Полный текст

Введение В последнее время большое внимание уделяется зеренной и дислокационной структурам металлов и сплавов с ультрамелким размером зерен (УМЗ). Для металлических материалов установлено, что измельчение размера зерна позволяет в значительной мере улучшить их прочностные характеристики, такие как предел текучести и предел прочности [1-17]. Известно, что измельчение размера зерен может достигаться интенсивной пластической деформацией (ИПД). Это может быть многократное сжатие и прессование, прокатка, гидроэкструзия. К ИПД относится и равноканальное угловое прессование (РКУП) [1-4, 8, 13, 14, 16, 17]. С использованием этого метода удается получать УМЗ-материалы. Причем объемы получаемых образцов таковы, что позволяют не только исследовать свойства этих материалов, но и изготовлять из них небольшие детали. Структура УМЗ-материалов может быть стабилизирована наноразмерными частицами вторых фаз, расположенных на границах и в стыках зерен [16, 18-20]. В однофазных, так называемых чистых УМЗ-металлах, частицы вторых фаз нередко возникают в ходе ИПД [21-24]. В ходе ИПД дислокации активно захватывают примеси замещения и особенно внедрения и выносят их на границы. Большое количество точечных дефектов и общая высокая плотность других дефектов ускоряют диффузионные процессы. Сильно деформированный металл дополнительно захватывает примеси из окружающей атмосферы. Вследствие этого в ходе ИПД в УМЗ-материалах формируются частицы вторых фаз, как равновесные диаграммные, так и метастабильные. Расположенные на границах и в стыках зерен эти частицы препятствуют перемещению границ и тем самым участвуют в формировании УМЗ-структуры [18] и повышают температурный порог ее рекристаллизации [25]. Таким образом, УМЗ-металлы и сплавы, полученные путем ИПД, обладают сложной внутренней структурой, методы исследования которой не являются простыми, а результаты - не всегда однозначными. Эта сложная структура УМЗ-материалов часто не учитывается в работах, выполненных разными авторами. Проблема определения истинного размера зерна является достаточно сложной. На результаты, полученные методом рентгеноструктурного анализа, значительное влияние оказывают внутренние поля напряжений, присутствующие в УМЗ-материалах. Трактовка данных электронной микроскопии затруднена из-за сложной структуры зерен УМЗ-металлов, которые могут содержать внутри ячейки и фрагменты с разнообразными дислокационными границами. Кроме того, исследование дефектной структуры УМЗ-материалов не всегда сопровождается детальными количественными измерениями. Целью настоящей работы являлось описание основных элементов, формирующих структуру УМЗ-никеля, полученных методом ИПД. Подчеркнем, что это описание является количественным и статистическим. Материал и методы исследования Материалом исследования являлись образцы технически чистого никеля, приготовленные методом равноканального углового прессования (РКУП). При РКУП образцы подвергались сдвиговой деформации путем сжатия по двум пересекающимся под углом 120° каналам равного диаметра при температуре 4000 °С без промежуточных отжигов. Число проходов соответствовало N = 4. Полученные образцы исследовались методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах в электронных микроскопах ЭМ-125К с использованием гониометрической приставки и ЭМ-I25, обладающим более высокой разрешающей способностью. Фольги для электронной микроскопии готовили методом электрополировки в специальных режимах, позволяющих получить большие площади для просмотра на контролируемом расстоянии от поверхности образца. Толщина фольги при просмотре в электронном микроскопе составляла ~ (170 ± 25) нм. Статистическая обработка результатов проводилась по непрерывным участкам образца площадью ~80 мкм2, содержащей 500-1000 зерен. Среднее увеличение в колонне микроскопа было 40 000-60 000 крат. Размеры зерен измеряли по стандартной технологии [26], скалярную плотность дислокаций - методом секущей [27]. Поскольку изучение проводилось на технически чистом никеле, большое внимание было уделено фазовому составу, который проводился по изображениям с обязательным использованием микродифракционных картин и темнопольных изображений, полученных в рефлексах соответствующих фаз. Результаты и их обсуждение Проведенные исследования показали, что структура зерен, получившихся в результате РКУП, является весьма сложной. На рис. 1, а представлено изображение зеренной структуры