Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 [ 4 ] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

заданных кристаллографических параметрах границ) и наличием даль-нодействующих упругих напр5Ежений. Полагая, что границы зерен имеют кристаллофафически упорядоченное строение, в качестве источников упругих полей рассматривают дискретные нарушения этого строения - зернограничные дислокации и их комплексы.

Недавние прямые наблюдения фаниц зерен, выполненные методом просвечивающей электронной микроскопии, дали прямые доказательства их специфичной неравновесной структуры в НСМ, вследствие присутствия атомных ступенек и фасеток, а также зерно граничных дислокаций [4]. В свою очередь, вследствие неравновесных границ зерен, возникают высокие напряжения и искажения кристаллической решетки, которые ведут к дилатациям решетки, проявляющимся в изменении межатомньгх расстояний, появлении значительных статических и динамических атомных смещений, экспериментально обнаруженным при рентгеновских и мессбауэровских исследованиях. Далее приведены параметры наноструктурной меди, измеренные методами РСА [4]:

После Кручения Исходное высоким После РКУП

состояние давлением

Параметр Дебая-Уоллера В, .........0,59 ± 0,06 1,06 ± 0,05 1,28 ± 0,05

Атомные смещения <iV/2, А.........0,086 ± 0,004 0,116 + 0,003 0,127 ± 0,003

Температура Дебая 0, К.......................304 ± 2 247 ± 6 234 ± 6

Разработанные на основе концепции неравновесных границ зерен модельные представления позволили не только качественно, но и количественно Оценить изменения фундаментальных, обычно структурно-нечувствительных параметров, которые наблюдали во многих наноструктурных материалах (табл. 1.1).

В случае многофазных сплавов и интерметаллидов получаемые в результате ИПД наноструктуры весьма специфичны и характеризуются не только очень малым размером зерен в несколько десятков нанометров, но и сильно метастабильным фазовым составом, связанным с формированием пересыщенных твердых растворов разупорядочением и в отдельных случаях даже с аморфизацией [4].

Например, структура интерметаллида бинарного стехиометрического состава NijAl, подвергнутого ИПД кручением, состояла из очень мелких равноосных зерен с признаками высокого уровня внутренних напряжений, о чем свидетельствоват сложный дифракционный контраст на электронно-микроскопических фотографиях и трудно различимые

трблима 1.1. Некоторые фундаментальные свойства металлов в наноструктурном (НС) и крупнокристаллическом (КК) состояниях [4]

Материал

Значение

Свойства

Температура Кюри, К Намагниченность насыщения, А-м/кг Температура Дебая, К Коэффициент диффузии, м/с Предел растворимости при 293 К, % Модуль Юнга, ГПа

Никель Никель Железо Медь в никеле Углерод в а-железе Медь

595 38,1 240* 1 10- *

631 56,2 467 1 10-20 0,06 128

Для прифаничной области.

границы зерен, выглядящие диффузными и искривленными. Средний размер зерен, определенный по темнопольным изображениям, оказался равным примерно 20...30 нм.

Состояние после ИПД в NijAl также характеризуется повышенным уровнем остаточного электросопротивления, значительными внутренними напряжениями и высокой микротвердостью. Кроме того, данные рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о полном отсутствии дальнего порядка в данном состоянии.

Микроструктура при отжиге сплава претерпевает последовательность структурных превращений, подобную для чистых ИПД металлов [4]. Однако характерным для наноструктурного Н1зА1 явилось то, что дальний порядок начинает восстанавливаться в узком температурном интервале вблизи 530 К, т. е. на стадии возврата. Это упорядочение не является полным, но дальнейшее увеличение параметра дальнего порядка происходит только при более высоких температурах, близких к 1300 К, когда зерна вырастают до относительно больших размеров. Хотя физическая природа разупорядочения интерметаллидов при ИПД и последующее их переупорядочение при нагреве требуют дальнейших исследований, важно отметить, что, следуя полученным результатам, становится ясным, что переупорядочение в NijAl обусловлено, в первую очередь, не рекристаллизационными процессами, а процессами возврата, связанными с перестройками дислокационной структуры на границах и в теле зерен.

