Структура и свойства границ зерен в субмикрокристаллических материалах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

российская академияШаук

институт проблем сверхпласточнсжти металлов

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГРАНИЦ ЗЕРЕН В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ш

На правах рукописи

Уфа - 1995 г.

Работа выполнена в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Валиев Р.З.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Колобов Ю.Р.

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Кайбышев P.O.

Ведущая организация: Институт физики металлов УрО РАН г. Екатеринбург

Защита состоится 30 мая 1995 г. в 14 часов на заседании специализированно« совета K-003.9S.01 при Институте проблем сверхпластичности металлов РАР (450001, г.Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИПСМ РАН

Автореферат разослан ".

1995 г.

Ученый секретарь специализированного советг

кандидат технических наук Маркушев М.В.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для развития современной техник» требуется создание новых материалов, обладающих различными сочетаниями свойств. В последние годы интенсивно разрабатываются и исследуются полнкристаллические материалы с чрезвычайно малым размером зерен. Интерес к таким ультрамелкозернистым (нанокристаллическим и субмикрокристаллнческим) материалам обусловлен в первую очередь с тем, что они обладают специфическими физико-механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов с обычной мелкозернистой или крупнозернистой структурой. Это делает необходимым углубленное изучение ультрамелкозернистых материалов, определение физических закономерностей происходящих в них процессов, проведение тонких структурных исследований и установление связей между особенностями структуры и проявляемыми свойствами. Именно эти вопросы и стимулировали постановку данной работы. В настоящее время разработаны различные методы получения ультрамелкозернистых материалов, среди которых наиболее прогрессивными являются способы, использующие пластическую деформацию до очень больших степеней. Такие интенсивные деформации позволяют получить субмикрокристаллическне (СМК) материалы со средним размером зерен менее, чем 0,1 мкм.

Отличия свойств СМК материалов во многом связаны с увеличением протяженности границ зерен (ГЗ) в их структуре. С другой стороны, именно такая высокая плотность ГЗ, с учетом важной роли границ во многих протекающих в поликристалле процессах, позволяет представить СМК материалы в качестве модельных объектов для исследования свойств границ с помощью различных экспериментальных методов физики твердого тела.

Вместе с тем исследования последних лет дают основания полагать, что необычные свойства СМК материалов связаны с особым, неравновесным состоянием ГЗ. Представлешге о возможности перехода ГЗ в неравновесное состояние при взаимодействии с решеточными дислокациями хорошо разработано на основе исследований свойств ГЗ в поликристаллах, подверженных пластическим деформациям. Неравновесное состояние ГЗ характеризуется наличием

дальнодействующих упругих полей и связанной с ними повышенной энергией. В таких границах происходит ускорение диффузионных процессов, активизация зернограничного проскальзывания, повышается миграционная способность Г3ит.д. Неравновесные ГЗ играют также важную роль в реализации явления структурной сверхпластичности.

Исходя иэ условий получения СМК материалов, при использовании интенсивной пластической деформации, когда образующиеся ГЗ абсорбируют большое число решеточных дислокаций, можно предположить наличие неравновесных границ. Нодля доказательства этого необходимы тонкие структурные исследования.

Цель настоящей работы - определение структурного состояния ГЗ в СМК . материалах, полученных путем интенсивной пластической деформации, и установление закономерностей трансформации структуры границ при протекании релаксационных процессов в таких материалах.

В связи с этим задачами работы были

1. Используя методы электронной микроскопии высокого разрешения, оценить значения и распределения упругих деформаций кристаллической решетки зерна в приграничных областях материала.

2. Получить экспериментальные данные о кинетике структурных изменений при релаксационных процессах в СМК материале.

3. На основе сравнительного анализа деформационных условий и параметров мелкозернистого и СМК материала оценить поведение ГЗ ^о время деформационных процессов.

4. Оценить диффузионные свойства ГЗ в СМК материале исходя из экспериментальных данных о кинетике выделения дисперсных частиц вторых фаз по границам зерен.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

- впервые обнаружены сильные искажения кристаллической решетки в приграничных областях СМК никеля, полученного методом интенсивной пластической деформации. В этих областях наблюдаются дилатации кристаллической решетки с изменением параметров до 1-1,5%.

