CC BY
45
УДК 539.385 : 621.78
Мезоскопические структурные состояния в пластической деформации наноструктурных металлических материалов
В.Е. Панин1,2, Н.С. Сурикова1, А.С. Смирнова1,2, Ю.И. Почивалов1
1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634055, Россия 2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
Приводится экспериментальное обоснование фундаментальной роли мезоскопических структурныж состояний в развитии пластической деформации наноструктурныж металлических материалов. Отсутствие трансляционной инвариантности, аномально высокая концентрация неравновесныж вакансий, кривизна кристаллической решетки, перманентное изменение электронной подсистемы в деформируемых наноструктурных материалах обусловливают возникновение в междоузлиях зон кривизны решетки спектра мезоскопических структурных состояний. Основной модой пластической деформации наноструктурных материалов является некристаллографическое движение точечньж дефектов механизмом пластической дисторсии. Возможны развитие динамических ротаций, структурно-фазовых превращений, возникновение неравновесныж фаз, отсутствующих в равновесныж диаграммах состояний. В условиях коалесценции неравновесных вакансий наноструктурные материалы имеют низкую пластичность, в противном случае они проявляют сверхпластичность.
Ключевые слова: наноструктурные материалы, мезоскопические структурные состояния, пластическая деформация, неравновесные точечные дефекты
DOI 10.24411/1683-805X-2018-13002
Mesoscopic structural states under plastic deformation of nanostructured
metallic materials
V.E. Panin1,2, N.S. Surikova1, A.S. Smirnova1,2, and Yu.I. Pochivalov1
1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634055, Russia 2 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
This work experimentally substantiates the fundamental role of mesoscopic structural states in the development of plastic deformation of nanostructured metallic materials. The absence of translational invariance, an abnormally high concentration of nonequilibrium vacancies, crystal lattice curvature, and the permanent change of the electronic subsystem in deformed nanostructured materials give rise to a range of mesoscopic structural states in the interstitial sites of lattice curvature zones. The main plastic deformation mode in nanostructured materials is the noncrystallographic motion of point defects through plastic distortion. There can be dynamic rotations, structural phase transformations, and the formation of nonequilibrium phases that are absent in the equilibrium state diagrams. In the conditions of coalescence of nonequilibrium vacancies, nanostructured materials have low plasticity. Otherwise, they are superplastic.
Keywords: nanostructured materials, mesoscopic structural states, plastic deformation, nonequilibrium point defects
1. Введение
В основе классической теории твердого тела лежит концепция трансляционной инвариантности его кристаллического состояния. Теория дефектов кристаллического состояния также основана на моделях нарушения трансляционной инвариантности кристалла [1-3]. Стабилизирует кристаллическую структуру электрон-
ная подсистема. Если трансляционная инвариантность кристаллической структуры нарушается, то изменяется и электронно-энергетический спектр твердого тела. Потенциал многочастичного взаимодействия создает в междоузлиях кристалла с нарушенной трансляционной инвариантностью иерархию масштабов мезоскопичес-ких структурных состояний, которых нет в исходной
© Панин В.Е., Сурикова H.C., Смирнова A.C., Почивалов Ю.И., 2018
кристаллической структуре. Характер мезоскопических структурных состояний полностью определяется возмущением электронной подсистемы.
В литературе хорошо разработана теория дефектов кристаллического состояния на микромасштабном уровне: точечные дефекты, дислокации, дисклинации, полосы локализованного сдвига. Однако XXI век называют веком наноструктурных материалов, в которых сильно нарушена трансляционная инвариантность. Около 30 % объема наноструктурных материалов составляют границы зерен, которые имеют квазиаморфную структуру. Добавляя в границы зерен лиганды, можно создавать в наноструктуре мезоскопические структурные состояния, влияющие на механическое поведение наноматериалов. Данный подход широко используется в технологии «сборка снизу» при разработке новых наноструктурных материалов.
В последние десятилетия в материаловедении широко используется метод кручения под давлением, когда в условиях интенсивной пластической деформации металлических пластин на наковальнях Бриджмена в них создают сильную кривизну кристаллической решетки и в ее междоузлиях возникают наномасштабные мезо-скопические структурные состояния. Это позволяет создавать в металлических материалах нанокристалличес-кую структуру, генерировать новые фазы, которых нет в равновесных диаграммах состояний [4-7 и др.], инициировать неизвестные ранее механизмы пластической деформации на наномасштабном структурном уровне, изменять механическое поведение твердых тел в различных условиях нагружения.
