Регистрация / Вход
Прислать материал

Модификация структуры и свойств аморфных сплавов методом интенсивной пластической деформации кручением

ФИО
Болтынюк Евгений Вадимович
Surname Name
Boltynjuk Evgeniy
Организация
Исследовательская лаборатория механики перспективных массивных наноматериалов для инновационных инженерных приложений
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Название доклада
Модификация структуры и свойств аморфных сплавов методом интенсивной пластической деформации кручением
Project title
Modification of the structure and properties of amorphous alloys subjected hogh pressure torsion
Резюме
В последние несколько лет объектом особого внимания в мировой научной литературе стали материалы нового типа – так называемые наностёкла («nanoglasses»). Данные металлические материалы отличаются по своей структуре и от аморфных, и от нанокристаллических материалов. Они имеют гетерогенную структуру, в которой аморфные кластеры нанометровых размеров разделены между собой границами с увеличенным свободным объемом. Обнаружено, что вследствие необычной атомной структуры металлические наностёкла могут проявлять уникальные функциональные свойства – механические, магнитные, каталитические и т.д. Впервые наностёкла были синтезированы путем консолидации давлением в объемный образец аморфных порошков нанометровых размеров, полученных конденсацией паров металлов. В предлагаемом проекте будет использован альтернативный подход получения металлического наностекла, основанный на интенсивной пластической деформации (ИПД) исходно-аморфных сплавов. Таким образом, выполнение данного проекта позволит ответить на фундаментальные вопросы, связанные с особенностями формирования наноаморфной структуры методами ИПД, а также будет важно для разработки перспективных технологий получения новых материалов с улучшенными механическими и функциональными свойствами.
Ключевые слова
Аморфные сплавы, наноструктурные материалы, интенсивная пластическая деформация кручением, механическое поведение, просвечивающая электронная микроскопия
Тезисы

Введение

В последние несколько лет объектом особого внимания в мировой научной литературе стали материалы нового типа – так называемые наностёкла («nanoglasses»). Данные металлические материалы отличаются по своей структуре и от аморфных, и от нанокристаллических материалов. Они имеют гетерогенную структуру, в которой аморфные кластеры нанометровых размеров разделены между собой границами с увеличенным свободным объемом. Обнаружено, что вследствие необычной атомной структуры металлические наностёкла могут проявлять уникальные функциональные свойства – механические, магнитные, каталитические и т.д. Впервые наностёкла были синтезированы путем консолидации давлением в объемный образец аморфных порошков нанометровых размеров, полученных конденсацией паров металлов. Однако образцы, полученные данным способом, имеют малые геометрические размеры и крайне сложно избежать окисления поверхности аморфных нано-частиц, образования микронных пор материал, охрупчивающих образцы. В предлагаемом проекте будет использован альтернативный подход получения металлического наностекла, основанный на интенсивной пластической деформации (ИПД) исходно-аморфных сплавов. В качестве исходных материалов будут выбраны аморфные сплавы на основе Zr, TiNi, в которых при деформации не происходит нанокристаллизации. В результате варьирования режимов ИПД предполагается сформировать в объемных образцах систему полос сдвига с повышенным свободным объёмом, разделяющих нанометровые аморфные участки, т.е. специфические структуры, подобные структуре «наностекла». Будут исследованы особенности аморфного состояния, сформированные различными способами.

Методы

ИПД обработка будет реализована деформаций кручением под высоким давлением на уникальных специализированных установках, реализующих усилие до 200 тонн. Трансформация структуры будет исследована современными методами структурного анализа - РСА, ДСК, ПЭМ высокого разрешения. Оценки механических свойств – твердости, модуля упругости и т.д. будут выполнены с использованием наноиндентирования, а также оригинальной установки для прецизионных испытаний на растяжение образцов малых размеров. 

