Развитие и применение методов рентгеноструктурного анализа для исследования структуры и свойств ультрамелкозернистых материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

•. од

2 о М.ЛЛ да

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ Игорь Васильевич

РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Уфа - 1997

Работа выполнена в Институте физики перспективных материалов НИЧ Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный консультант - доктор физико-математических наук, профессор Валиев Руслан Зуфарович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Козлов Эдуард Викторович;

доктор технических наук, профессор Соколов Борис Константинович;

доктор физико-математических наук, профессор Митюшов Евгений Александрович.

Ведущая организация - Институт физики прочности и

материаловедения СО РАН, г. Томск

Защита состоится ^ 1997 г в часов на заседании

диссертационного совета Д 002.03.01 в Институте физики металлов УрО РАН (620219, г. Екатеринбург, ГСП-170, ул. С. Ковалевской, 18).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН.

Автореферат разослан ЛЛ, 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, //дм/ ¿^О. Д. Шашков

доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопрос создания новых материалов с улучшенным -комплексом физических и механических свойств является чрезвычайно актуальным в эпоху ускоренного развития научно-технического прогресса. Среди многих путей воздействия на свойства материалов можно выделить методы обработки, приводящие к формированию в данных материалах ультрамелкозернистых (УМЗ) структур, включающих в себя нанокристаллические (НК) с размером зерен менее 100 нм и субмикрокристаллические (СМК) с размером зерен от 100 до 500 нм структуры.

Недавние исследования показали, что в УМЗ материалах многие из исследованных свойств существенно отличаются от свойств соответствующих крупнокристаллических (КК) материалов. В частности, установлено, что в УМЗ материалах могут быть изменены даже такие структурно-нечувствительные параметры, как температуры Кюри и Дебая, упругие модули, намагниченность насыщения и др.

Одним из наиболее перспективных методов получения УМЗ структур является метод интенсивной пластической деформации (ИПД), дающий, в отличие от других методов, возможность получать массивные беспористые заготовки, имеющие потенциал промышленного применения при изготовлении конструкционных изделий.

Характер необычных свойств УМЗ материалов обусловлен их специфической внутренней структурой и это определяет необходимость их тщательных структурных исследований. Одним из наиболее информативных с точки зрения данных о структуре таких материалов является метод рентгеноструктурного анализа (РСА). Данный метод в отличие от других методов (например, ПЭМ) позволяет получать статистически усредненную информацию о внутреннем строении и хорошо работает в области размеров зерен, характерных для УМЗ материалов (десятки нанометров), где другие методы (например, металлографический метод) просто неприменимы. Более того, рентгеновские текстурные исследования являются важным методом получения информации о механизмах пластической деформации и рекристаллизации. Вместе с тем, к моменту постановки настоящего исследования систематический и детальный РСА внутренней структуры УМЗ материалов проведен не был. Одной из сложных проблем здесь является применимость различных методик РСА для определения важнейших структурных параметров УМЗ материалов, имеющих специфическую дефектную структуру и кристаллографическую текстуру.

Из вышесказанного вытекает актуальность постановки решаемого в настоящей работе вопроса тщательной структурной аттестации УМЗ материалов методом РСА.

Цель работы. Цель настоящей работы состояла в развитии методов РСА для детальной аттестации УМЗ структур, полученных в металлических материалах различными методами ИПД (кручением под высоким давлением и равноканальным угловым (РКУ) прессованием массивных заготовок, консолидацией порошков кручением под высоким давлением), анализе эволюции этих структур при механическом и тепловом воздействии, а также исследовании влияния специфической дефектной структуры на деформационное поведение и механические свойства УМЗ материалов. Особое внимание было уделено текстурным исследованиям этих материалов в процессе их приготовления, деформации и рекристаллизации. Для достижения поставленной цели в диссертации был применен комплексный подход, включающий в себя систематические экспериментальные рентгеноструктурные исследования и компьютерное моделирование. При этом использовались оригинальные пакеты компьютерных программ, разработанные диссертантом.

В работе последовательно решались следующие задачи:

1. Анализ параметров структуры УМЗ материалов, полученных ИПД, с определением относительной максимальной интенсивности, вкладов гауссовой и лоренцевой компонент в форму профиля, положений центров тяжести рентгеновских пиков, интегральной интенсивности диффузного фона рассеяния, размера зерен (кристаллитов), микроискажений, параметра решетки, атомных смещений из узлов равновесной кристаллической решетки.

2. Компьютерное моделирование рентгенограмм с учетом размера зерен, толщины границ зерен и положения атомов в них, дальнодействующих полей упругих напряжений внесенных зернограничных дислокаций, кристаллографической текстуры.

3. Экспериментальное исследование кристаллографических текстур и компьютерное моделирование процессов текстурообразования, поиск взаимосвязи между кристаллографической текстурой и базисными спектрами зернограничных разориентировок.

4. Выяснение закономерностей формирования УМЗ структуры и ее эволюции при пластической деформации холодной прокаткой и низкотемпературном отжиге.

5. Исследование особенностей деформационного поведения и анизотропии механических свойств УМЗ материалов, полученных ИПД.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Результаты выполненных исследований являются новыми и на защиту выносятся:

1. Обнаруженные особенности общего вида рентгенограмм УМЗ материалов, полученных ИПД, выражающиеся в изменении относительных максимальных

интенсивностей, формы профиля, положения центров тяжести рентгеновских пиков и интегральной интенсивности диффузного фона рассеяния рентгеновских лучей. Рентгеновские методы определения величин структурных параметров, таких как размер зерен-кристаллитов, внутренние упругие микроискажения кристаллической решетки, параметр кристаллической решетки, параметр Дебая-Уоялера, статические и тепловые-динамические атомные смещения из узлов идеальной кристаллической решетки, характеризующие специфическое состояние микроструктуры УМЗ материалов, полученных ИПД.

2. Результаты структурной аттестации УМЗ материалов, полученных ИПД, их интерпретация с помощью многофакторного компьютерного моделирования, обоснование структурной модели, основанной на представлении о неравновесных границах зерен, содержащих внесенные зернограничные дислокации высокой плотности.

3. Результаты развития комплексного подхода и его применения для исследования процессов формирования и эволюции кристаллографической текстуры, включающего в себя получение функций распределения кристаллографически* ориентировок для описания кристаллографических текстур и их анализ на основе компьютерного моделирования процессов текстурообразования при пластической деформации.

4. Обоснование результатов, полученных с помощью разработанных подходов к РСА ультрадисперсных материалов на примере исследования формирования УМЗ структуры в ходе ИПД и ее эволюции при пластической деформации холодной прокаткой и низкотемпературном отжиге.

5. Установленные закономерности деформационного поведения УМЗ материалов, обусловленные их особой дефектной структурой, и анализ взаимосвязи последней с уровнем и анизотропией упругих и прочностных свойств.

6. Разработанные автором алгоритмы и пакеты компьютерных программ.

Научная и практическая значимость работы состоит в следующем:

На основе проведенных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования установлены общие закономерности в рентгенограммах УМЗ 1атериалов, полученных различными методами.

Показана особая роль РСА при исследовании структуры ультрадисперсных 1атеркалоз. Проанализированы существующие методы и развиты подходы к РСА льтрадисперсных материалов с помощью современных экспериментальных методов и ногофакторного компьютерного моделирования.

Получило развитие комплексное исследование кристаллографических текстур с применением математического метода описания полученных результатов с помощью функции распределения кристаллографических ориентировок (ФРО) и моделирования процессов текстурообразования при пластической деформации.

С помощью развитых подходов установлены закономерности формирования УМЗ структуры в процессе ИПД и ее эволюции при холодной прокатке и низкотемпературном отжиге.

Установлена тесная взаимосвязь между характером структуры, деформационным поведением, уровнем и анизотропией упругих и прочностных свойств, что позволит в дальнейшем целенаправленно влиять на структурные параметры с целью формирования необходимого комплекса механических свойств УМЗ материалов.

Развитые подходы и разработанные пакеты компьютерных программ могут применяться для проведения структурных исследований и анализа взаимосвязи между структурой и упругими и прочностными свойствами широкого круга ультрадисперсных материалов. В частности, некоторые из пакетов компьютерных программ уже внедрены в практику научных исследований, проводимых в Институте физики перспективных материалов научно-исследовательской части Уфимского государственного авиационного технического университета, Институте проблем сверхпластичности металлов РАН (г. Уфа), Институте физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург), Уральском государственном техническом университете (г. Екатеринбург), Институте исследования металлов Китайской Академии наук (г. Шэньян, КНР) и Карловом университете (г. Прага, Чешская Республика).

Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на: 111 Международной конференции по перспективным материалам (Токио, 1993); Международной конференции по сверхпластичности в перспективных материалах (Москва, 1994); VII Международной конференция "Механическое поведение материалов" (Гаага, 1995); VII Международной конференции "Межэеренные и межфазные границы"' (Лиссабон, 1995); XIV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" (Самара, 1995); II и Ш международных конференциях по нанокристаллическим материалам (Штутгарт, 1994, Кона 1996); XI Международной конференции по текстурам в материалах (Сиань, 1996); VI Международном симпозиуме по пластичности металлов и сплавов (Прага, 1994); IX Международном симпозиуме по металлографии (Стара Лесна, 1995); Международном семинаре по наноструктурньш материалам (Шэньян, 1994); Международном семинаре "Математические методы текстурного анализа" (Дубна, 1995); VII Международном

семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Екатеринбург, 1996); I Российско-французском семинаре "Связь между границами зерен и свойствами" (Санкт-Петербург, 1993); Международном симпозиуме по метастабильным, механически легированным и нанокристаллическим материалам (Рим, 1996); Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1996); V Всесоюзном совещании по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов (Челябинск, 1978); III, IV, V и VI Всесоюзных конференциях по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах (Красноярск, 1980; Горький, 1983; Уфа, 1987; Екатеринбург, 1991); I Всесоюзной конференции "Структура и свойства границ зерен" (Уфа,. 1983); Всесоюзной конференции "Субструктурное упрочнение метадлов"(Киев, 1984); IX Всесоюзном постоянном семинаре по моделированию радиационных и других дефектов на ЭВМ (Ленинград, 1979); Всесоюзном семинаре по количественным методам текстурного анализа (Свердловск, 1989); II Всесоюзной научно-технической конференция "Сверхпластичность металлов" (Москва, 1981); научно-техническом семинаре "Бернштейновские чтения по термической обработке металлических материалов" (Москва, 1996); научной конференции "Физика в Башкортостане" (Уфа, 1996); Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Технология и оборудование современного машиностроения" (Уфа, 1994); Межрегиональной научно-технической конференции "Математическое моделирование систем и процессов" (Пермь, 1994).

Публикации. Материал диссертации опубликован в 68 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, общих выводов по работе и списка цитируемой литературы, изложена на 350 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 106 рисунков, список использованной литературы включает 282 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении анализируется современное состояние проблемы, обосновывается актуальность работы, сформулирована научная новизна и поставлены цели исследования.

Глава 1. Анализ параметров структуры ультрамелкозернистых материалов.

1.1. В данном параграфе проанализирована роль РСА при исследовании внутреннего строения • ультрадисперсных материалов. Установлено, что дополняя другие методы исследования, РСА позволяет получать информацию о параметрах и типе кристаллической решетки, размере зерен-кристаллитов (блоков когерентного рассеяния), полях внутренних напряжений, кристаллографической текстуре, и других характеристиках ультрадисперсных материалов. Однако сделан вывод, что систематические исследования, дающие важную структурную информацию, в случае УМЗ материалов, полученных ИПД, не проводились. Более того, при использовании стандартных методик для определения структурных характеристик требует определенная корректировка с учетом особенностей строения УМЗ материалов (наличие текстуры, сильных полей внутренних напряжений и т.д.).

В качестве объектов для исследования в настоящей работе были взяты чистые Си и полученные с помощью различных методов ИПД. В качестве таковых рассматривали кручением с различным чидлом оборотов под высоким давлением, РКУ прессование с различным числом проходов, измельчение в шаровой мельнице в течение различных интервалов времени, а также измельчение в шаровой мельнице с последующей консолидацией ИПД кручением под высоким давлением. Для сравнительного анализа полученных результатов использовали данные, полученные от соответствующих КК материалов или исходных (до ИПД) образцов.

Проведенные исследования показали, что также как и в случае НК материалов, полученных методом газовой конденсации, рентгенограммы исследованных материалов, полученных ИПД, характеризуются набором рентгеновских пиков, характерных для соответствующих КК материалов.

Установлено, что относительные максимальные интенсивности рентгеновских пиков УМЗ материалов, полученных ИПД, существенно отличаются от соответствующих табличных значений. На рентгенограммах материалов, подвергнутых кручению под высоким давлением, обращает на себя внимание существенное ослабление относительных интенсивностей всех рентгеновских пиков по отношению к пику (Ш). Особенно ярко это выражено в случае образцов, полученных консолидацией ультрадисперсных порошков и имеющих минимальный из рассмотренных случаев размер зерен, равный 15-20 нм.

Проведенный анализ показал, что также, как и в случае НК материалов, полученных методом газовой конденсации, в форме профиля рентгеновских пиков,

аппроксимированных функцией Фойгта, являющейся комбинацией функций Гаусса и Лоренца, преобладает вклад последней, достигающий 90-100%. В то же время для КК материалов характерно преобладание функции Гаусса. Поскольку функция Лоренца убывает при движении от центра рентгеновского пика более полого, чем функция Гаусса, это дало основание считать, что на рентгенограммах УМЗ материалов более значительная часть интенсивности сосредоточена в хвостах рентгеновских пиков, чем в случае КК материалов.

Логкормальный закон распределения зерен или кристаллитов малого размера (областей когерентного рассеяния) по размеру приводит к лоренцевой форме профиля рентгеновских пиков. С другой стороны, аналогичная форма профиля рентгеновских пиков может быть обусловлена специфическим характером дефектной структуры, приводящим к особому распределению микроискажений в кристаллической решетке.

Аналогично случаю газовой конденсации ИПД приводит к росту интенсивности диффузного фона рассеяния рентгеновских лучей на рентгенограммах исследованных материалов, достигающему 6±3%, по сравнению с соответствующими КК материалами. Повышение интегральной интенсивности диффузного фона указывает на повышенную концентрацию дефектов кристаллического строения и возможно увеличенные амплитуды тепловых колебаний в УМЗ Си, полученной ИПД.

Приведенные в данном параграфе результаты экспериментальных исследований указывают на ряд отличий общего вида рентгенограмм УМЗ материалов, полученных ИПД, от рентгенограмм исходных материалов. К ним относятся изменение относительной максимальной интенсивности и формы профиля, а также уширение рентгеновских пиков, увеличение интегральной интенсивности диффузного фона на рентгенограммах УМЗ материалов, полученных ИПД. Указанные параметры рентгенограмм отражают различия в размере зерен, уровне микроискажений кристаллической решетки, плотности и распределении дефектов, что обусловлено процессами формирования УМЗ структуры в ходе ИПД.

1.2. В данном разделе представлены результаты анализа физического уширения рентгеновских пиков на рентгенограммах УМЗ материалов, полученных ИПД, с помощью различных современных и наиболее часто употребляемых в РСА методов определения размеров зерен-кристаллитов и микроискажений кристаллической решетки. Для реализации поставленной задачи были разработаны пакеты компьютерных программ, реализующих логарифмическую и линейную версии метода Уоррена-Авербаха и альтернативного метода. Кроме того, сравнительные расчеты

были проведены в рамках методов, использующих уравнения Шеррера и Шеррера и Вильсона.

Полученные результаты показали, что размер зерен, определяемый с помощью различных методов РСА, существенно различен. С другой стороны, он существенно меньше, чем в случае применения ПЭМ. Различия в измеренных размерах зерен были объяснены специфической дефектной структурой исследуемых УМЗ материалов, полученных ИПД. При этом особое внимание уделялось трактовке результатов, получаемых различными методами.

В качестве возможных причин, приводящих к указанных различиям, были выдвинуты следующие:

Во-первых, каждое зерно в зависимости огего размера может состоять из одного или нескольких кристаллитов (ОКР). Во-вторых, метод РСА, основанный на измерении интегрального уширения профилей рентгеновских пиков, позволяет определять размер внутренней области зерен, не включающей в себя приграничные сильно искаженные области, существующие в УМЗ материалах, полученных ИПД. Ширина таких областей составляет 6-10 нм. Эти области и связанные с ними искажения кристаллической решетки приводят к уменьшению размера ОКР и, следовательно, к уменьшению измеряемого размера зерен. В то же время следует не забывать, что с помощью ПЭМ обычно измеряется усредненный по поверхности размер зерен в плоскости, совпадающей с поверхностью образца. РСА дает усредненный по поверхности или объему размер зерен, измеренный в направлении, перпендикулярном поверхности образца.

Существенное преобладание доли лоренцевой компоненты в форме профилей рентгеновских пиков и обнаруженные значительные величины атомных смещений из узлов равновесной идеальной кристаллической решетки указывают на формирование специфической дефектной структуры в УМЗ материалах, полученных ИПД.