Подобные эффекты получают и при ультразвуковой обработке поверхностных слоев металлических материалов [8-10]. Ультразвуковая обработка поверхностных слоев плоских образцов технического титана обус-
ловливает их наноструктурирование и полностью исключает кристаллографическое скольжение при знакопеременном циклическом изгибе. Пластическая деформация наноструктурированных поверхностных слоев в сопряжении с упругонагруженной подложкой вызывала сильное пластическое гофрирование поверхностных слоев (рис. 1). Однако следов кристаллографического скольжения в наноструктурированных поверхностных слоях не наблюдалось. В работе [10] данный эффект был объяснен возникновением в междоузлиях зон кривизны решетки поверхностного слоя мезоскопичес-ких структурных состояний, которые создавали возможность перемещаться атомам титана через междоузлия. Тем самым радикально изменялся механизм пластического течения. Вместо дислокационного кристаллографического скольжения в нанокристаллическом поверхностном слое пластическое течение осуществляется движением неравновесных точечных дефектов. Такая концепция ранее в литературе не обсуждалась и требовала дополнительного исследования. Такое исследование проведено в настоящей работе.
2. Материалы и методы исследования
Обнаружить пластическое течение в наноструктур-ных материалах механизмом движения точечных дефектов в чистых металлах невозможно. Однако в нано-структурированных титановых сплавах, содержащих ГПУ а-фазу и ОЦК Р-фазу, которые в условиях кручения под давлением и при ударном внешнем механическом воздействии могут изменять свое структурно-фазовое состояние [6, 8, 11], есть возможность выявить пластическую деформацию механизмом движения неравновесных точечных дефектов.
В работе исследовали титановые сплавы Ti-6Al-4V (ВТ6) и ^-5.5А!-4^-2Мо-1Сг-0^е (ВТ23). Удар-
Рис. 1. Фрагмент поверхности наноструктурированного поверхностного слоя образца титана в зоне усталостного разрушения, который испытал гофрирование в результате пластической деформации [9]
ную обработку плоских образцов сплавов осуществляли ультразвуковой ковкой, а также совмещением ультразвуковой ковки с облучением высокочастотным импульсным электронным пучком регулируемой мощности.
Структурное состояние сплавов после различной обработки исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии (JEOL 2100).
Поскольку структурно-фазовые превращения в титановых сплавах под действием ультразвуковой обработки связаны со сложным перераспределением разнородных атомов, наблюдаемые структурные трансформации могут происходить только механизмом пластической дисторсии.
3. Результаты и их обсуждение
На рис. 2 представлены ПЭМ-изображения поверхностного слоя образца ВТ6, обработанного ударной ультразвуковой ковкой. Видно, что а- и Р-фазы сильно диспергированы и находятся в нанокристаллическом состоянии. Особенно сильно диспергируется Р-фаза, размер частиц которой составляет несколько десятков нанометров. В сплаве ВТ6 микродифракционные кольца позволяют разрешить только а- и Р-фазы. Сильные ковалентные связи ванадия затрудняют структурные трансформации ОЦК Р-фазы в DO19 а' - фазы. Более интенсивная кривизна решетки создается в условиях кручения под давлением [4-7]. Подобные условия были созданы авторами [11] при деформации и разрушении слоистого материала из титанового сплава ВТ6 ударным изгибом на маятниковом копре. При расслоении пакета граничные слои между слоями деформировались по схеме «кручение под давлением», в них возникала интенсивная кривизна решетки и происходили структурно-фазовые превращения. В работе [11] данные эффекты не получили должного объяснения. Мы проводим их обсуждение в настоящей работе.
Прежде всего, кривизна отражающих плоскостей в граничных слоях оценивалась по соотношению [12] _ Аф sin Р-Ау
где Аф — величина интервала углов наклона образца в гониометре, при которых наблюдается контур экстинк-ции; Р — угол между вектором действующего отражения и направлением проекции оси наклона гониометра; Ау = 0.5° — угловой размер дифракционного максимума; Аt — толщина фольги.