- впервые выявлен эффект изменения параметров разориентировок соседних зерен при "¡п-вки" нагреве фольг СМК алюминиевого сплава.

- обнаружены значительные сокращения размеров образцов СМК алюминиевого сплава при дилатометричесих измерениях в процессе изотермического отжига. Наблюдаемые дилатометрические изменения прямым образом коррелируют со структурными изменениями ГЗ.

- впервые обнаружен эффект "низкотемпературной" сверхпластичности алюминиевого сплава с СМК структурой.

- на основе анализа данных о кинетике роста зернограничных выделений в алюминиевом сплаве показаны зависимость скорости диффузии по ГЗ от степени неравновесности границ.

• Научная и практическая ценность. Полученные результаты вносят вклад в общее понимание структуры и свойств ГЗ в СМК материалах. Результаты исследований позволяют подвести основу для более строгого объяснения наблюдаемых свойств СМК материалов, поскольку указывают на особенности структуры не только самих границ, но и приграничных областей кристаллической решетки зерен. Установленные закономерности важны для понимания механизмов формирования СМК структур и могутбыть использованы для дальнейшего развития и разработки новых методов получения материалов этого класса.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту!

1. Экспериментальное доказательство наличия в СМК никеле упругих искажений кристаллической решетки зерен в приграничных областях. Источниками таких искажений являются неравновесныеГЗ в СМК материале, полученном методом интенсивной пластической деформации.

2.Экспериментальныеданныеоб изменении параметров разориентировокзерен при отжиге СМК алюминиевого сплава. ,

3. Результаты дилатометрических исследований при изотермическом отжиге СМК алюминиевого сплава, свидетельствующие о дилатации материала ввиду наличия неравновесных границ в СМК материале.

4. Эффект низкотемпературной сверхпластичности, обнаруженный в СМК алюминиевом сплаве.

5. Влияние структурного состояния ГЗ на процесс выделения дисперсных частиц избыточной фазы в алюминиевом сплаве и оценка диффузионных параметров границ в СМК.сплаве. .

Апробация результатов работы. Основные положения и .^результаты

диссертационной работы были представлены на II Всесоюзной конференции по структуре и электронным свойствам границ зерен (Воронеж, 1987), V Всесоюзной конференции по текстуре и рекристаллизации в металлах и сплавах (Уфа, 1987), XII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 1989), IV Всесоюзной конференции по сверхпластичности металлов (Уфа, 1989).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ. Список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов л списка литературы (181 наименование). Общий объем диссертации составляет страниц, включая страниц машинописного текста, рисунков, таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит характеристику актуальности диссертационной работы. Сформулирована цель работы и основные положения, выносимые на защиту. Отражена научная и практическая ценность выполненных работ.

Глава 1. ГРАНИЦЫ ЗЕРЕН В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ , МАТЕРИАЛАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) В первом разделе главы приведены современные представления о структуре границ зерен: кратко изложено развитие представлений о структуре ГЗ, рассмотрена кристаллогеометрия ГЗ и представлены различные модельные описания границ. Второй раздел посвящен обзору литературных данных о дефектной структуре границ зерен в реальных материалах. Рассмотрены различные аспекты взаимодействия границ зерен и решеточных дислокаций. Приведены экспериментальные данные и теоретические модели поглощения решеточных дислокаций границами зерен. Особое внимание уделено тому, что в результате поглощения решеточных дислокаций ГЗ переходят в неравновесное состояние, характеризующееся наличием у нее дальнодейств'ующихупругих полей и повышенной энергией. Анализируются общие представления о структуре и свойствах ГЗ в этом состоянии. Рассмотрены вопросы, касающиеся механизмов возврата неравновесных ГЗ.

В третьем разделе рассматриваются методы получения, особенности структуры и свойства субмикрокристаллических металлических материалов. Комплекс

необычных физико-механических свойств таких материалов во многом определяется чрезвычайно малыми размерами зерен (0,1+0.01 мкм) и большой протяженностью границ. Более того, исследования последних лет дают основания предполагать о существенной неравновесности ГЗ. Только из этих положений удпется объяснить изменения таких характеристик материала, которые считаются структурно нечувствительными (температура Кюри и Дебая, модули упругости кристаллической решетки). Однако для однозначного утверждения об особом состоянии ГЗ необходимы дальнейшие тонкие исследования структуры СМК материалов.

