Механизмы пластической деформации в нанокристаллических металлах и сплавах

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Механизмы (сверх)пластической деформации в нанокристаллических металлах и сплавах (Обзор) 15
1.1 Дисклинации и ротационная пластическая деформация в
мелкозернистых и нанокристаллических металлах и сплавах 15
1.2 Особенности реализации сверхпластичности в нанокристаллических
металлах и сплавах 31
1.3 Постановка задачи 42
,г- ,
ГЛАВА 2. Ротационная деформация и испускание границами зерен решеточных дислокаций в нанокристаллических металлах и сплавах 44
2.1 Движение диполя зернограничных дислокаций 46
2.1.1 Модель 46
2.1.2 Энергетические характеристики движения диполя зернограничных дисклинаций 49
2.1.3 Результаты модели 54
2.2 Испускание частичных дислокаций границами зерен в
нанокристаллических металлах 57
2.2.1 Движение зернограничной дисклинации путем испускания частичных дислокаций. Модель 58
2.2.2 Изменение энергии системы при испускании дислокации Шокли 61
2.2.3 Возможные сценарии испускания и движения дислокации Шокли 63
2.2.4 Критические напряжения 70
2.2.5 Сравнение характеристик испускания границами зерен частичных дислокаций Шокли и полных дислокаций 73
2.2.6 Испускание границами зерен растянутых дислокаций 78
2.3 Резюме 79
ГЛАВА 3. Зернограничное скольжение и ротационная деформация в нанокристаллических металлах и сплавах
3.1 Совместное действие зернограничного скольжения и ротационной деформации
3.1.1 Расщепление скользящих зернограничных дислокаций на переползающие дислокации в тройном стыке границ зерен
3.1.2 Возможные сценарии расщепления зернограничных дислокаций на тройном стыке границ зерен
3.2 Переход от зернограничного скольжения к ротационной деформации. Модель
3.2.1 Энергетические характеристики перехода от зернограничного скольжения к ротационной деформации
3.2.2 Критическое напряжение перехода от зернограничного скольжения к ротационной деформации
3.3 Резюме
ГЛАВА 4. Особенности сверхпластической деформации в нанокристаллических металлах и сплавах
4.1 Механизмы упрочнения и разупрочнения в нанокристаллических сплавах при сверхпластической деформации
4.1.1 Трансформации зернограничных дислокаций на тройном стыке границ зерен. Модель
4.1.2 Энергетические характеристики трансформаций зернограничных дислокаций на тройном стыке границ зерен
4.1.2.1 Первая трансформация зернограничной структуры
4.1.2.2 Энергетические характеристики я-ого элементарного акта зернограничного скольжения
4.1.3 Критическое напряжение трансформации зернограничной структуры на тройном стыке границ зерен
4.2 Зернограничное скольжение и эмиссия решеточных дислокаций в нанокристаллических сплавах при сверхпластической деформации 119
4.2.1 Трансформации ряда диполей зернограничных дислокаций на тройных стыках границ зерен 119
4.2.2 Энергетические характеристики трансформаций ряда диполей зернограничных дислокаций на тройных стыках границ зерен 123
4.2.3 Испускание решеточных дислокаций тройными стыками границ зерен 130
4.2.4 Зависимость напряжения течения от общей пластической деформации 142
4.3 Резюме 145
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
ЛИТЕРАТУРА 151
Л.1 Список цитируемой литературы 151
Л.2 Список публикаций по теме диссертации 165
ВВЕДЕНИЕ
5
В настоящее время одним из важнейших и быстро развивающихся направлений механики деформируемого твердого тела и физики конденсированного состояния является исследование поведения нанокристаллических твердых тел при механическом нагружении. В частности, нанокристаллические металлы и сплавы являются предметом интенсивных научных исследований, что обусловлено их необычными физическими и механическими свойствами [1-36]. Например, прочность и твердость нанокристаллических металлов и сплавов в несколько раз выше соответствующих характеристик обычных крупнозернистых поликристаллов того же химического состава. Вместе с тем, нанокристаллические твердые тела обычно проявляют крайне низкую пластичность, что существенно сужает круг их технологического использования. Однако в последние годы были получены некоторые нанокристаллические металлы и сплавы, которые характеризуются высокой пластичностью или даже проявляют свойство сверхпластичности при относительно низких температурах и высоких скоростях деформации, сохраняя при этом высокую прочность [37-45]. Это открывает огромные перспективы прикладного использования таких нанокристаллических материалов, которые одновременно и сверхпрочны и сверхпластичны.