Метод ПЭМ дает размер зерен, усредненный по поверхности. Одновременно, метод Уоррена-Авербаха и альтернативный метод позволяют определить размер внутренней неискаженной части зерен, усредненный по поверхности. С другой стороны, иные широко используемые рентгеновские методы дают усредненный по объему размер неискаженной части зерен, который, по крайней мере, не меньше, чем размер, усредненный по поверхности. Более того, для некоторых теоретических распределений зерен по размерам значения, усредненные по поверхности и объему, могут отличаться более чем в два раза.

1.3. Проведенные исследования показали, что, как и в случае известных литературных данных для НК материалов, полученных методами газовой конденсации и закалкой из жидкого состояния, параметр решетки в УМЗ материалах, полученных ИПД, может быть меньше или больше табличных данных, характерных для аналогичных КК материалов. На величину параметра кристаллической решетки УМЗ материалов влияют схема ИПД, размер зерен, чистота материала.

1.4. Поскольку ИПД приводит к формированию кристаллографической текстуры, определение параметра Дебая-Уоллера и величин атомных смещений в УМЗ материалах, полученных ИПД, производили нетрадиционным методом, при котором использовались рентгеновские пики разного порядка отражения от одного семейства плоскостей, независящие от характера преимущественной ориентации зерен. Типичные результаты проведенных исследований показали, что величина параметра Дебая-

Уоллера в УМЗ Си, равна 1,26±0,05 А2, что на 50% больше чем в исходной Си. Рассчитанные значения атомных смещений '<//>';2 для УМЗ Си оказались равными

0,126+0,003 А, что составляет 5,0% от кратчайшего расстояния между атомами. Данный факт указывает на повышенные значения амплитуды тепловых колебаний атомов, а также увеличение значений величины статических смещений атомов из узлов идеальной кристаллической решетки. Расчет температуры Дебая в УМЗ Си привел к значению 233±6 К, что на 23% меньше табличного значения.

Основной причиной уменьшения температуры Дебая в УМЗ материалах, полученных ИПД, может быть влияние искаженной зернограничной области, то время как внутри зерен температура Дебая остается такой же как и в КК поликристалле. При этом в рассматриваемом случае температура Дебая зернограничной фазы 0СЯ=131±1 К.

Существенное уменьшение температуры Дебая в приграничных областях отражает гот факт, что принадлежащие ей атомы обладают повышенной энергией. В

результате температурно-зависимые атомные смещения оказались равными 0,17 А, что составляет 6,6% от кратчайшего межатомного расстояния ао/2<//0> в УМЗ Си.

Анализ атомных смещений в УМЗ Си, полученной консолидацией ИПД порошка, измельченного в течение 100 часов в шаровой мельнице, показал, что они максимальны из всех рассмотренных случаев и составляют 9,2% от кратчайшего расстояния между атомами.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что исследованные УМЗ N1 и Си, полученные ИПД, обладают значительно измененными-

термическими параметрами, такими как коэффициент термического расширения, параметр Дебая-Уоллера и температура Дебая. Эти результаты показали, что характер тепловых колебаний атомов в УМЗ N1 и Си существенно отличается от такового в КК № и исходной Си. Это объясняет значительные изменения в термических свойствах и существенно увеличенную диффузию, обнаруженную при недавних исследованиях диффузионно-контролируемых процессов в УМЗ материалах, полученных ИПД. Наблюдавшиеся изменения обусловлены не только малым размером зерен, но и сильными упругими искажениями кристаллической решетки вблизи границ зерен. Из результатов настоящего исследования становится ясно, что эти упругие искажения влияют на атомные смещения в УМЗ N1 и Си, полученных ИПД. Более того, очевидно, что в большей степени этому влиянию подвержены тепловые колебания атомов.

Глава 2. Компьютерное моделирование рентгенограмм УМЗ материалов.

Интерпретация экспериментальных рентгенограмм УМЗ материалов довольно сложна. Это связано с многообразием факторов, определяющих вид рентгенограмм. Большую пользу в данной ситуации может оказать компьютерное моделирование рентгенограмм УМЗ материалов. Попытки такого подхода уже были предприняты ранее для НК материалов, полученных методом газовой конденсации. При этом предполагалось, чю в границах зерен имеет место либо ближний порядок в расположении атомов, характерный для жидкостей, либо какой-либо порядок отсутствует вообще, что характерно для газов. Тем не менее, несмотря на то, что авторам удалось добиться совпадения результатов моделирования с некоторыми экспериментальными результатами исследования нанокристалЛов, в рамках данной гипотезы невозможно объяснить ни смещение положения центров тяжести, ни деформационное уширение, ни изменение формы профиля рентгеновских пиков да рентгенограммах УМЗ материалов, наблюдавшиеся экспериментально. Кроме того, следует отметить, что последующие исследования в высокоразрешающем электронном микроскопе не подтвердили положений данной гипотезы о "газообразной" структуре границ зерен.

В главе 2 представлены результаты моделирования рентгенограмм УМЗ материалов с учетом различных факторов для установления их роли и правильной интерпретации экспериментальных данных. В качестве таких факторов были выбраны: размер зерен, толщина границ зерен и положение атомов в них, поля упругих

дальнодействующих напряжений внесенных зернограничных дислокаций, кристаллографическая текстура.

2.1. В данном параграфе описываются использованный математический аппарат и структурная модель, положенная в основу компьютерного моделирования рентгенограмм УМЗ материалов. В основу моделирования положили кинематическую теорию рассеяния рентгеновских лучей. Процесс компьютерного моделирования проводился с использованием модели поликристалла, состоявшего из 361 зерна, каждое из которых было определенным заданным образом ориентировано в пространстве. Каждое зерно имело форму прямоугольного параллелепипеда с одинаковой длиной ребер, варьировавшейся от 4 до 50 параметров кристаллической решетки. Ребра параллелепипеда совпадали с направлениями [100], [010] и [001] в кристаллической решетке. Тип кристаллической решетки - ГЦК. Параметр кристаллической решетки

соответствовал табличному значению для чистой Си и равнялся 3,615 А . Длина волны

рентгеновского излучения равнялась 1,54178 А и соответствовала Си Ка; излучению.

Интенсивность рентгеновских лучей, рассеянных поликристаллом, находили как сумму интенсивностей, полученных в результате рассеяния рентгеновских лучей отдельными зернами. При этом учитывали ослабление интенсивности, связанное с тепловыми колебаниями атомов и частичной поляризацией рентгеновских лучей.

Пакет компьютерных программ был написан на алгоритмическом языке Фортран-77 и реализован на 1ВМ РС.

2.2. Результаты компьютерного моделирования рентгенограмм УМЗ материалов в зависимости от размера зерен показали, что в случае размера зерен, равного 4 параметрам кристаллической решетки, характерные рентгеновские пики еще не формируются. Увеличение размера зерен до 8, 10 и 20 параметров кристаллической решетки приводит к появлению характерных для рентгенограммы исследуемого материала рентгеновских пиков, интенсивность которых резко возрастает. Уменьшение размера зерен приводит к уменьшению максимальной интенсивности и уширению рентгеновских пиков на рентгенограммах, однако положение центров тяжести остается неизменным. Качественный анализ формы профиля рентгеновских пиков показывает, что ей больше соответствует функция Гаусса. Данный результат отличается от известных литературных данных, которые указывают на то, что логнормальное распределение нанометрических зерен по размеру обеспечивает преимущественно лоренцеву форму рентгеновских пиков. Можно предположить, что обнаруженная в результате компьютерного моделирования преимущественно гауссова форма профиля

рентгеновских пиков обусловлена тем, что все зерна гипотетического поликристалла имели одинаковый размер. Показано, что для каждого из рассмотренных размеров зерен величина "размерного" уширения рентгеновских пиков растет обратно пропорционально косинусу угла дифракции. Увеличение размера зерен приводит к уменьшению "размерного" уширения рентгеновских пиков. При этом величина "размерного" уширения обратно пропорциональна размеру зерен. Однако только "размерным " эффектом невозможно объяснить экспериментально наблюдаемые в ряде случаев смещение положения центра тяжести и изменение формы профиля рентгеновских пиков от гауссового в КК материалах к лоренцевому в УМЗ материалах принимая во внимание только "размерный" фактор.

2.3. При моделировании влияние ширины границ зерен и положения атомов в них на вид рентгенограмм количество элементарных ячеек, принадлежащих приграничному слою между соседними зернами, выбиралось равным 0 или 1. При этом, если элементарная ячейка принадлежала приграничному слою, то смещение атомов, составляющих внешний слой атомов зерна, задавалось с помощью датчика случайных чисел равным от нуля до половины значения вектора Бюргерса Ь.

