Экспериментальное и теоретическое исследование внутреннего трения в микрокристаллических металлах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

на правах рукописи

ГРЯЗНОВ Михаил Юрьевич

УДК 539.2: 669.018

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ В МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

МЕТАЛЛАХ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель: доктор физико - математических наук

ЧУВИЛЬДЕЕВ В.Н.

Нижний Новгород -1999

Содержание

Введение.................................................................................................................5

Глава 1. Экспериментальные исследования внутреннего трения в микрокристаллической меди............................................................................12

1.1 Предварительные замечания.........................................,............................12

1.2 Материалы и методика эксперимента.......................................................13

1.3 Описание экспериментальных результатов..............................................15

1.4 Анализ результатов.....................................................................................21

1.5 Обсуждение результатов.......................................................26

1.6 Основные результаты и выводы по Главе 1.............................................32

Глава 2. Экспериментальные исследования внутреннего трения в микрокристаллическом никеле........................................................................36

2.1 Предварительные замечания......................................................................36

2.2 Материалы и методика эксперимента.......................................................37

2.3 Описание экспериментальных результатов..............................................39

2.4 Анализ результатов.....................................................................................45

2.5 Обсуждение результатов. Сравнение кривых внутреннего трения микрокристаллических меди и никеля............................................................50

2.6 Основные результаты и выводы по Главе 2.............................................56

Глава 3. Модель дислокационного внутреннего трения.............................60

3.1 Предварительные замечания......................................................................60

3.2 Дислокационное внутреннее трение. Модель перегибов.......................62

3.3 Дислокационное внутреннее трение в микрокристаллических металлах..............................................................................................................55

3.4 Сопоставление с экспериментальными результатами по дислокационному внутреннему трению в микрокристаллической

меди.....................................................................................................................73

3.5 Основные результаты и выводы по Главе 3.............................................75

Глава 4. Модель зернограничного внутреннего трения..............................79

4.1 Предварительные замечания......................................................................79

4.2 Зернограничное внутреннее трение в модели Ке....................................81

4.3 Зернограничное внутреннее трение в поликристаллах при отсутствии аккомодации...................................................................................85

4.4 Зернограничное внутреннее трение в поликристаллах при наличии аккомодации.......................................................................................................87

4.5 Зернограничное внутреннее трение в микрокристаллических материалах..........................................................................................................91

4.6 Сопоставление с экспериментальными результатами по зернограничному внутреннему трению в микрокристаллической

меди.....................................................................................................................96

4.7 Основные результаты и выводы по Главе 4.............................................100

Заключение. Основные результаты и выводы работы...............................107

Литература............................................................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы микрокристаллические (МК) материалы, являются предметом многочисленных исследований [14,15,18,24, 37,50,67,85]. Большой интерес к этим материалам вызван тем, что их физико-механические свойства (в частности, прочность, пластичность, твердость) существенно отличаются от свойств обычных поликристаллов [8,14,45,64,73,74,88,120]. Обнаружен целый ряд аномалий в их электрических, магнитных и упругих характеристиках [1,29,34,35,66,95,97,128,129]. Предполагается, что особые свойства МК материалов обусловлены особенностями их дефектной структуры, в первую очередь большой протяженностью границ зерен и высокой плотностью дислокаций [14,15,18,39,67,85]. В то же время задача описания связи физико-механических свойств МК материалов с их структурным состоянием далека от своего решения [18,73,74,85,55,61]. В связи с этим интенсивно развивается изучение МК материалов как с помощью прямых электронномикроскопических методов [14,15,21,45,56,67], так и с помощью различных структурно-чувствительных методов исследований [29,34,35,49,64,66]. Одним из эффективных структурно-чувствительных методов, широко применяемых для исследования металлических материалов, является метод внутреннего трения [2,3,22,33,52-54,77,78,94,96,111,114].

