Дислокационно-дисклинационная структура в нанозернах и нанофрагментах

УДК 669.35:539.214

ДИСЛОКАЦИОННО-ДИСКЛИНАЦИОННАЯ СТРУКТУРА В НАНОЗЕРНАХ И НАНОФРАГМЕНТАХ

© Э.В. Козлов, Н.А. Попова, Н.А. Конева

Ключевые слова: ультрамелкозернистая медь; деформированная сталь; нанозерна; нанофрагменты; скалярная плотность дислокаций; геометрически необходимые дислокации; статистически запасенные дислокации; дис-клинации.

Исследованы закономерности эволюции структуры при пластической деформации поликристаллов, состоящих из нанофрагментов и нанозерен. Установлено, что скорость накопления дислокаций пропорциональна размеру нанозерен и нанофрагментов.

Для понимания природы упрочнения поликристаллов с размером зерен микро- и наноуровня необходимо определить закономерности накопления таких дефектов, как дислокации и дисклинации. В настоящей работе эта задача решается с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии. В качестве материалов исследования были выбраны ультрамелко-зернистая медь, изготовленная методом кручения под гидростатическим давлением (КГД), и отпущенная мартенситная сталь, деформированная растяжением при комнатной температуре. По электронно-микроскопическим снимкам определялась скалярная плотность дислокаций (р), плотность (рс) геометрически необходимых дислокаций (ГНД), плотность (р8) статистически запасенных дислокаций (СЗД) и плотность дискли-наций. Методика измерения этих характеристик деформированного материала изложена нами в [1-3].

Скалярная плотность дислокаций (р) является важной величиной, определяющей прочность материала. С помощью активной пластической деформации в металлических поликристаллических материалах может достигаться плотность дислокаций ~1016 м-2. Наряду со степенью деформации другим фактором, определяющим накопление дислокаций, является наличие внутренних границ раздела в материале, а именно, границ зерен, фрагментов, дислокационных ячеек и т. п.

В ряде наших работ установлено [3-6], что в чистых металлах (меди и никеле) имеют место разные зависимости скалярной плотности дислокаций от размера зерен. В области размеров зерен (1) мезоуровня с уменьшением 1 плотность дислокаций возрастает. Напротив, в микро- и нанообласти выявлена прямо пропорциональная зависимость между р и 1: чем меньше размер зерна, тем меньше скалярная плотность дислокаций. Установлено соотношение, связывающее размер зерна в микрообласти и скалярную плотность дислокаций. Оно имеет вид:

р = С-1,

где С - константа; 1 - размер зерна. В работах [3-6] определен критический размер зерна (1кр), когда зерна

становятся бездислокационными. Эксперимент показал, что величина 1кр близка к 100 нм.

Важно отметить, что соотношение (1) выполняется не только для размера микрозерен чистых металлов. Оно имеет место и для размера фрагментов (Офр) в деформированной мартенситной стали [3, 4]:

р = С'-Яфр,

где С1 - константа. Размер фрагментов с сетчатой дислокационной структурой в исследуемой стали при деформации изменяется в пределах 250.. .500 нм, т. е. как раз в том же интервале, в котором изменялся размер зерен в ультрамелкозернистых меди и никеле [3-6], исследуемых в настоящей работе. Установлено существование критического размера фрагментов, при котором фрагменты становятся бездислокационными, а дислокации накапливаются только на их границах. Экстраполяционные графики показывают, что этот размер близок к 100 нм. Иными словами, критический размер зерен и критический размер фрагментов по своим величинам оказываются близкими. В связи с этим интересно сравнить величины С и С1 в соотношениях (1) и (2).

Сравнение значений С и С1, полученных в эксперименте, показало, что С больше, чем С1 примерно в три раза. Это обусловлено большей плотностью дислокаций в случае зеренной структуры, чем во фрагментированной субструктуре.

Известно [7, 8], что скалярная плотность дислокаций разделяется на две компоненты: плотность СЗД (рх) и плотность ГНД (ро). Они связаны соотношением [1, 3]:

р = рх + ро.

В свою очередь, вклады рх и ро в величину р зависят от тонкой структуры деформированного материала, а именно, размера зерен и фрагментов (субзерен). На рис. 1 приведены значения рх и ро в зависимости от размера субструктурного элемента в деформированной отпущенной мартенситной стали. Этими элементами в порядке возрастания их размеров являются: дислока-

1948

ционные ячейки, дислокационные фрагменты, ширина мартенситных реек и пластин, размер зерна. Видно, что с уменьшением размера субструктурного элемента рс резко возрастает.

