Экспериментальное и теоретическое исследование механических свойств и структуры нанокристаллического дисперсно-упрочненного сплава Cu-Cr

Экспериментальное и теоретическое исследование механических свойств и структуры нанокристаллического дисперсно-упрочненного сплава Cu-Cr

Научно - исследовательская работа

Экспериментальное и теоретическое исследование механических свойств и структуры нанокристаллического дисперсно-упрочненного сплава Cu-Cr (руководитель проекта – к.ф.-м.н., н.с. НИФТИ ННГУ Грязнов М.Ю.)  

Участники проекта (гранта):

·      Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского (НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского).

·      Физический факультет Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

·      Нижегородский филиал Института машиноведения им. A.A.Благонравова Российской Академии Наук (Нф ИМАШ РАН).  

Руководитель  проекта: к.ф.-м.н., н.с. НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского Грязнов М.Ю.  

Исполнители:

·          к.ф.-м.н., н.с. НИФТИ ННГУ Пирожникова О.Э.

·          к.ф.-м.н., н.с. НИФТИ ННГУ Смирнова Е.С.

·          н.с. Нф ИМАШ РАН Макаров И.М.

·          аспирант ННГУ Нохрин А.В. (руководитель - д.ф.-м.н. Чувильдеев В.Н.).  

Введение.

Современное состояние проблемы. Актуальность.

Проект направлен  на экспериментальное и теоретическое  исследование структуры и механических свойств нано – и микрокристаллических (НМК) металлов и сплавов, полученных методами интенсивной пластической деформации. В настоящее время уникальные свойства НМК материалов и перспективы их практического использования являются предметом многочисленных исследований. Большой интерес к этим материалам вызван тем, что их физико-механические свойства существенно отличаются от свойств обычных поликристаллов. В частности, их твердость и предел текучести в 3-5 раз выше, чем у крупнокристаллических металлов. Обнаружен целый ряд аномалий в их электрических, магнитных, тепловых, упругих и демпфирующих свойствах. Кроме того, установлено, что НМК металлы и сплавы обнаруживают эффект низкотемпературной и высокоскоростной сверхпластичности, дающей ключ к принципиально новым высокотехнологическим промышленным методам обработки металлов.

Результаты  экспериментальных исследований НМК  металлов, проведенных в последнее  время, позволяют предположить, что  их особые свойства обусловлены не только большой протяженностью внутренних границ раздела, но и особым состоянием границ, так называемой неравновесностью границ зерен. Таким образом, понимание основных особенностей поведения НМК материалов оказывается тесно связанным с пониманием физической природы явления неравновесности внутренних границ раздела твердых тел.

В частности, исследования показали, что следствием неравновесности  зернограничной структуры НМК металлов является их низкая термическая стабильность, заключающаяся в том, что температура  начала рекристаллизации в НМК металлах составляет ~ 0.3 Т_ПЛ (Т_ПЛ – абсолютная температура плавления), что на 20 – 30 % ниже, чем соответствующее значение в обычных крупнокристаллических металлах. Низкотемпературная рекристаллизация приводит к утрате НМК структуры и уникальных свойств НМК металлов. Проблема стабилизации зерен структуры НМК металлов осложняется еще и тем обстоятельством, что особенности протекания зернограничных диффузионных процессов в неравновесных структурах НМК металлов недостаточно изучены.

Вместе с  тем, хорошо известным способом стабилизации зеренной структуры и одновременного повышения механических свойств материала является метод дисперсного старения, заключающийся в выделении в объеме материала наноразмерных частиц второй фазы. Частицы приводят к снижению миграционной подвижности границ зерен за счет создания эффективных стопоров для процесса их миграции. Одновременно с этим частицы второй фазы являются препятствиями для движения дислокаций и повышают механические свойства материала.

Основная проблема, возникающая при использовании  процессов дисперсного старения для стабилизации зеренной структуры НМК материалов, состоит в том, что высокая диффузионная проницаемость границ зерен НМК металлов приводит к быстрому росту стабилизирующих частиц второй фазы, что снижает их способность препятствовать процессу миграции границ зерен.