До настоящего времени систематических исследований процессов внутреннего трения в МК металлах не проводилось. Существуют лишь

три работы [1,38,104], посвященные экспериментальным исследованиям внутреннего трения в МК меди. Результаты этих работ являются весьма противоречивыми. В частности, пики внутреннего трения в МК меди Ml, подвергнутой одинаковой РКУ-обработке, наблюдались разными авторами при существенно различных температурах: в работе [38] пик обнаружен при температуре 220 °С, а в работе [1] при температуре 175 °С. Кроме того, в работе [38] обнаружена частотная зависимость пика внутреннего трения в диапазоне частот 0,6ч-2,4 Гц, в то время как в работе [1] утверждается, что температура пика не зависит от частоты в диапазоне частот от 10 Гц до 5 МГц.

Теоретические работы, специально посвященные объяснению особенностей внутреннего трения в МК металлах, в настоящее время в литературе отсутствуют. Известны лишь попытки качественного описания наблюдаемых эффектов, приведенные в экспериментальных работах [1,38,104]. В частности, в работе [1] обсуждается роль высоких внутренних напряжений в МК металлах, роль решеточных дислокаций (в рамках модели Гранато - Люкке), роль границ зерен. Авторы работы [1] приходят к выводу, что ни один из рассмотренных механизмов не может объяснить особенности внутреннего трения в МК металлах.

Таким образом, имеющиеся в литературе экспериментальные данные о внутреннем трении в МК материалах весьма неполны и противоречивы. Отсутствуют также теоретические модели, позволяющие объяснить закономерности поведения внутреннего трения в МК металлах. В связи с этим, весьма актуальными оказываются детальные

экспериментальные и теоретические исследования внутреннего трения в МК металлах и построение теории внутреннего трения в МК металлах.

Целью работы является исследование процессов внутреннего трения в МК металлах в широком диапазоне частот и температур и создание моделей дислокационного и зернограничного внутреннего трения, позволяющих описывать закономерности диссипации энергии в МК металлах.

Работа состоит из Введения, четырех глав и Заключения.

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цели работы, кратко изложено содержание последующих глав.

В первой главе приведены результаты исследований внутреннего трения в МК меди в герцовом и килогерцовом диапазоне частот и интервале температур 20 - 375 °С. Описаны материалы и методика эксперимента. В герцовом диапазоне частот обнаружены новые пики на температурной зависимости внутреннего трения, температура пиков зависит от скорости нагрева и частоты колебаний. В килогерцовом диапазоне частот исследована температурно-временная зависимость величины внутреннего трения в режимах изотермического отжига и непрерывного нагрева. Обнаружены новые пики на температурной и временной зависимости внутреннего трения в МК меди. Проведен подробный анализ результатов экспериментальных исследований внутреннего трения в МК меди, показано, что изменение величины внутреннего трения в процессе изотермического отжига проходит в

несколько стадий. Определены энергии активации процессов, контролирующих поведение величины внутреннего трения на этих стадиях.

Во второй главе приведены результаты исследований внутреннего трения в МК никеле в герцовом и килогерцовом диапазоне частот и интервале температур 20 - 450 °С. В герцовом диапазоне частот в режиме непрерывного нагрева обнаружены новые пики внутреннего трения. В килогерцовом диапазоне частот исследована температурно-временная зависимость величины внутреннего трения в режимах изотермического отжига и непрерывного нагрева. Обнаружены новые пики на температурной и временной зависимости внутреннего трения в МК меди. Параметры пиков (высота, длительность, температура, время) зависят от скорости нагрева (в случае непрерывного нагрева) и от температуры изотермы (в случае отжига). Определены энергии активации процессов, контролирующих поведение величины внутреннего трения при изотермических отжигах.

В третьей главе построена модель дислокационного внутреннего трения в металлах. На основе модели перегибов получены выражения, позволяющие рассчитывать температурную зависимость величины внутреннего трения в обычных и МК металлах. Показано, что наблюдаемые в килогерцовом диапазоне частот аномалии внутреннего трения в МК металлах могут быть объяснены особенностями процессов возврата и рекристаллизации в МК металлах и их влиянием на характер движения решеточных дислокаций.

