НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

ім. І. М. ФРАНЦЕВИЧА

СЛІПЕНЮК Олександр Миколайович

УДК [539.213+539.219.1/.2]:620.17/.18:621.78

ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НА СТРУКТУРУ, МЕХАНІЗМИ ДЕФОРМАЦІЇ

І МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АМОРФНИХ І НАНОФАЗНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України.

Науковий керівник | кандидат фіз. - мат. наук, ст. н. с,

ПАН Сергій Володимирович

ст. н. с. Інституту проблем матеріалознавства НАН України

Офіційні опоненти:

д. ф.-м. н., Солонін Юрій Михайловий, Інститут проблем матеріалознавства НАН України, зав. відділом

д. ф.-м. н., професор, Куницький Юрій Анатолійович, Національний технічний університет «Київський політехнічний інститут»

Провідна установа:

Донецький фізико-технічний інститут НАН України, м. Донецьк.

Захист відбудеться «31» березня 1999 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.207.01 Інституту проблем матеріалознавства НАН України , 252142, м. Київ, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства НАН України , 252142, м. Київ, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розісланий 26 лютого 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Падерно Ю. Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поступовий розвиток суспільства висуває нові вимоги до матеріалів, що використовуються в різних галузях сучасної промисловості. У зв‘язку з цим все більш широко застосовуються нетрадиційні методи їх одержання, які дозволяють досягнути значного підвищення експлуатаційних характеристик, зокрема, шляхом реалізації аморфної та нанофазної структури.

Відмінною особливістю наноструктурних і, як граничний випадок, - аморфних матеріалів є значна об‘ємна частка в них невпорядкованої (дефектної) зернограничної області, фізичні властивості якої можуть значно відрізнятись від таких для структурно досконалого матеріалу. Це в ряді випадків призводить до якісно нових характеристик виробу в цілому. В рамках даної роботи вивчені особливості механічної поведінки матеріалів різних класів (аморфних металічних сплавів (АМС), кераміки та швидкозагартованих сплавів на основі алюмінію), обумовлені наявністю в них наномірних елементів структури. Усі розглянуті матеріали (як модельні, до яких відносяться бінарні АМС та сплави Al - Sc, так і складні багатокомпонентні системи, якими є АМС типу FineMet та легована ВТСП кераміка) представляють значний інтерес для сучасної промисловості.

Мета даного дослідження - встановити вплив наномірних елементів структури на особливості механізмів деформації та руйнування матеріалів різних класів. У відповідності з цим були поставлені наступні задачі:

1. Визначити вплив дефектної структури на характеристики міцності і термічної стабільності АМС типу метал-металоїд, а саме:

- провести детальне дослідження температурних залежностей мікротвердості АМС різного складу;

- пояснити особливості температурних залежностей твердості на базі існуючих уявлень про дефектну структуру аморфних металічних сплавів;

- проаналізувати вплив окремих легуючих елементів (B, Si, Cr, Ni, Cu, Nb) на характеристики міцності і пластичності АМС на основі системи Fe - B.

1. Вивчити особливості структури високотемпературної надпровідної композиції YBa2Cu3O7- + ZrO2 і її впливу на температурну залежність міцності і пластичності матеріалу, для чого:

- вивчити температурну залежність міцності і пластичності ВТНП кераміки YBa2Cu3O7- + ZrO2 з концентрацією діоксиду цирконію 10, 15 і 18 ваг.%;

- провести фрактографічні дослідження, а також дослідження фазового складу зазначеної композиції методами рентгенівського мікроаналізу.

1. Визначити вплив надшвидкого загартування на формування наноструктури і механічні характеристики сплавів Al - Sc:

- вивчити структуру швидкозагартованих стрічок і компактів сплавів Al - Sc з концентрацією скандію 0.6, 1.0, 2.0 ваг.%;

- дослідити вплив термообробки на характеристики міцності і пластичності вказаних сплавів.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

-

- вперше відзначено вплив процесів структурної релаксації на температурну залежність твердості АМС і запропонована модель, що пояснює одержані результати на основі уявлень про неперервний спектр енергій активації дефектів типу «вільного об‘єму»;

- в ідентичних умовах в широкому інтервалі температур (77 - 900 К) вивчена температурна залежність твердості великої кількості АМС різного складу, завдяки чому встановлено вплив окремих легуючих елементів (B, Si, Cr, Ni, Cu, Nb) на температуру зміни гомогенного механізму деформації гетерогенним, температуру кристалізації, термічну і атермічну складові твердості, активаційний об‘єм і енергію активації руху дислокацій в області низьких температур;

- вивчені характеристики міцності сплавів Al-0.6Sc, Al-1.0Sc, Al-2.0Sc в різних структурних станах. При цьому показано, що використання швидкого загартування разом з легуванням скандієм дозволяє одержати досить високі для малолегованих алюмінієвих сплавів значення твердості (до 1800 МПа) і межі плинності (до 470 МПа), які обумовлені формуванням особливо дрібнодисперсної структури;

