Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов 2.7. интенсивная пластическая деформация Весьма привлекательным способом получения компактных нано- и субмикрокристаллических материалов является интенсивная пла- стическая деформация (ИПД). В основе этого метода лежит формиро- вание сильно фрагментированной и разориентированной структуры c большеугловыми (высокоугловыми) границами между зернами, имеющей признаки рекристаллизованного аморфного состояния. ИПД применима в основном к пластически деформируемым мате- риалам. Для достижения больших деформаций материала исполь- зуются различные методы: кручение под квазигидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование, прокатка, все- сторонняя ковка. Сущность этих методов заключается в многократ- ной интенсивной пластической деформации сдвига обрабатывае- мых материалов, при этом достигается истинная логарифмическая степень деформации e от 4 до 7. Использование интенсивной пла- стической деформации позволяет наряду с уменьшением среднего размера зерен получить массивные образцы с практически беспори- стой структурой материала, чего не удается достичь компактирова- нием нанопорошков. Для этих методов существует ряд требований: преимуществен- ное формирование ультрамелкозернистых структур с большеугло- выми границами между зернами (именно в этом случае наблюда- ются качественные изменения свойств материалов), необходимость обеспечения стабильности свойств материала за счет однородного формирования наноструктур по всему объему материала, отсутствие механических повреждений и трещин, несмотря на интенсивное пла- стическое деформирование материала. Эта группа методов позволяет получать объемные беспористые металлические наноматериалы. Сле- дует, однако, отметить, что диапазон размеров зерен материалов, по- лучаемых рассматриваемыми методами, часто превышает 100 нм, т. е. формально многие из этих материалов уже нельзя считать наномате- риалами. Структура, получаемая при интенсивной пластической де- формации, отличается сильной неравновесностью из-за малой плот- ности свободных дислокаций и преимущественно большеугловым характером границ зерен. Поэтому для обработанных изделий при- меняют дополнительную термообработку или дополнительное пла- 121 2.7. интенсивная пластическая деформация стическое деформирование при повышенных температурах и боль- шой степени деформации. Отжиг нанокристаллических материалов приводит к эволюции их микроструктуры, которую условно можно разделить на два этапа. На первом этапе в результате отжига при температуре, составляющей примерно одну треть температуры плавления, происходит релаксация напряжений, переход границ зерен из неравновесного в более рав- новесное состояние и незначительный рост зерен. Дальнейший рост температуры отжига или увеличение его длительности вызывают со- бирательную рекристаллизацию, т. е. укрупнение зерен. Первый этап отжига хорошо виден при измерении микротвердости пластически деформированных материалов, таких как Cu, Pd и Ti. В процессе пластической деформации повышается плотность дис- локаций, происходит измельчение зерна, возрастает концентрация то- чечных дефектов и дефектов упаковки. Совокупность этих изменений способствует образованию специфической микроструктуры. Основ- ные закономерности формирования структуры в процессе пластиче- ской деформации определяются сочетанием параметров исходного структурного состояния материала и конкретными условиями дефор- мирования, а также механикой процесса деформации. При прочих равных условиях основная роль в формировании структуры и свойств материала принадлежит механике процесса де- формации: если она обеспечивает однородность напряженного и де- формированного состояния по всему объему материала, то процесс деформации является наиболее эффективным. Основной особенно- стью структуры субмикрокристаллических материалов, полученных деформационными методами, является неравновесность границ зе- рен, которые служат источником больших упругих напряжений. Дру- гим источником напряжений являются тройные стыки зерен. Свиде- тельством неравновесности являются диффузный контраст границ и изгибные контуры экстинкции в зернах, наблюдаемые на электрон- но-микроскопических изображениях таких материалов. Ширина меж- зеренных границ в субмикрокристаллических материалах составляет, по разным оценкам, от 2 до 10 нм. Неравновесные границы зерен со- держат большое количество дислокаций, а в стыках зерен существу- ют нескомпенсированные дисклинации. Плотность дислокаций вну- три зерен существенно меньше, чем на границах. |