CC BY
47
УДК 539.4.015.1+539.52
О ПЛАСТИЧНОСТИ ВАКУУМНЫХ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ Cu-Al2O3
© Э.В. Зозуля, А.И. Ильинский, А.С. Терлецкий
Ключевые слова: дисперсно-упрочненный нанокомпозит; структура; деформационное поведение; пластичность. Исследована взаимосвязь структуры и деформационного поведения дисперсно -упрочненных нанокомпозитов полученных методом одновременного осаждения из паровой фазы Си и А1Л. Рассмотрено влияние частиц оксида (А№3) и их содержания на пластичность нанокомпозита. Полученные данные позволяют считать, что при размере зерен меди до 2 мкм пластичность лимитируется нанодисперсными частицами А1 ^3, а свыше 2 мкм - структурой металлической основы.
Год от года возрастает внимание к композиционным материалам на основе компонентов с контрастными физико-механическими свойствами, чья морфология и распределение обеспечивается технологией электронно-лучевого испарения и последующего осаждения в вакууме. Одними из таких материалов, которые используются в новейших областях техники, являются дисперсно-упрочненные нанокомпозиты (НК) Cu-Al2O3 [1, 2]. Особенностью конденсированных при низких гомологических температурах композитов является возможность реализации высоких и стабильных прочностных характеристик. Для этих материалов характерно и новое качество их деформационного поведения, в частности, наличие установившейся стадии без упрочнения в режимах активного деформирования уже при низких гомологических температурах [3]. Это качество проявляется уже при небольших относительных удлинениях (единицы процентов) и контролирует пластичность НК [3], абсолютные значения которой сопоставимы с данными [4, 5]. Установлению роли микрокристаллической медной матрицы и нанодисперсных частиц Al2O3 в пластичности НК Cu-Al2O3 посвящены представляемые результаты исследований.
Исследованы пленочные НК системы Cu-Al2O3 толщиной до 40 мкм, содержащие менее 2 об. % Al2O3, а также пленки меди, полученные при идентичных технологических условиях. Методика получения таких объектов описана в [6]. Состав НК определяли на рентгеновском микроанализаторе МАР-4. Структуру изучали методами рентгендифрактометрии (прибор ДРОН-3), оптической (микроскоп Ahion mat 1.A) и просвечивающей электронной микроскопии (микроскопы ПЭМУ и ПЭМ-100) после электролитического утонения, а также с помощью углеродных экстракционных реплик. Испытания на растяжение проводились на машине «TIRA test 2300» с относительной скоростью деформирования 6,67-10-4 с-1.
В исходном и в отожженном состояниях пленки НК имеют двухфазную структуру, состоящую из микрокристаллической матрицы, средний поперечный размер зерен которой изменяется в зависимости от условий получения от 0,5 до 3 мкм, и равномерно распределенных в ней нанодисперсных частиц Al2O3 размером 2-
25 нм, выявляемых в виде локальных элементов контраста. При высоких гомологических температурах подложки в НК наблюдается развитая столбчатая структура (рис. 1а, 1б). При низких температурах реализуется структура, слабо разрешимая в оптическом микроскопе с элементами столбчатости (рис. 1в). С повышением температуры подложки увеличивается число зерен, проросших через всю пленку. Внутри зерен присутствуют двойниковые границы. Их количество растет с увеличением содержания оксида и уменьшается с повышением температуры подложки. У границы с подложкой структура более дисперсна. Такая столбчатая структура с присутствием двойников наблюдалась и в пленках меди. В исследованном диапазоне температур подложки, средний поперечный размер зерен пленок меди изменялся от 1 до 9 мкм.
Рис. 1. Микроскопическое изображение поперечного сечения пленок НК Си^Л с одинаковым содержанием второй фазы, полученных при разных гомологических температурах подложки
Несмотря на выявленное различие в структуре между пленками меди и НК, вызванное введением нано-размерных частиц оксида, которые влияют также и на размер зерна (снижая), и на концентрацию двойниковых дефектов упаковки (повышая), для этих объектов характерно идентичное деформационное поведение [3].
1998
Такое поведение проявляют и фольги меди со сравнимыми характеристиками микрокристаллической структуры.