- вперше методом випробовувань на згин досліджена температурна залежність характеристик міцності і пластичності надпровідної металооксидної системи YBa2Сг3O7- + ZrO2 з різним вмістом оксиду цирконію. Відзначено існування критичної концентрації ZrO2, що забезпечує максимальний зарєстрований рівень міцності (136 МПа) і пластичності (до 0.94%). Показано, що мікропластична деформація матеріалу здійснюється за механізмом міжзеренного ковзання;

- зафіксовано наявність в композиції YBa2Сг3O7- + ZrO2 в‘язко-крихкого переходу, який має місце при температурі Tdb 1070К;

- вперше в надпровідній керамічній композиції YBa2Сг3O7- + ZrO2 відзначено формування нанокристалічної міжзеренної фази, яка відповідає за покращені механічні характеристики матеріалу.

Практичне значення роботи визначається тим, що одержані в ній дані про вплив процесів структурної релаксації на температурну залежність мікротвердості аморфних металів змушують по-новому подивитись на роль дефектів у формуванні комплексу властивостей АМС. Значний об‘єм експериментальних результатів дозволяє, з одного боку, визначити граничні умови застосування розглянутих АМС, і з іншого боку, на основі даних про вплив легування B, Si, Ni, Cr, Cu, Nb на механічні властивості аморфних сплавів більш цілеспрямовано формувати характеристики останніх.

Результати експериментів по вивченню характеристик міцності високотемпературної надпровідної металооксидної системи YBa2Сг3O7- + ZrO2 розширюють уявлення про механізми пластичної деформації керамічних матеріалів і, крім того, відкривають перспективи виготовлення деталей із ВТНП кераміки шляхом застосування традиційних технологій формування виробів.

Дослідження механічних властивостей швидкозагартованих сплавів системи Al - Sc вказують на можливість застосування технології швидкого загартування для створення високоміцних малолегованих алюмінієвих сплавів.

Особистий внесок автора. Основні результати і висновки дисертації отримані особисто автором. Постановка мети і конкретних задач дослідження здійснена науковим керівником С. В. Паном.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи були представлені і обговорювались на II міжнародній конференції по наноструктурних матеріалах (NANO’94, Штутгарт, Німеччина, 1994 р.), осінній сесії матеріалознавчого товариства 1994 р. (MRS’94, Бостон, США), міжнародній конференції по квазікристалах (ICQ’5, Авіньйон, Франція, 1995 р.), міжнародному симпозіумі по метастабільних, механічно сплавлених і наноструктурних матеріалах (ISMANAM-97, Барселона, Іспанія, 1997 р.), міжнародній школі-конференції молодих вчених «Фізика твердого тіла: фундаментальні та прикладні дослідження» (SSPFA’97, Кацивелі, Україна, 1997 р.).

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 5 статей і 7 тез доповідей.

Структура і об‘єм дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота викладена на 143 сторінках, що містять 50 малюнків, 8 таблиць, 111 найменувань літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, обгрунтована його наукова новизна та практична цінність.

Перший розділ присвячений детальному вивченню температурної залежності механічних характеристик аморфних металічних сплавів (АМС) та впливу на них процесів структурної релаксації.

У ньому містяться літературні дані про моделі структури та дефекти структури АМС. Розглянуті механічні властивості АМС, температурні залежності характеристик міцності, моделі пластичної деформації. Приведені результати експериментальних досліджень впливу структурної релаксації на твердість аморфних металічних сплавів, моделі структурної релаксації. Зазначені недоліки сучасних уявлень про механічні властивості металічних сплавів з аморфною структурою. Зокрема, вказується на невідповідність результатів вивчення впливу низькотемпературних відпалів на твердість АМС та температурних залежностей твердості аморфних металічних сплавів. Так, ізохронні відпали АМС призводять до немонотонної зміни твердості матеріалу. Хоча кожній температурі відпалу можна співставити нагрів зразка до певної температури, немонотонна зміна залежностей HV(T) в раніше проведених дослідженнях не спостерігалась. Цей, а також деякі інші факти свідчать про не досить детальне вивчення температурних змін твердості АМС. Здійснена конкретизована постановка задачі дослідження.

Описані матеріали та методика вивчення механічних характеристик АМС. Для проведення досліджень використані АМС типу «метал-металоїд» у вигляді стрічок, одержані загартуванням з рідкого стану шляхом виливки розплаву на мідний барабан, що швидко обертається. Були досліджені сплави Fe87B13, Fe84B16, Fe80B20, Fe80Cr5B15, Fe75Cr10B15, Fe70Cr15B15, Fe40Ni40B20, Fe77.5Si13.5B9, Fe30Cr10Ni40B20, Fe39Ni39Si13B9, Ni80Si5B15, Ni80Si10B10, Fe38.5Ni38.5Cu1Si13B9, Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9, Fe69Cr4.5Cu1Nb3Si13.5B9, Fe66Cr7.5Cu1Nb3Si13.5B9, Fe59Cr14.5Cu1Nb3Si13.5B9.