Оценка дает значения х31 = 45 ° мкм1. Это очень высокое значение кривизны, при котором возникают частицы а2-фазы (^3А1) размером до 20 нм. Другими словами, в зоне кривизны решетки в а твердом растворе образуются наночастицы упорядоченной фазы ^3А1. В условиях ударного нагружения процесс образования упорядоченной фазы может происходить только меха-
Рис. 2. Нанокристаллическая структура поверхностного слоя образца ВТ6 после ударной ультразвуковой обработки: а — темнопольное изображение участка кольца (100)а а-фазы; б— темнопольное изображение участка кольца (100)р Р-фазы; в — микродифракционная картина. Просвечивающая электронная микроскопия
Рис. 3. Динамические ротации на поверхности расслоения многослойного пакета сплава ВТ6, возникающие в условиях ударного изгиба при Т = 20 (а) и -196 °С (б) [11]
низмом пластической дисторсии в зонах кривизны решетки.
Ударный изгиб слоистого материала при температуре -196 °С обусловливает фазовое в ^ а-превращение и увеличение размера наночастиц фазы Т13А1. Возникают пространственно ориентированные а'- и а''-фазы, появляются наночастицы фазы Т1А13, имеющей тетрагональную гранецентрированную решетку. Характерно, что образование наночастиц упорядоченных фаз стимулируется понижением температуры ударного изгиба. Это связано с увеличением концентрации неравновесных мезоскопических структурных состояний в зонах кривизны кристаллической решетки [13].
Еще более наглядно данный эффект выражен на поверхностях расслоения пакета при его ударном изгибе (рис. 3). Сканирующая электронная микроскопия выявляет развитие динамических ротаций, размер которых при температуре деформации -196 °С в 3 раза меньше размера ротаций, возникающих при Т = 20 °С. Мезомеханика динамических ротаций математически описывается теорией структурной турбулентности в условиях потери индивидуальности частицами [14]. Физика такой структурной турбулентности связана с возникновением в наноструктурах мезоскопических структурных состояний, которые контролируются динамикой изменения электронно-энергетического спектра.
Представленные на рис. 3 динамические ротации, возникающие на наноструктурированных поверхностях расслоения многослойного пакета сплава ВТ6 при ударном изгибе, хорошо согласуются с молекулярно-дина-мическим расчетом наноротаций, аккомодирующих распространение локализованного пластического сдвига в наноструктурном монокристалле (рис. 4) [15].
Образование наночастиц упорядоченных фаз а!2 и а2 при ультразвуковой ковке титановых сплавов, содер-
жащих ГПУ а-фазу и ОЦК в-фазу, естественно должно происходить при создании в электронно-энергетическом спектре исходного материала индивидуальной электронной полосы упорядоченной Т13А1 фазы. Как показано в [16], в электронно-энергетическом спектре сплава Т13А1 около уровня Ферми имеется полоса электронных состояний, в заполнении которой конкурируют р-электроны А1 и d-электроны Ть Поскольку в ячейке Т13А1 количество атомов А1 значительно больше, чем в ячейке ОЦК в-фазы, образование реек фазы Э019(Т13А1) в рамках в-фазы должно сопровождаться перераспределением р^-электронов в электронно-энергетическом спектре сплава, обрабатываемого ультразвуковой ковкой. Этот процесс также следует активировать при ультразвуковой ковке титановых сплавов. Данная рекомендация особенно актуальна для трансформации ОЦК в-фазы, которая при выделении а2 - фазы должна создавать ГПУ Э019 кристаллическую структуру [17]. Для экспериментального подтверждения данного положе-
400-^ 200 -
о
^-200 -
-400 -|-,-,-,-,-
0 4 8 12 16
X, нм
Рис. 4. Молекулярно-динамический расчет развития аккомодационных динамических наноротаций при распространении локализованного пластического сдвига в наноструктурном монокристалле [15]
Рис. 5. Структура сварного шва титанового сплава ВТ23 после лазерной сварки (а) и после комплексной обработки (ультразвуковая ковка + высокочастотное электронное облучение) сварного соединения (б). Просвечивающая электронная микроскопия
ния было предложено совместить ультразвуковую ковку с высокочастотным импульсным электронным облучением. Образование Р-фазы сильно выражено в сварных соединениях сплава ВТ23, содержащего V, Mo, Cr. В условиях лазерной сварки такие сварные соединения оказываются хрупкими. Комплексная обработка (ультразвуковая ковка + высокочастотное электронное облучение) сварных соединений сплава ВТ23 проведена в настоящей работе. Результаты структурного исследования комплексно обработанных сварных соединений представлены на рис. 5.
