наименование.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи исследования, кратко представлено содержание работы, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен литературный обзор, в котором проанализировано влияние ультразвукового поверхностного деформирования и равноканального* углового прессования на структуру, фазовый состав и механические свойства металлов. Представлены закономерности развития
пластической деформации в материалах, имеющих субмикрокристаллическую
структуру в тонком поверхностном слое или во всем объеме. Рассмотрены
известные представления о термической стабильности наноструктурных
материалов. Описаны особенности взаимодействия водорода с металлами.
v Особое внимание уделено изучению физико-химических и механических
свойств наводороженного титана. На основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи настоящей работы.
Во второй главе описаны способы создания субмикрокристаллической структуры в исследуемых образцах и методы, используемые для проведения эксперимента.
В третьей главе обсуждаются особенности локализации пластической деформации на различных масштабных уровнях и ее влияние на механические свойства титана марки ВТ1-0, находящегося в рекристаллизованном состоянии, в состоянии поставки, имеющего субмикрокристаллическую структуру в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала.
Четвертая глава посвящена исследованию влияния структуры материала на характер распространения мезо- и макрополос локализованной деформации. Для этих целей титан марки ВТ 1 -0, имеющий субмикрокристаллическую структуру в тонком слое или во всем объеме, подвергали термическому отжигу в диапазоне температур (0,2.. .0,4) Тт.
Для подтверждения сильного влияния поверхностного слоя на развитие пластической деформации в объеме материала и характер разрушения твердых тел поверхность титана была модифицирована путем электролитического наводороживания. В пятой главе представлены результаты исследования наводороживания тонкого поверхностного слоя на деформационное поведение и механические свойства образцов из титана, находящихся в различных структурных состояниях (рекристаллизованном, субмикрокристаллическом в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала).
В заключении приводятся основные выводы по результатам диссертационной работы.
Термическая стабильность субмикрокристаллических материалов
Как отмечалось выше, нано- и субмикрокристаллические структуры характеризуются высокой плотностью решеточных и зернограничных дислокаций и других дефектов, которые создают поля дальнодействующих упругих напряжений. В результате имеют место значительные атомные смещения из узлов идеальной кристаллической решетки, поэтому субмикрокристаллические структуры обладают высокой запасенной энергией и являются метастабильными. Перспектива возможного широкого практического использования субмикрокристаллических материалов вызывает необходимость комплексного изучения их термической стабильности, а также эволюции структурных особенностей и свойств при нагреве.
Известно, что во время термической обработки в нано- и субмикрокристаллических материалах интенсивно развиваются релаксационные процессы, приводящие к постепенному переходу в обычное крупнозернистое состояние. Рост зерен в таких материалах начинается уже при температурах 0,2-0,3 Тпл и даже ниже [63 - 65]. Однако природа этих процессов не является однозначной, поскольку термостабильность субмикрокристаллических материалов определяется не только ростом зерен, но и возвратом дефектной структуры их границ [66 - 69]. В Таблице 1.1 представлена динамика роста зерен в технически чистом титане в зависимости от температуры и времени отжига [70].
Изучению термически активируемых процессов эволюции микроструктуры в субмикрокристаллических материалах, полученных интенсивной пластической деформацией, посвящено большое количество работ [68, 69, 71-81]. Исследования, проведенные для субмикрокристаллической меди показали, что в результате интенсивной пластической деформации в образцах меди формируется субмикрокристаллическая структура, характеризующаяся неравновесным состоянием и высоким уровнем внутренних напряжений. Эволюция структуры при отжиге происходит на трех различных стадиях [68, 69]. На первой стадии возврата субмикрокристаллической структуры меди (до 185 С) происходят существенная релаксация внутренних упругих напряжений и слабое изменение микротвердости, в то время как рост зерен отсутствует. Вторая стадия (185 -200 С) характеризуется незначительным ростом зерен и быстрым падением микротвердости. На третьей стадии (свыше 200 С) выявлены слабое уменьшение микротвердости и значительный рост зерен [68]. Аналогичные три стадии изменения структурного состояния и свойств с ростом температуры выделены также и для Ni [71]. Они находятся в интервалах 20 -177 С, 177-252 С и 252-427 С. Авторы [71] связали характер поведения внутренних напряжений при отжигах со следующим. Поскольку субмикрокристаллические материалы находятся в чрезвычайно неравновесном состоянии, то стремление снизить его обусловливает перестройку в структуре и в ее элементах, которая начинается в участках с наиболее высокой плотностью дефектов. Данная перестройка структуры выражается в перераспределении и аннигиляции дислокаций, расположенных вблизи границ зерен, что способствует релаксации внутренних напряжений. При температуре отжига 177 С происходит полная релаксация напряжений, начинается рост зерен за счет миграции их границ, активно развивается процесс рекристаллизации. Дальнейшее увеличение температуры отжига вызывает интенсивный рост зерен в отсутствии внутренних напряжений. Приведенная интерпретация хорошо согласуется с моделью создания и релаксации внутренних напряжений в нанокристаллических материалах [72].
