Зернограничная неупругость субмикрокристаллических и крупнозернистых металлов и сплавов

Зернограничная неупругость субмикрокрнсталлических и крупнозернистых металлов и сплавов

Е.Ф. Дударев, Г.П. Почивалова, Ю.Р. Колобов1, О.А. Кашин1, И.Г. Галкина

Сибирский физико-технический институт, Томск, 634050, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации, обеспечивающей формирование субмикрокристаллической структуры, на зернограничную неупругость в титане и сплавах на его основе. Установлено, что при субмикрокристаллической структуре с несовершенными границами зерен неупругая зернограничная деформация начинается и интенсивно развивается при более низких температурах, чем при крупнозернистой структуре с совершенными границами зерен. При этом сильно уменьшается энергия активации микромеханизма, обеспечивающего неупругую зернограничную деформацию.

Grain-boundary inelasticity of submicrocrystalline and coarse-grained metals and alloys

E.F. Dudarev, G.P. Pochivalova, Yu.R. Kolobov, O.A. Kashin, I.G. Galkina

The effect of severe plastic deformation providing the formation of submicrocrystalline structure on grain-boundary inelasticity in titanium and Ti-base alloys is investigated. It is established that for submicrocrystalline structure with imperfect grain boundaries inelastic grain-boundary deformation begins and intensively develops at lower temperatures than for coarse-grained structure with perfect grain boundaries. Thus, the activation energy of a micromechanism providing inelastic grain-boundary deformation strongly decreases.

1. Введение

При формировании в металлах и сплавах субмикрокристаллической структуры методом равноканального углового прессования наряду с уменьшением размера зерен увеличивается степень неравновесности границ зерен [1-3]. В крупнозернистом рекристаллизованном состоянии границы зерен являются совершенными; они содержат только кристаллографически необходимые дефекты, упругие поля напряжений которых скомпенсированы. В то же время, при субмикрокристаллической структуре границы зерен являются высоко неравновесными: они кроме собственных содержат внесенные дефекты с нескомпенсированными упругими полями напряжений и имеют большой свободный объем. Эти особенности границ зерен у субмикрокристаллических металлов и сплавов могут повлиять на развитие неупругой деформации на границах зерен при внешнем термосиловом воздействии. Однако ранее систематически сопоставительные исследования неупругой зернограничной деформации в металлах и сплавах при крупнозернистой структуре с совершенными границами зерен и субмик-

рокристаллической структуре с несовершенными границами зерен не проводились.

2. Методика исследований

Как известно [4-7], отражением неупругой зернограничной деформации являются зернограничное внутреннее трение и уменьшение эффективного модуля сдвига. Поэтому в настоящей работе для выяснения влияния интенсивной пластической деформации, обеспечивающей формирование в металлах и сплавах субмикрокристаллической структуры, на неупругую зернограничную деформацию использовали зернограничное внутреннее трение и эффективный модуль сдвига. Для этого на обратном крутильном маятнике измеряли температурную зависимость внутреннего трения Q~1(T) и изменение частоты крутильных колебаний в интервале температур 290-1023 К в процессе нагрева образца со скоростью 400 К/ч. На основании данных исследований определяли температуры начала и интенсивного развития неупругой деформации, а также энергию активации микромеханизма, обуславливающего эту дефор-

© Дударев Е.Ф., Почивалова Г.П., Колобов Ю.Р., Кашин O.A., Галкина И.Г., 2004

мацию. Исследования выполнены на титане и четырех сплавах на основе Т№, в которых субмикрокристалли-ческая структура была сформирована методом равноканального углового прессования.

3. Влияние равноканального углового прессования на зернограничное внутреннее трение

У крупнозернистых рекристаллизованных металлов в общем случае наблюдаются два релаксационных максимума (пика) внутреннего трения, обусловленные неупругой зернограничной деформацией [7]. Низкотемпературный максимум связан с большеугловыми границами зерен общего типа, а среднетемпературный — со специальными и малоугловыми границами. Температура Тт первого (низкотемпературного) зернограничного максимума при частоте колебаний 1 Гц составляет примерно половину от температуры плавления Тпл. У титана с суммарным содержанием примесей 0.244 вес. % (0.009 % С, 0.006 % N 0.08 % Fe, 0.14 % О, 0.009 % Н) при среднем размере зерен 10 мкм этот максимум наблюдается при Тт ~ 860 К (рис. 1, кривая 1). В согласии с литературными данными [4, 8] его нисходящая (высокотемпературная) ветвь не выявляется, так как еще до достижения максимального значения зернограничного внутреннего трения значительный вклад во внутреннее трение начинают вносить другие релаксационные процессы. Формирование субмикрокристаллической структуры методом равноканального углового прессования привело к смещению зернограничного максимума внутреннего трения в область более низких температур (Тт = 760 К) (рис. 1, кривая 2).

Аналогичное влияние равноканального углового прессования при 723 К, обеспечивающего формирование субмикрокристаллической структуры, наблюдается и у никелида титана с различными отклонениями от стехиометрии. В качестве примера на рис. 2 приведены

температурные зависимости внутреннего трения для двух сплавов Ті№ при крупнозернистой и субмикрокристаллической структуре. Из рис. 2 видно, что в результате формирования субмикрокристаллической структуры максимум зернограничного внутреннего трения сместился в область более низких температур, но в меньшей степени, чем у титана.

4. Влияние равноканального углового прессования на температурную зависимость релаксированного модуля сдвига

Как известно [4], у монокристаллов чистых металлов при отсутствии аллотропических превращений температурная зависимость модуля сдвига линейная. В то же время, у поликристаллов она близка к линейной только при температурах, пока отсутствует зернограничное внутреннее трение. В температурном интервале зернограничного внутреннего трения наблюдается усиление температурной зависимости релаксированного модуля сдвига и она становится нелинейной. Следовательно, отклонение от линейной температурной зависимости модуля сдвига обусловлено той же самой неупругой зернограничной деформацией, что и зернограничное внутреннее трение.

