авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Зернограничная диффузия и ползучесть субмикрокристаллических металлических материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Грабовецкая Галина Петровна

ЗЕРНОГРАНИЧНАЯ ДИФФУЗИЯ И ПОЛЗУЧЕСТЬ

СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ИНТЕНСИВНОЙ

ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Специальность

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Томск – 2008

Работа выполнена в лаборатории физического материаловедения Института физики

прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Колобов Юрий Романович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Перевезенцев Владимир Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор

Громов Виктор Евгеньевич

доктор физико-математических наук, профессор

Старенченко Владимир Александрович

Ведущая организация: Государственный технологический университет

(Московский институт стали и сплавов),

г. Москва

Защита диссертации состоится « 25 » сентября 2008 г. в 14 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.267.07 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан «_____» августа 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д. ф.-м. н., профессор И.В. Ивонин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание материалов, обладающих оптимальным сочетанием свойств в тех или иных условиях эксплуатации, является одной из основных задач современного материаловедения. В последние годы интенсивно разрабатываются и исследуются поликристаллические материалы с субмикронным размером зерен (диаметр зерна – d < 1 мкм). Интерес исследователей и практиков к этим материалам обусловлен их уникальными механическими и физико-химическими свойствами, существенно отличающимися от соответствующих свойств поликристаллов с мелким (1< d < 10 мкм) и крупным (d > 10 мкм) зерном. В металлических поликристаллах с ультрамелким зерном обнаружено изменение фундаментальных, обычно структурно-нечувствительных свойств – температуры Кюри и Дебая, упругих модулей, удельной теплоемкости и других. Они обладают высокой прочностью и в ряде случаев проявляют низкотемпературную и/или высокоскоростную сверхпластичность. Перспективными методами создания объемных субмикрокристаллических материалов являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД): равноканальное угловое прессование (РКУП), кручение под высоким давлением, всестороннее прессование, а также методы, сочетающие ИПД с легированием водородом.

Многочисленные исследования показывают, что сформированная методами интенсивной пластической деформации субмикрокристаллическая структура металлических материалов, помимо малого размера зерен, характеризуется крайне неравновесным состоянием границ зерен, что является причиной наличия в приграничной зоне дальнодействующих полей упругих напряжений и искажения кристаллической решетки. Перспектива использования в промышленности субмикрокристаллических материалов с такой неравновесной структурой в качестве конструкционных определяет важность изучения закономерностей их деформационного поведения в условиях ползучести. Связано это с тем, что специфическая неравновесная структура границ зерен в сочетании с малым размером зерен может внести коррективы в развитие деформации при ползучести субмикрокристаллических материалов, по сравнению с крупнозернистыми поликристаллами. Существенный вклад в деформацию субмикрокристаллических материалов при ползучести в области низких и повышенных температур (Т < 0,5Тпл) могут вносить механизмы высокотемпературной деформации, контролируемые зернограничной диффузией, – зернограничное проскальзывание и диффузионная ползучесть. На параметры ползучести может оказать влияние и формирование полос локализованной деформации, развитие которых является характерным механизмом деформации для металлических материалов в неравновесном состоянии. Кроме того, неравновесное состояние границ зерен и увеличение объемной доли материала, относящегося к границам зерен и приграничным областям, могут привести к изменению параметров диффузии в субмикрокристаллических металлических материалах по сравнению с крупнозернистыми поликристаллами. Диффузия является тем фундаментальным процессом, который во многом определяет развитие пластической деформации, деградации структуры и фазовых превращений при ползучести металлических материалов.



Таким образом, исследование влияния неравновесного состояния границ зерен на развитие диффузии и дифузионно-контролируемых процессов при ползучести металлических материалов с субмикронным размером зерен является актуальным.

Цель настоящей работы: изучение влияния неравновесного состояния границ зерен, формируемого в процессе интенсивной пластической деформации, на диффузионную проницаемость, закономерности и механизмы ползучести субмикрокристаллических металлических материалов, а также анализ роли механизмов деформации, контролируемых зернограничной диффузией, в развитии пластической деформации на установившейся стадии ползучести.

Для реализации указанной цели в работе решались следующие задачи:

1. Выяснение влияния размера зерен, состояния границ зерен и наличия второй фазы на устойчивость субмикрокристаллической структуры и ее механических свойств к внешним воздействиям (температуры, холодной пластической деформации, диффузии атомов примеси из внешней среды и покрытия).

2. Исследование влияния неравновесного состояния ГЗ на параметры (коэффициенты и энергию активации) зернограничной диффузии субмикрокристаллических металлических материалов на примере гетеродиффузии в системах Ni(Cu), Ti(Co) и Mo(Ni) (в скобках указана примесь-диффузант).