Как видно из рис. 5, а, в хрупком сварном соединении сильно развита полосовая структура Р-фазы. Однако в результате комплексной обработки (ультразвуковая ковка + высокочастотное электронное облучение) все полосы Р-фазы расщепляются на тонкие подполосы (рис. 5, б). Согласно [17], при высокотемпературной деформации сплава Ti-25 % Al-11 %Nb + 3 % V + 1 %Mo в Р-фазе выделяются рейки а?> - фазы с ГПУ-структурой DO19. Объем ее кристаллографической ячейки на 3.6 % больше ячейки Р-фазы. Если на рис. 5, б в полосах Р-фазы выделяются рейки а2 - фазы, то в условиях ударной ультразвуковой ковки рейки промежуточной фазы должны быть наноструктурными.
Очень важно, что рейки а2-фазы выделяются в окружении Р-фазы. Это означает, что границы нанозе-рен будут иметь мезоскопические структурные состояния как ОЦК Р-фазы, так и ГПУ DO19 а2-фазы. При циклическом растяжении на развитых границах между Р- и а^ - фазами возникает эффект демпфирования, связанный с обратимыми трансформациями ОЦК о DO19 структур. Это должно исключить хрупкость лазерных сварных соединений сплава ВТ23 и повысить их усталостную долговечность, что подтверждено эксперимен-
тально. Пластичность сварных соединений возросла до 7 %, а усталостная долговечность лазерных сварных соединений сплава ВТ23 в результате комплексной обработки (ультразвуковая ковка + высокочастотное электронное облучение) возросла в 2.5 раза [8].
4. Заключение
Концепция мезоскопических структурных состояний и механизма пластической дисторсии в распространении локализованных сдвигов впервые была теоретически обоснована в [18]. В работах [10, 13, 19] эта концепция была развита применительно к условиям сильной кривизны решетки в деформируемом твердом теле. В данной работе показана важная роль мезоскопических структурных состояний в механическом поведении наноструктурных материалов. Учитывая, что кривизна кристаллической решетки возникает при всех условиях пластической деформации и разрушения, роль мезоскопических структурных состояний будет лежать в основе построения нелинейной физической мезомеханики материалов.
Работа выполнена в рамках госзадания по Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. (проект III.23.1.1), проекта РФФИ № 17-01-00691, интеграционного проекта СО РАН № 4.
Литература
1. Van Bueren H.G. Imperfections in Crystals. - Amsterdam: North Holland Publishing Company, 1960.
2. Келли А., Гроее Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах.-М.: Мир, 1974. - 496 с.
3. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. -М.: Металлургия, 1983. - 232 с.
4. Miyazaki T., Terada D., Miyajima Y., Suryanarayana C., Murao R., Yokoyama Y., Sugiyama K., Umemoto M., Todaka Y., Tsuji N. Synthesis of non-equilibrium phases in immiscible metals mechanically mixed by high pressure torsion // J. Mater. Sci. - 2011. - V. 46. - P. 42964301.
5. Straumal B.B., Mazilkin A.A., Protasova S.C., Dobatkin S.V., Rodin A.O., Baretzky B., Goll D., Schutz G. Fe-C nanograined alloys obtained by high pressure torsion: Structure and magnetic properties // Mater. Sci. Eng. A. - 2009. - V. 503. - P. 185-189.
6. Kilmametov A.R., Ivanisenko Yu.I., Mazilkin A.A., Straumal B.B., Gornakova A.S., Fabrichnaya O.B., KriegelM.J., Rafaja D., Hahna H. The a ^ m and ß ^ m phase transformations in Ti-Fe alloys under high-pressure torsion // Acta Mater. - 2018. - V. 144. - P. 337-351.
7. Straumal B.B., Korneva A., Zieba P. Phase transitions in metallic alloys driven by the high pressure torsion // Arch. Civil. Mech. Eng. -2014. - V. 14. - P. 242-249.