УМЗ-никеля после РКУ. Хорошо видно, что зерна по форме являются анизотропными. При среднем а б в Рис. 1. ПЭМ-изображение (а) и распределения размеров (б - продольного L, в - поперечного h) зерен УМЗ-никеля после РКУП. Пунктирными линиями на рисунке, б и в отмечены средние размеры а б в г д Рис. 2. ПЭМ-изображения трех типов зерен (а - бездислокационных, б - зерен с хаотической дислокационной субструктурой, в - зерен с дислокационными ячейками) и их распределения по размерам (L и h). На рисунке г и д: - распределения зерен первого, - второго и - третьего типа; пунктирными линиями отмечены их средние размеры размере зерен (продольный L = 360 нм, поперечный h = 160 нм) коэффициент анизотропии в среднем составляет величину К = L/h = 2.3. Распределения зерен по размерам (L и h) для УМЗ-никеля после РКУП приведены на рис. 1, б, в. Из распределений видно, что величины продольных размеров L простираются от 500 нм до 1,2 мкм с дисперсией, равной 210 нм, величины поперечных размеров h - от десятков нанометров до 500 нм с дисперсией, равной 75 нм. При более детальном изучении зеренной структуры УМЗ-никеля после РКУП, в соответствии с характером дислокационной структуры, которая в них наблюдается, можно выделить три типа зерен: 1) бездислокационные зерна - зерна, не обладающие субструктурой (в них практически отсутствуют дислокации), 2) зерна, содержащие хаотически распределенные дислокации или сетчатую субструктуру, и 3) зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Типичные ПЭМ-изображения этих зерен приведены на рис. 2, а-в. На этом же рисунке представлены распределения длины (рис. 2, г) и ширины (рис. 2, д), на которых на общем виде распределений выделены зерна всех присутствующих типов. Хорошо видно, что зерна первого типа (бездислокационные зерна) являются самыми мелкими зернами. Величины продольных размеров L простираются от 20 до 350 нм, величины поперечных размеров h - от самых мелких до 200 нм. В зернах второго типа, в которых присутствуют дислокации, либо расположенные хаотически, либо образующие сетчатую субструктуру, интервал продольных размеров зерен простирается от 100 нм до 1,2 мкм, интервал поперечных размеров - от 50 до 400 нм. Зерна третьего типа, зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой, как видно из рис. 2, г-д, являются самыми крупными. Интервал их продольных размеров простирается от 200 нм до 1,2 мкм, интервал поперечных размеров - от самых мелких до 400 нм. Средний продольный размер зерен первого типа составляет (190 ± 30) нм, зерен второго типа - (370 ± 120) нм и зерен третьего типа - (440 ± 100) нм. Средний поперечный размер зерен первого типа - (110 ± 25) нм, зерен второго типа - (160 ± 35) нм и зерен третьего типа - (180 ± 30) нм. Основные характеристики фаз в УМЗ-никеле после РКУП Фаза Тип кристаллической решетки Пространственная группа Параметры кристаллической решетки Ni Кубическая (ГЦК) Fm3m а = 0,3524 Ni4N Кубическая Pm3m а = 0,375 Ni3C Гексагональная а = 0,4533; с = 1,920 NiO Кубическая Fm3m а = 0,419 Ni2O3 Гексагональная а = 0,461; с = 0,561 Рис. 3. Выделение частиц Ni4N по границам зерен УМЗ-никеля: а - светлопольное изображение; б - темнопольное изображение, полученное в рефлексах [ ] Ni + [ ] Ni4N; в - микродифракционная картина; г - ее индицированная схема. Частицы Ni4N на рисунке а отмечены черными стрелками, на рисунке б - белыми Рис. 4. Выделение частиц Ni3C по границам зерен УМЗ-никеля (а); темнопольное изображение, полученное в близко расположенных рефлексах [ ] Ni и [ ] Ni3C (б); микродифракционная картина (в) и ее индицированная схема (г). Частицы Ni3C на рисунке а отмечены черными стрелками, на рисунке б - белыми Рис. 5. Частицы NiO в стыках зерен УМЗ-никеля (а); темнопольное изображение, полученное в близко расположенных рефлексах [ ] (Ni) и [ ] фазы NiO (б); микродифракционная картина (в) и ее индицированная схема (г). Частицы NiO на рисунке а отмечены черными стрелками, на рисунке б - белыми Рис. 6. Выделение частиц фазы Ni2O3 внутри зерен Ni (а); темнопольное изображение, полученное в близко расположенных рефлексах [ ] Ni и [ ] Ni2O3 (б); микродифракционная картина (в) и ее индицированная схема (г). Частицы Ni2O3 на рисунке а отмечены черными стрелками, на рисунке б - белыми Такая структура зерен и распределений их размеров обусловлена методом приготовления наноструктурного поликристаллического агрегата [4]. В некоторый момент деформация оказывается прерванной, поэтому в структуре присутствуют бездислокационные мелкие зерна и зерна средних размеров с развивающейся дислокационной структурой. Самые крупные зерна содержат ячейки, которые постепенно в ходе деформации превращаются во фрагменты, т.