3. Изучение закономерностей и механизмов низкотемпературной ползучести субмикрокристаллических металлических материалов в зависимости от структурно-фазового состояния и условий испытания, в том числе и при воздействии диффузионными потоками атомов примеси из внешней среды и покрытия.

4. Исследование особенностей развития пластической деформации в процессе высокотемпературной ползучести субмикрокристаллических сплавов, полученных методами интенсивной пластической деформации, на примере двухфазного сплава Ti-6Al-4V.

5. Анализ роли механизмов деформации, контролируемых зернограничной диффузией, в развитии пластической деформации в процессе ползучести субмикрокристаллических металлических материалов.

Научная новизна. В работе впервые:

– прямыми экспериментальными методами показано, что увеличение значений коэффициентов зернограничной гетеродиффузии и уменьшение энергии активации зернограничной гетеродиффузии при температурах ниже 0,4Тпл в субмикрокристаллических металлических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации, по сравнению с соответствующими значениями для крупнозернистых поликристаллов обусловлены неравновесным состоянием границ зерен, формируемым в процессе интенсивной пластической деформации;

– установлено, что уменьшение кажущейся энергии активации ползучести субмикрокристаллических полученных методами интенсивной пластической деформации металлических материалов по сравнению с соответствующими значениями для мелко- и крупнозернистых поликристаллов в интервале температур (0,2 – 0,35)Тпл является следствием существенного вклада в общую деформацию зернограничного проскальзывания, контролируемого зернограничной диффузией;

– показано, что соотношение вкладов микроскопического (движение дислокаций) и мезоскопических (зернограничное проскальзывание, развитие полос локализованной деформации) механизмов деформации в общее формоизменение, а также потеря сдвиговой устойчивости на макромасштабном уровне субмикрокристаллических материалов в процессе ползучести в интервале температур (0,2 – 0,35)Тпл связаны не только с размером зерен, но и с состоянием (степенью неравновесности) границ зерен;

– обнаружено, что присутствие в субмикрокристаллической структуре, сформированной методами интенсивной пластической деформации, упрочняющих наноразмерных (10 – 50 нм) частиц препятствует развитию локализации деформации и повышает сдвиговую устойчивость материала на макромасштабном уровне;

– на примере двухфазного сплава Ti-6Al-4V установлено, что при переходе от мелкозернистой к субмикрокристаллической структуре наблюдается снижение на 200–250 К температуры смены основного механизма пластической деформации от внутризеренного дислокационного скольжения к зернограничному проскальзыванию.

Практическая значимость. В работе показано, что стабильность структуры и сопротивление ползучести субмикрокристаллических металлов, формируемых интенсивной пластической деформацией, можно существенно повысить путем дисперсного упрочнения наноразмерными (10 – 50 нм) частицами оксидов.

На примере сплава Ti-6Al-4V установлено, что формирование в + двухфазных титановых сплавах субмикрокристаллического состояния приводит к повышению длительной прочности и сопротивления водородному охрупчиванию при комнатной температуре.

Результаты исследования влияния состояния границ зерен на закономерности пластической деформации металлов в субмикрокристаллическом состоянии при растяжении и ползучести могут быть использованы для достижения одновременного повышения прочности и пластичности субмикрокристаллических и наноструктурных металлических материалов. В данной работе эти результаты были использованы при разработке способа получения сверхтонкой (толщиной менее 20 мкм) высокопрочной фольги из технически чистого титана для медицинского и технического применения.

Положения, выносимые на защиту.

1. Низкотемпературная аномалия зернограничной гетеродиффузии для субмикрокристаллических металлических материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации, заключающаяся в увеличении коэффициентов и уменьшении энергии активации зернограничной гетеродиффузии по сравнению с соответствующими значениями для крупнозернистых поликристаллов и обусловленная неравновесным состоянием границ зерен, формируемым в процессе интенсивной пластической деформации.

2. Особенности ползучести в интервале температур (0,2–0,35)Тпл субмикрокристаллических металлических материалов по сравнению с крупно- и мелкозернистыми поликристаллами: развитие на установившейся стадии ползучести зернограничного проскальзывания и полос локализованной деформации; низкие значения кажущейся энергии активации ползучести; зависимость скорости установившейся ползучести и величины кажущейся энергии активации ползучести от состояния границ зерен.

3. Эффект повышения устойчивости к локализации деформации при ползучести в интервале температур (0,2–0,35)Тпл для субмикрокристаллических металлических материалов, упрочненных наноразмерными частицами второй фазы, следствием которого являются увеличение сопротивления ползучести и времени до разрушения.