Нанокристаллические материалы представляют собой
поликристаллические твердые тела с размерами зерен порядка нескольких десятков нанометров. На данный момент общеупотребительной является терминология, в соответствии с которой верхняя граница размера зерна для нанокристаллических твердых тел составляет около 100 пт [1-7]. Экспериментальные исследования структуры нанокристаллических материалов показали, что из-за малого размера зерен значительную долю объема этих материалов (иногда десятки процентов) занимают межзеренные границы и их тройные стыки. В результате, границы зерен в нанокристаллических металлах и сплавах обеспечивают действие специфических механизмов пластической
6
деформации, в отличие от обычных поликристаллов, в которых пластическая деформация осуществляется преимущественно за счет движения решеточных дислокаций в зернах. Таким образом, уникальные механические свойства нанокристаллических материалов связываются с тем, что в зернах наноскопического размера снижается дислокационная активность, обычная для крупнозернистых материалов [3,46-55], и начинают действовать другие механизмы пластической деформации, действие которых в крупнозернистых материалах не наблюдалось или было незначительным. Идентификация этих специфических механизмов пластической деформации является ключевой проблемой для понимания природы пластичности и сверхпластичности нанокристаллических твердых тел. Согласно современным представлениям о процессах пластического течения в нанокристаллических материалах, наряду с решеточным скольжением, в таких материалах действуют также такие механизмы пластической деформации как зернограничное скольжение [37-45,56-61], ротационная мода деформации [51,52,62-70], диффузионный массоперенос по границам зерен [37-45,71-77], диффузионный массоперенос по тройным стыкам границ зерен [71,72,78] и деформация двойникованием, связанная со скольжением частичных дислокаций [79-89].
Анализ экспериментальных исследований механизмов деформации позволяет сформулировать основное качественное отличие непластичных нанокристаллических материалов от пластичных. Дело в том, что каждый нанокристаллический образец состоит из множества структурных элементов -зерен разных размеров, границ зерен различного типа и разориентировок, а также тройных стыков границ зерен. В такой ситуации в нанокристаллическом образце при механическом нагружении одновременно действуют несколько механизмов пластической деформации. В общем случае в соседних зернах разных размеров и прилегающих к ним границам зерен доминируют разные механизмы деформации. В малопластичных нанокристаллических материалах разные механизмы деформации действуют независимо друг от друга, что быстро приводит к существенной неоднородности пластической деформации,
7
которая в свою очередь способствует зарождению и развитию трещин. В то же время, в нанокристаллических материалах, характеризующихся пластичностью и с верх пластичностью, разные механизмы пластической деформации эффективно взаимодействуют между собой. Происходят интенсивные переходы между разными механизмами деформации, которые «сглаживают» неоднородности пластической деформации. Это обеспечивает высокую пластичность нанокристаллических материалов в условиях одновременного действия нескольких механизмов деформации.