Направления смещения атомов выбирались случайным образом вдоль трех взаимно перпендикулярных осей системы координат, связанной с кристаллической решеткой отдельного зерна. Для следующего по направлению к центру зерна слоя соответствующее смещение атомов случайным образом выбиралось равным от нуля до 0.25хЬ. Выбранное значение величины вектора Бюргерса характерно для металлов с ГЦК - решеткой и соответствует кратчайшему расстоянию между атомами в кристаллической решетке. Таким образом задавали хаотическое расположение атомов в границах зерен. Результаты моделирования, учитывающего подобную структуру границ зерен, показывают, что случайные по величине и хаотические по направлению сдвиги атомов во внешних слоях зерен приводят к изменению интенсивности рентгеновских пиков, однако практически не меняют такие их характеристики как положение центра тяжести, интегральная ширина и форма профиля на рентгенограммах УМЗ Си. Таким образом, можно сделать вывод, что представление об аморфноподобной структуре границ зерен не объясняет экспериментально наблюдаемые в ряде случаев смещения положения центров тяжести и изменения формы профиля рентгеновских пиков на экспериментальных рентгенограммах УМЗ материалов.

2.4. При моделировании рентгенограмм поликристалла с высокими внутренними напряжениями от внесенных зернограничных дислокаций предполагали, что, также как

и в предыдущем случае, во внешнем слое каждого зерна атомы хаотически сдвинуты вдоль осей системы координат зерна. Максимальный сдвиг равнялся половине величины вектора Бюргерса. Такое предположение могло быть сделано потому, что внешний слой зерен является областью, в которой располагаются ядра внесенных зернограничных дислокаций. Учет полей дальнодействующих упругих напряжений внесенных зернограничных дислокаций производили задавая сдвиги атомов в теле зерен, убывающие обратно пропорционально корню квадратному из величины кратчайшего расстояния х от границы зерна. Моделирование в рамках гипотезы о существовании неравновесных границ зерен показал о, что упругие смещения атомов благодаря полям дальнодействующих напряжений, создаваемых внесенными зернограничными дислокациями, могут привести к смещению положения центра тяжести, обеспечить деформационное уширение и изменение формы профиля рентгеновских пиков, что является характерным для экспериментально наблюдаемых рентгенограмм УМЗ материалов.

2.5. Моделирование влияние кристаллографической текстуры на вид рентгенограмм производилось для модельных текстур, характерных для металлов с ГЦК решеткой а отдельных текстурных компонент, из которых состоят соответствующие ФРО. В качестве таких текстур выбрали текстуру типа меди, характерную для холоднокатаных чистых металлов с ГЦК решеткой, кубическую текстуру, характерную для полностью рекристадлизованного, изначально холоднокатаного состояния, и текстуру промежуточного типа, состоящую как из компонент текстуры деформации, так и из компонент текстуры рекристаллизации. Результаты компьютерного моделирования показали, что изменение типа кристаллографической текстуры приводит только к изменению относительных максимальных интенсивностей не затрагивая иные параметры рентгеновских пиков на рентгенограммах УМЗ Си.

Глава 3. Кристаллографические текстуры: методы описания и моделирование.

До настоящего времени вопросам исследования кристаллографической текстуры в УМЗ материалах уделялось мало внимания. Во многом это, по-видимому, связано с тем, что УМЗ материалы являются достаточно новой темой для исследований. С другой стороны, до недавнего времени основным методом получения УМЗ материалов являлся метод газовой конденсации, с помощью которого получают порошок с зернами, имеющими нанокристаллический размер. Этот порошок в силу хаотической ориентации

порошинок не обладает кристаллографической текстурой. Недавно развитые методы ИПД имеют дело с массивными образцами или порошками, которые консолидируются в массивный материал. Процесс формирования УМЗ структуры в данном случае сопровождается интенсивным механическим воздействием и связан с активизацией различных деформационных механизмов. В результате в данных материалах следует ожидать формирования преимущественных ориентировок. Таким образом, вопрос исследования процессов формирования кристаллографической текстуры в УМЗ материалах, полученных ИПД, является актуальным.

3.1. Наиболее полное описание и анализ кристаллографических текстур возможны при применении математического метода, дающего возможность вычислять трехмерные ФРО. Однако, в середине 70-х годов, когда автор начал систематические исследования кристаллографических текстур, не существовало доступных пакетов компьютерных программ для получения ФРО. Кроме того, в то время парк ЭВМ, применявшийся для расчетных операций, в нашей стране существенным образом отставал от зарубежного. В связи с этим остро стоял вопрос о необходимости написания алгоритма и разработке пакета компьютерных программ, адаптированных к имеющемуся парку ЭВМ, что и было сделано автором работы для определения ФРО исходя из неполных прямых полюсных фигур.

Результаты исследования процессов текстурообразования в а - фазе СМК сплава Хп-22%А1 и других материалах показали, что разработанный пакет программ дает достоверную информацию о характере формирующейся кристаллографической текстуры, что подтверждается общим видом ФРО, соответствующим известным литературным данным для ГЦК металлов и подобием экспериментальных и расчетных полюсных фигур. Таким образом был дан толчок к широкому внедрению математического метода описания и анализа кристаллографических текстур в практику научных исследований. В частности, следует отметить, что разработанный автором пакет компьютерных программ для вычисления ФРО успешно используется в Карловом университете г. Праги (Чешская Республика).

Дальнейшее усовершенствование метода получения ФРО заключалось в разработке и апробации пакета компьютерных программ для расчета коэффициентов Фурье, нахождения нулевой области и вычисления невоспроизводимой части ФРО, автоматизации процесса экспериментальной съемки текстурных данных. По этому пути, а также по пути использования модельных ФРО, рассчитанных как для четных, так и нечетных коэффициентов разложения ФРО в ряд, пошло развитие стандартных и оригинальных программ, которые использовались в главе 2 и будут использоваться в

главе 4 и 5. Пакет программ, необходимых для нахождения полной ФРО, написан на алгоритмическом языке Фортран-77 и реализован в операционной системе Юникс на мини - ЭВМ Лабтам.

Анализ полученных результатов показал, что характерным отличием полных ФРО от их воспроизводимых частей является усиление интенсивности основных максимумов за счет интенсивности второстепенных максимумов. При этом изменение интенсивности может достигнуть 20-25% интенсивности самого большого максимума воспроизводимой части ФРО. За счет перераспределения интенсивности между максимумами, основанном на очевидном физическом критерии неотрицательности значений интенсивности, главные максимумы ФРО становятся более ярко выраженными, а слабые максимумы, среди которых есть "призраки", исчезают.

Достоверность разработанного пакета программ для вычисления ФРО подтверждается сравнительным анализом результатов обработки одних и тех же экспериментальных и теоретических данных с помощью пакетов программ, разработанных в различных лабораториях.

3.2, С целью интерпретации полученных экспериментальных результатов исследований кристаллографических текстур автором разработай алгоритм, написаны пакеты программ для ЭВМ и проведепы работы по компьютерному моделированию процессов тексгурообразования при пластической деформации.

Идеей реализованного в настоящем исследовании компьютерного моделирования процессов тексгурообразования при пластической деформации явилось представление о гипотетическом поликристалле, деформировавшемся по правилам теории Тейлора путем кристаллографического скольжения и двойникования.

Гипотетический поликристалл состоял из большого числа зерен (720 - в случае ГЦК решетки, 504 - в случае ГПУ решетки), которые до начала пластической деформации были хаотично ориентированы в пространстве углов Эйлера <ри ф. гр2. С помощью разработанного пакета компьютерных программ осуществлялось вычисление поворотов зерен в пространстве углов Эйлера на основе теории Тейлора для двадцати шагов деформации, что соответствовало удлинению, равному 165% при растяжении и степени обжагия, равной 0,62, при прокатке. Каждое отдельное зерно деформировалось независимо от соседей путем только кристаллографического скольжения или кристаллографического скольжения совместно с двойникованием. Изменение размеров зерен соответствовало изменению размеров поликристалла. Элементарному шагу деформации соответствовало 5%-ное удлинение при растяжении или 5%-ное обжатие при прокатке. Относительный вклад систем скольжения (СС) и систем двойникования

(СД) в процесс пластической деформации регулировался путем изменения критических скалывающих напряжений.

В качестве возможных деформационных механизмов в поликристаллах с ГЦК-решеткой рассматривали октаэдрическое скольжение по СС типа {111}<110>, двойникование с СД типа {111}<2Ц>, неоктаэдрическое скольжение по С С типа {Ш}<//й>. В качестве возможных С С скольжения в металлах и сплавах с ГПУ решеткой рассматривались 3 базисных СС типа {0001}<1120>, 6 пирамидальных СС типа {1122}<1123> и 3 призматических СС типа {0110}<21Ю>. Отношение осей с/а элементарной ячейки кристаллической решетки брали равным 1,856 (цинк).

