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

В то же время модели Mukherjee и Gifkins не соответствуют экспериментальным зависимостям скорости установившейся ползучести от напряжения исследуемого сплава в субмикрокристаллическом состоянии при температуре 823 К и в мелкозернистом состоянии при температурах 873 и 923 К. Зависимости скорости установившейся ползучести от напряжения сплава в субмикрокристаллическом состоянии при температуре 823 К и в мелкозернистом состоянии при температурах 873 и 923 К, нормализованные относительно температуры, модуля сдвига и размера зерна, соответствуют одной и той же прямой lg(Td2/DVG-lg( - 0)/G с n = 3 (рис.15).

Это указывает на то, что механизмы ползучести сплава Ti-6Al-4V в мелкозернистом и субмикрокристаллическом состояниях при указанных температурах одинаковы и описываются одним уравнением. Простой перерасчет показывает, что это уравнение имеет следующий вид:

Аналогичная зависимость скорости деформации от напряжения и среднего размера зерна наблюдается при сверхпластическом течении сплавов в первом скоростном интервале ( = 10-7 - 10-5 с-1), когда основной вклад в общую деформацию вносят два механизма деформации: зернограничное проскальзывание и внутризеренное дислокационное скольжение и/или переползание дислокаций.

Основные выводы

1. При температурах ниже 0,4Тпл значения коэффициентов зернограничной гетеродиффузии субмикрокристаллических металлов, полученных методами интенсивной пластической деформации, на несколько порядков выше, а величина энергии активации зернограничной гетеродиффузии в 1,5-2 раза ниже по сравнению с соответствующими значениями для крупнозернистых поликристаллов. Показано, что указанные различия параметров зернограничной гетеродиффузии обусловлены неравновесным состоянием границ зерен субмикрокристаллических металлов, формируемым в процессе интенсивной пластической деформации.

2. Особенностью деформации субмикрокристаллических металлических материалов, полученных воздействием интенсивной пластической деформации, на установившейся стадии ползучести в интервале температур (0,2-0,35)Тпл по сравнению с мелко- и крупнозернистыми поликристаллами является развитие зернограничного проскальзывания и полос локализованной деформации связанное не только с малым размером зерен, но и с состоянием (степенью неравновесности) границ зерен.

3. В интервале температур (0,2-0,35)Тпл значения кажущейся энергии активации ползучести субмикрокристаллических металлов, полученных методами интенсивной пластической деформации, в 2-2,5 раза меньше соответствующих значений для крупнозернистых поликристаллов. Показано, что уменьшение кажущейся энергии активации ползучести металлов в субмикрокристаллическом состоянии обусловлено существенным вкладом в их общую деформацию зернограничного проскальзывания, контролируемого диффузией по границам зерен.

4. На примере титана технической чистоты показано, что формирование наноструктурного состояния методом равноканального углового прессования в сочетании с холодной деформацией прокаткой позволяет достичь высокой однородности в распределении зерен по размерам в отличие от неоднородной структуры, формирующейся при аналогичной обработке мелкозернистого титана. В такой структуре уменьшается склонность к локализации деформации, что приводит к повышению прочности и пластичности при растяжении и к увеличению сопротивления ползучести в интервале температур (0,2-0,35)Тпл.

5. Эффект активации зернограничного проскальзывания при ползучести зернограничными диффузионными потоками атомов примеси замещения из внешней среды (покрытия) в субмикрокристаллических металлических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации, наблюдается при более низких температурах по сравнению с крупнозернистыми поликристаллами. Установлено, что причиной снижения температуры проявления указанного эффекта является повышение диффузионной проницаемости неравновесных границ зерен, сформированных в процессе интенсивной пластической деформации.

6. Дисперсное упрочнение субмикрокристаллических металлов, сформированных методами интенсивной пластической деформации, наноразмерными (10-50 нм) частицами оксидов препятствует развитию зернограничного проскальзывания и локализации деформации при ползучести в интервале температур (0,2-0,35)Тпл, что приводит к увеличению сопротивления ползучести и времени до разрушения.