Переход к изучению НМК сплавов, осуществленный в настоящей  работе, является принципиально важным шагом как с точки зрения перспектив получения новых научных результатов, так и с точки зрения практических приложений. Перспективность практических приложений обусловлена тем, что объект настоящего исследования - сплавы системы Cu-Cr - широко используется в электротехнике (в частности, в качестве электродов контактной сварки), и повышение механических характеристик сплавов, путем создания стабильной НМК структуры, существенно расширяет спектр их практического применения.  

Цели  НИР:

Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование физико-механических (релаксационных, пластических, упругих, демпфирующих, электрических) свойств и особенностей структурного состояния нано- и микрокристаллического дисперсно-упрочненного сплава Cu-Cr, структура которого сформирована при помощи специального метода интенсивной пластической деформации – многоциклового равноканального углового прессования (РКУ-прессования).           

 В  ходе выполнения НИР будут  решены следующие задачи.

1.   Провести комплекс экспериментальных и теоретических исследований термической стабильности физико-механических свойств и структуры НМК меди, полученной методом РКУ-прессования.

2.   Провести комплекс экспериментальных и теоретических исследований влияния малых добавок примесей на термическую стабильность структуры и свойств НМК меди.

3.   Провести комплекс экспериментальных и теоретических исследований термической стабильность промышленных медных сплавов системы Cu-Cr (хромовых бронз) с различным содержанием хрома, структура которых предварительно будет подвергнута многоцикловому РКУ-прессованию. Выбор химического состава и режимов термостабилизации зеренной НМК структуры сплава при удовлетворительных механических (предел упругости, предел текучести, твердость) и электрических свойствах (удельное электросопротивление) материала.

4.   Изготовление из массивных образцов дисперсно-упрочненного сплава Cu-Cr деталей сложной формы (электродов контактной сварки) и проведение испытаний деталей в промышленных условиях (ОАО ГАЗ).  

Фундаментальные приложения НИР:

1.   Построение моделей диффузионно-контролируемых процессов возврата и рекристаллизации в нано- и микрокристаллических металлах, приготовленных с помощью интенсивной пластической деформации. Построение моделей влияния процессов возврата и рекристаллизации на физико-механические свойства НМК металлов, полученных методами интенсивного пластического деформирования (РКУ-прессования).

2.   Построение моделей влияния малых добавок легирующих элементов на характер развития и протекания диффузионно-контролируемых процессов возврата и рекристаллизации. Построение моделей влияния малых добавок примесей на термическую стабильность зеренной структуры и физико-механических свойств НМК металлов, приготовленных по технологии РКУ-прессования.  

Практические приложения НИР:

1.   Использование медных нано- и микрокристаллических сплавов повышенной прочности для электротехнических приложений (электроды контактной сварки) (ОАО «ГАЗ» (Россия, Нижний Новгород), Siemens (Germany)). 

Методы решения поставленных задач  НИР (методы исследований):

1.      Методы структурных исследований:

А1. Оптическая микроскопия (оптические микроскопы НЕФОТ-32, МБС-1);

Б1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ JEM 2000EX и JEM 200CX);

В1. Атомно-силовая микроскопия (АСМ/СТМ Accurex-2100);

Г1. Рентгеноструктурный  анализ (дифрактометр ДРОН-3М).

2.      Структурно-чувствительные методы исследований:

А2. Упругие и  демпфирующие свойства (установка обратный крутильный маятник, резонансная акустическая установка);

Б2. Механические исследования (микротвердость, релаксационная установка микропластических испытаний);

В2. Электрические исследования (четырехзондовый метод измерения удельного электросопротивления).

3.      Методика промышленных испытаний

А3. Испытательный  стенд Технологического исследовательского отдела сварки и электротехнологии  ОАО «ГАЗ».  

