Механизмы прочности и пластичности нанокристаллических и наноструктурированных металлов и сплавов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 5З9.З

МЕХАНИЗМЫ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

© Г. А. Малыгин

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: malygin.ga@mail.ioffe.ru

Ключевые слова: дислокации; нанодвойники; наноматериалы; шейкообразование; равномерная деформация.

С дислокационно-кинетических позиций обсуждается проблема пластических и прочностных свойств нанокри-сталлических и наноструктурированных металлов и сплавов. Рассматриваются такие вопросы, как повышенная чувствительность нанометаллов к макролокализации деформации в виде шейки и методы повышения ресурса пластичности рассматриваемых материалов путем создания в них бимодальных зеренных и нанодвойниковых структур.

Нанокристаллические и наноструктурированные металлы и сплавы по сравнению с их крупнозернистыми аналогами имеют высокую прочность при низких и умеренных температурах и проявляют уникальные технологические свойства (сверхпластичность) при повышенных температурах (см. обзоры [1-3]). Высокая их прочность при температурах ниже (0,2-0,3)Тт, где Тт - температура плавления, является результатом зернограничного упрочнения ультрамелкозернистого материала (эффект Холла-Петча), а уникальные технологические свойства (сверхпластичность) при температурах, выше указанных, обусловлены явлением зернограничного разупрочнения наноматериала.

Крупным недостатком ультрамелкозернистых металлических материалов (размер зерна меньше 1 мкм) является их сильная чувствительность к локализации деформации в виде шейки на ранней стадии деформации растяжения, что сильно ограничивает их практическое применение. Это обстоятельство является проявлением общей закономерности: чем выше прочность материала на пределе текучести, тем меньше величина равномерной деформации 8ц до начала образования шейки. В качестве иллюстрации на рис. 1 приведена зависимость деформации 8„ от предела текучести ау в нанокристаллической меди [4].

Сильная чувствительность нанокристаллических и наноструктурированных металлов и сплавов к макролокализации деформации в виде шейки (в отсутствие у них пористости и межзеренного охрупчивания) связана с двумя факторами: сильным ростом у них предела текучести согласно соотношению Х-П [1-3], оу = Кус11П, с1 - размер зерна, и существенным снижением коэффициента деформационного упрочнения 0 = (1а/(18 из-за отсутствия в наноматериале такого, характерного для монокристаллических и крупнозернистых материалов, механизма размножения дислокаций, как их размножение на дислокациях леса [2]. В результате, выполнение критерия образования шейки (1а/(18 < о оказывается сильно сдвинуто в сторону малых значений деформации.

гту, МПа

Рис. 1. Зависимость равномерной деформации 8и от предела текучести оу в нанокристаллической меди [4]. Кривая - согласно уравнению (1)

Отмеченная тесная связь вопросов прочности и пластичности наноматериалов в количественном отношении не может быть проанализирована с чисто феноменологических позиций и требует к себе микроскопического, дислокационно-кинетического подхода [2], учитывающего структурные особенности эволюции плотности дислокаций р в ультрамелкозернистом материале, где основными источниками, стоками и барьерами для движущихся дислокаций являются границы зерен.

С учетом этих факторов зависимость напряжения течения о = та^Ьр1П наноматериала от величины деформации 8, температуры Т, размера зерна с1 и скорости деформации е имеет вид [2]

d, Я,, нм

Рис. 2. Зависимость деформации єu в нанокристаллической [8] (кривая l) и нанодвойникованной [7] меди, соответственно, от размера нанозерен d и толщины нанодвойников X

ст(є, d, є, T) = ma^| \ x

1/2

P0 exp(-mkbe) + — [l - exp(-mkbe)]

1/2 :

(l)

где а, Ь, ц и m - соответственно, коэффициент взаимодействия дислокаций, вектор Бюргерса, модуль сдвига и фактор Тейлора для поликристалла. Параметры Ро«10-2 и в «1 определяют эффективность границ зерен, соответственно, как источников и барьеров для движущихся дислокаций; коэффициент аннигиляции дислокаций ^ = (^ь/^)2 определяет интенсивность аннигиляции дислокаций в границах зерен в зависимости от размера зерен, температуры и скорости деформации, dЬ = (4цDgЬ(T)/m е )1/2 - характерный размер зерна, когда начинается зернограничное разупрочнение наноматериала, DgЬ - коэффициент зернограничной диффузии. Из уравнения (1) следует, что при малых деформациях 8 = 8у = 0.2 % напряжение течения на пределе текучести оу = о(8у) = Kyd~m изменяется с размером нанозерен в соответствии с соотношением Х-П.