4. Снижение температуры проявления эффекта активации зернограничного проскальзывания зернограничными диффузионными потоками атомов примеси замещения из внешней среды (покрытия) в субмикрокристаллических металлических материалах по сравнению с крупнозернистыми поликристаллами, связанное с низкотемпературной аномалией зернограничной гетеродиффузии в неравновесных границах зерен

5. Особенности ползучести в интервале температур (0,4–0,5)Тпл сплава Ti-6Al-4V в субмикрокристаллическом состоянии по сравнению с крупно- и мелкозернистым состоянием, связанные с уменьшением размера зерен и заключающиеся в снижении показателя чувствительности к напряжению и величины кажущейся энергии активации ползучести до значений, соответствующих сверхпластическому течению, и соответствии зависимости скорости установившейся ползучести от напряжения модели высокотемпературной ползучести Mukherjee A.K.





Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в соответствии с планами государственных научных программ и грантов. Среди них: «Исследование мезоскопических закономерностей ползучести наноструктурных металлов и композитов на их основе» (тема 01.20.00.11709, 2001-2003 гг.); «Диффузия и упругопластические свойства наноструктурных материалов для медицины и техники» (проект № 8.13 по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов», 2003-2005 гг.); «Диффузия и связанные с ней явления в субмикрокристаллических металлах и сплавах» (проект РФФИ №03-02-16955, 2003-2005 гг.); «Исследование роли диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и упругопластических свойств многоуровневых объемных наноструктурных композитов с металлической матрицей. Разработка на их основе перспективных материалов для медицины и техники» (проект по приоритетному направлению 8 «Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций», 2004-2006 гг.); «Деформационное поведение и разрушение наноструктурных металлов и сплавов при квазистатическом и динамическом нагружениях» (проект № 18.10 по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Теплофизика и механика энергетических воздействий» 2004-2006 гг.); «Исследование диффузионных свойств границ зерен в поли- и нанокристаллических материалах» (проект № 2.7 по программе комплексных интеграционных проектов фундаментальных исследований, выполняемых в СО РАН совместно с учеными УрО РАН и ДВО РАН в 2006-2008 гг.).

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: VII международном семинаре «Структура, дефекты и свойства нанокристаллических ультрадисперсных и мультислойных материалов», Екатеринбург, 1996 г.; I международном семинаре «Актуальные проблемы прочности», Новгород, 1997 г.; V Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем», Екатеринбург, 2000 г.; Научно-практической конференции материаловедческих обществ России «Новые конструкционные материалы», Москва, 2000 г.; International Workshop «Мезомеханика: основы и приложения», Томск, 2000 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов», Уфа, 2001 г.; VI Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем», Томск, 2002 г.; XXXIX семинаре «Актуальные проблемы прочности», Черноголовка, 2002 г.; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2004 г.; International Conference “Mechanochemical Synthesis and Sintering”, Новосибирск, 14-18 июня 2004 г.; Научная сессия Московского инженерно-физического института, Москва, 24-28 января 2005 г.; Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов», Томск, 2006 г.; IV Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2006 г.; II Всероссийской конференции по наноматериалам « НАНО-2007», Новосибирск, 2007 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 64 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, сборниках трудов конференций, в числе которых 2 коллективные монографии и 2 патента РФ.

Личный вклад автора в работу. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат идеи в определении цели, анализе и интерпретации результатов, формулировке основных положений и выводов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 291 наименование. Диссертация содержит 290 страниц, 105 рисунков и 31 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы; сформулированы цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту; показана научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов; даны сведения о публикациях, структуре и объеме диссертации; определен личный вклад автора; указаны конференции и семинары, на которых были доложены основные результаты работы.

В первой главе «Субмикрокристаллическая структура металлических материалов, полученная методами интенсивной пластической деформации, и ее термическая стабильность» представлены данные о характере субмикрокристаллической структуры и механических свойствах металлических материалов (титана, никеля, меди, молибдена, композита Cu-Al2O3 и сплава Ti-6Al-4V), используемых для исследований в данной работе, а также результаты изучения устойчивости этой структуры к внешним воздействиям.

Электронно-микроскопические исследования показали, что в титане, никеле и сплаве Ti-6Al-4V методом РКУП была сформирована субмикрокристаллическая структура с вытянутыми вдоль оси прессования элементами зеренно-субзеренной структуры с размером в поперечном сечении 0,2–0,8 мкм и коэффициентом неравноосности – ~2. Средний размер элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры молибдена, меди и композита Cu-Al2O3, полученной методом кручения под давлением, составляет соответственно 0,45, 0,25 и 0,25 мкм. В объеме элементов зеренно-субзеренной структуры всех исследуемых субмикрокристаллических материалов наблюдается высокая скалярная плотность дислокаций ((1–7)·1014 м-2) и контуры экстинции. Присутствие последних свидетельствует о наличии внутренних напряжений.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.