СОДЕРЖАНИЕ
Список используемых сокращений.............................................6
Введение...................................................................7
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................12
1.1 Методы интенсивной пластической деформации..........................12
1.1.1 Равноканальное угловое прессование...............................13
1.1.2 Интенсивная пластическая деформация кручением под высоким
давлением..............................................................14
1.1.3 Многократная прокатка (accumulative roll-bonding)................15
1.1.4 Всесторонняя ковка...............................................16
1.2 Формирование структуры при больших пластических деформациях 17
1.1.1 Данные экспериментальных исследований............................18
1.2.1 Модельные представления об ИПД...................................22
1.3 Методы исследования точечных дефектов...............................25
1.3.1 Измерения остаточного электросопротивления.......................26
1.3.2 Дифференциальная сканирующая калориметрия........................29
1.3.3 Рентгеноструктурный анализ.......................................33
1.3.4 Позитронная аннигиляционная спектроскопия........................35
1.4 Точечные дефекты....................................................40
1.4.1 Термодинамика точечных дефектов..................................40
1.4.2 Источники и стоки точечных дефектов..............................42
1.4.3 Роль точечных дефектов в структурообразовании под воздействием
з
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................46
2.1 Материалы исследований............................................46
2.2 Методика деформации кручением под высоким давлением...............46
2.3 Методика РКУП.....................................................47
2.4 Методика измерения остаточного электросопротивления...............47
2.5 Методика дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) 51
2.6 Методика элекронно-микроскопических исследований..................54
2.7 Методика рентгеноструктурного анал иза............................55
Глава 3. ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ И РАСЧЕТЫ ПЛОТІЮСТЕЙ ДЕФЕКТОВ В МЕДИ ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИПД..........................................58
3.1 Термостабильность и расчеты плотностей дефектов в меди после И ГІД кручением.............................................................59
3.1.1 Эволюция структуры чистой меди в процессе ИПД кручением........59
3.1.2 Результаты измерений остаточного электросопротивления образцов меди после ИПД кручением............................................63
3.1.3 Результаты расчетов плотности дислокаций в меди после ИПД кручением.........................................................і.65
3.1.4 Результаты исследований меди после ИПД кручением методом ДСК. 66
3.1.5 Влияние величины гидростатического давления на запасенную энергию, температуру пика...........................................67
3.1.6 Расчет эффективной энергии активации миграции дефектов в меди после ИПД кручением.................................................70
3.1.7 Расчет концентраций дефектов в меди после ИПД кручением и сравнение результатов расчетов с использованием различных методик...73
4
3.2 Термостабильность и расчеты плотностей дефектов в меди после РКУП..77
3.2.1 Структура меди после РКУП.......................................77
3.2.2 Результаты измерений остаточного электросопротивления образцов
меди после РКУП.......................................................78
3.2.3 Результаты исследований чистой меди после РКУП методом ДСК......80
3.2.4 Расчет концентраций дефектов в меди после РКУП..................82
Выводы по главе 3......................................................84
Глава 4. ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ И РАСЧЕТЫ ПЛОТНОСТЕЙ ДЕФЕКТОВ В
НИКЕЛЕ РАЗЛИЧНОЙ ЧИСТОТЫ ПОСЛЕ ИПД КРУЧЕНИЕМ.............................85
4.1 Микроструктура никеля после ИПД кручением..........................85
4.2 Результаты измерений остаточного электросопротивления никеля различной чистоты после ИПД кручением................................ 88
4.2.1 Анализ изохрон сопротивления никеля после ИПД кручением.........88
4.2.2 Рассчитанные концентрации вакансий и эффективные плотности
дислокаций в никеле после ИПД кручением...............................93
4.3 Результаты исследований никеля после ИПД кручением методом ДСК ....95
4.3.1 Зависимость запасенной энергии и температуры пика от степени
деформации и давления в никеле после ИПД кручением....................99
4.3.2 Влияние чистоты материала на температуру отжига дефектов.......101
4.3.3 Расчет концентрации моно- и бивакансий для N1 99,998. после ИПД
кручением............................................................103
4.4 Плотность дислокаций и расчет концентраций вакансионных комплексов... ......................................................................104
4.5 Расчет энергии активации миграции дефектов в никеле различной чистоты после ИПД кручением.................................................107
Выводы по главе 4...................................................112