В результате моделирования было установлено, что текстурный переход от текстуры типа меди к текстуре типа латуни обусловлен подключением СД типа \11!}<2П>. Сравнение теоретических ФРО, полученных для гексагональных металлов, с экспериментальной ФРО /3 - фазы мелкозернистого сплава 2п-22%А1, прокатанного из бестекстурного состояния при комнатной температуре до степени обжатия е = 0,62, показало, что имеет место хорошее качественное совпадение экспериментальных данных с результатами моделирования. Оказалось, что текстура, подобная экспериментальной, возникает при возможном совместном действии базисного и пирамидального скольжения (^=0,25).

Полученные результаты компьютерного моделирования процессов текстурообразования на основе теории Тейлора справедливы в случае пластической деформации при низких температурах в условиях множественного скольжения и двойникования. В случае сверхпластической деформации, протекающей при повышенных температурах, возможно попеременное действие различных СС и подключение зернограничного проскальзывания. Соответствующие экспериментальные данные и результаты моделирования процессов текстурообразования при сверхпластической деформации будут представлены в главе 5.

3.3. Распределение или спектр зернограничных разориентировок и кристаллографическая текстура являются основными статистическими характеристиками, связанными с ориентациями зерен, определяющими многие физические и механические свойства поликристаллических материалов. ОднаГо вопрос об их Лзаимосвязи остается открытым. Поскольку экспериментальное исслерование спектров зернограничных разориентировок в УМЗ материалах крайне затруднеСо и в настоящее время практически невозможно из-за малого размена зерен, то поиск взаимосвязи между экспериментально определенной кристаллографической текстурой и

возможными спектрами разориентировок границ зерен на основе компьютерного моделирования и некоторых предположений о корреляции между разориентировками соседних зерен является актуальной задачей, необходимой для понимания процессов, протекающих в металлических материалах во время деформации и отжига.

Поиск указанной взаимосвязи производился с использованием предложенных ранее А.П. Жиляевым и другими (1993 г.) представлений о базисных спектрах зернограничных разориентировок со следующими корреляциями: спектр зернограничных разориентировок с максимальным числом низкоугловых границ зерен (тип А); спектр зернограничных разориентировок с максимальным числом высокоугловых границ зерен (тип .5); спектр зернограничных разориентировок с максимальным числом специальных границ зерен, имеющих малые значения .¿7 (тип В); спектр зернограничных разориентировок без какой-либо корреляции в ориентировках соседних зерен (тип Г). При этом предполагалось, что реальный спектр зернограничных разориентировок может быть представлен в виде средневзвешенной суммы таких базисных спектров.

Для установления возможности существования корреляции между базисными спектрами зернограничных разориентировок и кристаллографической текстурой были рассмотрены рассчитанные в настоящей работе модельные ФРО кристаллографических текстур, характерных для холоднокатаной и отожженной УМЗ Си.

Проведенные расчеты указали на неоднозначную взаимосвязь между спех1ром зернограничных разориентировок и кристаллографической текстурой, представленной ФРО, и о том, что спектр разориентировок в поликристаллах определяется как текстурой, так ориентационной корреляцией. Сильная текстура холоднокатаного состояния приводит к небольшим отличиям в базисных спектрах зернограничных разориентировок по сравнению с бестекстурным полихристаллом. В результате в поликристаллах с такой текстурой спектр зернограничных разориентировок в первую очередь определяется характером ориентационной корреляции. Эта корреляция определяет вклад базисных спектров в реальное распределение зернограничных разориентировок. Кубическая текстура, соответствующая полностью рекристаллизованному состоянию, приводит к базисным спектрам, которые существенно отличаются от спектров бестекстурного поликристалла. В этом случае спектр зернограничных разориентировок определяется как текстурой, так и корреляцией в ориентациях соседних зерен. В первом приближении влияние этого типа текстуры может быть уменьшено до наиболее простого случая аксиальной Текстуры.

Глава 4. Эволюция микроструктуры в материалах, подвергнутых интенсивной пластической деформации.

В главе 4 исследованы процессы формирования УМЗ структуры в ходе ИПД различными методами, в том числе кручением под высоким давлением, РКУ прессованием, консолидацией порошка кручением под высоким давлением. Далее на примере УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, исследована эволюция сформировавшейся микроструктуры в ходе пластической деформации холодной прокаткой и низкотемпературного отжига.

4.1. В данном параграфе показано, что ИПД приводит к формированию УМЗ структуры, характеризующейся специфической дефектной структурой, о чем свидетельствуют изменение формы профиля рентгеновских пиков и повышенная интегральная интенсивность диффузного фона рассеяния рентгеновских лучей. В Си в ходе ИПД кручением под высоким давлением уже после нескольких полных оборотов происходит формирование УМЗ структуры со средним размером зерен порядка 100 нм. Уменьшение размера зерен приводит к росту лоренцевой компоненты, уширения профилей и смещения центров тяжести рентгеновских пиков, плотности дислокаций, параметра Дебая-Уоллера и атомных смещений из узлов равновесной идеальной кристаллической решетки. При этом формируется аксиальная текстура с осью <111>.

ИПД РКУ прессованием обеспечивает формирование УМЗ структуры с размером зерен порядка 40-60 нм, однако каких-либо закономерностей в 'вменении параметров рентгенограмм и величинах структурных характеристик с увеличением числа проходов не наблюдается. По-видимому, это связано с тем, что после каждого этапа РКУ прессования направление прохода заготовки через канал изменяется на противоположное и производится ее поворот вокруг собственной оси. Таким образом, каждый раз изменяется ориентация зерен по отношению к внешнему воздействию на заготовку. Об этом также говорит сложный характер изменения максимальных относительных интенсивностей рентгеновских пиков на рентгенограммах, полученных после разного числа проходов заготовки через канал.

Консолидация измельченного в шаровой мельнице порошка Си приводит к формированию квазиаморфного состояния с минимальным размером зерен и максимальными микроискажениями кристаллической решетки, о чем говорит необычный вид рентгенограммы, характеризующейся лишь одним интенсивным рентгеновским пиком, и значительные величины атомных смещений.

4.2. Анализ влияния пластической деформации на эволюцию УМЗ структуры показал, что холодная прокатка привела к практически полному исчезновению основных для рентгенограммы РКУ состояния рентгеновских пиков (111) и (331). При этом основным стал рентгеновский пик (311). Интегральная интенсивность диффузного фона рассеяния рентгеновских лучей возросла на 4,9%. Одновременно произошло увеличение размера зерен в направлении <200> и уменьшилась величина микроискажений кристаллической решетки в этом направлении. Параметр Дебая-Уоллера и атомные смещения из узлов равновесной кристаллической решетки, рассчитанные в единственно доступном для измерения направлении <200>, возросли в

УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, с 0,731 А2 до 1,082 Л2 и с 0,096 А до 0,117 А соответственно. Одновременно произошло увеличение микротвердости УМЗ Си в процессе холодной прокатки со значения 1180 МПа до 1250 МПа. Текстурные компоненты ФРО холоднокатаной УМЗ Си оказались подобными тем, которые характерны для холоднокатаной КК Си.

Изучение процессов формирования УМЗ структуры и ее эволюции при холодной прокатке позволило выявить некоторые особенности, которые следует учитывать при проведении эксперимента и трактовке результатов исследований материалов, полученных ИПД. В частности, в исследуемом случае УМЗ Си, полученной £"КУ прессованием, рентгеновские пики очень широкие благодаря малому размеру зерен и большим микродеформациям. В связи с этим максимальная интенсивность рентгеновских пиков значительно меньше, чем в случае КК материалов.

Обнаруженные закономерности эволюции структурных параметров УМЗ Си при пластической деформации холодной прокаткой могут быть объяснены в рамках представлений об особенностях структуры УМЗ материалов, полученных ИПД (см. главу 1). Холодная прокатка является более мягким процессом, чем процесс РКУ прессования. Следовательно, можно предположить, что она сопровождается процессом возврата в деформируемом образце. Перераспределение дефектов при холодной деформации может привести к увеличению измеренного рентгеновскими методами размера зерен, поскольку данный размер, как было показано выше, может зависеть от характера распределения дефектной структуры в зернах исследуемого материала.

Основываясь на полученных данных об увеличении размера зерен, уменьшении микроискажений кристаллической решетки, а также атомных смещений, можно предположить, что процесс возврата в УМЗ материалах, полученных ИПД, сопровождается переходом границ зерен в более равновесное состояние и

исчезновением полей упругих дальнодействующих напряжений. В пользу этого свидетельствует и небольшая скорость деформации при холодной прокатке, являющаяся важным фактором, определяющим процесс формирования структуры.

Холодная прокатка может привести к более однородному распределению дефектов структуры в зернах УМЗ материалов, полученных ИПД. В то же время уровень микроискажений кристаллической решетки может быть достаточно высоким, чтобы обеспечить повышенное значение микротвердости, что и наблюдалось в данном эксперименте.