Виміри температурних залежностей твердості HV були проведені в широкому діапазоні температур (77 - 900К) з інтервалом у 25К. Особливістю використаної методики була мінімізація часу витримки зразка при температурі випробування перед індентуванням з метою виключення впливу відпалу матеріалу на результати вимірів. Для встановлення зв‘язку між твердістю та іншими механічними характеристиками для сплаву Fe80B20 проведено також вивчення температурних залежностей пластичності pl, напруги руйнування f та межі плинності s методом випробувань на розтяг.

Представлені результати досліджень температурних залежностей характеристик міцності АМС типу «метал-металоїд» та їх аналіз на основі уявлень про дефектну структуру аморфних металічних сплавів.

Показано, що нижче кімнатної температури (Та) має місце монотонне зростання твердості при зменшенні Т (рис. 1). При температурах вище Та для більшості сплавів спостерігається немонотонна залежність мікротвердості від температури. При цьому прослідковуються два граничних випадки. У першому випадку (напр. сплави 8, 11 рис. 1) HV практично не змінюється до температури зміни гетерогенного механізму деформації гомогенним (500К для сплаву 8). Далі HV знижується аж до температури кристалізації (800К для сплаву 8). У другому випадку (сплави 3, 10 та ін. рис. 1) зниження HV відбувається безпосередньо вище кімнатної температури, і подальша залежність HV(T) носить досить складний характер.

Криві першого типу спостерігаються при значному часі витримки матеріалу при температурі випробування перед індентуванням, і саме такі залежності HV(T) представлені в літературі.

У випадку скорочення часу витримки має місце перехід до кривих другого типу. При цьому конкретна форма кривої досить сильно залежить від швидкості нагріву.

Більш детальний аналіз залежностей HV(T) на прикладі сплаву Fe80B20 (рис. 2) дозволяє відзначити наступні характерні температури:

Tdb1 - температура першого в‘язко-крихкого переходу, що відповідає появі макроскопічної пластичності АМС;

Т* - характеристична температура деформації - температура що передує Tdb1 при зниженні Т і характеризується початком різкого зростання твердості;

Та - температура відпалу АМС (в даному випадку - кімнатна температура). Вище Та відбувається різке зниження твердості матеріалу. Особливості на кривих s, f та pl при температурі Та не спостерігаються. Між Т* та Та HV слабо залежить від температури;

Тdb2 - температура другого в‘язко-крихкого переходу (температура зміни гетерогенного механізму пластичної течії гомогенним). При Tdb2 має місце глибокий мінімум на HV(T), незначний мінімум на f(Т), вище Tdb2 спостерігається падіння s і зростання pl. (Певна невідповідність між кривими s, f, pl та HV обумовлена різними швидкостями нагріву при випробуваннях на розтяг та вимірюванні твердості);

ТХ - температура кристалізації. Між Тdb2 та ТХ залежність HV(T) має досить складний характер і в загальному випадку може бути представлена одним або кількома максимумами.

Особливості поведінки температурної залежності твердості пояснюються на основі уявлень про дефектну структуру АМС. Як відомо, в процесі надшвидкого загартування в АМС заморожується значна кількість надлишкового вільного об‘єму у вигляді вакансій, мікропор та ін. Кожний з таких дефектів у відповідності з моделлю неперервного спектру енергій активації (AES-модель) може бути охарактеризований певною енергією активації, що відповідає висоті енергетичного бар‘єру, подолання якого необхідне для початку міграції дефекту по об‘єму матеріалу чи його трансформації. Витримка зразка при певній температурі Та (в нашому випадку Та=300К) призводить до релаксації дефектів з енергіями активації меншими і близькими до Е(Та).

Рис. 2. Температурна залежність характеристик міцності АМС Fe80B20

Таким чином, Та розбиває весь температурний діапазон на два інтервали. При T<Ta дефекти типу вільного об‘єму виявляються «замороженими» (не активованими) і поведінка матеріалу визначається дефектами іншого типу. При T>Ta рухливість дефектів типу вільного об‘єму помітно збільшується і саме цей факт стає домінуючим при визначенні механічних властивостей матеріалу при підвищених температурах.

Механічна поведінка АМС в низькотемпературній області. Відзначається, що значне зростання твердості (а від так і s) із зниженням температури досліджених аморфних сплавів не може бути пояснене зростанням пружних модулів (модель Гілмана). В той же час подібна поведінка HV(T) характерна для ковалентних кристалів і ОЦК металів з ковалентною складовою міжатомного зв‘язку, що пов‘язано з опором кристалічної решітки руху дислокацій. На цій підставі для аналізу змін твердості при температурах Т<Та застосована модель пластичної деформації, обумовленої термоактивованим рухом дислокацій (Мильман Ю. В., Трефилов В. И. О физической природе температурной зависимости предела текучести. // В кн: Механизм разрушения металлов. 1966. К.: Наукова Думка. С. 59 - 76.).