Аналогичное поведение величины рс наблюдается для нанозерен в ультрамелкозернистой меди, полученной методом КГД. На рис. 2 приведена зависимость величины рс от размера нанозерен меди. На этом рисунке представлены данные для трех типов нанозерен: 1) для бездислокационных зерен; 2) для зерен с хаотически расположенными дислокациями; 3) для зерен с дислокационными фрагментами. Напомним, что при интенсивной пластической деформации обычно наблюдаются именно такие три типа зерен [3]. Из рис. 2 следует, что с уменьшением размера нанозерен компонента pG возрастает. Особенно это характерно для без-дислокационных зерен.

30 25 20 г 15 '

г

10

5

0

d, нм

Рис. 3. Зависимости скалярной плотности дислокаций (р), линейной (№) и объемной (б) плотности частичных дисклина-ций в стыках зерен от среднего размера зерен <1>. Медь, изготовленная методом КГД

Количественные измерения параметров дефектной структуры показали, что существует линейное соотношение между скалярной плотностью дислокаций и размером нанозерен и нанофрагментов. Плотность дисклинаций также связана линейным соотношением с размером нанозерен.

Рис. 1. Зависимости плотности запасенных (рх) и геометрически необходимых (ре) дислокаций от размера структурного элемента (й) в мартенситной стали

d, нм

Рис. 2. Зависимость плотности (ре) геометрически необходимых дислокаций от размера зерна (й): 1 - бездислокационные зерна; 2 - зерна с хаотически расположенными дислокациями; 3 - зерна с дислокационными фрагментами. Медь, изготовленная методом КГД

Происхождение рс обусловлено накоплением дислокаций и дисклинаций, находящихся на границах зерен и в их стыках [2]. На рис. 3 представлена зависимость скалярной плотности дислокаций и линейной и объемной плотности частичных дисклинаций в зависимости от среднего размера зерен для УМЗ меди, изготовленной методом КГД. Как видно, с измельчением зерен и приближением их размера к 100 нм скалярная плотность дислокаций уменьшается, а плотность рс возрастает, и также возрастает плотность частичных дисклинаций. Геометрия дефектов такова, что ГНД объединяются и превращаются в частичные дисклина-ции. Это типичная картина поведения для ультрамел-козернистых поликристаллов чистых металлов.

ЛИТЕРАТУРА

Конева Н.А., Попова Н.А., Тришкина Л.И., Козлов Э.В. Роль геометрически необходимых дислокаций при формировании деформационных субструктур // Изв. вузов. Физика. 2009. Т. 52. № 9/2. С. 5-14.

Козлов Э.В., Конева Н.А., Попова Н.А., Жданов А.Н. Интенсивная пластическая деформация меди, состояние границ зерен и их тройных стыков // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 6. С. 22-27.

Козлов Э.В., Конева Н.А., Попова Н.А. Зеренная структура, геометрически необходимые дислокации и частицы вторых фаз в поликристаллах микро- и мезоуровня // Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. № 4. С. 93-106.

Козлов Э.В., Попова Н.А., Конева Н.А. Скалярная плотность дислокаций с разными типами субструктур // Письма о материалах. 2011. Т. 1. С. 15-18.

Конева Н.А., Козлов Э.В., Попова Н.А. Влияние размера зерен на плотность дефектов в металлических материалах // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2010. Т. 7. № 1. С. 64-70.

Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Попова Н.А., Конева Н.А. Место дислокационной физики в многоуровневом подходе к пластической деформации // Физическая мезомеханика. 2011. Т. 14. № 3. С. 95-110.

AshbyM.F. The deformation of plastically non - homogeneous material // Phil. Mag. 1970. V. 21. № 170. P. 399-424.

Courtney T.H. Mechanical behavior of materials. Michigan: McGraw-Hill, 2000. 733 p.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kozlov E.V., Popova N.A., Koneva N.A. DISLOCATION-DISCLINATION STRUCTURE IN NANOGRAINS AND NANOFRAGMENTS

The paper is devoted to study of evolution structure of regularities at plastic deformation of polycrystals consisted of nanograins and nanofragments

Key words: ultrafine-grained copper; nanograins; nanofragments; deformed steel; scalar dislocation density; geometrically stocked dislocations; statistically stored dislocations; disclinations.

0

1949