4.3. Проведенные исследования показали, что низкотемпературный отжиг вплоть до температуры 7^=150°С не приводит к заметным изменениям в структуре УМЗ Си, полученной РКУ прессованием. Этот результат отличается от результатов ранних исследований УМЗ Си, полученной кручением под высоким давлением, где отжиг уже при температуре 7-100сС и выше привел к постепенному уменьшению уширения рентгеновских пиков, свидетельствующему о начале протекания процессов возврата, а затем и роста зерен.

Проведенный при температуре Т-170°С более детальный анализ общего вида рентгенограмм и эволюции микроструктуры при низкотемпературном отжиге в течение различного времени показал, что заметные изменения на рентгенограмме, соответствующие эволюции УМЗ структуры, наблюдаются лишь после 60 минут отжига. При этом уменьшение, интегральной ширины и разрешение дублетов рентгеновских пиков происходят неодновременно. В частности, после отжига в течение 90 минут уширение рентгеновских пиков (311), (220), (200) уменьшается и соответствующие дублеты Ка1/Каз разрешаются. Это означает, что процесс роста зерен протекает или уже завершен в соответствующих текстурных компонентах. В то же время рентгеновский пик (331), обладающий максимальной интегральной интенсивностью, мало изменился по сравнению с состояниями после отжига в течение 60 минут и менее. Это говорит лишь о • начале процессов возврата в зернах, принадлежащих данной текстурной компоненте. После отжига в течение 120 минут рентгенограмма характеризуется острыми рентгеновскими пиками, что говорит о формировании КК состояния с малым уровнем внутренних микроискажений . кристаллической решетки.

Анализ эволюции размера зерен и микроискажений кристаллической решетки в ходе отжига, проведенного при температуре Х=170°С в течение различного времени, обнаружил, что увеличение размера зерен в направлении <111> протекает постепенно, резко возрастая после 90 минут отжига. В то же время заметное увеличение размера

зерен в направлении <200> наблюдается уже после 60 минут и резко возрастает при больших временах отжига. С другой стороны, микроискажения кристаллической решетки в направлении <111> остаются неизменными вплоть до 60 минут отжига включительно и далее резко уменьшаются. Одновременно микроискажения в направлении <200> уменьшаются плавно вплоть до 60 минут отжига, а затем резко уменьшаются,

Отжиг при температуре 7-!70°С в течение 120 минут привел к качественному изменению характера кристаллографической текстуры по сравнению с кристаллографической текстурой, соответствующей 10, 30 и 60 минутам отжига. Состояние, соответствующее 90 минутам отжига, характеризуется комбинацией текстурных максимумов, характерных для времен отжига 60 и 120 минут. Эти наблюдения свидетельствуют о появлении зерен с новой ориентацией в исследуемой УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, при низкотемпературном отжиге при температуре 7=170°С в течение 90 минут. Другим свидетельством появления зерен с новой ориентацией в УМЗ Си является резкое уменьшение микротвердости после отжига при температуре 7^=170° С в течение 90 минут.

Неодновременный рост размера зерен, уменьшение микроискажений, неодновременное резкое изменение интегральной интенсивности рентгеновских пиков, подтверждают тот факт, что возврат и рост зерен, принадлежащих различным текстурным компонентам, происходят неодновременно.

Неодновременное протекание процессов возврата в зернах, принадлежащих различным текстурным компонентам, как уже отмечалось в параграфе 4.2, наблюдалось в УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, не только при низкотемпературном отжиге, но даже в ходе холодной прокатки. Тем не менее, низкотемпературный отжиг холоднокатаных УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, и КК Си при температуре 250°С в течение 30 минут приводит к формированию аналогичных кристаллографических текстур, характеризующихся острыми текстурными максимумами, соответствующими кубической текстурной компоненте {100} <001 >. При этом интенсивность текстурных максимумов в случае УМЗ Си заметно выше.

Эволюция УМЗ структуры при низкотемпературном отжиге Си, полученной РКУ прессованием, может быть объяснена в рамках структурной модели УМЗ материалов, полученных ИПД (см. главу 1). Поскольку размер зерен и микроискажения кристаллической решетки в различных текстурных компонентах различны, возврат в иих начинается неодновременно. В процессе возврата размер зерен не изменяется, эднако размер внутренних неискаженных частей зерен-кристаллитов, измеренный

методом РСА, увеличивается благодаря перераспределению дислокаций. Одновременно уменьшаются поля дальнодействующих упругих напряжений и микроискажения кристаллической решетки.

Сравнение полученных в настоящем исследовании результатов с известными результатами рентгеноструктурных исследований подтверждает существенное влияние схемы деформации на особенности протекания возврата и роста зерен в УМЗ Си, полученной ИПД. Так, установлено, что возврат в УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, протекает в более узком температурном интервале, а рост зерен начинается при более высокой температуре, чем в случае УМЗ Си, полученной кручением под высоким давлением. Результаты проведенных исследований показывают, что причиной этого являются различия в размере зерен, микроискажениях кристаллической решетки и характере преимущественных ориентировок зерен.

Глава 5. Деформационное поведение и механические свойства УМЗ материалов.

В данной главе, учитывая тот факт, что именно особая дефектная структура определяет необычные свойства УМЗ материалов и то, что роль РСА в данных исследованиях очень велика, анализируются результаты исследования деформационного поведения УМЗ материалов, полученных ИПД, в различных температурно-скоростных условиях; на основе пакета компьютерных программ, разработанного для моделирования процессов текстурообразования при пластической деформации и описанного в главе 3, исследовано формирование кристаллографической текстуры в ходе сверхпластического деформирования сплава 7.п-22%А1 с субмикронным размером зерен; представлены результаты исследования анизотропии модуля Юнга в УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, и КК Си после холодной прокатки и низкотемпературного отжига; исследованы возможные причины формирования анизотропии напряжения течения в холоднокатаной и отожженной УМЗ Си, полученной РКУ прессованием.

5.1. Представленные в данном параграфе результаты экспериментальных исследований показали, что деформационное поведение УМЗ Си и N1 существенным образом отличается от поведения соответствующих КК материалов. Это выражается в присущем УМЗ материалам отсутствии деформационного упрочнения, относительно выраженной скоростной чувствительности напряжения течения, нестабильности по отношению к низкотемпературному отжигу. Данное поведение, по-видимому, обусловлено сформировавшейся в ходе ИПД дефектной структурой.

С другой стороны, с помощью компьютерного моделирования показано, что механизмами сверхпластической деформации СМК сплава 2п-22%А1 в различных скоростных интервалах являются кристаллографическое скольжение по различным системам скольжения и зернограничное проскальзывание. Процессы текстурообразовакия в результате кристаллографического скольжения сопровождаются хаотичным поворотом зерен вследствие зернограничного проскальзывания.

5.2. В данном параграфе представлены результаты определения величины и анизотропии модуля Юнга в полученной РКУ прессованием УМЗ Си после холодной прокатки и последующего низкотемпературного отжига. Проведен поиск взаимосвязи между исследованными свойствами и структурными характеристиками указанных состояний. Оказалось, что в целом значения модуля Юнга, соответствующие УМЗ Си, существенно ниже, чем в случае КК Си. Кроме того я холоднокатаном состоянии анизотропия модуля Юнга в УМЗ Си выражена существенно слабее, чем в КК Си. При этом характер кристаллографических текстур в обоих состояниях подобен, хотя интенсивность текстурных максимумов выше в случае УМЗ Си. Представленные результаты свидетельствуют о существенной роли неравновесного состояния границ зерен, помимо кристаллографической текстуры, в формировании уровня и анизотропии модуля Юнга в холоднокатаной УМЗ Си.

5.3. ИПД является перспективным методом получения УМЗ структуры, основными преимуществами которого являются возможность получения массивных образцов со 100% плотностью, годных для проведения механических испытаний. Тем не менее, до настоящего времени основным методом исследования прочностных свойств УМЗ . материалов в силу малых размеров получаемых образцов остаются методы измерения микротвердости. Изготовление миниатюрных образцов для механических испытаний требует значительных усилий и поднимает вопрос о достоверности получаемых результатов. Тем не менее, вопросы масштабирования и промышленного применения изделий из материалов с УМЗ структурой стоят на повестке дня. В данной ситуации важной представляется возможность прогнозирования прочностных свойств заготовок с УМЗ структурой. Этот вопрос и решался в настоящем параграфе.

Для решения поставленной задачи на основе теории Тейлора рассчитали характер анизотропии фактора Тейлора и соответственно напряжения течения для случаев модельных ФРО, характеризующихся текстурными компонентами холоднокатаной и отожженной УМЗ Си. Результаты моделирования сопоставили с результатами предварительных исследований с использованием миниатюрных образцов то методике и на оборудовании, разработанным в Уральском государственном

техническом университете под руководством профессора А. А. Попова и при участии доцента И. Ю. Пышминцева.