Подставляя напряжение (1) в условие образования шейки da/d8 < о, находим зависимость равномерной деформации 8И от структурных факторов (размера зерен) и условий деформирования (температуры и скорости деформации)

l

mkb

ln| і + — mkb \ + ln| і -— kb

(2)

где kb = (db/d), db = db(T, e ). На рис. 1 кривая показывает зависимость величины равномерной деформации от предела текучести в нанокристаллической меди согласно уравнениям (1) и (2) при db = 200 нм, m = 3,05.

В настоящее время для повышения ресурса пластичности наноматериала (увеличения деформации su) без снижения его прочности предлагаются несколько методов, таких как создание нано-микрокомпозитных (бимодальных) зеренных [5, 6] и нанодвойниковых [7] структур. Расчеты показывают, что объемная доля 2530 % микрозерен размером 10 мкм в наноматериале увеличивает деформацию su до приемлемых для практики значений 8-10 % [5, 6]. Это улучшение является результатом заметного роста композитного коэффициента деформационного упрочнения бимодальной зе-ренной структуры вследствие размножения дислокаций на дислокациях леса в микрозернах.

Создание системы нанодвойников в нанозернах с плотностью 1/Х, где X - расстояние между когерентными двойниковыми границами, создает препятствия для дислокаций и способствует дополнительному упрочнению и улучшению пластических свойств наноматериала с размерами зерен в субкристаллическом диапазоне [7]. В качестве примера кривая 2 на рис. 2 демонстрирует зависимость деформации su в субмикрокристалли-ческой меди (размер зерна 450 нм) с ростом плотности нанодвойников в зернах. Видно, что в отличие от на-нокристаллической меди (кривая 1) [8] уменьшение расстояния между двойниковыми границами вызывает существенное увеличение деформации su. Следует, однако, заметить, что при размерах нанодвойников Х<15 нм это приводит к существенному снижению прочности нанодвойникованного материала [7].

ЛИТЕРАТУРА

1. Meyers M.A., Mishra A., Benson D.J. // Progr. Mater. Sci. 2006. V. 51.

Р. 427.

2. Малыгин Г.А. // ФТТ. 2007. V. 49. Р. 961.

3. Андриевский Р.А., Глезер АМ. // УФН. 2009. V. 179. Р. 137.

4. Wang Y., ChenM., Zhou F., Ma E. // Nature. 2002. V. 419. Р. 912.

5. Gil Sevillano J., Aldzabal J. // Scripta Mater. 2004. V. 51. Р. 795.

6. Малыгин Г.А. // ФТТ. 2008. V. 50. Р. 990.

7. Lu L, ChenX., Lu K. // Science. 2009. V. 323. Р. 607.

8. Lu K., Lu L., Suresh S. // Science. 2009. V. 324. Р. 349.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Malygin G.A. Mechanisms of strength and plasticity of nanocrystalline and nanostructured metals and alloys.

The problem of strength and plastic properties of metals and alloys with nanograined structures is quantitatively discussed on the ground of dislocation-kinetic approach based on the dislocation density kinetic equations. The following questions are considered, as a strong sensitivity of nonostructured materials to macrolocalization (necking) of their plastic deformation in tension on the early loading stage, and methods of improvement their plasticity (increasing uniform strain) as creation of bimodal nanomicrocomposed and nanotwinned grained structures.

Key words: dislocations; nanotwins; nanomaterials; necking; uniform strain.

x

ь

єи =

в