7. Основным механизмом деформации дисперсноупрочненных наноразмерными (10-50 нм) частицами оксидов субмикрокристаллических металлов на установившейся стадии ползучести является дислокационная ползучесть, контролируемая диффузией по дислокационным трубкам, а механизмом, определяющим зависимость скорости установившейся ползучести от напряжения, - локальный климб и последующий термически активируемый отрыв дислокаций от упрочняющих частиц.

8. На примере двухфазного сплава Ti-6Al-4V показано, что присутствие водорода в твердом растворе в субмикрокристаллической структуре в количестве до 0,1 мас. % при комнатной температуре подавляет развитие локализации деформации, что приводит к повышению длительной прочности и сопротивления водородному охрупчиванию в процессе ползучести. Выделение водорода из твердого раствора в виде гидридов способствует развитию локализации деформации и трещинообразованию.

9. На основе анализа экспериментальных данных и выполненных в работе теоретических оценок установлено, что основным механизмом пластической деформации сплава Ti-6Al-4V в субмикрокристаллическом состоянии при ползучести в интервале температур (0,4-0,5)Тпл является зернограничное проскальзывание, контролируемое зернограничной диффузией, а основным механизмом аккомодации зернограничного проскальзывания - внутризеренное дислокационное скольжение, контролируемое объемной диффузией.

Основные публикации по теме работы

Коллективные монографии:

1. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П., Жиляев А.П., Дударев Е.Ф., Иванов К.В., Иванов М.Б., Кашин О.А., Найденкин Е.В. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. - Новосибирск: Наука, 2001. - 213 с.

2. Kolobov Yu.R, Grabovetskaya G.P. Mechanisms of creep in bulk nanostructured metallic materials produced // In Severe plastic deformation: toward bulk production of nanostructured materials / Editors Altan B.S. and Mulyukov R.R. Nova Science Publishers, Inc, 2005.- P. 275 - 293.

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

3. Грабовецкая Г.П., Раточка И.В., Колобов Ю.Р., Пучкарева Л.Н. Сравнительные исследования зернограничной диффузии меди в субмикро- и крупнокристаллическом никеле // ФММ. - 1997. - Т. 83. - № 3. - С. 112 -116.

4. Грабовецкая Г.П., Найденкин Е.В., Колобов Ю.Р., Раточка И.В. Высокотемпературная ползучесть никеля в условиях зернограничной диффузии примеси с поверхности // Изв. вузов. Физика. - 1997. - № 7. - С. 119 - 125.

5. Колобов Ю.Р., Грабовецкая Г.П., Раточка И.В., Иванов К.В. Особенности ползучести и диффузионные параметры субмикрокристаллических материалов // Изв. вузов. Физика. - 1998. - №3. - С. 77 - 82.

6. Найденкин Е.В., Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Раточка И.В. Влияние типа зернограничного ансамбля на ползучесть никеля в условиях диффузии атомов серебра с поверхности // ФММ. - 1999. - Т. 88. - Вып. 4. - С. 125 - 132.

7. Колобов Ю.Р., Грабовецкая Г.П., Иванов К.В., Гирсова Н.В. Влияние состояния границ и размера зерен на механизмы ползучести субмикрокристаллического никеля. // ФММ. - 2001. - Т. 90. - Вып. 5. - С. 105 - 109.

8. Дударев Е.Ф., Бакач Г.П., Грабовецкая Г.П. и др. Деформационное поведение и локализация пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в субмикрокристаллическом титане // Физическая мезомеханика. - 2001. - Т.4. - № 1. - С. 97 - 104.

9. Гирсова Н.В., Иванов К.В., Колобов Ю.Р. Грабовецкая Г.П., Перевалова О.Б. Особенности структуры и механические свойства субмикрокристаллического никеля, полученного воздействием интенсивной пластической деформации // Изв. вузов. Физика. - 2002. - № 6. - C. 11 - 16.

10. Грабовецкая Г.П., Чернова Л.В., Колобов Ю.Р., Гирсова Н.В. Структура и деформационное поведение субмикрокристаллического титана при ползучести // Физическая мезомеханика. - 2002. - T. 5. - № 6.- С. 87 - 94.

11. Grabovetskaya G.P., Kolobov Yu.R., Ivanov K.V., Girsova N.V. Structure and Creep Behavior of Nanostructured Materials Produced by Severe Plastic Deformation // The Physics of Metals and Metallography. - 2002. - V. 94. - Suppl. 2. - P. S37 - S44.

12. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P., Ivanov M.B., Ivanov K.V., Girsova N.V. Regularities of structure evolution of metals and alloys during severe plastic deformation and superplastic flow // Вопросы материаловедения. - 2003.- Т. 33.- № 1.- C. 184 - 191.

13. Дударев Е.Ф., Бакач Г.П., Грабовецкая Г.П. Структура, неупругие свойства и деформационное поведение ультрамелкозернистого титана // Изв. вузов. Физика. - 2004.- № 9.- С. 33 - 43.

14. Дударев Е.Ф., Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р. и др. Деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозернистого титана полученного методом равноканального углового прессования // Металлы.- 2004.- №1.- С. 87 - 95.

15. Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Иванов К.В., Забудченко О.В. Влияние холодной пластической деформации на структуру, деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозернистого титана // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7. - Спец. вып. - Ч.2. - С. 22 - 25.

16. Бакач Г.П., Дударев Е.Ф., Грабовецкая Г.П. и др. Локализация пластической деформации на макромасштабном уровне в субмикрокристаллических металлах и сплавах // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7. - Спец. вып. - Ч.1. - С. 135 - 137.

17. Колобов Ю.Р., Грабовецкая Г.П., Дударев Е.Ф., Иванов К.В. Получение, структура и механические свойства объемных наноструктурных композиционных материалов для медицины и техники // Вопросы материаловедения.- 2004.- Т. 37.- № 1.- С. 56 - 63.

18. Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Гирсова Н.В. Влияние холодной пластической деформации на структуру и деформационное поведение субмикрокристаллического титана, полученного методом равноканального углового прессования // ФММ. - 2004. - Т. 98.- № 6.- С. 34 - 42.

19. Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Гирсова Н.В., Мишин И.П. Эволюция структуры и деформационное поведение сплава ВТ6 в процессе высокотемпературной ползучести // Физическая мезомеханика. - 2005. - Т. 8. - Спец. вып.- С. 75 - 78.

20. Грабовецкая Г.П. Закономерности ползучести объемных субмикрокристаллических металлических материалов в условиях воздействия диффузионными потоками атомов примеси из покрытия // Физическая мезомеханика.- 2005.- Т. 8.- № 2.- С. 49 - 60.

21. Грабовецкая Г.П., Мельникова Е.Н., Колобов Ю.Р., Чернов И.П., Никитенков Н.Н., Мишин И.П. Эволюция структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V в процессе формирования субмикрокристаллической структуры с использованием обратимого легирования водородом // Изв. Вузов Физика.- 2006.- № 4.-С. 86 - 91.

22. Грабовецкая Г.П., Мишин И.П., Колобов Ю.Р., Раточка И.В., Забудченко О.В. Инициированная диффузией примеси с поверхности рекристаллизация субмикрокристаллического молибдена // Изв. Вузов. Физика.- 2007.- № 5.- С. 37 - 42.

23. Грабовецкая Г.П., Мишин И.П., Раточка И.В., Псахье С.Г., Колобов Ю.Р. Зернограничная диффузия никеля в субмикрокристаллическом молибдене, полученном интенсивной пластической деформацией // Письма в ЖТФ. - 2008. - Т. 33. - № 4.- С. 36 - 38.

Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах:

24. Колобов Ю.Р., Грабовецкая Г.П., Иванов К.В. и др. Структура и механические свойства композита Cu-0,5 вес.% Al2O3, полученного воздействием интенсивной пластической деформации // Перспективные материалы.- 2001.- № 4.- С.78-83.

25. Kolobov Yu.R, Grabovetskaya G.P., Ivanov M.B. et al. Grain boundary diffusion characteristics of nanostructured nickel // Scripta Met.- 2001.- V. 44.- № 6.- P. 873-878.

26. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P., Ivanov K.V., Ivanov M.B. Grain Boundary Diffusion and Mechanisms of Creep of Nanostructured Metals // Interface Science. - 2002.- V. 10.- № 1.- Р. 31 - 36.

27. Колобов Ю.Р., Грабовецкая Г.П., Иванов К.В., Иванов М.Б. Диффузионная проницаемость и механические свойства объемных наноструктурных материалов, полученных воздействием интенсивной пластической деформации // Химия в интересах устойчивого развития. - 2002. - Т. 10. - С. 111 - 118.

28. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P., Ivanov K.V., Ivanov M.B. Diffusion and properties of bulk nanostructured metals and alloys processed by severe plastic deformation // Defect and diffusion forum.- 2003.- V. 216-217.- P. 253 - 262.

29. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P., Ivanov K.V. at el. Diffusion and plasticity of submicrocrystalline metals and alloys // Solid state phenomena.- 2003.- V. 94.- Р. 35 - 40.

30. Zhu Y.T., Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P. at el. Microstructures and mechanical properties of ultrafine-grained Ti foil processed by equal-channel angular pressing and cold rolling // J. Mater. Res.- 2003.- V. 18.- № 4. - P. 1011- 1016.

31. Грабовецкая Г.П., Мельникова Е.Н., Колобов Ю.Р., Чернов И.П. Влияние легирования водородом на деформационное поведение и локализацию пластической деформации на макромасштабном уровне субмикрокристаллического титанового сплава Ti-6Al-4V // Физическая мезомеханика. - 2006. - Т. 9. - Спец. вып. - С. 107 - 110.

32. Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Мельникова Е.Н. Закономерности и механизмы высокотемпературной ползучести субмикрокристаллического титанового сплава Ti-6Al-4V // Материаловедение. - 2007. - № 4.- С. 41 - 46.

Статьи, опубликованные в сборниках трудов конференций:

33. Чернова Л.В., Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Гирсова Н.В. Эволюция структуры и особенности ползучести наноструктурного титана // Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем. Сборник научных трудов VI Всероссийской конференции.- М.: МИФИ.- 2003.- С. 314 - 317.

34. Kolobov Y.R., Grabovetskaya G.P., Ivanov K.V., Valiev R.Z., Zhu Y.T. Grain boundary diffusion and creep of UFG Ti and Ti-6Al-4V alloy processed by severe plastic deformation // Proceedings of Symposium “Ultrafine Grained Materials III” of TMS (The Minerals, Metals & Materials Society). - 2004. - P. 621 - 628.

35. Kolobov Yu.R., Ivanov K.V., Grabovetskaya G.P., Naidenkin E.V. Diffusion-Controlled processes and plasticity of submicrocrystalline materials // Proceedings of the Conference «Nanomaterials by Severe Plastic Deformation - NANOSPD-2»,- Weinheim.- 2004.- Р. 722 - 727.

36. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P. Features of Creep in Bulk Nanostructured Composite Cu-0.5%Al2O3. // Proceedings of Conference NanoSPD-II, 22-26 September, 2004, Donetsk, Ukraina. «Nanostructured Materials by High-Pressure Severe Plastic Deformation». - 2006. - P. 285 - 291

37. Колобов Ю.Р., Грабовецкая Г.П., Иванов К.В., Дударев Е.Ф., Забудченко О.В. Разработка наноструктурных металлических композитов для техники // В сб. материалов 6-го форума «Высокие технологии ХХI века».- М.: ВКЗАО. - 2005.- С. 379 - 382.

38. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P., Zhu Y.T., Ivanov K.V., Girsova N.V., Zabudchenko O.V. Creep Mechanisms of Ultrafine Grain Ti-6Al-4V alloy produced by severe plastic deformation // Proceedings of Conference NanoSPD- IV, 13-15 March, 2006, San Antonio, USA. TMS Ultrafine Grain Materials IV. Edited by Y.T. Zhu et al. (The minerals, Metals & Materials Society), 2006. - P. 447 - 452.

Патенты:

39. Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р., Гирсова Н.В., Валиев Р.З., Жу Ю.Т., Столяров В.В., Жариков А.И. Способ получения высокопрочной фольги из титана. Патент РФ № 2243835, опубликован 10.01.2005 г.- Бюл. № 1.

40. Колобов Ю.Р., Дударев Е.Ф., Кашин О.А., Грабовецкая Г.П., Почивалова Г.П., Валиев Р.З. Способ получения ультрамелкозернистых титановых заготовок. Патент РФ № 2251588, опубликован 10.05.2005 г.- Бюл. № 13.

Размещено на Allbest.ru