Проведенный эксперимент показал что, что характер анизотропии прочностных свойств в плоскости прокатки холоднокатаной УМЗ Си, полученной РКУ прессованием, довольно сложен. При этом, качественно характеру сформировавшейся кристаллографической текстуры соответствует анизотропия временного сопротивления, общего удлинения, равномерного удлинения и условного напряжения отрыва. В то же время напряжение течения, измеренное под углом 90° к направлению прокатки, не вписывается в предсказываемый характер анизотропии для такого типа кристаллографической текстуры, что указывает на существенную роль специфической дефектной структуры, сформировавшейся в УМЗ Си.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.

В настоящей работе проведены комплексные экспериментальные рентгеноструктурные исследования ряда УМЗ материалов, полученных интенсивной пластической деформацией. При этом использовался подход, включающий в себя анализ общего вида рентгенограмм, в том числе относительной максимальной интенсивности, формы профиля, положений центров тяжести рентгеновских пиков и интегральной интенсивности диффузного фона рассеяния рентгеновских лучей, и развитие методов аттестации структуры и анализа кристаллографической текстуры с помощью которых были определены различные структурные параметры, такие как размер зерен-кристаллитов, микроискажения, параметр, атомные смещения из узлов идеальной кристаллической решетки, преимущественная ориентация зерен.

Интерпретация полученных результатов произведена с помощью компьютерного моделирования рентгенограмм в рамках кинематической теории рассеяния рентгеновских лучей.

Полученные данные использованы для развития структурной модели УМЗ материалов, базирующейся на представлениях о неравновесных границах зерен, содержащих внесенные зернограничные дислокации.

Указанный выше подход использован для исследования закономерностей формирования УМЗ структуры и ее эволюции при холодной прокатке и низкотемпературном отжиге. Также исследована роль УМЗ структуры, полученной интенсивной пластической деформацией, в деформационном поведении и

формировании уровня и анизотропии упругих и прочностных свойств ряда чистых металлов и сплавов.

На основании полученных экспериментальных результатов и данных компьютерного моделирования сделаны следующие основные выводы:

1. Рентгенограммы УМЗ материалов, подученных интенсивной пластической деформацией, обладают общими характерными чертами, выражающимися в изменении относительной максимальной интенсивности, формы профиля, положений центров тяжести рентгеновских пиков, а также повышенной интегральной интенсивности диффузного фона рассеяния, по сравнению с рентгенограммами соответствующих КК материалов.

2. С помощью разработанных для анализа структуры ультрадисперсных материалов пакетов компьютерных программ показано, что линейная версия метода Уоррена-Авербаха наиболее применима для расчета таких важнейших параметров какими являются размер зерен-кристаллитов и микроискажения кристаллической решетки. Возможными причинами установленных различий в размерах зерен-кристаллитов и плотности дислокаций, определенных методами РСА и ПЭМ, являются особенности применяемых методов и специфическая дефектная структура с развитыми поверхностями раздела. Кроме того, для УМЗ материалов, полученных ИПД, характерны повышенные значения атомных смещений из узлов идеальной кристаллической решетки.

3. Интерпретация результатов структурной аттестации ультрадисперсных материалов с помощью компьютерного моделирования рентгенограмм на основе кинематической теории рассеяния рентгеновских лучей позволила установить, что экспериментально наблюдаемые особенности рентгенограмм УМЗ материалов, полученных интенсивной пластической деформацией, согласуются с представлениями о неравновесной структуре границ зерен, обусловленной внесенными зернограничными дислокациями высокой плотности. Полученные экспериментальные данные и результаты компьютерного моделирования позволили развить структурную модель УМЗ материалов, полученных ИПД.

4. Для описания кристаллографических текстур разработан пакет компьютерных программ, реализующий процесс вычисления функций распределения кристаллографических ориентировок, исходя из неполных полюсных фигур. С помощью неполных полюсных фигур и функций распределения кристаллографических ориентировок, полученных с помощью данного пакета компьютерных программ, описаны кристаллографические текстуры, формирующиеся при интенсивной

пластической деформации кручением под высоким давлением и равноканальным угловым прессованием, а также последующей холодной прокатке и низкотемпературном отжиге.

5. Развиты подходы к интерпретации результатов экспериментальных исследований кристаллографической текстуры с помощью компьютерного моделирования процессов текстурообразования при пластической деформации. В качестве возможных механизмов текстуробразования рассмотрены кристаллографическое скольжение по различным системам скольжения и двойникование. В частности, на примере СМК сплава 2п-22%А1 установлен различный характер кристаллографического скольжения в различных температурно-скоростных интервалах сверхпластической деформации.

6. Используя методы рентгеноструктурного анализа, исследованы закономерности формирования УМЗ структуры в чистой Си, полученной кручением под высоким давлением, равноканальным угловым прессованием и консолидацией измельченного в шаровой мельнице порошка ИПД. Установлено, что характер формирующейся структуры определяется как исходным состоянием, так и схемой и степенью интенсивной деформации. Проанализированы закономерности эволюции УМЗ структуры при последующей холодной прокатке и низкотемпературном отжиге.

7. Показано, что консолидация интенсивной пластической деформацией измельченного в шаровой мельнице порошка Си приводит к особому виду рентгенограммы, характеризующейся единственным интенсивным, сильно уширенным рентгеновским пиком. Для данного состояния характерны чрезвычайно малый размер зерен, высокий уровень микроискажений и значительные атомные смещения, что указывает на формирование квазиаморфной структуры.

8. Полученные данные о структуре и ее эволюции при нагреве использованы для анализа деформационного поведения УМЗ Си и исследованных в широком диапазоне скоростей деформации при комнатной и более низких температурах. Установлено, что особенности механического поведения (высокие значения предела текучести, отсутствие деформационного упрочнения и другие) обусловлены не только малым размером зерен, но и дефектной структурой границ зерен.

9. Опираясь на полученные текстурные данные, а также результаты компьютерного моделирования, прослежена взаимосвязь между структурой УМЗ металлов, с одной стороны, и уровнем и анизотропией их упругих и прочностных свойств, с другой стороны. Установлено, что обнаруженные в УМЗ Си изменение уровня и характера анизотропии модуля Юнга и напряжения течения зависят как от

:ристаллографической текстуры, так и от особенностей дефектной структуры «следованных образцов.

Полученные в настоящей работе результаты развивают новое научное управление "Дифракционные методы исследования ультрадисперсных материалов", асширяют представления об особенностях структуры ультрамелкозернистых [атериалов и важны для объяснения характерных для них необычных механических войств.

Разработанные в ходе выполнения данной работы подходы к анализу структуры пьтрадислерсных материалов и пакеты компьютерных программ внедрены в ряде «бных и научных учреждений как в нашей стране, так и за рубежом, что указывает на гпосредственную практическую значимость данной диссертационной работы.

Результаты диссертации опубликованы в следующих основных работах:

Александров И. В., Кайбышев О. А. Изучение текстур при помощи функции распределения кристаллографических ориентировок // Завод, лаб. 1978. Т, 44, № 3. С. 286-289.

СтарцеваТ. В., Кайбышев О. А., Александров И. В. Методика определения функции распределения кристаллографических ориентировок кубических металлов //Завод, лаб. 1979. Т. 45, № 4. С. 334-338.

Александров И. В., Кайбышев О. А. Моделирование текстур металлов с ГЦК решеткой на электронновычислительной машине // ФММ. 1981. Т. 52, вып. 1.С. 112118.

Александров И. В., Кайбышев О. А. Моделирование на ЭВМ процессов тексгурообразования при пластической деформации в металлах с ГЦК и ГПУ решеткой // ФММ. 1982. Т. 54, вып. 4. С. 818-821.

Kaibyshev О. A., Kazachkov I. V., Alexandrov I. V. The investigation of texture formation during superplastic deformation of the Zn-22%Al alloy // Acta Metall. 1984. 1984. Vol. 32, № 4. P. 585-589.

Александров И. В., Кайбышев О. А. Методика моделирования на ЭВМ процессов гекстурообразования при пластической деформации // Завод, лаб. 1984. Т.50, № 9. С. 43-46.

Александров И. В., Александрова М. В., Валиев Р. 3., Зелин М. Г. Моделирование шсокоскоростной деформации поликристаллов на ЭВМ. Уфимский авиационный шетитут. Уфа, 1984. 21 с. Деп. в ВИНИТИ, 13.05.85, Ks 1169 - 85.

8. Александров И. В., Валиев Р. 3., Зелин М. Г. Исследование влияния субструктуры на высокотемпературную деформацию методом моделирования на ЭВМ // Субструктурное упрочнение металлов и дифракционные методы исследования: Материалы конференций. Киев, Наукова думка, 1985: С. 68-69.