В четвертой главе построена модель зернограничного внутреннего трения в металлах. Получены выражения, позволяющие рассчитывать температуру и величину пика зернограничного внутреннего трения в МК металлах при наличии и отсутствии аккомодации зернограничного проскальзывания в стыках зерен. Показано, что наблюдаемые в герцовом диапазоне частот аномалии внутреннего трения в МК металлах могут быть объяснены влиянием на зернограничное проскальзывание процессов возврата и рекристаллизации.

В Заключении приведены основные результаты и выводы.

Работа выполнена в Научно-исследовательском физико-техническом институте Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н., Чувильдеев В.Н. Внутреннее трение в микрокристаллических металлах. Тез. докл. науч. конф. "XVI научные чтения им. академика Н.И. Белова". Н. Новгород, 1997, с. 128-129.

2. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н. Внутреннее трение в микрокристаллических металлах. Тез. докл. науч. конф. "Проблемы машиноведения" Н. Новгород, 1997, с. 13.

3. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н., Чувильдеев В.Н. Механизм внутреннего трения в микрокристаллических металлах. Сборник науч. трудов "Прикладная механика и технология машиностроения" под редакцией В.И. Ерофеева и др., часть 1. Н. Новгород, 1997, с.15-20.

4. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н., Чувильдеев В.Н. Экспериментальные и теоретические исследования внутреннего трения в микрокристаллических металлах. Тез. докл. XIV Уральской школы металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов. Ижевск, 1998, с. 170-171.

5. Gryaznov M.Yu., Sysoev A.N., Chuvirdeev V.N. Internal friction and anelastic properties of microcrystalline materials. Proc. Int. Workshop "Nondestructive testing and computer simulation in science and engineering". St. Petersburg, Russia, 1998, p. F13.

6. Gryaznov M.Yu., Sysoev A.N. Effect of diffusion processes on internal friction in microcrystalline metals. Proc. Int. Conf. "Diffusion and diffusional phase transformations in alloys". Cherkasy, Ukraina, 1998, p. 143.

7. Gryaznov M.Yu., Sysoev A.N. Effect of non-equilibrium grain boundary structure on internal friction in microcrystalline metals. Proc. Int. Conf. "Intergranular and interphase boundaries in materials". Prague, Czech Republic, 1998, p. P404.

8. Chuvil'deev V.N., Gryaznov M.Yu., Kopylov V.I., Sysoev A.N. Internal friction in microcrystalline metals. Proc. Conf. "Fourth international conference on nanostructured materials". Stockholm, Sweden, 1998, p. 384.

9. Грязнов М.Ю., Сысоев A.H., Чувильдеев В.Н. Внутреннее трение в нано- и микрокристаллических металлах. Сборник трудов VIII сессии Российского акустического общества "Нелинейная акустика твердого тела", Н. Новгород, 1998, с. 215 - 219.

10. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н., Чувильдеев В.Н. Экспериментальные исследования внутреннего трения в микрокристаллической меди. Физика металлов и металловедение, 1999, т.87, вып. 2, с. 321 - 329.

11. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н., Чувильдеев В.Н. Внутреннее трение в микрокристаллических металлах. Часть 1. Экспериментальные исследования микрокристаллических меди и никеля. Материаловедение, 1999, № 5, с. 107-116.

12. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н., Чувильдеев В.Н. Закономерности диссипации энергии при микродеформации нанокристаллических материалов. Вестник ННГУ. Серия "Механика", 1999, с. 13-21.

13. Грязнов М.Ю., Сысоев А.Н., Чувильдеев В.Н. Модель зернограничного внутреннего трения в микрокристаллических материалах. Сборник научных трудов под редакцией В.И. Ерофеева и др. "Прикладная механика, физическая акустика и новые технологии". Н. Новгород, 1999, с. 31-42.

14. Chuvil'deev V.N., Gryaznov M.Yu., Kopylov V.l., Sysoev A.N., Zieger W. Internal friction in microcrystalline copper produced by equichannel angular pressing technology. Scripta Metallurgica, 1999, vol. 40, pp 627 -632.

ГЛАВА 1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ В МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ МЕДИ

1.1. Предварительные замечания

Глава посвящена экспериментальному исследованию внутреннего трения в микрокристаллической меди, полученной по технологии равноканального углового прессования.