На основании обзора и анализа литературы в четвертом разделе сформулированы цель и задачи исследования.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В качестве материалов исследований были взяты сплавы алюминия: А1-4%Си-0,5%гги промышленный сплав В93ПЧ. Выбор обусловлен следующими причинами: во-первых, в сплавах алюминия сравнительно легко удается получить стабильную СМК структуру: во-вторых, алюминиевые сплавы удобны для электронной микроскопии, поскольку они обладают достаточно большой величиной экстинкционной длины, что позволяет исследовать относительно толстые участки фольг; в-третьих, свойства этих сплавов с мелким и крупным размером зерен хорошо изучены, что позволяет провести сравнительный анализ этих свойств для СМК сплавов.

Промышленный термоупрочняемый сплав В93П4был выбран в связи с тем, что в начальные периоды искусственного старения происходит выделение дисперсных частиц избыточной фазы (Мв2п3) преимущественно по ГЗ. Это свойство использовалось для определения влияния состояния ГЗ на скорость роста частиц.

Электронная микроскопия высокого разрешения проводилась в чистом никеле (99,97%№), что позволило исключить влияние примесей на структуру кристаллической решетки зерен. К тому же, в чистом никеле, в отличие от чистого алюминия, удается получить стабильную СМК структуру.

Для получения СМК структуры использовался метод сдвига под квазигндростатическим давлением (Р=б ГПа) до истинных логарифмических степеней деформации е=7 (метод наковален Бриджмена).

Электронно-микроскопические исследования проводились. ч с помощью

\

J

электронных микроскопов ТевЬ ВБ-540 и ЛЕМ-2000 ЕХ.

Дилатометрические исследования проводились при изотермических выдержках образцов СМК сплава (температура поддерживалась с точностью до 0,5°С). Емкостном дилатометр обладал чувствительностью 10"8 м, и точность измерения относительных сокращений образцов составила 0,6% от измеряемой величины.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ.

Данная глава посвящена результатам электронно-микроскопических исследовании "структуры субмикрокристаллических металлических материалов, полученных методом интенсивной пластической деформации при комнатной темп.ературе. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) является одним из наиболее информативных методов исследования таких структур. В первом разделе приведены результаты ПЭМ исследования' сплава Al-4%Cu-0,596Zr с СМК структурой.

В алюминиевом сплаве после интенсивной пластической деформации е=7 образуется структура зеренного типа со средним размером около 0,1 мкм. После деформации материал остается сплошным, без пор, зерна достаточно однородны по размерам вдоль всего образца и имеет равноосную форму. В большинстве зерен дислокации отсутствуют и только в некоторых наблюдаются отдельные, единичные дислокации. Необходимо отметить, что ПЭМ изображение имеет достаточно сложный контраст, который весьма схож с контрастом изображений кристаллических структур со значительными статическими упругими искажениями решетки.

К характерным особенностям структуры необдодимо отнести два момента. Первое, несмотря на отсутствие дислокаций внутри большинства зерен, наблюдаются контуры экстинкций, свидетельствующие о высоких упругих напряжениях, источниками которых (при отсутствии дислокаций структуры), очевидно, являются межзеренные границы. Второе, дифракционный контраст изображения границ сильно отличается от типичного полосчатого контраста большеугловых границ зерен в хор.ошо отожженных материалах. Изображениетаких границ во всех зернах, как правило, состоит из одной светлой и двух темных размытых полос и практически не зависит от угла наклона образца. Такой вид

\

"диффузного" контраста связан с упругими напряжениями на границах. Отметим, что такой вид ПЭМ изображения ГЗ, а также наличие упругих деформаций зерен характерно для неравновесных границ и наблюдается, например, при поглощении . границами большого количества решеточных дислокаций. .

Однако для убедительного доказательства того, что источниками упругих напряжений являются ГЗ, необходимы прямые результаты. С этой целью было проведено электронно-микроскопическое исследование прямого разрешения кристаллической решетки СМК никеля со средним размером зерен 0,05 мкм.