У відповідності із вказаною моделлю для досліджених АМС розраховані атермічні складові твердості, енергії активації та активаційні об‘єми руху дислокацій при Т<Та (таблиця 1).

Механічна поведінка АМС у високотемпературній області. Як вже зазначалося, особливості поведінки АМС вище температури відпалу Та можуть бути пояснені на основі уявлень про неперервний спектр енергій активації дефектів типу вільного об‘єму. Нагрів зразка вище Та призводить до активізації процесів структурної релаксації нових груп дефектів. В результаті цього з‘являється можливість їх міграції по об‘єму матеріалу.

Таблиця 1

Значення атермічної складової твердості HVa, енергії активації руху дислокацій Н, активаційного об‘єму V, температури зміни гомогенного механізму течії гетерогенним Tdb2

і температури кристалізації TX досліджених АМС

№ пп | Склад сплаву (ат. %) | HVa, ГПа | Н, еВ | V, A3 | Tdb2, К | TX, К

1. | Fe87B13 | 7.26 | 0.24 | 41 | 400 | 650

2. | Fe84B16 | 8.01 | 0.30 | 41 | 425 | 675

3. | Fe80B20 | 8.27 | 0.31 | 41 | 450 | 700

4. | Fe80Cr5B15 | 7.70 | 0.32 | 48 | 450 | 700

5. | Fe75Cr10B15 | 7.45 | 0.35 | 66 | 475 | 725

6. | Fe70Cr15B15 | 8.55 | 0.52 | 68 | 500 | 775

7. | Fe40Ni40B20 | 7.36 | - | - | 450 | 725

8. | Fe77.5Si13.5B9 | 8.05 | 0.19 | 29 | 525 | 800

9. | Fe30Cr10Ni40B20 | 7.52 | 0.22 | 29 | 475 | 725

10. | Fe39Ni39Si13B9 | 7.29 | 0.21 | 34 | 475 | 775

11. | Ni80Si5B15 | 7.02 | 0.26 | 54 | - | 600

12. | Ni80Si10B10 | 6.72 | 0.28 | 53 | - | 700

13. | Fe38.5Ni38.5Cu1Si13B9 | 7.48 | 0.33 | 55 | 450 | 750

14. | Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 | 8.72 | 0.31 | 46 | 525 | 810*

15. | Fe69Cr4.5Cu1Nb3Si13.5B9 | 9.63 | 0.37 | 59 | 550 | 825*

16. | Fe66Cr7.5Cu1Nb3Si13.5B9 | 10.42 | 0.27 | 32 | 575 | 870*

17. | Fe59Cr14.5Cu1Nb3Si13.5B9 | 10.87 | 0.28 | 30 | 600 | 890*

* за результатами ДТА

Подібні переміщення супроводжуються розсіянням дефекту і закінчуються його виходом на поверхню зразка (смугу ковзання) або анігіляцією при взаємодії з областю підвищеної густини (дефектом Егамі p-типу).

При відсутності полів зовнішніх напруг всі напрямки руху дефекту рівноімовірні, і структурна релаксація супроводжується лише певним зменшенням об‘єму зразка. У випадку прикладання зовнішніх напруг має місце направлений рух активованого надлишкового вільного об‘єму, що приводить до певної пластичної деформації. Величина останньої залежить від величини прикладеної напруги і кількості рухомих дефектів. У випадку значних напруг можливе лавиноподібне розмноження надлишкового вільного об‘єму з утворенням смуг ковзання, в результаті чого кінцева пластична деформація може значно перевищувати деформацію, обумовлену направленим рухом початкових дефектів.

Таким чином, зменшення значення твердості АМС вище температури Та (рис. 2) обумовлене додатковою пластичною деформацією внаслідок направленої структурної релаксації дефектів типу вільного об‘єму. У випадку бездефектного (структурно релаксованого) матеріалу (чи при тривалій витримці при температурі випробування, коли структурна релаксація протікає безпосередньо перед індентуванням) зменшення твердості не спостерігається (як у випадку сплавів 8, 11, рис. 1), і ділянка слабкої залежності HV(T) продовжується до температури Tdb2 зміни гетерогенного механізму деформації гомогенним.

При досягненні температури Tdb2 має місце значне зниження в‘язкості матеріалу. Це призводить до посилення процесів анігіляції «розморожених» дефектів, що послаблює їх вплив на властивості аморфного сплаву. Внаслідок цього відбувається зростання твердості (повернення кривої HV(T) до залежності, характерної для бездефектного (структурно релаксованого) АМС). Конкретна форма кривої HV(T) на температурній ділянці Tdb2 - Tx може мати досить складний вигляд, оскільки вона визначається динамікою вказаних процесів.

