Механические и физические свойства и области применения многослойных наноструктурных металлических композитов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ

© М.И. Карпов

Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Россия, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: композит; дислокация; межслойная граница; механические свойства; сверхпроводимость; критический ток.

Приведены данные о влиянии толщины слоев в многослойных композитах Си-ЫЪ, ЫЪ-(ЫЪ-Т1) на твердость, пределы текучести и прочности, а также на критическую плотность сверхпроводящего тока во внешнем магнитном поле.

Классический механизм, объясняющий зависимость Холла-Петча а, = а0 + К 1/^, основан на возникновении напряжения в голове дислокационного скопления на границе зерна, которое должно инициировать скольжение в соседнем зерне. По этому механизму напряжение течения растет с уменьшением размера зерна пропорционально обратному квадратному корню из размера зерна. Толщина слоя в композите, если она столь мала, что формирование дислокационных ячеек внутри него уже невозможно, является определяющей в формировании механических свойств материала, поскольку определяет длину пробега дислокаций в действующих системах скольжения. На рис. 1 показано, как меняется твердость в зависимости от обратного корня из толщины слоя в композите Си-ЫЪ, содержащем 64000 слоев меди и ниобия. В интервале толщин 11225 нм зависимость Холла-Петча имеет вид: НУ = 70 + + 960 1/-4 В интервале толщин 25-5 нм - НУ = 231 + + 158 1/4 Переход от первой зависимости ко второй связан с изменением кристаллографической текстуры в слоях меди иниобия. В слоях ниобия текстура представлена 2-мя компонентами {112}[110], в то время как в слоях меди при толщинах слоев менее 25 нм формируется текстура {110} [001]. Плоскости скольжения и соответствующие направления скольжения в слоях ниобия и меди оказываются с точностью до 5 угловых градуса параллельными друг другу. Очевидно, что в этом случае передача скольжения от слоя к слою путем генерации дислокаций в соседнем слое облегчена, а эффективность межслойных границ как препятствий для скольжения уменьшается.

В композите ЫЪ-(1ЫЪ-Т1), также состоящем из 64000 слоев, в этом же диапазоне толщин текстуры слоев совпадают. Зависимость Холла-Петча остается постоянной во всем диапазоне (рис. 2).

Известно, что плотность критического сверхпроводящего тока в ниобии и его сплавах сильно зависит от структурного состояния материала. Связано это с тем, что такие дефекты, как дислокации, дисперсные выделения второй фазы, границы зерен и межфазные границы являются центрами

325-|

300-

275-

250-

> I 225-

200-

175-

150-

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

1Л1/2

Рис. 1. Зависимость твердости по Виккерсу наноламината Си-ЫЪ в интервале толщин 112-5 нм от величины Г1/2, где , -толщина слоя, выраженная в нанометрах. Черные квадраты -экспериментальные значения, прямые линии - зависимости Холла-Петча

2800-

2600-

2400-

Q. ^ 2200-

> X 2000-

1800-

1600- 1 1 1

0.1

0.2

0.3

0,5

0.4

0.5

1/t

Рис. 2. Зависимость твердости по Виккерсу в МПа композита ЫЪ-(ЫЪ-50%Т1) в интервале толщин 112-5 нм от величины Г1/2, где , - толщина слоя, выраженная в нанометрах. Прерывистая линия соответствует выражению НУ = 1688 + 2125/У,

Магнитное поле, Тл

Рис. 3. Зависимость конструктивной критической плотности тока от магнитного поля для образца ленты с толщиной слоя -12 нм: 1 и 3 - Н 1. пл. прокатки, без отжига (1) и с отжигом (3); 2 и 4 - Н || пл. прокатки, без отжига (2) и с отжигом (4)

пининга для вихрей Абрикосова. Причем межфазные границы сверхпроводник - нормальный металл являются наиболее эффективными центрами пининга. В связи с этим наноламинат ЫЪ-(ЫЪ-Т1) представляет интерес как объект, в котором присутствуют все перечисленные центры пининга, а закономерное положение межфазных границ позволяет выявить их реальную эффективность. Измерение критического тока проводили при температуре 4,2 К во внешнем магнитном поле 1-7 Тл при двух ориентациях поля относительно плоскости наноламината: перпендикулярно плоскости наноламината и параллельно ней и перпендикулярно направлению тока. В первом случае вихри Абрикосова были перпендикулярны слоям сверхпроводящего спла-

ва Nb-50%Ti толщиной 12 нм и центрами пининга были дислокации, границы зерен и фаз, во втором к ним добавлялись межфазные границы между слоями ниобия, являвшегося нормальным металлом при полях выше 1 Тл. Как видно из данных рис. 3, плотность критического тока при параллельном внешнем поле, когда вихри зажаты между слоями нормального металла, на 1-2 порядка превышают значения для перпендикулярного поля, когда этот механизм пиннинга не дает вклада.

ЛИТЕРАТУРА

1. Карпов М.И., Внуков В.И., Гнесин Б.А., Абросимова Г.Е., Фролова Л.А., Терехова И.С., Коржов В.П., Ходос И.И. Особенности пластической деформации многослойного композита Cu-Nb при прокатке // Деформация и разрушение материалов. 2001. № 11. С. 2.

2. Карпов М.И., Коржов В. П., Внуков В.И., Терехова И. С., Абросимова Г.Е., Ходос И.И. Наноструктурный многослойный композит Nb-NbTi: получение, структура и свойства // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 6. С. 18-21.

3. Карпов М.И., Коржов В.П., Внуков В.И., Зверев В.Н., Терехова И.С. Анизотропия плотности сверхпроводящего критического тока в слоистых наноструктурных композитах, содержащих слои сплава Nb-50%Ti // Материаловедение. 2008. № 6. С. З5-З8.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты 05-02-11132 и 08-02-01028а.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Karpov M.I. Mechanical and physical properties and applied directions of multilayered nanostructured metallic composites.

The data of influence of layers thickness in the nanostructured metallic composites Cu-Nb and Nb-(Nb-Ti) on mechanical properties and critical superconducting current density in external magnetic field are presented.

Key words: composite; dislocation; layers interface; mechanical properties; superconductor; critical current.