9. Alexandrov I. V., Davies G. J. Texture development in the ultrarapid annealing of cold-rolled copper and steel II Mater. Sci. Engin. 1985. Vol.75. L1-L4.

10. Александров И. В., Гайнуллин М. Р., Кайбышев Р. О. Автоматизация рентгеновского дифрактометра ДРОН-3 для съемки кристаллографических текстур // Завод, лаб. 1986. Т. 52, № 12. С. 38-39.

11. Александров И. В. Современные методы анализа текстур // Тез. докл. V Всес. конф. "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах." Уфа, 29 сентября - 1 октября 1987 г.Уфа, 1987: С. 6-7.

12. Александров И. В. Текстурообразование и анизотропия механических свойств в холоднокатаной меди при сверхбыстром отжиге// Тез. докл. V Всес. конф."Текстурь: и рекристаллизация в металлах и сплавах." Уфа, 29 сентября -1 октября 1987 г. Уфа •1987: С. 202-203.

13. Александров И. В., Старцева Т. В., Трофимова Е. В. Вычисление коэффициентов

а',"" и а',""" в математическом методе описания и анализа текстур // Завод, лаб. 1990. Т. 56, № 6. С. 72-76.

14. Александров И. В., Старцева Т. В. Расчет анизотропии обобщенного фактора Тейлора в меди на основе текстурных даннных. Институт проблем сверхпластичности металлов. Уфа. 1990. 12 с. Деп. в ВИНИТИ, 20.08.90. № 4685 -В90.

15. Мишин О. В., Александров И. В., Герцман В. Ю., Валиев Р. 3. Моделирование спектра границ зерен и кристаллографической текстуры при множественном двойниковании II Первый сборник трудов Ассоциации УТАН. Москва. Ассоциацю УТАН. 1990. С. 71-78.

16. Александров И. В., Старцева Т. В. Восстановление невоспроизводимой части функции распределения ориентировок в малоуглеродистой стали методом нулевой области. Институт проблем сверхпластичности металлов. Уфа, 1991.16 с. Деп. в ВИНИТИ, 30.09.91 № 3816 - В91.

17. Александров И. В., Гервасьева И. В., Гнесин Б. А., Кетов С. П., Куртасов С. Ф. Сравнение результатов расчетов ФРО по неидеальным полюсным фигурам в различных лабораториях II Завод, лаб. 1993. Т. 59, № 4. С. 38-41.

18. Zhilyaev А. P., Gertsman V.Yu., Mishin O.V., Pshenichnyuk A.I., Aleksandrov I.V.,

Valiev R.Z. Grain boundary misorientation spectra (GBMS) determined by real ODF in f.c.c. materials susceptible to annealing twinning II Acta Metall. Mater. 1993. Vol. 41, № 9. P. 2657-2665.

19. Zhilyaev A.P., Pshenichnyuk A.I., Danilenko V.N., Aleksandrov I.V., Valiev R.Z. Basic grain boundary misorientation spectra (GBMS) determined by real ODF in F.C.C.-polycrystals//Trans. Mat. Res. Soc. Jpn. 1994. Vol. 16B. P. 1377-1380.

20. Alexandrov I.V., Islamgaliev R.K., Gibadulin I.F., Valiev R.Z. X-ray investigations

of the ultra fine-grained materials // Materials Science Forum. 1994. Vols. 170-172. P. 153158.

21. Александров И. В., Валиев P. 3. Исследование нанокристаллических материалов методами ренттеноструктурного анализа // ФММ. 1994. Т. 77, вып. 6. С. 77-87.

22. Mishin О. V., Gertsman V. Yu., Valiev R. Z., Alexandrov I. V., Alyabyev V. M. Grain boundary character distribution and mechanical properties of austenitic stainless steels // Key Engin. Mater. 1994. Vols. 97-98. P. 177-182.

23. Valiev R. Z., Alexandrov I. V. Structure and properties of nanocrystalline materials prepared by severe plastic deformation // Intern. Workshop on Nanostructured Materials (IWNM'94). Shenyang, P.R. China, September 6-9, 1994: P. C-3.

24. Alexandrov I. V., Valiev R. Z. Nanocrystalline solids investigation by X-ray scattering simulation // Intern. Workshop on Nanostructured Materials (IWNM'94). Shenyang, P.R. China, September 6-9, 1994: P. 1-6.

25. Alexandrov I. V., Valiev R. Z. X-ray patterns simulation in texturized nanostructured copper // Proc. of the 2nd International Conference NANO-94. Stuttgart, Germany. October 3-7, 1994.

26. Alexandrov I. V., Valiev R. Z. X-ray patterns simulation in texturized nanostructured copper//Nanostructured Materials. 1995. Vol. 6. P.763-766.

27. Alexandrov I. V., Valiev R. Z. Role of crystallographic texture in nanocrystalline copper X-ray pattern formation // Abstracts of the Internationa! Workshop "Mathematical Methods of Texture Analysis". Dubna, Russia, March 21-24, 1995: P. 31.

28. Alexandrov I. V., Zhilyaev A. P., Gertsman V. Y., Pshenichnyuk A. I. A computer simulation study of the relation between grain boundary misorientation distribution and crystallographic texture II Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 1995. Vol. 3, № 1. P. 149-159.

29. Mishin О. V., Alexandrov I. V., Golubev О. V„ Greshnov V. M„ Valiev R. Z. Microstructure and mechanical properties of ultrafine-grained A1 prepared by severe plastic deformation // Proc. of the 9th Symposium on Metallography (Metallography '95), StaraLesna,Slovakia, April 26-28,1995: P. 315-318.

30. Кильмаметов А. Р., Пышминцев И. Ю., Александров И. В., Валиев Р. 3. Сравнительное исследование текстуры и анизотропии наряжения течения в чистой меди с различным размером зерна // Тезисы VII Междунар. семинара "Структура, дефекты и свойства нанокристаллических, ультрадисперсных и мультислойных материалов. Екатеринбург, Россия. 25-29 марта 1996: С. 104-104а.

31. Александров И. В., Валиев Р. 3. Рентгеноструктурный анализ и структурные характеристики нанокристаллических материалов // Тезисы VII Междунар. семинара"Структура, дефекты и свойства нанокристаллических, ультрадисперсных и мультислойных материалов. Екатеринбург, Россия. 25-29 марта 1996: С. 109-110.

32. Александров И. В., Серебряный В. Н., Сарварова Л. Н. Сравнительный анализ формирования анизотропии упругих свойств в меди при различных структурных состояниях // Тезисы VII Междунар. семинара "Структура, дефекты и свойства нанокристаллических, ультрадисперсных и мультислойных материалов. Екатеринбург, Россия. 25-29 марта 1996: С. 123-124.

33. Gray III G. Т., Lowe T. С., Cady С. M., Valtev R. Z., Aleksandrov I. V. Influence of strain rate and temperature on the mechanical response of ultrafme-grained Cu, Ni, and Al-4Cu-0.5Zr // Third International Conference on Nanostructured Materials (NANO-96), Kona, USA. July 8-12,1996. '

34. Alexandrov I. V., Zhang K., Lu К., Valiev R. Z. Comparative X-ray analysis of nanocrystalline materials, processed by severe plastic deformation // Third International Conference on Nanostructured Materials (NANO-96), Kona, USA. July 8-12,1996.

35. Alexandrov I. V. Valiev R. Z. Computer simulation of X-ray diffraction patterns of nanocrystalline materials II Philos. Mag. B. 1996. Vol. 73, № 6. P. 861-872.

36. Alexandrov I. V., Wang Y. D., Zhang K., Lu К., Valiev R. Z. X-ray analysis of textured nanocrystalline materials // The Eleventh International Conference on Textures of Materials (ICOTOM-11), Xi'an, China. September 16-20, 1996. P. 929-940.

37. Alexandrov I. V., Zhang K., Lu К. X-ray studies of crystallite size and structure defects • in ultrafine-grained copper // Matériaux à grains ultrafins. Arm. Chim. Fr. 1996. Vol. 21.

P. 407-416.

38. Zhang K., Alexandrov I. V., Valiev R. Z., Lu К.. The structural characterization of a nanocrystallite Cuby means of the X-ray diffraction//J. Appl. Phys. 1996. Vol. 80, № 10. P. 5617-5624.

39. Mishin О. V., Gertsman V. Y., Alexandrov I. V., Valiev R. Z. Grain boundary character distributions and mechanical properties of 304 stainless steel II Mater. Sci. Engin. 1996 A212. P. 281-283.

40. Valiev R.Z., Alexandrov I. V., Chiou W. A., Mishra R. S., Mukherjee A. K. Comparative structural studies of nanocrystalline materials processed by different techniques // Materials Science Forum. 1997. Vols. 235-238. P. 497-506.