Вище Тх відбувається інтенсивна кристалізація сплаву, що призводить до певного зростання твердості матеріалу.

Нечутливість (чи слабка чутливість) характеристик міцності, що отримані при випробуваннях на розтяг, до розглянутих процесів пов‘язана, певно, з відмінностями в характері протікання деформації. У випадку виміру HV пластична течія матеріалу здійснюється під дією напруг t (t - істинна межа плинності), а у випадку випробувань на розтяг t. Окрім того, деформація при мікроіндентуванні має значно більш локальний характер, внаслідок чого вона виявляється значно більш чутливою до міграції дефектів типу вільного об‘єму.

На рис. 3 представлена узагальнена схема температурної залежності характеристик міцності і пластичності АМС типу метал-металоїд, зкорегована з урахуванням особливостей температурної поведінки твердості реальних аморфних сплавів. Суцільною і пунктирною лініями показані граничні випадки зміни HV(T) для реального і бездефектного АМС відповідно. В залежності від особливостей методики випробувань (швидкість нагріву зразка, час витримки перед індентуванням), а також ступеня дефектності (релаксованості) зразка конкретна крива HV(T) в заштрихованій області може проходити чи ближче до суцільної, чи ближче до пунктирної лінії.

У відповідності з запропонованою схемою для досліджених АМС визначені температури зміни гомогенного механізму течії гетерогенним (Tdb2) і температури кристалізації (TX) (таблиця 1).

Проведено аналіз впливу окремих легуючих елементів (B, Si, Cr, Ni, Cu, Nb) на характеристики міцності і пластичності АМС на основі системи Fe - B, результати якого представлені в таблиці 2.

Таблиця 2

Вплив легування на атермічну складову твердості HVa, енергію активації H, активаційний об‘єм V, температуру зміни гетерогенного механізму деформації гомогенним Tdb2 та температуру кристалізації TX АМС типу метал-металоїд

Елемент, що вводиться |

HVa |

H |

V |

Tdb2 |

TX

B | зростає | зростає | не змінюється | зростає | зростає

Si | зменшується | зменшується | зростає | зростає | зростає

Cr | -* | зростає | - | зростає | зростає

Ni | - | зменшується | зменшується | - | -

Cu | зростає | зменшується | не змінюється | зменшується | зменшується

Nb | - | зростає | не змінюється | зростає | зростає

*Відсутність даних свідчить про не однозначний вплив елементу на дану характеристику

У другому розділі вивчається вплив температури та концентрації діоксиду цирконію на механічні властивості нанофазної високотемпературної надпровідної металооксидної кераміки YBa2Cu3O7- + ZrO2. Наведено літературні дані про вплив легування діоксидом цирконію на надпровідні, акустичні та механічні характеристики композиції YBa2Cu3O7-+ ZrO2, а також дані про температурну залежність механічних характеристик нелегованої ВТНП кераміки YBa2Cu3O7-. Відзначається, що незначна макроскопічна пластичність, яка спостерігається при випробуваннях на стискання кераміки YBa2Cu3O7-, обумовлена мікророзтріскуванням матеріалу по границям зерен. Легування діоксидом цирконію призводить до зростання твердості, міцності та пружних модулів матеріалу, а також надає можливість цілеспрямовано пластично деформувати матеріал при підвищених температурах. Звертається увага на той факт, що властивості композиції YBa2Cu3O7- + ZrO2 вивчались переважно акустичними методами, які не дають можливості відповісти на запитання про структурні особливості та механізми її зміцнення і пластичної деформації, у зв‘язку з чим необхідне більш ретельне дослідження її структури та характеристик міцності і пластичності.

Описані матеріали та методика проведення досліджень по вивченню структури, фазового складу та механічних характеристик кераміки YBa2Cu3O7- + ZrO2. У ролі матеріалу дослідження використовувалась ВТНП кераміка YBa2Cu3O7- + ZrO2- з концентрацією діоксиду цирконію 10, 15 та 18 ваг.%. Механічні характеристики у діапазоні температур 773 - 1173К досліджувались шляхом проведення випробувань на згин.

Представлено результати дослідження залежності структури і характеристик міцності і пластичності композиції в залежності від концентрації ZrO2. Відзначається, що температурна залежність напруги руйнування для всіх вивчених концентрацій ZrO2 має досить складний характер (рис. 4). При цьому концентрації діоксиду цирконію, рівній 15 ваг.%, відповідають максимальні досягнуті значення міцності (f---=136 МПа) і пластичності (pl=0.94%).