Глава 5. СРАВНЕНИЕ КИНЕТИКИ НАКОПЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ I ЕРИ ИПД И ЭВОЛЮЦИИ ДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ОТЖИГЕ ГЦК МЕТАЛЛОВ С РАЗЛИЧНОЙ ЭДУ.........................................................113
5.1 Сравнительный анализ кинетики накопления дефектов в Си и N1 в процессе ИПД......................................................113
5.2 Анализ механизмов деформации и обсуждение возможной роли точечных дефектов..........................................................115
5.3 Зависимость запасенной энергии и гомологической температуры отжига дефектов от величины ЭДУ..........................................120
Выводы по главе 5...................................................122
ВЫВОДЫ................................................................124
Список литературы.....................................................126
6
Список используемых сокращений
ИПД - интенсивная пластическая деформация ГЦК - гранецентрированная кубическая (решетка)
СМК - субмикрокристаллические (материалы)
ИПДК - интенсивная пластическая деформация кручением
РКУП - равноканальное угловое прессование
ДСК-дифференциальная сканирующая калориметрия
РСА - рентгеноструктурный анализ
ЭДУ - энергия дефекта упаковки
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
I '3 - границы зерен
7
Введение
Актуальность работы. Исследованию формирования наноструктуры при интенсивной пластической деформации (ИПД) посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ [1-7]. В большинстве работ в качестве основного механизма деформации рассматривается дислокационно-дисклинационная модель деформации, а наиболее изученными дефектами являются дислокации. Между тем, в последние годы появилось большое число теоретических и экспериментальных работ по изучению роли точечных дефектов в процессах структурообразования [1]. Известно, что движение и пересечение дислокаций на начальных стадиях пластической деформации приводит к образованию точечных дефектов, что в свою очередь является причиной повышения диффузионной компоненты движения дислокаций. Повышенная подвижность дефектов вкупе с гидростатическим давлением может быть причиной интенсификации процессов измельчения структуры и реализации некоторых квазивысокотемпературных механизмов деформации [2]. Следует также отметить, что разработанные модели деформации наноструктурных материалов показали, что основным механизмом деформации на развитой стадии является зернограничное проскальзывание, в процессе которого происходит генерация неравновесных вакансий. Потоки неравновесных вакансий, по мнению авторов, обеспечивают сплошность материала в процессе взаимных разворотов зерен [1]. При этом резко ускоряются диффузионные процессы, которые во многом обуславливают аномальные свойства нанокристаллических материалов. Повышенная диффузия, обеспеченная точечными дефектами, по мнению многих исследователей, является причиной расслоения равновесных твердых растворов, интерметалл и дов и образования твердых растворов в сплавах с ограниченной растворимостью [3]. Необходимо также отметить, что генерацию и накопление
8
точечных дефектов нельзя рассматривать в отдельности от других дефектов структуры, в частности дислокаций.
Несмотря на важную роль точечных дефектов в структурообразован и и при ИПД, систематических работ по их экспериментальному изучению немного. Отчасти это связано с тем, что для изучения точечных дефектов необходимы прецизионные трудоемкие методы как, например, измерение остаточного электросопротивления при гелиевых температурах или современные сложные методики, такие как метод возмущенных угловых корреляций и позитронная спектроскопия. Использование всех методов подразумевает некоторые допущения при расчете концентраций дефектов.
В связи с этим весьма актуальным представляется экспериментальное исследование концентрации точечных дефектов и плотностей дислокаций на разных стадиях пластической деформации с использованием нескольких методов для адекватной оценки достоверности результатов.
Цель работы
Экспериментальное исследование концентрации деформационно-индуцированных вакансий и плотности дислокаций на разных стадиях пластической деформации с использованием физических методов в чистых I ЦК металлах с различной ЭДУ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Построение изохрон остаточного электросопротивления и ДСК анализ чистых металлов подвергнутых ИПД в широком интервале степеней деформации.
Расчет концентрации вакансий и плотности дислокаций в широком интервале степеней деформации методами измерения остаточного электросопротивления, ДСК и РСА.
Влияние схемы ИПД на концентрацию вакансий и плотность дислокаций на примере чистой меди
Влияние чистоты материала на кинетику отжига точечных дефектов
Сравнительный анализ концентрации вакансий и плотности дислокаций, рассчитанных методами измерения электросопротивления и ДСК в чистых ГЦК металлах
Изучение взаимосвязи параметров микроструктуры на разных стадиях ИПД в чистых N1 и Си при различных схемах деформации и различной чистоте материала.
Исследование термостабильности дефектной структуры металла после ИПД и ее зависимости от степени деформации, давления, метода деформации и величины ЭДУ.
Научная новизна.