Обсуждение результатов

Таким образом, выполнение данного проекта позволит ответить на фундаментальные вопросы, связанные с особенностями формирования наноаморфной структуры методами ИПД, а также будет важно для разработки перспективных технологий получения новых материалов с улучшенными механическими и функциональными свойствами. В результате выполнения НИР с использованием комплекса современных методов будут изучены особенности трансформации структуры исходно-аморфных сплавов, полученных методами быстрого охлаждения расплава, при последующем воздействии интенсивной пластической деформации. 

Установлены особенности микроструктуры аморфного сплава Ti50Ni25Cu25, подвергнутого сдвигу под давлением при различных режимах деформации. Просвечивающая электронная микроскопия показывает, что формирующаяся структура состоит из наноразмерных аморфных кластеров, разделенных аморфными же границами, при этом она зависит от температуры, при которой проводится кручение под давлением. Также установлено, что и другие физические характеристики существенно зависят от режимов деформирования аморфного сплава Ti50Ni25Cu25.

В соответствие с данными РСА и ПЭМ исходные стержни ОМС Zr62Cu22Al10Fe5Dy1 имеют аморфную структуру. После ИПДК при 20° и 150°C структура ОМС Zr62Cu22Al10Fe5Dy1 остается аморфной. На данном этапе исследований методом РСА ПЭМ заметной разницы в структуре исходных ОМС и ОМС после ИПДК выявить не удалось. Однако исследование ОМС Zr62Cu22Al10Fe5Dy1 методом наноиндентирования показало, что ИПДК при температурах 20°C и 150°C приводит к увеличению скоростной чувствительности с исходных 0,085 до 0,2 и 0,13, соответственно, тогда как модуль Юнга заметно уменьшился по сравнению со значениями в исходном состоянии. Подобные изменения скоростной чувствительности и модуля Юнга могут быть объяснены трансформацией структуры аморфной фазы и изменением (увеличением) свободного объёма в результате ИПДК обработки.

Образцы аморфных сплавов Zr62Cu22Al10Fe5Dy1 до и после ИПДК при испытаниях на растяжение при различных температурах, включая 300°С, разрушаются хрупко при напряжениях около 1500 МПа. Однако вид излома образцов ОМС до и после ИПДК после испытаний на растяжение несколько различается, что отражает изменение структуры аморфных сплавов в результате ИПДК. При испытаниях при температуре 420°С ОМС Zr проявляет пластичность и в исходном состоянии, и в состоянии после ИПДК - 50 и 11%, соответственно, поскольку температура 420°С близка к температуре стеклования (Tg) аморфного сплава Zr62Cu22Al10Fe5Dy1, и, соответственно, начинают играть роль механизмы гомогенной деформации. Причины различия в значениях предела прочности и пластичности сплава до и после ИПДК требуют дополнительных исследований.

Summary of the project
Materials of a new type - the so-called “nanoglasses” - have recently been an object of special attention in the world scientific literature. These metallic materials differ in their structure from both amorphous and nanocrystalline materials and have a heterogeneous structure, in which amorphous clusters of nanometer sizes are divided by the boundaries with enhanced free volume. According to the published literature metallic nanoglasses can exhibit unique functional properties, namely mechanical, magnetic, catalytic, biocompatible etc. For the first time nanoglasses were synthesized by condensation of metallic vapors with fabrication of powder clusters with nanoscale sizes and amorphous structure followed by their consolidation into a bulk sample. Severe plastic deformation is known to be an effective method of structure transformation in metals and alloys, formation of a nanocrystalline (NC) state in them. One may confirm that SPD of initially amorphous alloys of some compositions is an alternative way to produce nanoglasses. The objective of the proposed project is formation of a “nanoglass” structure via SPD processing of amorphous materials, investigation of mechanical behavior of the fabricated states, their evolution during heating. This approach is new and is of large scientific interest.
Keywords
Amorphous alloys, nanostructured materials, high pressure torsion, mechanical behaviour, transmission electron microscopy