Результати фрактографічних досліджень свідчать про те, що легування вихідної кераміки YBa2Cu3O7- діоксидом цирконію призводить до значного покращення міжзеренного зв‘язку в матеріалі, з чим пов‘язане переважно транскристалітне руйнування композиції при низьких температурах.

В рамках проведеного дослідження вперше відзначено формування у ВТНП композиції наноструктурної міжзеренної фази Y0.5Zr15.7Ba19.5Cu5.4O59 із середнім розміром зерен 80 - 90 нм (рис.5). Саме наявність цієї фази обумовлює зміцнення матеріалу при низьких температурах і можливість пластичної деформації при температурах вище 1050К.

Рис. 5. Вигляд поверхні руйнування кераміки YBa2Cu3O7- + 15 ваг.% ZrO2 (Твипр= 1173К) (а)

та структура міжзеренної фази Y0.5Zr15.7Ba19.5Cu5.4O59 (б)

Показано існування критичної концентрації ZrO215 ваг.%, яка забезпечує максимальний рівень характеристик міцності композиції при незначному (5К) зниженні температури переходу у надпровідний стан. Так, введення в систему YBa2Cu3O7- діоксиду цирконію у кількості до 15 ваг.% приводить до формування по границях основної фази наноструктурної цирконієвої фази. Завдяки її адгезійним властивостям при низьких температурах відбувається зміцнення композиції.

Підвищення Т до 1050К призводить до різкого зниження твердості фази Y0.5Zr15.7Ba19.5Cu5.4O59. В цьому випадку вона виступає у ролі своєрідної «змазки», завдяки чому стає можливою макроскопічна деформація матеріалу за механізмом міжзеренного ковзання. Збільшення концентрації ZrO2 веде до зростання частки цирконієвої нанофази і покращення характеристик міцності матеріалу.

Перевищення концентрації 15 ваг.% для ZrO2 викликає зміну фазового складу композиції. Спостерігається утворення значної кількості фази Y2BaCuO5 за рахунок фази YBa2Cu3O7-, у зв‘язку з чим різко погіршуються надпровідні властивості системи. Зниження характеристик міцності і пластичності при цьому пов‘язано з більш слабкою адгезією фази Y0.5Zr15.7Ba19.5Cu5.4O59 до Y2BaCuO5, ніж до YBa2Cu3O7-.

Третій розділ присвячено вивченню структури і механічних характеристик швидкозагартованих сплавів Al - Sc. У ньому представлені літературні дані по вивченню структури і характеристик міцності швидкозагартованого алюмінію, а також дані про вплив легування Sc на властивості алюмінієвих сплавів. Відзначається, що у швидкозагартованому алюмінії спостерігаєтья швидке зниження досягнутих механічних характеристик у зв‘язку з протіканням процесів рекристалізації при кімнатній температурі. В той же час відомо, що легування алюмінію скандієм призводить до суттєвого підвищення температури

Рис. 6. Структура стрічки сплаву Al - 2 ваг.% Sc: безпосередньо після загартування (а),

після відпалу при температурі 300С протягом 8 год (б)

рекристалізації, у зв‘язку з чим вважається доцільним вивчення впливу швидкого загартування на характеристики сплавів Al - Sc.

В ролі матеріалів дослідження використовувались швидкозагартовані (швидкість загартування 105 К/с) стрічки, а також швидкозагартовані компактовані (шляхом екструзії) зразки сплавів Al - Sc з вмістом скандію 0.6 (евтектична концентрація), 1.0 та 2.0 ваг.%. Досліджувався вплив ізотермічних (300С) та ізохронних (8 год) відпалів на структуру та механічні характеристики матеріалу. У ролі останніх вивчались твердість, а також міцність і пластичність, одержані при випробуваннях на розтяг.

Представлені експериментальні дані по впливу швидкого загартування на структуру та механічні характеристики сплавів Al - Sc. Методами просвічувальної електронної мікроскопії досліджена структура швидкозагартованих стрічок Al - Sc. Показано, що швидке загартування призводить до формування анізотропної структури матеріалу з розміром зерен 25 мкм у напрямку, нормальному до площини стрічки, і 2 - 3 мкм у площині стрічки. Той факт, що розмір зерен сплавів не залежав від концентрації Sc, а також те, що у вихідних швидкозагартованих сплава не вдалося зафіксувати будь-яких виділень інтерметаліду Al3Sc (рис. 6 а), свідчить про розширення меж нерівноважної розчинності скандію в алюмінії при швидкостях охолодження 105 К/с щонайменше до 2 ваг.%.

Відзначено, що відпал швидкозагартованих сплавів Al - Sc при 300С протягом 8 год призводить до формування нанофазної структури шляхом рівномірного виділення з пересиченого твердого розчину частинок інтерметаліду Al3Sc (рис. 6 б). Окремі частинки мають розмір <10 нм і розташовані одна від одної на відстані 50 нм.