Используя дифференциальную сканирующую калориметрию, было исследовано тепловьщеление в процессе нагрева этого материала. Пик



где и Т{г) - температуры плавления массивного материала и наночастицы этого материала радиусом г, р, - плотности жидкой и твердой частиц; а, а - поверхностное натяжение твердой и жидкой частиц.

Установлено также уменьшение параметра решетки для металлов и некоторых соединений при уменьшении размера частиц. Так, при уменьшении диаметра частиц алюминия от 20 до 6 нм период решетки уменьшается примерно на 1,5 %. Размер, ниже которого наблюдается уменьшение параметра решетки, различен для разных металлов и соединений.

Наноструктурные металлы и сплавы могут обладать высокой коррозионной стойкостью. В частности, эксперименты демонстрируют возможность получения обычных углеродистых сталей в наноструктурном состоянии с более высокими коррозионными свойствами, чем у специальных нержавеющих сталей. Результаты недавних исследований пока-

вы-

зывают возможность значительного повышения физических свойств исследуемых материалов [4]; наноструктурный нитинол демонстрирует исключительную сверхупругость и эффект памяти формы; в нанокомпо-зите Си-AljOj наблюдается сочетание высокой термостабильности и электропроводимости; наноструктурные магнитотвердые сплавы (систем Fe-Nb-В, Со-Pt и др.) демонстрируют рекордные магнитные гистере-зисные свойства, а магнитомягкие наноматериалы проявляют очень низкую магнитную проницаемость. Обнаружены и изучаются также аномальные оптические свойства наноструктурных металлов и полупроводников.

Однако особый интерес представляют механические свойства объемных наноструктурных материалов. Как свидетельствуют теоретические оценки, с точки зрения механического поведения формирование наноструктур в различных металлах и сплавах может привести к высокопрочному состоянию в соответствии с соотношением Холла-Петча, а также к появлению низкотемпературной и/или высокоскоростной сверхпластичности [4]. Реализация этих возможностей имеет непосредственное значение для разработки новых высокопрочных и износостойких материалов, перспективных сверхпластичных сплавов, металлов с высокой усталостной прочностью. Все это вызвало большой интерес среди исследователей прочности и пластичности материалов к получению больших объемных образцов с наноструктурой, для последующих механических испытаний.

Вместе с тем, как отмечалось выше, существуют нерешенные проблемы в получении таких наноматериалов специальными методами порошковой металлургии - газовой конденсацией или шаровым размолом, в связи с сохранением в них при компактировании некоторой остаточной пористости и наличием дополнительных трудностей при приготовлении массивных образцов. Как результат, до недавнего времени были выполнены лишь единичные работы по исследованию механических свойств наноструктурных металлов и сплавов, имеющих размер зерен около 100 нм и менее. Большинство проведенных исследований связано с измерениями микротвердости, и полученные данные весьма противоречивы. Например, в некоторых исследованиях обнаружено разупрочнение при уменьшении зерен до нанометрических размеров, в то же время в ряде других работ наблюдали в этом случае упрочнение, хотя наклон кривых был меньше, по сравнению с соотношением Холла-Петча. При растяжении эти НСМ оказались очень хрупкими, несмотря на высокую твердость.

тепловыделения наблюдается при температуре значительно ниже начала интенсивного роста зерен. Природа этого тепловьщеления связана с процессами возврата, а также началом переупорядочения. Следует отметить высокую термостабильность наноструктурного состояния этого интерметаллида, позволившую реализовать его уникальное сверхпластическое течение [4].

Необычные свойства НСМ и области применений. Специфические микроструктуры в объемных наноматериалах определяют их необычные свойства, многие из которых уникальны и весьма привлекательны для практического использования. Эти специфические качества связаны с изменением некоторых фундаментальных свойств материала при уменьшении размера частиц или зерна, а также с изменением соотношения некоторых объемных и поверхностных свойств.

К уникальным особенностям наноматериалов относятся отличия их температур плавления и размеров кристаллических решеток от соответствующих величин в материалах с обычной структурой. В связи с этим возникает вопрос о справедливости использования термина постоянные решетки , применительно к размерам решетки.