I. Достигнутые результаты:

Ø             Экспериментальные исследования:

·                 Проведен комплекс экспериментальных исследований термической стабильности структуры и физико-механических свойств нано- и микрокристаллической меди технической чистоты М1, структура которой сформирована при помощи многоциклового РКУ-прессования

1.      Проведен комплекс структурных исследований структуры НМК меди технической чистоты М1 в состоянии после различной степени РКУ-деформации (различного числа циклов РКУ-прессования). Методами оптической, просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии установлено, что процесс многоциклового РКУ-прессования (N=8¸12, где N-число циклов прессования) приводит к формированию однородной структуры со средним размером фрагментов около 200 нм. В качестве примера на Рисунке 1 представлены изображения микроструктур НМК меди М1 после различной степени РКУ-прессования и гистограмма распределения фрагментов по размерам для НМК меди М1 (N=12).

Б

Рис. 1. Микроструктура НМК меди М1 в состоянии после  РКУ-прессования (N=12): А – ПЭМ, Б – АСМ, а также гистограмма распределения зерен по размерам в координатах «относительная частота – размер зерна» (гистограмма построена по данным АСМ) (В). 

2.      Методом одиночных рефлексов (ПЭМ) проведены исследования спектров разориентировок на границах зерен НМК меди в состоянии РКУ-прессования. Показано, что в процессе многоциклового РКУ-прессования происходит формирование зеренной структуры преимущественно с большеугловыми границами зерен. В качестве примера на Рисунке 2 представлены спектры разориентировок границ зерен в НМК меди М1 в состоянии после РКУ-прессования (N=12).

Рис. 2. Гистограмма  распределения разориентировок  по углу q в ансамбле границ зерен (А) и в ансамбле всех возможных разориентировок (Б) (Исследования выполнены в ЦНИИ КМ Прометей Макаровым И.М.).

3.      Методом рентгеноструктурного анализа (РСА) проведены исследования текстуры НМК меди формирующейся в процессе РКУ-прессования и закономерности ее эволюции в процессе изотермических отжигов (рекристаллизации). Показано, что текстура НМК меди в состоянии после РКУ-прессования (N=12) характеризуется тремя независимыми текстурными компонентами. В процессе отжига происходит существенное увеличение вклада связанного с одной из компонент (третьей) на фоне одновременного уменьшения вклада от остальных двух. Данный факт свидетельствует о том, что в процессе отжига (рекристаллизации) преимущественно растут зерна имеющие выделенную кристаллографическую ориентацию. В качестве примера на Рисунке 3 представлены обратные полюсные фигуры НМК меди М1 (N=12) в состоянии после РКУ-прессования (А) и после отжига 200 ⁰С (1 час).

Рис. 3. Текстура НМК высокочистой меди М1 в состоянии  после РКУ-прессования (N=12) (А) и после рекристаллизационного отжига 250⁰С(Б) (Исследования выполнены в ЦНИИ КМ Прометей Макаровым И.М.).  

4.      Проведен комплекс структурных исследований процессов рекристаллизации в НМК меди технической чистоты. Показано, что процесс рекристаллизации носит аномальный характер – на фоне достаточно стабильной НМК матрицы существенно увеличивают свой размер лишь отдельные зерна, средний размер которых достигает 3-5 мкм и объемная доля которых увеличивается по экспоненциальному закону. Показано, что аномальный рост характеризуется бимодальным распределение зерен по размерам. На Рисунке 4 представлены изображения аномального роста в микроструктуре НМК меди (А), а также гистограмма распределения зерен по размера (Б).

Рис. 4. Микроструктура НМК меди М1 после отжига 280 ⁰С, 1 час (А) и гистограмма распределения зерен по размерам в структуре НМК меди М1 после данного отжига (Б). 

5.      Экспериментально показано, что процесс аномального роста зерен характеризуется экспоненциальным ростом зерен в процессе изотермического отжига и энергией активации, сопоставимой с энергией активации диффузии по неравновесным границам зерен. На Рисунке 5 представлены температурные (А) и временные (Б) зависимости среднего размера зерна для НМК меди М1 полученные в режиме изотермического отжига, а также зависимости микротвердости МК меди М1, подвергнутой различному числу циклов РКУ-деформации, от температуры 1-часового отжига (В) и зависимость температуры рекристаллизации (температуры начала аномального роста зерен) от числа циклов РКУ-прессования. Показано, что температура начала рекристаллизации и энергия активации роста зерен нелинейно зависят от степени деформации при РКУ-обработке (числа циклов РКУ-прессования).