Существуют и особенности вызванные наличием второй фазы. При росте содержания оксида пластичность (5) НК ожидаемо снижается от 0,10^0,15 при содержании оксида менее 0,3 об. % до 0,01^0,02 при содержании 1,5 об. %. Снижение температуры подложки также приводит к падению пластичности. На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости 5 и у пленок НК с содержанием оксида 0,5 об. % и меди для сравнимых размеров зерен. Как видно, при размере зерна более 2 мкм НК характеризуется большей пластичностью. При этом предел текучести пленок меди составляет 230^300 МПа, НК - 380^430 МПа. Для хо-лоднодеформированной меди с прочностными характеристиками, аналогичными характеристикам НК, относительное удлинение составляет 5^7 %. В литературе [5] описано повышение пластичности композиционных материалов металл-оксид, которое обусловлено увеличением однородности деформации, причем образец разрушается практически без образования шейки. Наши исследования показали, что в НК симбатно с ростом 5 растет и относительное сужение у (рис. 2).
D , мкм
з
Рис. 2. Зависимость относительного удлинения до разрушения (1, 2) и относительного сужения (3, 4) от размера зерна для пленок меди (1, 3) и НК (2, 4)
Естественен вопрос о роли вышеотмеченных элементов структуры в пластичности НК. Ранее выполненные исследования [3] и обсуждаемые результаты позволяют считать, что дислокационное скольжение в дисперсно-упрочненных НК является основным механизмом деформации. Помимо этого, уже при комнатных температурах реализуется и зернограничное проскальзывание, обусловленное дисперсностью зеренной структуры. Последний механизм, наиболее вероятно, и является причиной установившеяся стадии деформации в НК.
Анализ фрактограмм разрушения пленочных НК (рис. 3) позволил выявить ряд особенностей. Разрушение НК происходит после относительного сужения более 10^15 % с образованием ножеобразного излома, характерного для плоских образцов меди. Поверхность разрушения составляет угол 30-45° с осью растяжения, на ней встречаются участки, имеющие и «волокнистый», и «шелковистый» вид (рис. 3б, 3в), а фокус излома располагается практически в центре сечения. Хо-
тя относительное удлинение для части образцов (рис. 2) не превышало 2 %, разрушение можно классифицировать как транскристаллитное, происходящее вязко, срезом.
а) б) в)
Рис. 3. Фрактограммы разрушения НК: а) х5000; б) х12000; в) х24000
Разрушение с образованием вышеописанного рельефа, по доминирующим в литературе представлениям, происходит из-за высокой локальной концентрации напряжений и активации нескольких систем скольжения, что вызвано наличием упрочняющих частиц и (или) двойниковых дефектов упаковки, также являющихся сильными барьерами для движения дислокации [7].
Рост 5 и у при введении оксида в исследуемых НК обусловлен увеличением продолжительности установившейся стадии пластической деформации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гречанюк Н.И., Мухачев А.П. Современные электронно-лучевые технологии как эффективные высокотемпературные методы обработки металлов с получением слитков, защитных покрытий и композитов // Высокоэнергетическая обработка материалов: сб. науч. тр. Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2009. С. 27-38.
2. Зозуля Э. В., Ильинский А.И., Колупаев И.Н.. Структура и электросопротивление осажденных в вакууме дисперсно-упрочненных композитов CU-AI2O3 // ФММ. 2011. Т. 111. № 2. С. 159-161.
3. Ильинский А.И., Терлецкий А.С., Зозуля Э.В. Влияние структуры на прочность композитов системы медь - оксид алюминия // Актуальные проблемы прочности: сб. трудов Междунар. конф. Н. Новгород, 2008. Т. 1. С. 147-149.
4. Ильинский А.И. Структура и прочность слоистых и дисперсноу-прочненных пленок. М.: Металлургия, 1986. 144 с.
5. Мовчан Б.А. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. К.: Наук. думка, 1983. 232 с.
6. Ильинский А.И., Терлецкий А.С., Зозуля Э.В. О структуре и прочности быстрозакаленных композитов CU-AI2O3 // ФММ. 1998. Т. 86. № 6. С. 121-124.
7. Ustinov A.I., Skorodzievski V.S., Fesiun E. V. Damping capacity of nanotwinned copper // Acta Materialia. 2008. V. 56. P. 3770-3776.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Zozulya E.V., Ilinskiy A.I., Terletskiy A.S. ON DUCTILITY OF VACUUM DISPERSION-STRENGTHENED NANOCOMPOSITES CU-ALO3
The relationship of the structure and deformation behavior of dispersion-strengthened nanocomposites Cu-Al2O3 obtained by simultaneous vapor co-deposition of Cu and Al2O3 are investigated. The effect of oxide particles (Al2O3) and their content on the ductility of the composite has been considered. The obtained results make it possible to suppose that at a copper matrix grain size up to 2 цт the limited ductility by nanodispersed particles of Al2O3 and from above 2 цт by metal base.
Key words: dispersion-strengthened nanocomposite; structure; deformation behavior; ductility.
1999