В практике ПЭМ поликристаллических материалов достаточно часто встречаются картины муара, формирующиеся при наложении плоскостей двух кристаллических решеток. Картины муара позволяют наиболее наглядно выявить небольшие искажения кристаллических решеток зерен. Даже малые по величине искажения решеток приводят к большим изменениям картины муара. Такая чувствительность муаровых картин используется в практике электронной микроскопии высокого разрешения для определения малых по величине смещений. Для этих целей используют картины искусственного муара, получаемые при наложении специальной сетки на изображение атомных плоскостей в электронных микрофотографиях. Специальная сетка имеет строго параллельные и периодические линии с периодом близким к изображению плоскостей кристаллической решетки. Этот метод был применен в данной работе.

Кристаллическая структура никеля имеет ГЦК решетку с постоянной 0,352 нм. Высокоразрешающая электронная микроскопия позволила получить изображения плоскостей {111} с межплоскостным расстоянием <3|Ж)=0,203 нм. По изображениям атомных плоскостей можно различить соседние зерна, кристаллографическая ширина границ между ними не превышает 0,6 нм, но о структуре самих границ судить трудно.

Отметим, что для получения удовлетворительных картин муара необходимо как хорошее разрешение линий изображения кристаллической решетки, так и совершенство используемой сетки. Образовавшееся при наложении сетки изображение показало заметную разницу картины муара в центре зерен и в приграничных областях, где наблюдаются искривления муаровых линий. Угол искривления составляет 10"-15", что соответствует изгибу плоскостей решетки на угол около 2°.

Сходные наблюдения искусственных муаровых линий были проведены в 10 зернах СМК никеля. Наблюдаемые искривления менялись как по знаку (положительные или отрицательные изменения по сравнению с ориентацией муаровых полос внутри зеона), так и по величине. Необходимо отметить, что существенные искривления линий муара всегда наблюдалисьтолько в приграничной области шириной 6-10 нм. Вдали от границ зерен такие искривления муаровых полос не обнаружены и в центре зерен они оставались прямолинейными и параллельными.

Полученные результаты показывают, что кристаллическая решетка зерна СМК никеля неодинаково деформирована на различных участках. Это указывает на возможность существования зон сжатия и растяжения вблизи границ, аналогично тому как существуют такие зоны у дислокаций. Для проверки такого предположения были непосредственным образом измерены значения межплоскостного расстояния на различных участках прямого изображения плоскостей кристаллической решетки. Такие методы изучения особенностей кристаллической решетки достаточно хорошо

разработаны и, измеряя участки, содержащие большое число линий изображения плоскостей можно получить точность лучше 0,5%. На рис.1 приведены графики изменения межплоскостного расстояния (в процентах) как функции расстояния от границы зерна. Эти две кривые получены для двух различных зерен. В целом было проделано 14 подобных измерений, и они показали, что в приграничной области СМК никеля существуют как области сжатия, так и растяжения. Области эти расположены только вблизи ГЗ и дилатации кристаллической решетки здесь могут иметь значения до 1,5%. Такие области для границ зерен прежде не наблюдались.

.Таким образом, представленные результаты однозначно указывают на наличие в СМК материале искажений кристаллической решетки в приграничных областях,

-2.0

Рис.1 Изменение растояния.

межплоскостного

локализованных в слое толщиной 3-5 нм. Существование высоких приграничных искажений решетки зерна может быть объяснено исходя из неравновесности границ зерен в СМК материалах. Характерным признаком отличия равновесных границ от неравновесные является наличие у последних дальнодействующих полей упругих напряжений вследствие присутствия в них внесенных зернограничных дислокаций. С другой стороны, интенсивная пластическая деформация при достаточно низких температурах формирующая СМК структуру материала, может привести к тому, что в образующихся ГЗ будут содержаться дислокации с большой плотностью. Поэтому приведенные в данной главе результаты могут быть рассмотрены как прямое доказательство того, что в исследованном СМК материале ГЗ находятся в неравновесном состоянии и они вызывают значительные упругие искажения в приграничном слое зерен.

Глава 4. ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ.

Для изучения закономерностей структурных изменений ГЗ при нагреве СМК материала проводили "¡п-вйи" отжиг тонкой фольги сплава А1-4%Си-0,5%гг в колонне электронного микроскопа. На выбранном участке фольги сплава после интенсивной деформации (е=7) определяли разориентировки зерен на четырех* границах. Затем образец дважды отжигали при температуре 160°С в течение 2 минут и наблюдали за структурными изменениями. После каждого отжига повторно определяли разориентировки выбранных зерен. Для определения разориентировок использовали метод одиночных рефлексов, который позволяет определить ориентировку каждого зерна. Использование этой особенности метода сделало возможным определение изменения ориентации выбранных зерен относительно предыдущего положения после каждого отжига. Определение кристаллографических характеристик ГЗ показало, что после каждого отжига границы меняют свою разориентировку. Связано это с поворотами зерен. По величине повороты не превышали 1,5"^2,5°. В ходе отжига наблюдали некоторую миграцию ГЗ, хотя заметного роста зерен не происходило (размеры зерен не превышали 0,3 мкм).

Известно, что каждое из наблюдаемых в данном эксперименте явлений: миграция границ, зернограничное проскальзывание, связанное с поворотами зерен, изменение разориентаций границ, - являются путями релаксации неравновесных

[ !

границ и имеют дислокационную природу. Отличием проявления возврат, неравновесных ГЗ в СМК структуре, по-видимому, является комбинированно! протекание этих процессов.

Как уже было показано, для СМК структур характерны искаженш кристаллической решетки в приграничных зонах. Это достаточно объемные области, эффекты в которых могут иметь макроскопические проявления, и они. были обнаружены при дилатометрических исследованиях.

Дилатометрические исследования показывают уменьшение линейныхразмеров свежеприготовленных образцов СМК алюминиевого сплава в ходе изотермических отжигов. Относительные изменения размеров образцов в зависимости от времени выдержки при различных температурах приведены на рис.2. Это монотонные кривые

Рис.2 Сокращение длины образцов СМК сплава.

1/Т, К"' хТО"1

Рис.3 Температурная зависимость скорости сокращения длины образцов.

с насыщением по мере продолжительности выдержки. Повышение температуры выдержки увеличивает проявляемый эффект. Скоростьсокращения максимальна на начальном периоде отжига. Температурная зависимость этой скорости приведена на рис.3 и имеет явный термоактивационный характер.

Электронно-микроскопнческие исследования показывают стабильный размер зерен 0,1 мкм до н после отжига вплоть до 100°С, когда произошел некоторый рост зерен до 0,17.мкм. По-видимому, этим объясняется особенность хода кривой для

отжига при 100°С. В процессе отжига происходит снятие упругих напряжений, что видно из уменьшения числа экстинкционных контуров в зернах.

Анализ данных дилатометрических измерений и структурных изменений показывает, что дилатометрические эффекты не могутбыть объяснены уменьшением избыточной концентрации вакансий или изменением свободного объема границ. Наиболее реальное объяснение наблюдаемого эффекта связано с увеличенным объемом материала в. приграничных областях СМК сплава после интенсивной деформации, которое уменьшается при отжиге. Такое представление хорошо коррелирует с результатами прямых наблюдений кристаллической решетки СМК никеля.

Экспериментальные данные о релаксационных явлениях в СМК алюминиевом сплаве, несмотря на свою разноплановость, тесно связаны с различными аспектами возврата неравновесных ГЗ. Они могут быть проанализированы в рамках единого подхода, когда неравновесность ГЗ связана с наличием в них внесенных дислокаций высокой плотности. Тогда уход этих дислокаций из ГЗ при отжиге должен вызвать изменения разориентаций зерен. С другой стороны, дислокации, если учесть связанные с ними нелинейные эффекты упругости, вносят в материал избыточный объем. Оценочные расчеты показывают, что величины дилатометрических эффектов и изменений разориентаций зерен связаны с одинаковой плотностью зернограничных дислокаций.

Таким образом, эти эффекты являются различными проявлениями одного процесса - возврата структуры неравновесных ГЗ в СМК алюминиевом сплаве. В этом случае , полученные при дилатометрических исследованиях кинетические кривые, по-видимому, представляют кинетику возврата неравновесных ГЗ.

Глава 5. ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ И ДИФФУЗИОННЫЕ

СВОЙСТВА

СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

Влияние неравновесностн ГЗ наиболее наглядно отражается на деформационных и диффузионных свойствах поликристалла. Эти свойства тесно взаимосвязаны при сверхпластическрй (СП) деформации материала. В данной главе приведены результаты изучения деформационного поведения СМК алюминиевого сплава и представлены особенности диффузионных процессов в ГЗ.