Следует отметить, что в настоящее время накоплен достаточно большой объем экспериментальных данных, подтверждающих, что в нанокристаллических материалах в различных условиях действуют решеточное скольжение, зернограничное скольжение, ротационная деформация, диффузионный массоперенос по границам зерен и их тройным стыкам, а также деформация двойникованием. Однако, вследствие существующих ограничений в разрешающей способности применяемого оборудования и сложности расшифровки получаемых экспериментальных результатов, современные экспериментальные методы не позволяют идентифицировать вклад различных механизмов пластической деформации в пластичность и сверхпластичность нанокристаллических материалов, а также роль взаимодействия этих механизмов в процессах (сверх)пластического течения наноструктур. Во многих случаях не удается экспериментально определить дефектные структуры и их трансформации, ответственные за действие механизмов пластической деформации в нанокристаллических материалах, демонстрирующих пластичность и сверхпластичность. Помимо этого, вследствие новизны проблемы, теория поведения нанокристаллических материалов при механическом нагружении не развита; она находится в стадии становления. До последнего времени наибольшее внимание уделялось построению упругих моделей дефектов в наноструктурах в рамках классической теории упругости [3,6,46-50,90-94], нелокальной [95,96] и градиентной [97,98] теорий упругости, а также развивается существенно нелинейный подход [99,100] в механике
8
деформируемых кристаллов и наноструктур. Задача же приложения этих моделей к построению адекватной теории поведения деформируемых нанокристаллических твердых тел остается пока не решенной, существуют лишь отдельные модели. Как следствие, построение теоретических моделей механизмов (сверх)пластической деформации - предмет настоящей диссертационной работы - является исключительно важным как для понимания фундаментальных основ уникального поведения нанокристаллических твердых тел, демонстрирующих пластичность и сверхпластичность, так и для развития высоких технологий получения и пластического формообразования сверхпрочных нанокристаллических металлов и сплавов. Это обусловливает актуальность настоящей диссертационной работы.
Цель работы состоит в построении теоретических моделей, которые достоверно описывают механизмы пластической деформации в нанокристаллических металлах и сплавах, характеризующихся пластичностью и сверхпластичностью.
Работа выполнена на стыке двух специальностей — механики деформируемого твердого тела и физики конденсированного состояния. При формулировке моделей широко использовались физические представления о микроструктуре твердых тел. На этапе постановки и решения задач применялся хорошо развитый в рамках классической теории упругости (раздела механики деформируемого твердого тела) математический аппарат теории дефектов в упругой среде. Полученные результаты интерпретировались с помощью понятий как механики деформируемого твердого тела, так и физики конденсированного состояния.
Краткое содержание работы
Работа включает в себя введение, четыре главы основного текста, заключение и список литературы.
Во введение обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована основная цель работы, кратко представлены содержание
9
диссертации, сведения о ее апробации и основных публикациях по ее теме, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор научной литературы в области физики и механики процессов (сверх)пластической деформации в нанокристаллических металлах и сплавах. В п. 1.1 рассмотрены теоретические представления о ротационной деформации и возможных механизмах ее реализации в микро- и нанокристаллических материалах. Особенный акцент сделан на связи частичных клиновых дискли наций и их диполей (носителей ротационной деформации) с изменениями разориснтаций кристаллической решетки. Рассмотрен ряд теоретических моделей зарождения и развития полос переориентации в зернах, за счет движения диполей частичных клиновых дисклинаций. Приведены результаты компьютерного моделирования двумерной динамики дислокации в поле напряжений диполя частичных клиновых дисклинаций, нацеленного на уточнение микромеханизмов движения дисклинаций и их диполей. Проведен обзор последних экспериментальных исследований вращения зерен в нанокристаллических материалах, который указывает на связь ротационной деформации с зернограничным скольжением. П. 1.2 посвящен рассмотрению особенностей сверхпластической деформации нанокристаллических материалов. Вначале рассмотрены основные закономерности и механизмы сверхпластической деформации на примере микрокристаллических материалов, представления о сверхпластичности которых, на данный момент, наиболее развиты. Также рассмотрены физические модели сверхпластической деформации, дающие связь между скоростью деформации и рядом факторов, от которых зависит сверхпластическая деформация (напряжение, температура и т. п.). Отмечены основные способы повышения пластических свойств нанокристаллических металлов и сплавов, большинство которых показывают крайне низкие пластические свойства. Рассмотрен класс материалов, проявляющих свойство сверхпластичности в нанокристаллическом состоянии. Приведен обзор последних экспериментальных исследований сверхпластического поведения таких
10
материалов. На основе этих экспериментальных данных и существующих теоретических работ обсуждена роль различных механизмов пластической деформации в формировании необычного поведения нанокристаллических материалов при сверхпластической деформации. В п. 1.3 на основе анализа литературных данных определены основные задачи настоящей работы.