При крутильных колебаниях температурная зависимость частоты собственных колебаний V отражает таковую для модуля сдвига [9]:

р0

где G0, р0 и У0 — модуль сдвига, плотность металла и частота колебаний при начальной температуре испытаний Т0; G, р и V — эти же характеристики при температуре Т; а — среднее значение термического коэффициента линейного расширения в исследуемом интервале температур; АТ = Т - Т0.

Рис. 1. Температурная зависимость внутреннего трения титана в крупнозернистом (1) и субмикрокристаллическом (2) состояниях

Рис. 2. Температурные зависимости внутреннего трения сплавов ^50.6№49.4

т, К т, К

Рис. 3. Температурные зависимости модуля сдвига: а — титан в крупнозернистом

В (1) второй сомножитель не связан с неупругой зернограничной деформацией и слабо зависит от температуры, то есть температурная зависимость V2 может быть использована для исследования неупругой зернограничной деформации. С учетом этого наряду с зернограничным внутренним трением исследовали температурную зависимость (у/у 0)2. Для этого на том же крутильном маятнике, на котором измеряли внутреннее трение, исследовали температурную зависимость частоты собственных колебаний \(Т). При этом использовали образцы таких же размеров и ту же скорость нагрева, которые применялись при измерении внутреннего трения.

У титана и всех исследованных сплавов в результате формирования субмикрокристаллической структуры температура начала усиления зависимости (у/у)2 от Т понижается (рис. 3). При этом в обоих структурных состояниях с момента начала резкого роста внутреннего трения наблюдается соответствие между этой температурой и температурой начала интенсивного роста зернограничного внутреннего трения.

5. Энергия активации неупругой зернограничной деформации

Зернограничное внутреннее трение является следствием релаксационного процесса, протекающего на большеугловых границах зерен при знакопеременном нагружении [4, 7]. Как и для любого другого релаксационного процесса с одним временем релаксации, температурная зависимость зернограничного максимума внутреннего трения описывается уравнением [9]

то есть

Q_1 - Qb1 =

1

V

а на его восходящей ветви, пока

Q ~1 - Qb1 Qm1 - Qb1

<< 1,

Q_1 - Qb1 = 2^ - Qb1)exp

-1-1

-1

и

к

Ъп4 - Qb1) = 1п[2@Ш - Qb1)] - и

К

В (2)-(4) О"1 — фон внутреннего трения; Q^ — значение внутреннего трения при температуре максимума Тт; V — энергия активации; R — универсальная газовая постоянная.

Анализ температурной зависимости внутреннего трения при крупнозернистой и субмикрокристалличес-кой структуре на восходящей ветви зернограничного пика показал, что у титана и исследованных сплавов зависимость 1п(О_1 - ОЬ"1) от 1/Т линейная (за фон внутреннего трения Оъ принимали величину внутреннего трения при 295 К). Это позволило по наклону прямых 1п(О_1 - Оъ1)-1/Т определить величину энергии активации зернограничного внутреннего трения. Оказалось, что у титана при переходе от крупнозернистой к субмикрокристаллической структуре она уменьшается со 140±4 кДж/моль до 73 ±4 кДж/моль. Для крупнозернистого титана с совершенными границами зерен она превышает энергию активации зернограничной само-диффузии (97 кДж/моль ), но меньше энергии активации объемной самодиффузии (151-159 кДж/моль) [10].

У сплавов в результате формирования субмикро-кристаллической структуры энергия активации неупругой зернограничной деформации тоже уменьшается. Так, у никелида титана энергия активации неупругой зернограничной деформации равна 149 ±5 кДж/моль, а при субмикрокристаллической структуре — 112±4 кДж/моль.

6. Заключение

Таким образом, исследования температурных зависимостей внутреннего трения и релаксированного модуля сдвига показали, что у металлов и сплавов в результате формирования субмикрокристаллической структуры методом равноканального углового прессования понижаются температуры начала и интенсивного разви-

тия неупругой зернограничной деформации и уменьшается энергия активации микромеханизма, обуславливающего эту деформацию.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ (грант № 2398), ИНТАС (грант № 01-320), CRDF (программа ВЯНЕ, проект 016-02), программы Минобразования и науки (проект № 202.04.02.031), программы Президиума РАН (проект № 18.10).

Литература

1. Валиев Р.З., Александров И. А. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

2. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. - Новосибирск: Наука, 2001. - 232 с.

3. Носкова Н.И., МулюковP.P. Субмикрокристаллические и нанокрис-

таллические металлы и сплавы. - Екатеринбург: УрО РАН, 2003. -

279 с.

4. Криштал М.А., Пигузов Ю.В., Головин С.А. Внутреннее трение в металлах и сплавах. -М.: Металлургия, 1964. - 246 с.

5. ПостниковВ.С. Внутреннее трение в металлах. - М: Металлургия,

1974. - 352 с.

6. Криштал М.А., Головин С.А. Внутреннее трение и структура металлов. - М: Металлургия, 1976. - 376 с.

7. БлантерМ.С., ГоловинН.С., Головин С.А., Ильин А.А., СарракВ.И.

Механическая спектроскопия металлических материалов. - М.: Изд-во Международной инженерной академии, 1994. - 256 с.

8. Цвиккер У. Титан и его сплавы. - М.: Металлургия, 1979. - 512 с.

9. Головин С.А., Пушкар А., Левин Д.М. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов. - М.: Металлургия, 1987. - 190 с.

10. Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации. - Челябинск: Металлургия, 1989. - 328 с.