Завдяки зазначеній структурі швидкозагартовані стрічки характеризуються надзвичайно високими для малолегованих сплавів алюмінію характеристиками міцності. Так, твердість сплавів після 8 год відпалу при 300С становила 1800, 1200 і 950 МПа для концентрацій скандію 2.0, 1.0 та 0.6 ваг.% відповідно.

Рис. 7. Структура сплаву Al - 2 ваг.% Sc у литому екструдованому стані (а),

швидкозагартованому екструдованому стані (б)

Дослідження впливу ізохронних відпалів на характеристики міцності швидкозагартованої стрічки сплаву Al - Sc засвідчило, що при температурах відпалу Т<200С у матеріалі відбувається релаксація внутрішніх напруг, що виникли у процесі надшвидкого загартування. При цьому механічні характеристики дещо знижуються у порівнянні із вихідним швидкозагартованим станом. Подальше підвищення температури відпалу викликає зміцнення матеріалу внаслідок інтенсивного виділення з пересиченого твердого розчину інтерметаліду Al3Sc, і при Твідп = 300С фіксуються максимальні значення твердості (1800 МПа), напруги руйнування (450 МПа) і межі плинності (415 МПа), пластичність при цьому складає 0.1%. При температурах відпалу більше 300С починають проходити процеси рекристалізації, що викликають пониження міцності і зростання пластичності сплаву.

Досліджено вплив компактування на структуру та механічні характеристики сплаву Al - 2 ваг.% Sc. Показано, що литий екструдований сплав (рис. 7 а) містить крупні включення інтерметаліду Al3Sc, що розташовані переважно по границях зерен, мають середній розмір 50 мкм і характеризуються чіткою огранкою. На поверхні шліфа компактованого швидкозагартованого сплаву (рис. 7 б) також спостерігаються виділення Al3Sc, але порівняно з литим матеріалом вони мають значно менші розміри (<100нм). Включення інтерметалідних частинок згруповані у протяжні смуги, в межах яких розташовані досить щільно і ровномірно, утворюючи нанофазні області, завдяки чому суттєво підвищується міцність матеріалу.

У випадку литих сплавів більша частина скандію виділяється у вигляді крупних кристалів інтерметаліду ще до твердіння розплаву і не може ефективно впливати на поліпшення характеристик міцності. У зв‘язку з цим легування литих сплавів Sc у кількості більше 0.6 ваг.% є недоцільним (оскільки лиш незначна його частина переходить у стан пересиченого твердого розчину і виділяється у вигляді дрібнодисперсних частинок).

Вивчення впливу тривалості відпалів при 300С на мікротвердість сплавів Al - Sc засвідчило, що мікротвердість екструдованого швидкозагартованого сплаву слабо залежить від тривалості відпалу. Це, наряду із структурними дослідженнями, свідчить про те, що старіння сплавів відбулося у процесі екструзії. При цьому більша частина скандію у вигляді інтерметаліду Al3Sc виділилась з твердого розчину. Після незначного зростання твердості матеріалу при відпалі тривалістю більше 8 год спостерігається зниження HV, що свідчить про збіднення твердого розчину і початок рекристалізаційних процесів у матеріалі. Максимальне значення твердості компактів збільшується із зростанням вмісту Sc і складає 1260, 1100 і 900 МПа для концентрацій скандію 2.0, 1.0 та 0.6 ваг.% відповідно. При цьому твердість швидкозагартованих сплавів у 1.5 - 2 рази перевищує твердість литих зразків ідентичного складу.

Відзначається, що твердість вихідної швидкозагартованої стрічки після відповідного відпалу перевищує твердість компакту, що свідчить про неоптимальні умови старіння сплаву у процесі екструзії. При цьому різниця між максимальним значенням твердості стрічки і компакту тим вища, чим більший вміст скандію у матеріалі. Для сплаву Al - 2 ваг.% Sc вона складає 375 МПа, а для сплаву Al - 0.6 ваг.% Sc різниця досить незначна і знаходиться у межах похибки вимірювань.

З метою більш детального дослідження впливу швидкого загартування на механічні характеристики сплаву Al - 2 ваг.% Sc були проведені випробування на розтяг зразків вищезгаданого складу в литому, литому екструдованому, литому екструдованому термообробленому, а також швидкозагартованому екструдованому станах (додаткова термообробка швидкозагартованого екструдованого матеріалу не приводить до підвищення характеристик міцності). Результати експериментів представлені на рис. 8.

З приведеної діаграми випливає, що максимальну пластичність (pl = 16.5%) і мінімальне значення межі плинності (s = 103 МПа) має литий матеріал. Після його екструзії спостерігається певне підвищення s (до 173 МПа) і зниження пластичності (до 10.2%), обумовлене нагартуванням і деформаційним старінням матеріалу. Подальша термообробка (відпал при 300С протягом 8 год) дозволила без зниження пластичності підняти межу плинності до 235 МПа. Матеріал, отриманий екструзією швидкозагартованої стрічки, характеризується максимальним значенням s (474 МПа), що вдвічі більше аналогічної характеристики литого сплаву. Пластичність при цьому дорівнює 6.7%.