Во второй главе разработано теоретическое описание механизма ротационной деформации и процессов испускания границами зерен полных и частичных решеточных дислокаций в нанокристаллических металлах и сплавах. В этой главе представлены теоретические модели движения зернограничных дисклинаций и их диполей - носителей ротационной деформации. В п. 2.1 предложена теоретическая модель микромеханизма движения диполя зернограничных дисклинаций под действием внешнего напряжения за счет испускания пар решеточных дислокаций в прилегающие зерна. Были рассчитаны энергетические характеристики такого движения. В рамках модели было показано, что движение диполя зернограничных дисклинаций является эффективным механизмом ротационной деформации в мелкозернистых поликристаллах и нанокристаллических твердых телах. В моделях также отмечалось, что при таком механизме движения зернограничных дисклинаций границы зерен становятся эффективными источниками решеточных дислокаций, обеспечивая действие механизма решеточного скольжения в нанокристаллических материалах, где действие традиционных источников решеточных дислокаций (типа Франка Рида) затруднено. В п. 2.2 разработана теоретическая модель, описывающая испускание частичных дислокаций границами зерен в нанокристаллических металлах при пластической деформации. В рамках модели, частичные дислокации испускаются при движении зернограничных дисклинаций. Рассчитаны критические напряжения зарождения частичных и полных решеточных дислокаций. Показано, что при уменьшении размера зерна ниже некоторого критического уровня (с1с «5 -г-10 пт для А1) испускание границами зерен частичных дислокаций становится более предпочтительным по сравнению с
11
испусканием полных решеточных дислокаций, что хорошо согласуется с экспериментальными данными и работами по компьютерному моделированию. В п. 2.3 представлено резюме к главе 2.
В третьей главе рассматривается совместное действие механизмов зернограничного скольжения и ротационной деформации (вращения зерен) в нанокристаллических материалах при (сверх)пластической деформации и переход от зернограничного скольжения к вращению зерна. В п. 3.1 разработана теоретическая модель расщепления скользящих зернограничных дислокаций на переползающие зернограничные дислокации в тройном стыке границ зерен. Рассчитываются энергетические характеристики первого такого расщепления. В результате этих расчетов было установлено, что при малых (острых) углах раствора зернограничные дислокации расщепляются на зернограничные же скользящие дислокации (то есть идет передача зернограничного скольжения через тройной стык), а при больших углах (оптимальными являются углы близкие к 100°) происходит расщепление на переползающие дислокации. В рамках модели этот процесс расщепления зернограничных дислокаций на переползающие дислокации повторяется многократно, приводя к формированию конечных стенок переползающих дислокаций (и дисклинаций, ограничивающих стенки дислокаций), которые являются носителями ротационной деформации. В п. 3.2 предложена теоретическая модель перехода от зернограничного скольжения к ротационной деформации, который осуществляется в результате последовательного расщепления зернограничных дислокаций двух скоплений на противоположных тройных стыках с образованием четырех дислокационных диполей по границам зерен, примыкающим к этим тройным стыкам. Рассчитаны энергетические характеристики и критическое напряжение такой смены механизма деформации, величина которого определяется упругими свойствами материала, структурой границ зерен, размером и геометрией нанозерна. В п. 3.3 представлено резюме к главе 3.