Следует отметить, что вышеописанный процесс, названный «рекристаллизацией», на самом деле отличается от того, который происходит при отжиге крупнокристаллических металлов. Традиционная рекристаллизация представляет собой зарождение и рост новых, совершенных зерен за счет деформированной матрицы, в которой в большей или меньшей степени имел место возврат. При протекании рекристаллизации структура является бимодальной благодаря существованию больших совершенных и мелких несовершенных ячеек. Такой процесс рекристаллизации может привести к изменению как размера зерен, так и их ориентации. Напротив, в материалах, подвергнутых интенсивной пластической деформации, возврат структуры приводит к появлению зерен с одномодальным распределением по размерам и ориентациям, ранее существовавшим в деформированном образце.
Релаксация внутренних напряжений и рост зерен в процессе термообработки вызывают значительные изменения механических свойств. Для большинства материалов, в основном, получено уменьшение прочности и рост пластичности [22, 51, 56, 75, 76]. Однако в ряде работ [61, 73, 74, 82, 83] при температурном воздействии наблюдается аномальное поведение прочностных характеристик субмикрокристаллических материалов. Например, согласно [73], в процессе отжига субмикрокристаллического армко-железа при температуре 300 С предел текучести увеличивается на -35% и лишь затем монотонно снижается. Полученный результат авторы [73] объясняют следующим образом. Армко-железо содержит в своем составе ряд примесей, в том числе 0,2% кремния и 0,35% углерода в виде частиц включений. В процессе интенсивной пластической деформации эти частицы растворяются с образованием пересыщенного твердого раствора [63, 84]. При нагреве происходит перераспределение примесных атомов, чему также способствует высокий уровень внутренних напряжений. Примесные атомы внедрения при низкотемпературном отжиге образуют сегрегации на дислокациях, препятствуя их движению, и повышают предел текучести материала [85].
В работах [9, 74], посвященных исследованию технически чистого титана, подвергнутого интенсивной пластической деформации с последующим отжигом, также было зафиксировано увеличение механических свойств. Показано, что совершенствование строения границ в результате отжига при температуре 250 С приводит к возрастанию как прочности (на 13%), так и пластичности (на 14%) [74]. Как показано в [56], максимальная пластичность достигается после появления первых крупных зерен. В таком состоянии малый размер большинства зерен может обеспечивать как относительно высокий предел текучести, так и высокую скорость деформационного упрочнения, а, следовательно, и высокую пластичность.
Титан с субмикрокристаллическим поверхностным слоем
Согласно синергетическим принципам физической мезомеханики [139], наименьшей сдвиговой устойчивостью в нагруженном твердом теле обладает его поверхностный слой. Имея специфическую структуру (повышенную концентрацию вакансий, наличие многочисленных террас и ступеней, нескольких атомных конфигураций) и ослабленные силы связи, поверхностные слои вовлекаются в пластическое течение ниже предела текучести основного материала и на протяжении всего нагружения испытывают более высокие степени деформации, чем в среднем по объему образца.
На границе между недеформируемой головкой образца и деформируемой его рабочей частью всегда сосуществуют области, испытывающие различную степень упругой деформации. В силу несовместности этих деформаций головка образца оказывается базовым концентратором напряжений, который генерирует в поверхностном слое потоки поверхностных дефектов: вакансий, междоузельных атомов, их плоских и линейных кластеров, ступеней, фасеток и т.д. Кристаллическая решетка объема материала, деформирующаяся упруго, тормозит движение потоков, направленных по максимальным касательным напряжениям. В результате в поверхностном слое нагруженного образца возникает складка (высотой в несколько атомных слоев) с сильным локальным изгибом - кручения, играющая роль вторичного концентратора напряжений. При достижении критической кривизны в складке зарождаются дислокации, которые уходят внутрь материала, осуществляя объемное пластическое течение материала. В пластичном твердом теле этот механизм является преобладающим.
Наиболее убедительно данная концепция обоснована экспериментальными исследованиями на микромасштабном уровне [1, 140 142]. Атомная силовая или сканирующая туннельная микроскопия отчетливо выявляет как складчатую структуру на поверхности, так и дислокационные ямки (или их цепочки) на вершинах складок. В наших экспериментах исследования с помощью сканирующего туннельного и просвечивающего электронного микроскопов также свидетельствуют об определяющей роли дислокационных механизмов деформации рекристаллизованных образцов из титана при комнатной температуре. Соответственно, кривая "напряжение - деформация" имеет протяженную стадию деформационного упрочнения, а материал характеризуется высокой пластичностью.
Создание высокодефектной дислокационной структуры в поверхностном слое или во всем объеме материала подавляет микромасштабный уровень деформации и позволяет в явном виде проследить автономный характер пластического течения поверхностных слоев нагруженных образцов. Одним из эффективных способов создания нано- и субмикрокристаллической структуры в тонком поверхностном слое объемного материала является ультразвуковая обработка. Под действием ультразвукового инструмента пластическое деформирование в образце осуществляется в основном скольжением по параллельным плоскостям [38]. Вследствие этого, в поверхностном слое формируется полосовая дислокационная субструктура, выявляемая с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Однако детальные микроструктурные исследования образцов из перлитной стали, проведенные на разных расстояниях от обрабатываемой поверхности1 свидетельствуют о том, что на самой поверхности формируется нанокристаллическая структура, а под ней - полосовая фрагментированная структура (рис. 3.31). при холодной прокатке, когда на контакте валков с прокатным листом возникают высокие деформирующие напряжения [145,146]; при деформации поверхностно-упрочненных образцов и др. [139,147], в процесс деформации материалов включаются механизмы более высокого масштабного уровня и значительный вклад вносит распространение полос локализованной деформации различных масштабов. Масштаб локализации деформации определяется масштабом и характером распределения концентраторов напряжений, возникающих в нагруженном твердом теле, а также подвижностью дефектов различного масштабного уровня.
Поверхность образца, деформирующаяся в большей степени, чем в среднем по объему, формирует барьерный слой с повышенной плотностью дислокаций. Несовместность пластического течения более прочного поверхностного слоя и объема материала обусловливает осциллирующий характер растягивающих и сжимающих напряжений на их границе раздела. В случае высокой исходной дефектности структуры (созданной за счет предварительной прокатки, ультразвуковой обработки или равноканального углового прессования) несовместность деформаций наглядно проявляется в виде переплетающихся мезополос экструдированного материала. Тот факт, что в процессе нагружения размеры переплетающихся мезополос непрерывно возрастают, свидетельствует о постоянном увеличении "эффективной" толщины поверхностного слоя, испытывающего более высокие степени деформации, чем в объеме материала.
Квазипериодический характер мезополос указывает на периодическое распределение мезоконцентраторов напряжений на границе раздела "рабочая часть - головка образца". Теоретическими расчетами [147,148] показано, что на границе раздела двух сред с различными механическими характеристиками при нагружении возникает осцилляция локальных нормальных и касательных напряжений, которые могут существенно превышать средние приложенные напряжения. Их максимальные значения и обусловливают появление периодических полос локализованного пластического течения. Наконец, когда достигается уровень макроконцентраторов напряжений, их релаксация обусловливает распространение макрополос локализованной пластической деформации в субмикрокристаллическом поверхностном слое титана марки ВТ 1-0, подвергнутого предварительной ультразвуковой обработке или равноканальному угловому прессованию. Макрополосы также зарождаются на захвате, являющимся базовым концентратором напряжений. Движение макрополосы изгибает рабочую часть образца и вызывает появление на противоположной стороне нового концентратора напряжений, генерирующего полосу сброса.