е. в субзерна, ограниченные малоугловыми границами. Последние при дальнейшей деформации превращаются в новые нанозерна. Таким образом, функция распределения нанозерен по размерам предполагает механизм их образования в ходе интенсивной пластической деформации. Доля зерен первого типа в объеме материала составляет величину, равную 22 %, второго типа - 10 % и третьего типа - 68 %. Иными словами, после проведенной РКУП зеренная структура УМЗ-никеля - это в основном зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Проведенные измерения скалярной плотности дислокаций r в каждом типе зерен показали, что наибольшей величиной r обладают зерна, содержащие хаотически распределенные дислокации или сетчатую субструктуру (зерна второго типа). В этих зернах средняя величина скалярной плотности дислокаций составляет <r> = 3,9×1010 см-2. В зернах с ячеистой или фрагментированной субструктурой (зерна третьего типа) величина <r> = 1,4×1010 см-2. А в зернах первого типа - только лишь 3×108 см-2. Средняя величина скалярной плотности дислокаций в УМЗ-никеле после РКУП составляет 1,3×1010 см-2. Особенностью структуры УМЗ-никеля после РКУП является наличие нанометрических частиц вторых фаз. Это фазы: Ni4N, Ni3C, NiO и Ni2O3. Основные характеристики фаз приведены в таблице. Образованные частицы на порядки меньше, чем размеры зерен. Локализуются эти частицы на границах и в стыках зерен, а также внутри зерен. Было установлено, что на границах зерен образуются частицы двух фаз, а именно Ni4N и Ni3C. Частицы фазы Ni4N (см. таблицу) обладают округлой формой, их средний размер ~5-8 нм. ПЭМ-изображение, микродифракционная картина, ее индицированная схема и темнопольное изображение, полученное в рефлексе фазы Ni4N, приведены на рис. 3. Частицы фазы Ni3C (см. таблицу), также располагающиеся по границам зерен, обладают пластинчатой формой, а их средний размер составляет 10´80 нм. Подтверждающий пример наблюдения частиц этой фазы приведен на рис. 4. В стыках зерен присутствуют частицы фазы NiO (рис. 5). Форма этих частиц близка к округлой, их размер - от 15 до 25 нм. Частицы фазы Ni2O3 находятся внутри зерен, преимущественно на дислокациях. Это частицы округлой формы, размер которых не превышает 8 нм (рис. 6). Образование наноразмерных частиц вторых фаз связано с методом приготовления УМЗ-никеля. Частицы этих фаз возникают в УМЗ-никеле вследствие взаимодействия окружающей атмосферы с никелем, который подвергается ИПД. В процессе ИПД такие элементы, как N, O, C, захватываются поверхностью, активированной деформацией, и затем скользящими дислокациями выносятся внутрь материала, где в дальнейшем диффузионным путем образуют частицы. При этом образуются как стабильные (NiO и Ni2O3), так и метастабильные (Ni4N и Ni3C) фазы. Расположенные на границах и в стыках зерен, они препятствуют перемещению границ и тем самым стабилизируют УМЗ-структуру. Заключение Проведенные исследования зеренной структуры УМЗ-никеля, полученного методом РКУП, показали, что в соответствии с характером дислокационной структуры зерна можно классифицировать на три типа: 1) самые мелкие зерна - не обладающие субструктурой (бездислокационные зерна), 2) более крупные - содержащие хаотически распределенные дислокации или сетчатую субструктуру и 3) самые крупные - с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Все зерна анизотропны. Установлено, что после проведенной РКУП зеренная структура УМЗ-никеля - это в основном, зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Внутри, на границах и в стыках зерен присутствуют нанометрические частицы вторых фаз, а именно Ni4N, Ni3C, NiO и Ni2O3. Все частицы обладают нанометрическим размером и локализуются внутри (Ni2O3), на границах (Ni4N, Ni3C) зерен, а также в их стыках (NiO).

Об авторах

Н. А Попова

Томский государственный архитектурно-строительный университет

Е. Л Никоненко

Томский государственный архитектурно-строительный университет

Ю. В Соловьева

Томский государственный архитектурно-строительный университет

В. А Старенченко

Томский государственный архитектурно-строительный университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 60

PDF (Russian) - 59

Ссылки

• Ссылки не определены.