12
Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию особенностей сверхпластической деформации нанокристаллических металлов и сплавов (эффектов упрочнения и разупрочнения, а также высокого значения напряжения течения). В п. 4.1 представлена модель, которая описывает механизмы упрочнения и разупрочнения в нанокристаллических сплавах при сверхпластической деформации. Модель основана на рассмотрении особенностей зернограничного скольжения вблизи изолированных тройных стыков границ зерен и учитывает миграцию границ зерен и их стыков. В рамках модели рассчитаны энергетические характеристики и критические напряжения для последовательных трансформаций зернограничных дислокаций на тройном стыке границ зерен, приводящие к росту вектора Бюргерса (накоплению дислокационного заряда) разностной дислокации в этом стыке. Рассматриваемое накопление дислокационного заряда затрудняет зернограничное скольжение и вызывает значительное упрочнение нанокристаллического материала. Механизм разупрочнения в рамках модели связывается с распрямлением тройного стыка в результате локальной миграции границ зерен, которая является механизмом аккомодации зернограничного скольжения. Базируясь на результатах модели, была построена кривая зависимости напряжения течения от степени пластической деформации, которая показала хорошее качественное и отчасти количественное совпадение с экспериментом по сверхпластической деформации нанокристаллического интерметалл и да №зА1. Сравнение экспериментальных и теоретических кривых подтвердило предположение о ключевой роли зернограничного скольжения при сверхпластической деформации нанокристаллических металлов и сплавов. Однако это сравнение также указало на возможность действия и других механизмов пластичности (диффузионных, ротационных и т. п.) не учтенных в представленной модели. В п. 4.2 была предложена модификация предыдущей теоретической модели, которая учитывала коллективное поведение зернограничных дефектных структур и зарождение решеточных дислокаций на тройных стыках границ зерен как механизм аккомодации этих структур. С
13
помощью результатов этой модели также была построена кривая зависимости предела текучести от общей пластической деформации, которая показала хорошее качественное и количественное совпадение с экспериментальной кривой по сверхпластичности нанокристаллического алюминий-литиевого сплава (Al-5Mg-2Li (1420-А1)). В рамках этой модели был обсужден вклад решеточного скольжения в сверхпластическую деформацию нанокристаллических металлов и сплавов, который оказался менее значительным по сравнению с вкладом от зернограничного скольжения. В п.
4.3 представлено резюме к главе 4.
В заключение приведен перечень основных результатов и сформулированы основные выводы диссертации.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 5-ой международной конференции “New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering” (Санкт-Петербург, Россия, 2001); международной конференции “Nanomaterials and Nanotechnologies” (Крит, Греция, 2003); международном симпозиуме MRS Symposium “Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Nanocomposites” (Бостон, США, 2003), международном семинаре “Nanostructured Materials Mechanics” (Санкт-Петербург, Россия, 2004), 8-ой международной конференции “New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering” (Санкт-Петербург, Россия, 2004) и семинарах в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете и Институте проблем машиноведения РАН.
Основные публикации по теме работы
Материалы диссертации опубликованы в 10-ти научных статьях [1а-10а] в отечественных и зарубежных журналах, а также в статье [11а] в научном сборнике. Список публикаций приведен в п. JI.2.
14
Положения, выносимые на защиту:
• Модель движения диполя зернограничных дисклинаций под действием внешнего напряжения путем испускания пар решеточных дислокаций в прилегающие зерна, расчет энергетических характеристик и определение критических параметров такого движения диполя зернограничных дисклинаций в нанокристалл ических металлах и сплавах.
• Модель испускания частичных дислокаций границами зерен при движении зернограничных дисклинаций в нанокристаллических металлах при пластической деформации, расчет энергетических характеристик испускания границами зерен частичных дислокаций Шокли, оценка критических напряжений и критических размеров зерна испускания частичных и полных решеточных дислокаций.
• Модели совместного действия зернограничного скольжения и ротационной деформации и перехода от зернограничного скольжения к ротационной деформации под действием внешнего напряжения, расчет энергетических характеристик перехода от зерно граничного скольжения к ротационной деформации, оценка критического напряжения такого перехода.
• Модели механизмов упрочнения и разупрочнения в нанокристаллических металлах и сплавах при сверхпластической деформации, исследование условий испускания тройными стыками границ зерен решеточных дислокаций, расчет критических напряжений, необходимых для последовательных трансформаций зернограничной структуры, построение теоретической зависимости напряжения течения от степени пластической деформации.