Для механических испытаний при комнатной температуре были взяты два состояния СМК сплава AS-4%Cu-0,5%Zr. Первое - сразу после интенсивной пласической деформации (е=7) и второе - после дополнительного отжига при температуре 160°С я течение 1 часа. Такой отхпг, как показала электронная микроскопия, привел к снятию упругих напряжений в зернах, границы приобрели обычный для большеугловых ГЗ полосчатый контраст. Средний размер зерна не превышал 0,3 мкм.

Наличие в первом состоянии значительных внутренних напряжений приводит к двум основным эффектам: некоторому повышению уровня напряжений течения и очень низкой пластичности (2-3%) в сравнении со вторым состоянием (-11%). Но полной релаксации структуры во втором состоянии материала, по-видимому, не произошло. На это указывает отсутствие при деформации выраженного деформационного упрочнения.

Наиболее значительными проявлениями неравновесносга границ является СП деформация материла. Обнаружено, что сплав со средним размером зерен 0,3 мкм проявляет типичные признаки СП при температуре 220°С. В таблице 1 Приведены условия и параметры СП деформации сплавов с двумя размерами зерен (данные о сплаве со средним размером зерен 8 мкм взяты из статьи Валиев Р.З., Кайбышев O.A., Корзникова Г.Ф., Ценев Н.К., ФММ, 1986, т.62, вЫп.1, С.180-186).

Таблица 1

Условия и параметры сверхпластической деформации сплава Al-4%Cu-0,5%Zr с размером зерен 8 мкм У, 0,3 мкм!

d, мкм t, °С ¿,10-4 с'1 / о, кг/мм2 т= dlno dlni s, %

8 500 3 13 0,5 800

0,3 220 1 27 0,48 ' 250

Параметры СП деформации и данные о структурных изменениях позволяют предположить, что в обоих случаях проявляется общая феноменология процесса.

Исходя из уравнений, описывающих СП течение, представить наблюдаемое снижение температуры деформации как эффект уменьшения размера зерен не удалось. Оценочное сравнение показывает, что природа такой "низкотемпературной" СП деформации заключается в более активных, чем в мелкозернистом сплаве, диффузионных процессах по ГЗ и коэффициент зернограничной диффузии оказывается повышенным на 1,5 порядка. Результаты такого анализа указывают на необходимость.дополнительных исследований диффузионных явлений по ГЗ.

. Такие исследования были проведены на промышленном алюминиевом сплаве В93ПЧ. Для определения влияния неравновесности ГЗ на скорость выделения зернограничных дисперсных частиц избыточной фазы были взяты два состояния крупнозернистого сплава с размером зерен 15 мкм. Первое состояние после закалки. Во втором состоянии, с целью создания неравновесной структуры ГЗ, была проведена дополнительная холодная деформация на 2%, которая позволила ввести в ГЗ решеточные дислокации. Размытие введенных в ГЗ дислокаций происходит в процессе отжига при температуре 90°С. Выпадение частиц избыточной фазы в обоих состояниях начинается в процессе отжига при температуре 130°С: В таблице 2 приведены данные о кинетике этого процесса. Видно, что рост частиц более активно происходит во втором состоянии. Аналогичные исследования были проведены в сплаве с СМК структурой. ' - • '

Таблица 2

Зависимость доли границ зерен, содержащих дисперсные частицы (а), и объемной доли зернограничных выделений 03) в ависимости от времени отжига при 130°С.

Состояние Время отжига (мин)

30 60 90

ß(%) . о(%) ß(%) ß(%)

Исходное 0 0 25 1 75 10

Исходное +2% хол.деф. 18 6 65 11 100 14

Исходя из данных о росте зернограничных частиц была проведена сравнительная оценка диффузионной активности ГЗ в двух состояниях крупнозернистого сплава. Холодная деформация на 2% приводит к повышению коэффициента зернограничпой диффузии на один порядок. Сравнение данных по росту зернограничных частиц в первом состоянии крупнозернистого и СМК сплава показывает, что коэффициент диффузии по ГЗ возрастает на два порядка. Это косвенным образом еще раз указывает на существенную неравновесность ГЗ в СМК материалах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Методами просвечивающей электронной микроскопии выявлены характерные особенности структуры субмикрокристаллических металлов, полученных посредством интенсивной пластической деформации. Они заключаются втом, что при отсутствии дислокационной субструктуры внутри зерен наблюдаются экстинкционные контуры, свидетельствующие о высоких значениях упругих напряжений. Источниками этих напряжений являются ГЗ. Для электронно-микроскопических изображений ГЗ характерен особый, "диффузный" контраст, что указывает на сильную неравновесность структуры ГЗ в металлах с СМК структурой.

