CC BY
133
УДК 539.3
СТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ МНОГОСЛОЙНОГО НАНОСТРУКТУРНОГО КОМПОЗИТА Cu/Ag
©М.И. Карпов1*, В.П. Коржов1*, В.И. Внуков1*, Ю.Р. Колобов2*, Е.В. Голосов2*
'* Учреждение Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Россия 2) Белгородский Государственный университет, Центр наноструктурных материалов и нанотехнологий,
г. Белгород, Россия, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: диффузионная сварка; вакуумная прокатка; многослойный композит; наноструктура; зависимость Холла-Петча; твердость.
Исследован композит Cu/Ag, содержащий ~68900 чередующихся слоев меди и серебра толщиной 4,5 нм, полученный методами диффузионной сварки и прокатки многослойных пакетов.
Введение. Многоразовую прокатку многослойных пакетов [1] можно называть одним из методов интенсивной пластической деформации. И действительно, если многослойный пакет в первом цикле собирается из фольг одного, двух и более металлов или сплавов, а во втором и последующих циклах - из уже многослойных фольг, полученных в предыдущих циклах, то отдельный слой претерпевает очень большую деформацию. Чтобы деформировать фольгу, первоначально имеющую толщину в несколько десятых долей миллиметра, до толщины <10 нм чаще всего можно обойтись тремя циклами. Так были получены многослойные наноструктурные композиты Си/ЫЪ [2, 3], Си/Ре [4], Си/ЫЪТШЪ и Си/№&/ЫЬ [5, 6].
В многослойных композитах толщина отдельных слоев является параметром, определяющим механические свойства материала, т. к. от нее зависит длина свободного пробега дислокаций в действующих системах скольжения. Механические характеристики и микроструктуру материала связывает известная зависимость Холла-Петча а = а0 + К-С0,5, где параметром структуры выступает размер зерна С, а, в общем случае, является механической характеристикой, а0 и К -константы, которые для конкретной зависимости определяются из эксперимента. В многослойных материалах в качестве параметра может выступать средняя толщина отдельного слоя I. Зависимости Холла-Петча, связывающие твердость НУ или НВ и ^ были получены сначала для композитов Си/ЫЪ [2, 3] и Си/Ре [4], а потом и для Си/ЫЪ50ШЫЪ (50 масс.% Н) [5]. Для Си/ЫЪ-композитов, собранных из металлов с различными типами кристаллических решеток, зависимость Холла-Петча имела два участка, отличающихся значениями а0 и К. Это свидетельствовало об изменении эффективности межслойных границ как препятствий для скольжения дислокаций.
Эксперимент В настоящей работе исследуются композиты Си/А^. Многослойные пакеты в первом цикле собирались из 21-й Си- и 20-ти Ag-фольг толщиной 0,3 мм, во втором и третьем циклах - из 41-й фоль-
ги толщиной 0,3 мм, полученных соответственно в 1-м и 2-м циклах. Каждый раз перед вакуумной прокаткой пакеты подвергались диффузионной сварке под давлением ~25 МПа при 700 °С в течение 40 мин. В 1-м и 2-м циклах после диффузионной сварки пакеты прокатывались на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом до 700 °С. Делалось по два прохода с обжатием 25-30 % за один проход. В 3-м цикле вакуумная прокатка не проводилась, т. к. монолитность пакета была обеспечена диффузионной сваркой. Общее число слоев меди и серебра после 3-го цикла составляло ~68900 штук, расчетные толщины отдельных слоев после каждого из трех циклов - 7317, 178 и ~4,5 нм соответственно.
Твердость. В третьем цикле в процессе прокатки заготовки при комнатной температуре измерялась ее твердость по Виккерсу НУ. Эти данные в координатах НУ-Г0,5 показаны на рис. 1. Функциональной зависимости, характерной для зависимости Холла-Петча, в данном случае не наблюдалось. Возможно, это связано с тем, что твердость измерялась непосредственно после прокатки, т. е. с учетом и твердости вследствие наклепа, который может быть достаточно существенным.
Рис. 1. Зависимость твердости по Виккерсу в координатах НУ-/"0-5 (і - средняя толщина слоев Си и Ag)
Рис. 2. Микроструктура поперечных сечений композитов после 1-го (а), 2-го (б) и 3-го (в) этапов прокатки. Толщина композитов -0,3 мм
Микроструктура поперечных сечений композитов, ориентированных параллельно направлению прокатки, после каждого цикла представлена на рис. 2. Исследования проводились с помощью растровой электронной микроскопии. Поэтому слои серебра, как более тяжелого элемента, выглядели светлыми полосами, слои меди - темными.
Так как пластические свойства компонентов мало отличались, то и толщина их слоев в процессе прокатки оставалась примерно одинаковой. Это особенно хорошо видно на микроструктурном фото после 1-го цикла (рис. 2, а). В структуре композита после 2-го цикла прокатки периодически встречаются более толстые слои (рис. 2, б). Всего их должно быть 40 штук (число фольг в пакете во втором цикле минус один). Это связано с тем, что при сборке фольги неизбежно соприкасаются одноименными слоями. Ламинарность структуры на протяжении всех трех циклов оставалась удовлетворительной (рис. 2, в)
Толщина слоев, оцененная по микроскопическим данным, хорошо соотносилась со средней расчетной толщиной.
ЛИТЕРАТУРА
1. КарповМ.И., Внуков В.И., Волков К.Г., Медведь Н.В., Ходос И.И., Абросимова Г.Е. Возможности метода вакуумной прокатки как
способа получения многослойных композитов с нанометрически-ми толщинами слоев // Материаловедение. 2004. № 1. С. 48-53.
2. KarpovM.I., Vnukov V.I., MedvedN.V., Volkov K.G., Khodoss I.I. Nanolaminate-bulk multilayered Nb-Cu composite: technology, structure, proper-ties // 15-th International Plansee Seminar, 2001. Proceedings. V. 4. Р. 97-107.
3. 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. 2007. № 11. С. 2-6.
4. КарповМ.И., Внуков В.И., Медведь Н.В., Волков КГ., Ходос И.И. Многослойный композит Cu-Fe с нанометрической толщиной слоев // Материаловедение. 2005. № 1. С. 36-39.
5. Карпов М.И., Коржов В. П., Внуков В.И., Терехова И. С., Абросимова Г.Е., Ходос И.И. Особенности структуры и упрочнение при прокатке наноструктурного многослойного композита Nb-NbTi // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 6. С. 18-21.
6. КарповМ.И., Коржов В.П., Внуков В.И., Зверев В.Н., Желтяко-ва И.С. Сверхпроводящие свойства и микроструктура композитной ленты с наноразмерными слоями из сплава Nb-30 масс.%Zr // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 2. С. 5-9.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Karpov M.I., Korzhov V.P., Vnukov V.I., Kolobov Yu.R., Golosov E.V. Structure and hardness of multilayered nanostruc-tural Cu/Ag-composite.
Cu/Ag-composite containing ~68900 alternated copper and silver layers of 4.5 nm thickness produced by methods of diffusion welding and rolling of multilayered was investigated.
Key words: diffusion welding; vacuum rolling; multilayered composite; nanostructure; Hall-Patch dependence; hardness.