С уменьшением размера частиц растет их поверхностная энергия. В результате изменяется (снижается) температура плавления частицы. Выражение для температуры плавления (Г) твердой наночастицы радиусом г имеет вид:




Многие из этих проблем удалось преодолеть при создании наноструктур в крупнокристаллических материалах, за счет использования методов ИПД. Полученные образцы позволили начать систематические исследования механических свойств на растяжение и сжатие во многих металлических материалах, включая промышленные сплавы. Было продемонстрировано, что в полученных наноструктурных образцах могут наблюдаться очень высокие прочностные свойства. Более того, полученные материалы часто проявляют сверхпластичность при относительно низких температурах и могут демонстрировать высокоскоростную сверхпластичность. Недавние исследования [4] показали также новые возможности повышения механических свойств в наноструктурных сплавах с метастабильной структурой и фазовым составом. Формирование метаста-бильных состояний позволяет получить особо прочные материалы после последующих отжигов, что связано не только с наличием очень мелкого зерна, но также со специфической дефектной структурой границ зерен, морфологией вторых фаз, повышенным уровнем внутренних напряжений, кристаллографической текстурой и т. д. В связи с этим становится актуальной задача комплексного исследования влияния структурных особенностей наноматериалов на их механическое поведение.

Например, наноструктурная Си, полученная РКУ прессованием, в сравнении с хорошо отожженным крупнозернистым состоянием, проявляет два наиболее существенных различия: во-первых, в несколько раз более высокое значение предела текучести, превышающее 400 МПа, и, во-вторых, значительно менее выраженное деформационное упрочнение на стадии пластического течения. Короткий отжиг не приводит к заметному росту зерен, однако ведет к возврату дефектной структуры их границ, выраженному в резком уменьшении внутренних напряжений. Несмотря на аналогичный размер зерен, имеется весьма существенная разница деформационного поведения в этих двух состояниях. После кратковременного отжига вид кривой истинное напряжение - деформация становится похожим на вид кривой, соответствующей крупнокристаллической Си. Этот результат очень важен и показывает, что на прочностные свойства наноструктурных материалов может влиять не только средний размер зерна, но и дефектная структура границ зерен.

Развитием этих работ [4] явилось обнаружение нового эффекта, заключающегося в одновременном увеличении прочности и росте пластичности в металлах после интенсивных пластических деформаций. Известно, что при обычных обработках чем больше величина деформации, тем прочнее металл, но тем меньше ресурс его пластичности. Физическая

природа нового явления, названного парадоксом прочности и пластичности в ИПД материалах , связана с формированием наноструктур и изменением микромеханизмов деформации.

В проведенных исследованиях [9] чистую Си (99,996 %) подвергали РКУ прессованию, а чистый Ti (99,98 %) и интерметаллид NijAl - кручению под высоким давлением. Интенсивная пластическая деформация осуществлялась при комнатной температуре. Результаты механических испытаний на растяжение для каждого из этих материалов показаны на рис. 1.7, где приведены кривые напряжение-деформация для состояния, полученного интенсивной пластической деформацией, крупнозернистого, отожженного состояния, а также состояния, подвергнутого обычной деформации прокаткой или экструзией.

Исходная крупнозернистая Си с размером зерен около 30 мкм проявляет типичное поведение (рис. 1.7, кривая 7), связанное с низким пределом упругости, незначительным деформационным упрочнением и высокой пластичностью. После холодной прокатки наблюдается существенное повышение прочности Си, но значительно снижается пластичность (рис. 1.7, кривая 2). При этом, чем больше величина деформации При прокатке, тем выше прочность, но ниже пластичность. Эта тенденция сохраняется для Си, подвергнутой двум проходам РКУ прессования, где величина деформации близка к 2 (рис. 1.7, кривая 3). Однако ситуация принци- х о о!2 04 0,6 0,8 i,o i,2 1,4 1,6

ПИальНО меняется для Си, ПОДВер- Деформация

гнутой интенсивной деформации р с. 1.7. Истинные кривые деформации

С числом проходов РКУ прессова- для наноструктурных материалов



1 2 3 [ 4 ] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка