CC BY
83
УДК 539.4; 669.3
АНАЛИЗ КИНЕТИКИ РАСПАДА ПЕРЕСЫЩЕННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА В ЛИТОМ И МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СПЛАВЕ Си-Сг^г
© А.В. Нохрин, Н.В. Мелёхин, В.Н. Чувильдеев
Ключевые слова: равноканальное угловое прессование; микрокристаллические металлы и сплавы; Си-Сг^г; распад пересыщенного твердого раствора.
Работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию различий кинетики распада пересыщенного твердого раствора хрома в сплаве Си-Сг^г. Экспериментальное исследование процесса распада твердого раствора Сг в Си проведено при помощи измерения удельного электросопротивления. Полученные данные проанализированы при помощи уравнения Джонсона-Мела-Аврами-Колмогорова. Полученные результаты проверены при помощи методик просвечивающей электронной микроскопии.
1. ВВЕДЕНИЕ
Как известно, интенсивная пластическая деформация (ИПД), осуществляемая методом равноканального углового прессования (РКУП), приводит к существенному увеличению плотности дефектов (дислокаций, границ зерен и т. д.) в металлах и сплавах [1-6]. Это является одной из причин изменения диффузионных свойств таких материалов [6].
Изменение диффузионных свойств сплавов, подвергнутых РКУП, оказывает существенное влияние на кинетику процессов выделения и роста дисперсных частиц [4; 5]. В частности, в работах [5-7] показано, что кинетика распада пересыщенного твердого раствора в сплавах алюминия в литом состоянии и после равноканального углового прессования имеет существенные отличия.
Настоящая работа посвящена изучению кинетики выделения дисперсных частиц хрома из пересыщенного твердого раствора в микрокристаллическом (МК) сплаве системы Си-Сг-7г.
В работе проведен сравнительный анализ кинетики выделения частиц и процессов распада пересыщенного твердого раствора хрома в меди для материала в литом состоянии и в состоянии после 8 циклов РКУП.
2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектом исследования в работе выбран сплав меди с хромом и цирконием Си-0,7%атСг-0,07%ат7г. Материал изучался в литом (крупнокристаллическом) и микрокристаллическом (после 8 циклов РКУП - режим Б) состояниях (далее - МК-материал) [1].
Для изучения процессов выделения частиц второй фазы из твердого раствора был применен четырехзон-довый метод измерения удельного электросопротивления (УЭС). Изучение температурной зависимости УЭС является эффективным методом анализа эволюции твердого раствора при термообработках [7-9]. Измерения величины УЭС проводились при комнатной температуре (20 °С) после закалки образцов в воде.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Удельное электросопротивление. Полученные в результате эксперимента зависимости удельного электросопротивления (УЭС) от температуры изохронных выдержек показаны на рис. 1.
Как известно [5], процесс выделения частиц из пересыщенного твердого раствора в общем случае может быть описан уравнением Аврами-Колмогорова:
/ = /таХ(1 —ЄХР(“(/1Т)" ))> (2)
где / - объемная доля частиц, выделившихся в момент времени ґ, /тах - объемная доля, соответствующая выделению максимальной объемной доли частиц, п - параметр, характеризующий механизм выделения частиц второй фазы, х - характерное время процесса: х = х0 ехр(<3 / кТ), где х0 - константа, Q - энергия активации процесса, к - постоянная Больцмана, Т - температура.
Учитывая линейную связь объемной доли выделившихся частиц и величины УЭС, согласно правилу Маттисена-Флеминга: (1 — /) = 0 • р [7-9], можно провести логарифмирование соотношения (2) и графически определить величины Q и п для каждого из процессов.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе проведены экспериментальные исследования процессов выделения частиц хрома в литой и микрокристаллической хром-циркониевой бронзе Си-0,7%Сг-0,07%7г. Показано, что кинетика выделения дисперсных частиц хрома в меди носит многостадийный характер. Стадийность наблюдается как в литом, так и в МК материале. Смена стадий в материале обусловлена сменой доминирующих механизмов распада (рис. 2).
0 100 200 300 400 500 о 100 200 300 400 500
Рис. 1. Зависимость удельного электросопротивления хром-циркониевой бронзы от температуры изохронных выдержек. А) Литое состояние, Б) Микрокристаллическое состояние
Рис. 2. Зависимости Mn(( pmax _ Ро)/(Р _ Ро)) от In t для литого (А) и МК (Б) материалов
В литом материале процесс распада контролируется объемной диффузией хрома в меди, стадийность связана со сменой доминирующих процессов роста и зарождения частиц. По мере увеличения температуры отжига распад контролируется следующими последовательно сменяющими друг друга процессами: процессом роста частиц, образовавшихся при литье; процессом зарождения новых частиц в объеме зерен и процессом роста зародившихся частиц. При этом в микрокристаллическом материале распад контролируется следующими сменяющими друг друга процессами: при низких температурах доминируют процессы зарождения и роста частиц на дефектах структуры, контролируемые диффузией по дефектам, при высоких температурах - процессы зарождения частиц в объеме, контролируемые объемной диффузией, при еще более высоких температурах доминируют процессы роста зародившихся в объеме частиц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др. Процессы пластического структурообразования металлов. Мн.: «Навука I тэхтка», 1994. 232 с.
2. fopylov V.I., Application of ECAP-technology for producing nano- and microcrystalline materials, Investigations and Applications of Severe Plastic Deformation, T.C. Lowe and R.Z. Valiev, Kluwer Academic Published, 2000. Р. 23-27.
3. Wang K., Tao N.R., Liu G., Lu J., Lu K. Plastic strain-induced grain refinement at the nanometer scale in copper // Acta Materialia. 2006. V. 54. P. 5281-5291.
4. Millett P.C., Panneer Selvam R., Saxena A. Stabilizing nanocrystalline materials with dopants // Acta Materialia. 2007. V. 55. P. 2329-2336.
5. Чувильдеев В.Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 304 с.
6. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
7. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. М.: Машиностроение, 2004.
8. Розенберг В.М., Дзуцев В.Т. Диаграммы изотермического распада в сплавах на основе меди. М.: Металлургия, 1989.
9. Шматко О.А., Усов Ю.В. Структура и свойства металлов и сплавов. Электрические и магнитные свойства металлов. Справочник.
Киев: Наукова думка, 1987. 325 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (ГК № 14.740.12.0855 «Изучение влияния особенностей структуры на физические свойства перспективных функциональных и конструкционных материалов (наноматериалов)) на оборудовании Центра коллективного пользования "Диагностика структуры и свойств наноматериалов" НИУ «БелГУ».
Поступила в редакцию 6 июня 2011 г.
Nokhrin A.V., Melyokhin N.V., Chuvildeev V.N. ANALYSIS OF DEGRADATION OF SOLID SOLUTION AT CAST AND MICROCRYSTALLINE ALLOYS OF Cu-Cr-Zr
Present work covers experimental and theoretical investigation of different of degradation of solid solution of chromium at cast and microcrystalline alloys of Cu-Cr-Zr. The experimental investigation of degradation of solid solution conduct with a method of measurement of electrical resistance is made. Experimental data was analyzed with the JMAC equation. The theoretical conclusions were verified with the TEM methodics.
Key words: equal-channel angular pressing; microcrystalline metals and alloys; Cu-Cr-Zr; degradation of solid solution.