8. Smirnova A.S., Pochivalov Yu.I., Panin V.E., Orishich A., Malikov A., Gorbunov A. V. The structure and mechanical properties of VT23 welded joints with surface layer modified by ultrasonic mechanical forging // Key Eng. Mater. - 2017. - V 743. - P. 264-268.
9. ПанинВ.Е., Елсукова Т.Ф., ПопковаЮ.Ф., ПочиваловЮ.И., Рама-суббу Сундер. Влияние структурного состояния поверхностных слоев образцов технического титана на их усталостную долговечность и механизмы усталостного разрушения // Физ. мезомех. -2014. - Т. 17. - № 4. - С. 5-12. - doi 10.24411/1683-805X-2014-00009.
10. Panin VE., Egorushkin V.E., Elsukova T.F., Surikova N.S., Pochivalov Y.I., Panin A.V. Multiscale Translation-Rotation Plastic Flow in Polycrystals. Handbook of Mechanics of Materials / Ed. by C.-H. Hsuch et al. - Singapore: Springer Nature, 2018. - doi 10.1007/978-981-10-6855-3_77-1.
11. Сурикова Н.С., Панин В.Е., Деревягина Л.С., Лутфуллин Р.Я., Манжина Э.В., Круглов A.A., Саркеева A.A. Микромеханизмы деформации и разрушения слоистого материала из титанового спла-
ва ВТ6 при ударном нагружении // Физ. мезомех. - 2014. - Т. 17. -№ 5. - С. 39-50. - doi 10.24411/1683-805X-2014-00016.
12. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Суховаров В.Ф. Дисперсионное упрочнение тугоплавких металлов. - М.: Наука, 1989. - 208 с.
13. ПанинВ.Е., ЕгорушкинВ.Е., Панин А.В., ЧернявскийА.Г. Пластическая дисторсия — фундаментальный механизм в нелинейной мезомеханике пластической деформации и разрушения твердыж тел // Физ. мезомех. - 2016. - Т. 19. - № 1. - С. 31-46. - doi 10.24411/1683-805X-2016-00041.
14. Мухамедов А.М. Эффект потери индивидуальности частицами турбулентной среды в процессе движения: связь между турбулентной мезодинамикой и турбулентной макроскопической феноменологией // Физ. мезомех. - 2014. - Т. 17. - № 2. - С. 25-34. -doi 10.24411/ 1683-805X-2014-00003.
15. Головнев И.Ф., Головнева Е.И., Мержиевский Л.А., Фомин В.М., Панин В.Е. Молекулярно-динамическое исследование кластерной структуры и свойств ротационной волны в твердотельныж наноструктурах // Физ. мезомех. - 2014. - Т. 17. - № 4. - С. 41-48. -doi 10.24411/1683-805X-2014-00038.
16. Pabel F., Machado J., Ney Luiggi A. Study of electronic properties of Al3Ti, AlTi and AlTi3 intermetallic compounds using DFT-FPLAPW // J. Comput. Meth. Sci. Eng. - 2014. - V. 14. - P. 53-71.
17. YangK.L., Huang J.C., Wang Y.N. Phase transformation in the в phase of super a2Ti3Al base alloys during static annealing and super plastic deformation at 700-1000°C // Acta Mater. - 2013. - V. 51. - P. 25772594.
18. Егорушкин В.Е. Калибровочная динамическая теория дефектов в неоднороднодеформируемыж средах со структурой. Поведение границ раздела // Изв. вузов. Физика. - 1990. - Т. 33. - № 2. -С. 51-68.
19. Panin V.E., Egorushkin V.E., Surikova N.S., Pochivalov Yu.I. Shear bands as translation-rotation mode of plastic deformation in solids under alternate bending // Mater. Sci. Eng. A. - 2017. - V. 703. -P. 451-460.
Поступила в редакцию 10.05.2018 г
Сведения об авторах
Панин Виктор Евгеньевич, д.ф.-м.н., акад., зав. лаб. ИФПМ СО РАН, проф. ТПУ, paninve@ispms.tsc.ru Сурикова Наталья Сергеевна, д.ф.-м.н., снс ИФПМ СО РАН, surikova@ispms.tsc.ru Смирнова Анастасия Сергеевна, мнс ИФПМ СО РАН, асп. ТПУ, naso@mai12000.ru Почивалов Юрий Иванович, к.ф.-м.н., внс ИФПМ СО РАН, pochiv@ispms.tsc.ru