Разработана методика расчета концентрации вакансий и их комплексов в никеле и меди с субмикрокристаллической структурой, полученной при ИПД. Результаты расчетов с использованием двух разных методов (комбинации дифференциальной сканирующей калориметрии с рентгеноструктурным анализом и резистометрии с рентгеноструктурным анализом) совпадают в пределах погрешности, что свидетельствует об их достоверности.
• Впервые получены численные зависимости концентраций вакансионных комплексов и отдельных вакансий от степени деформации.
• Обнаружена двухстадийная зависимость концентрации дефектов от
степени деформации при ИПД. На первой стадии происходит интенсивный рост концентраций вакансий, вакансионных комплексов и плотности дислокаций. На второй стадии в случае никеля наблюдается некоторое снижение концентрации точечных дефектов примерно на 10 %, в случае меди наблюдается
незначительный рост концентрации вакансий.
• Показано, что чистота металла влияет на кинетику отжига дефектов после ИПД, что выражается в изменении формы и температуры пиков на
10
калориметрической кривой. Так, в случае N1 99,998% на кривой присутствует пик при 120°С, обусловленный отжигом моно - и бивакансий. При этом на калориметрической кривой для N1 99,9% этот пик не выявляется. С уменьшением чистоты материала пик, обусловленный отжигом вакансионных комплексов и дислокаций, смещается в сторону более высоких температур, ширина его увеличивается.
•На примере трех ГЦК металлов - N1, Си, Ag после ИПД кручением методом резистометрии показано сужение температурного интервала отжига дефектов с увеличением энергии дефекта упаковки.
На защиту выносятся
• Результаты расчетов концентраций вакансий, вакансионных комплексов и плотностей дислокаций в чистых никеле и меди в широком интервале степеней деформации.
• Двухстадийная зависимость концентраций точечных дефектов от степени деформации. На первой стадии наблюдается резкий рост концентрации деформационно-индуцированных вакансий и плотности дислокаций, на второй стадии в никеле наблюдается снижение концентраций, в меди - незначительный рост.
• Результаты исследования влияния чистоты материала на кинетику отжига точечных дефектов. Температура отжига вакансионных комплексов, близкая к температуре отжига дислокаций, смещается в сторону более низких температур с повышением чисготы материала. Пик, соответствующий отжигу моно - и бивакансий обнаружен в N1 99.99% и № 99.998%. В случае N4 99.9% пик, соответствующий отжигу моно- и бивакансий, отсутствует.
11
Благодарности
Автор выражает благодарность Тюменцеву Александру Николаевичу, Дитенбергу Ивану Александровичу, Батурину Анатолию Анатольевичу, Мулюкову Радику Рафиковичу, Назарову Айрату Ахметовичу за плодотворное обсуждение результатов, способствовавшее повышению качества данной работы, Марченкову Вячеславу Викторовичу - за содействие в измерение электросопротивления границ зерен, Мулюкову Харису Якуповичу - за научное руководство, Цехетбауэру М. - за идею данного исследования.
12
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Методы интенсивной пластической деформации
Металлы и сплавы с размером зерен менее 1 мкм представляют особый интерес для исследований, так как они обеспечивают высокий уровень физических и механических свойств [1-7]. При низких температурах, например, мелкозернистые материалы могут обладать большей прочностью [4] и ударной вязкостью [5] по сравнению с крупнозернистыми аналогами, а при высоких температурах могут становиться сверхпластичными [6].
Согласно определению, объемные ультрамелкозернистые (УМЗ) материалы это материалы с однородной и равноосной структурой со средним размером зерен менее 1 мкм, границы зерен в которых в основном большеугловые. Эти УМЗ материалы делятся на субмикрокристаллические с размером зерна 0,1-1 мкм и нанокристаллические с размером зерен менее 100 нм [7].
В попытках получить наностуктурные или хотя бы ультрамелкозернистые материалы были развиты два подхода. Такие методы как газовая конденсация, электроосаждение, химическое и физическое осаждение, шаровой размол с последующей консолидацией и формование волокна из расплава относятся к подходу «снизу вверх» [4, 7]. Применение этих процессов в большинстве случаев приводит материал в аморфное состояние, которое путем кристаллизационного отжига преобразуется в кристаллическое твёрдое тело 17, 8].
Второй подход «сверху вниз», в котором существующий крупнозернистый материал подвергается обработке с целью получить нано или УМЗ структуру. Наиболее успешным методом получения мелкозернистых материалов является интенсивная пластическая деформация (ИПД), где металлические материалы подвергаются очень большим степеням деформации при относительно низких гомологических температурах [4]- [8]. Материалы, полученные ИПД, имеют ряд преимуществ по сравнению с материалами, полученными другими методами. Эти
- Київ+380960830922