Рис. 8 Значення межі плинності s і пластичної деформації pl, визначених при випробуваннях на розтяг для сплаву Al - 2 ваг.% Sc після різних стадій обробки

ВИСНОВКИ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ СТАТЕЙ

-

- Пан С. В., Слипенюк А. Н. Влияние структурной релаксации на температурную зависимость микротвердости аморфных металлических сплавов. // Металлофизика и новейшие технологии. - 1998. - №1. - С. 46-54.

- Пан С. В., Слипенюк А. Н., Куприн В. В., Мильман Ю. В., Трой Тек В. Влияние концентрации скандия на особнности структуры и твердость быстрозакаленных сплавов Al-Sc. // Металлофизика и новейшие технологии. - 1998. - №5. - С. 64-66.

- Пан С. В., Мильман Ю. В., Слипенюк А. Н., Куприн В. В. Влияние быстрой закалки на структуру и прочностные характеристики алюминия, легированного скандием. // Доповіді НАН України. - 1998. - №10. - С. 117-121.

- Pan S., Slipenyuk A., Danilyuk V. Plastic deformation of bulk YBaCuO ceramics doped with ZrO2 // Plastic Deformation of Ceramics. - Plenum Publ. Corp., N.Y. - 1995. - P. 119-130.

Сліпенюк О.М. Вплив температури на структуру, механізми деформації і механічні властивості аморфних і нанофазних матеріалів.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальнісю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 1999.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу наномірних елементів структури на особливості механізмів деформації та руйнування матеріалів. Проведено детальне вивчення температурних залежностей мікротвердості аморфних металічних сплавів (АМС) в широкому інтервалі температур (77 - 900К). Вперше відзначено вплив структурної релаксації на температурну залежність твердості АМС. Здійснено аналіз впливу окремих легуючих елементів (B, Si, Cr, Ni, Cu, Nb) на характеристики міцності і термічної стабільності АМС. Вивчено фазовий склад та температурну залежність напруги руйнування та пластичності ВТНП композиції YBa2Cu3O7- + ZrO2. Показано, що легування кераміки YBa2Cu3O7- діоксидом цирконію призводить до формування у зернограничному просторі наноструктурної фази, завдяки якій при низьких температурах має місце зміцнення матеріалу, а при високих температурах з‘являється можливість його пластичної деформації. Досліджено особливості структури швидкозагартованих сплавів Al - Sc та вивчені їх механічні характеристики. Показано, що застосування надшвидкого загартування разом з легуванням алюмінію Sc дозволяє сформувати нанофазний матеріал з високими механічними властивостями.

Ключові слова: наноструктурні матеріали, аморфні металічні сплави, структура, механізм деформації, механічні властивості.

Slipenyuk A.N. Effect of temperature on structure, mechanisms of deformation and mechanical properties of amorphous and nanophase materials.- Manuscript.

Thesis for a Ph. Dr. degree by speciality 01.04.07 - solid state physics.- Frantsevich Institute for Problems of Material Science of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 1999.

Dissertation is dedicated to studying the effect of nanoscale structure elements upon the peculiarities of deformation and failure mechanisms. Detailed examination of amorphous metallic alloys (AMA) microhardness dependence versus temperature has been carried out in a wide range of testing temperatures (77 to 900K). For the first time the influence of structural relaxation on the temperature dependence of AMA’s microhardness value has been noticed. Effect of alloying with such elements as B, Si, Cr, Ni, Cu, Nb on AMA’s strength and thermal stability behaviour is fulfilled. Phase composition as well as dependence of failure stress and plasticity of YBa2Cu3O7- + ZrO2 HTSC ceramics specimens has been studied. It is observed that doping of such ceramics with certain amount of zirconium dioxide reveals forming the nanostructured phase located in the intergranular areas of the material that causes significant strengthening of the materials at low temperatures and at the same time makes the material deformable at the elevated temperatures. Peculiarities of structure and mechanical behaviour of rapidly quenched Al-Sc alloys are studied. It is shown that application of rapid solidification method to aluminium alloyed with Sc allows formation of the nanophase material with enhanced mechanical properties.

Key words: nanostructured materials, amorphous metallic alloys, structure, mechanism of deformation, mechanical properties.

Слипенюк А.Н. Влияние температуры на структуру, механизмы деформации и механические характеристики аморфных и нанофазных материалов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Институт проблем материаловедения НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена исследованию влияния наномерных элементов структуры на особенности механизмов деформации и разрушения материалов. Проведено детальное изучение температурных зависимостей микротвердости аморфных металлических сплавов (АМС) 17 составов в широком интервале температур (77 - 900К) с применением методики, исключающей