Особенности развития поверхностного деформационного рельефа
Подобные детальные исследования с помощью сканирующего туннельного микроскопа также свидетельствуют о размытии мезополос локализованной пластической деформации, развивающихся в поверхностных слоях деформируемого образца, в процессе термического отжига (рис. 4.5).
Рентгеноструктурные исследования, проведенные для субмикрокристаллического титана показали, что, в отличие от ультразвуковой обработки, равноканальное угловое прессование не приводит к появлению какой-либо выраженной текстуры (рис. 4.6). По изменению полуширины рентгеновских пиков, полученных при максимальных брэгговских углах, было установлено, что после равноканального углового прессования величина внутренних напряжений составляет 180 МПа. Низкотемпературный отжиг при 350 С приводит к снижению растягивающих напряжений до 81 МПа. Увеличение температуры отжига вызывает дальнейшее снижение внутренних напряжений. При этом соотношения интенсивностей рентгеновских пиков близки к табличным значениям.
По сравнению с исходной структурой субмикрокристаллического титана, подробно описанной в главе 3, последующий отжиг при температуре 350 С практически не приводит к изменению среднего размера зерна (d= 131 ± 8 нм), однако несколько увеличивает неоднородность распределения зерен по размерам (рис. 4.7. а, б). Одновременное снижение количества изгибных контуров свидетельствует о релаксации внутренних напряжений. Из сравнения рис. 3.5 и 4.7. а также следует, что в результате отжига на электронно-микроскопических изображениях титана отчетливо выявляется полосовая субструктура, границы зерен становятся более прямыми, однако полосчатый контраст на них, характеризующий равновесное состояние отожженных границ, практически не наблюдается.
Повышение температуры отжига до 450 С вызывает увеличение средних размеров зерен до іі=І91±10нм. В отдельных случаях наблюдаются зерна, размеры которых превышают 0,6.. .0,7 мкм (рис. 4.7. в, г). Фиксируется разрушение структуры полос деформации, зерна становятся равноосными, границы их в большинстве случаев являются прямыми (рис. 4.7. в). Часто на границах зерен наблюдается полосчатый контраст, а также обнаруживаются выделения второй фазы, которые дают слабые, нерегулярно расположенные на соответствующих микроэлектронограммах, рефлексы. Можно предположить, что данные частицы относятся к фазе внедрения (карбиды, нитриды, карбонитриды, оксикарбонитриды) на основе титана.
Отжиг при температуре 550 С сопровождается дальнейшим увеличением средних размеров зерен (d= 558 ± 14 нм), при этом встречаются зерна с размерами, превышающими 1 мкм (рис. 4.7. д, ж). Отметим, что структура полос деформации практически не прослеживается. Отжиг при данной температуре приводит к интенсификации процесса образования частиц второй фазы: частицы наблюдаются не только на границах, но и внутри зерен титана, что особенно хорошо видно при темнопольном анализе структуры материала (рис. 4.7. е).
При высоких температурах отжига (650 и 750 С) наблюдается полное разрушение структуры, полученной в результате равноканального углового прессования. В материале формируются зерна микронных размеров, внутри которых обнаруживаются частицы второй фазы (рис. 4.7. з, и). Кроме того, после отжига при температуре 750 С, в зернах выявляются микродвойники, имеющие игольчатую морфологию (рис. 4.7. к).
Особенности развития поверхностного деформационного рельефа
К настоящему времени вопрос термической стабильности нано- и субмикрокристаллических материалов является достаточно хорошо изученным [2, 22, 56, 68, 73, 74, 77 - 79, 82]. Подробное исследование эволюции структуры нанокристаллического титана, проведенное в работе [74], свидетельствует о том, что в результате отжига при температуре 250 С в течение 2 часов происходит совершенствование структуры границ зерен за счет изменения напряжений вокруг них. При температурах выше 300 С превращения в структуре развиваются по типу рекристаллизации.