В главе приведены результаты исследований температурно-временной зависимости внутреннего трения микрокристаллической меди в герцовом и килогерцовом диапазоне частот в режимах изотермического отжига и непрерывного нагрева. Обнаружены новые пики на временной и температурной зависимости внутреннего трения, положение и интенсивность которого зависит от температуры испытаний и частоты. Показано, что изменение величины внутреннего трения в процессе изотермических отжигов проходит в несколько стадий. Определены энергии активации процессов, контролирующих поведение величины внутреннего трения на каждой из стадий.

В п. 1.2 описаны материалы и методика эксперимента. В п. 1.3 приведены экспериментальные результаты исследований внутреннего трения в режимах изотермического отжига и непрерывного нагрева. В п. 1.4 на основе проведенного анализа экспериментальных кривых внутреннего трения выделены различные стадии изменения внутреннего трения при изотермических отжигах и определены энергии активации

процессов эволюции дефектной структуры, влияющих на величину внутреннего трения. В п.1.5 дано обсуждение полученных экспериментальных результатов.

1.2. Материалы и методика эксперимента

Объектом исследования выбрана медь марки М11 чистотой 99,98% в двух различных структурных состояниях: ЬО и МО. В состоянии ЬО образец представляет собой поликристалл со средним размером зерна с1«30 мкм. Мв состояние получено по технологии РКУ-прессования [115,15,24,59] образцов меди. Число циклов РКУ-обработки Р=12. Образцы предоставлены В.И. Копыловым.

Для измерения внутреннего трения в работе использовались резонансная акустическая установка и обратный крутильный маятник [40,93,100-102,108].

Резонансная акустическая установка позволяет производить измерения величины внутреннего трения в режиме вынужденных колебаний в диапазоне частот от 0,5 до 5 кГц. Для возбуждения и регистрации изгибных колебаний образца используются электромагнитные преобразователи. Исследуемые образцы МО и ЬО меди представляли собой пластины размером 2 х 14 х 80 мм. Амплитуда деформации образца не превышала 10"6. Измерения внутреннего трения

1 Содержание примеси см. в Табл. 1.1.

проводились на частоте первой гармоники образца (~1 кГц) в двух режимах: в режиме изотермических отжигов и в режиме непрерывного нагрева и охлаждения (с постоянной скоростью 2 °С/мин) непосредственно в термокамере установки.

Внутреннее трение £Г1 рассчитывалось по формуле [108,40]

где Л/ - ширина резонансного максимума на уровне половины максимальной амплитуды, /д - резонансная частота (здесь, частота первой гармоники).

Обратный крутильный маятник позволяет проводить измерения величины внутреннего трения в режиме свободных затухающих колебаний в частотном диапазоне от 1 до 10 Гц. Для измерений использовались образцы МО и Ьв меди размером 1,5 х 1,5 х 70 мм. Измерения внутреннего трения проводились на частотах 3,2 и 7 Гц. Амплитуда деформации не превышала 510"6. Непрерывный нагрев и охлаждение образцов проводились с постоянной скоростью 2 °С/мин в термокамере установки.

Величина внутреннего трения определялась по формуле [108,93]

(1.1)

= Мл/л)

лы

(1.2)

где А0 и Ам - значения амплитуд, между которыми производился счет числа N периодов свободнозатухающих колебаний.

1.3. Описание экспериментальных результатов

Результаты исследований температурной зависимости внутреннего трения Q'1 (г) в килогерцовом диапазоне частот при нагреве и охлаждении образца MG меди приведены на рисунке 1.1 (кривая 1 и 2, соответственно). Для сравнения представлена температурная зависимость внутреннего трения в LG меди (кривая 3). При увеличении температуры от 20 до 190 °С величина внутреннего трения в MG меди монотонно увеличивается до значений 310" . При температуре 190 °С разброс значений величины внутреннего трения резко повышается, достигая 60%, поэтому на кривой 1 участок в температурном диапазоне 200 - 220 °С обозначен пунктиром. В интервале темпер