2. Изучение картин муара на изображениях плоскостей кристаллической решетки СМК никеля дает доказательство существования упругих искажений кристаллической решетки в приграничных областях шириной 6-10 нм. По величине искажения эквивалентны упругим деформациям 1-3%. В таких приграничных областях обнаружены зоны сжатия и растяжения кристаллической решетки с изменениями параметров в 1-1,5%. .

3. Выявлены изменения параметров разориентировокзерен входе "¡п^Ш" отжига фольг СМК алюминиевого сплава с неравновесными ГЗ. Наблюдения за изменениями структуры входе отжига показывают, что возврат ГЗ в СМКматериале связан с комбинированным проявлением процессов миграции границ, зернограничного проскальзывания и изменения разориентаций зерен.

4. Проведенные дилатометрические исследования свидетельствуют, что сокращение размеров образцов, наблюдаемое при нагреве алюминиевого сплава с СМК структурой, "прямо коррелирует с изменением структуры ГЗ, связанным с переходом неравновесных границ в более равновесное состояние. Оценка

дилатометрических изменений показывает, что эти изменения связаны с трансформацией упругодеформированной тонкой приграничной области кристаллической решетки зерна с увеличенным, в сравнении с телом зерен, межатомным расстоянием.

5. Экспериментально обнаружен эффект проявления СП деформации алюминиевого сплава Al-4%Cu-0,5%Zr с СМК структурой при температуре на 280°С ниже чем в сплаве с обычным размером зерен. Это можно определить как эффект низкотемпературной сверхпластичности.

6. Неравновесная структура ГЗ алюминиевого сплава, связанная с размытием захваченных решеточных дислокаций, приводит к ускоренному выделению дисперсных частиц по границам в процессе искусственного старения. Причиной этого, по данным о кинетике роста зернограничных выделений, является активизация зернограничной диффузии. Изучение зернограничных выделений в сплаве с .субмикронным размером зерен показало чрезвычайно высокую диффузионную проницаемость ГЗ, что является результатом существенной неравновесности ГЗ в таких материалах.

Основное содержание диссертации-опубликовано в работах:

1. Валиев Р.З., Мусалимов Р.Щ. Электронная микроскопия высокого разрешения нанокристаллнческнх материалов //ФММ.- 1994,- т.78, вып.6,- С.114-121.

2. ЭлеКтронно-мнкроскоппческое исследование границ зерен в алюминиевом сплаве с субмикронным зерном / Р.З.Валиев, В.Н.Даниленко, Р.Ш.Мусалимов, О.В.Образцов // Сборник научных трудов "Электронная микроскопия и прочность материалов" - Киев, 1991.-С.95-104. '

3.Musalimov R.Sh., Valiev R.Z. Dilatometric analysis of aluminium ailoy ,with submicrometre grained structure // Scripta Met.- 1992.- V.27.- P.1685-1690.

4. Мусалимов P.III., Валиев Р.З. Дилатометрические исследования алюминиевого сплава с субмикрозернистой структурой // ФММ.- 1992.- No 9.- С.95-100.

5. Низкотемпературная сверхпластичность металлических материалов / Р.З.Валиев, О.А.Кайбышев, Р.И.Кузнецов, Р.Ш.Мусалимов, Н.К.Ценев //Док. АН .СССР,- 1988.-t.301, No 4,- С.864-866.

6. Valiev R.Z., Musalimov R.Sh., Tsenev N.K. The non-equilibrium state of grain boundaries and the grain boundary precipitations in aluminium alloys // Phys. Stat. Sol.(a).- 1989.- V.115.- P.451-457.

7. Валкеп P.3., Мусалимов Р.Ш., Ц"нев H.K. Влияние неравновссности структуры границ зерен на образование зернограничных выделений в сплаве В93 // Сборник научных трудов "Структура и свойства внутренних границ раздела в металлах и полупроводниках" - Воронеж, 1988,- С.25-28.