В настоящей работе после отжига при температуре 350 С в течение 1 часа в исследуемых образцах из технического титана также происходят структурные изменения, обусловленные процессом возврата. Природа возврата связана, прежде всего, с перераспределением и аннигиляцией дислокаций на границе и внутри зерна, что проявляется в существенном уменьшении микротвердости образцов из титана, имеющего субмикрокристаллическую структуру в тонком поверхностном слое или во всем объеме материала (16 и 20% соответственно). Совершенствование границ зерен вследствие уменьшения внутренних упругих напряжений подтверждается данными как просвечивающей микроскопии, так и рентгеноструктурного анализа. Отметим, что вышеописанное значительное падение Нм находится в противоречии с общепринятыми представлениями о термической стабильности субмикрокристаллических материалов, для которых характерно слабое влияние процессов возврата на величину микротвердости и ее существенное уменьшение лишь вследствие начала развития процессов рекристаллизации [2, 68, 73, 74, 77 - 79, 82]. Тем не менее, поскольку после отжига при 350 С не происходит роста зерен, то и данное уменьшение твердости исследованных образцов из титана не сопровождается снижением прочностных характеристик при последующем растяжении.
Релаксация упругих напряжений в приграничных областях способствует развитию в них аккомодационных механизмов деформации, следствием чего должно являться повышение пластичности и возможность деформационного упрочнения. Именно этим можно объяснить незначительное увеличение прочности образцов, подвергнутых ультразвуковой обработке или равноканальному угловому прессованию и последующему отжигу при 350 С. При этом, поскольку в процессе нагружения сохраняются макрополосы локализованной деформации, то пластичность исследуемых образцов практически не изменяется.
При 450 С начинается протекание процессов рекристаллизации. Согласно [2], причиной начала роста зерен при низких температурах является не только их малый размер, но, прежде всего, повышенная подвижность границ зерен, обусловленная низкой энергией активации зернограничной диффузии. С помощью выражений (23) и (24) были рассчитаны величины к(Т) для температур 350...750 С. Результаты оценок представлены на рис. 4.16 в виде зависимости In к от Т1. Видно, что на графике можно выделить 2 участка с различным наклоном. Величина энергии активации диффузии в интервале температур 350...550 С, оцененная по углу наклона прямой, усредненной с помощью метода наименьших квадратов, составляет 1,6 эВ. В то же время в интервале температур 550...750 С = 3,2эВ, Согласно [156], величина энергии активации диффузии по границам зерен и по кристаллической решетке составляет 1,1 и 2,5 эВ соответственно. Таким образом, можно предположить, что зернограничная диффузия является процессом, контролирующим рост зерен только в образцах субмикрокристаллического титана с d 500 нм.
Предел текучести оказывается очень чувствительным к изменению размера зерна: после отжига при 450 С величина 70,2 образцов титана, имеющих субмикрокристаллическую структуру как в тонком поверхностном слое, так и во всем объеме, существенно снижается. Поскольку в образцах, обработанных ультразвуком, основные структурные изменения при температуре отжига 450 С происходят в наноструктурированном поверхностном слое, снижение кривой а- є отражает влияние поверхностного слоя на макромеханическое поведение образца в целом. Поэтому противоречивость снижения микротвердости после отжига при 350 С и неизменность при этом кривой а- є связаны с наложением при отжиге нескольких эффектов. С одной стороны, релаксация упругих напряжений в приграничных областях должна приводить к снижению как микротвердости, так и кривой а- е. С другой стороны, в сильно дефектной наноструктуре титана повышена растворимость кислорода, азота, углерода. При дислокационном возврате в приграничных зонах примеси внедрения будут осаждаться на границах зерен, закрепляя их. Это обусловит повышение предела текучести через эффект задержки генерации первичных дислокаций в поверхностном слое, которые уходят в объем материала, определяя его пластическое течение на пределе текучести. Наложение двух указанных факторов может сохранить неизменной кривую у- є после отжига при 350 С при одновременном снижении микротвердости материала. В то же время, выделения второй фазы в зернах субмикрокристаллического титана (по всей вероятности, карбиды и нитриды титана) обусловливают слабое снижение микротвердости при увеличении температуры отжига от 350 С до 450 С.
