П ути повышения свойств наноструктурных материалов

Хорошо известно, что измельчение зерен способст­вует увеличению твердости и прочности металлических материалов. Поэтому ожидается, что ультрамелкозер­нистые материалы должны обладать наиболее высокой прочностью. Более того, введение высокой плотности дислокаций в наноматериалы, полученные с помощью ИПД, может привести к еще большему их упрочнению. Однако обычно все это снижает пластичность. Проч­ность и пластичность, как правило, являются противо­положными характеристиками. Материалы могут быть прочными или пластичными, но обычно не обладают обоими свойствами одновременно. Вместе с тем, не­давние исследования показали, что наноструктурирование материалов может привести к уникальному со­четанию особо высокой прочности и пластичности (рис. 9). Однако решение этой проблемы требует разработки оригинальных подходов.

Авторы получили наноструктурную медь прокаткой при криогенной температуре — темпе­ратуре жидкого азота, с последующим нагревом до тем­пературы 175°C. В результате в материале была сформи­рована «бимодальная» структура, состоящая из микрон­ных зерен (с объемной долей ~ 25%), окруженных зер­нами нанометрических размеров. Материал продемон­стрировал высокую пластичность и также сохранил прочность. Такое поведение материала может быть объ­яснено тем, что пока нанокристаллические зерна обес­печивают прочность, зерна большего размера отвечают за деформацию растяжением. Аналогичные результаты, подтверждающие эффективность формирования «би­модальной» структуры, были получены при исследова­нии цинка, меди и алюминиевого сплава. Более того, исследования меди показали, что такой тип структуры может повысить пластичность не только в процессе испытаний на растяжение, но также и в про­цессе циклического нагружения. Это наблюдение весь­ма важно для повышения усталостных свойств.

Второй подход к решению проблемы достижения вы­сокой прочности и пластичности недавно продемонстрирован в работе. Он основан на образовании дис­персных частиц вторичных фаз в наноструктурной металлической матрице, которые видоизменяют распро­странение полосы скольжения в процессе деформации, таким образом, увеличивая пластичность. В настоящее время уже начаты систематические исследования влия­ния природы частиц вторичных фаз, изменения их раз­меров и распределения на механические характеристики промышленных НС сплавов, с тем чтобы оптимизиро­вать технологические режимы их обработки и получения.

Третий подход к решению проблемы достижения вы­соких значений прочности и пластичности является наиболее универсальным из трех, потому что его можно использовать как для чистых металлов, так и для спла­вов. Этот подход основан на формировании УМЗ структуры с определенными типами границ зерен. На­пример, было показано, что формирование большеугловых и неравновесных границ может обеспечи­вать процессы межзеренного проскальзывания в про­цессе пластической деформации уже при комнатной температуре, сильно влияя на деформационную спо­собность материала.

Важность структуры большеугловых ГЗ была также подтверждена в работе, в которой исследовалось меха­ническое поведение металлов, подвергнутых различной степени ИПД, что обеспечило формирование ГЗ разного типа. Недавние исследования наноструктурного титана показали, что помимо степени деформации большое вли­яние на состояние ГЗ и механическое поведение оказыва­ет температура отжига. Так, отжиг при 300°С приводит к значительному увеличению его прочности одновремен­но с большей пластичностью, по сравнению с состоянием после ИПД и отжига при более высоких температурах.

Рост прочности и пластичности в данном эксперименте связан с повышенной скоростной чувствительностью. Как известно, повышенная скоростная чувствительность ука­зывает на вязкое течение и играет ключевую роль в сверх­пластичности НС материалов. C другой стороны, это также ассоциируется с развитием проскальзывания по ГЗ. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с недавними результатами компьютерного моделирования и исследованиями механизмов деформа­ции в нанометаллах.

Для крупнокристаллических металлов дислокационное скольжение и образование двойников являются основны­ми хорошо известными механизмами деформации. Но ре­зультаты компьютерного моделирования показывают, что ультрамелкие зерна вызывают развитие специфичных ме­ханизмов деформации, таких как зернограничное про­скальзывание или зарождение частичных дислокаций. Более того, сдвиг может иметь кооперативный (групповой) характер, схожий с тем, что был обнаружен в ранних исследованиях сверхпластичности материалов.

Однако существует вопрос: почему в наноструктурных материалах происходит зернограничное проскальзывание при относительно низких температурах, особенно в мате­риалах, полученных при ИПД? Зернограничное проскаль­зывание — это процесс, контролируемый диффузией, ко­торый обычно наблюдается при высоких температурах. Объяснением может являться то, что диффузия в УМЗ ма­териалах с неравновесными ГЗ происходит быстрее. Экс­перименты показали, что коэффициент диффузии в УМЗ материалах, полученных при ИПД, значительно выше (на 2—3 порядка), и это связано именно с неравновесностью ГЗ. Возможно, проскальзывание по ГЗ в УМЗ ме­таллах происходит легче в процессе деформирования даже при низких температурах, обуславливая большую плас­тичность. Хорошо известно, что активизация проскальзы­вания в наноструктурных металлах может привести к сверхпластичности при относительно низких температу­рах.

Создание наноструктур в материалах с целью увеличе­ния их прочности и пластичности имеет первостепенное значение для повышения их сопротивления усталости и трещиностойкости. В наноматериалах наблю­дается необычное увеличение как малоцикловой, так и многоцикловой усталости, и здесь существуют теоретиче­ское объяснение и первые экспериментальные доказа­тельства этого интересного феномена. Обнару­женное повышение усталостной прочности в нанострук­турных материалах вполне ожидаемо и имеет много об­щего с влиянием размера зерна/субзерна на напряжение течения, которое выражается соотношением Холла—Петча. При этом очевидно, что границы зерен также иг­рают существенную роль в усталостном поведении таких материалов. С одной стороны, ГЗ могут быть эффективными барьерами для развития процессов скольжения, тем самым способствуют повышению напряжения течения. С другой стороны, они могут стать причиной концентрации напряжений, ранней локализации деформации и разру­шения. Поэтому управление свойствами ГЗ позволя­ет управлять свойствами материала, в том числе усталост­ными. Например, улучшения усталостных характеристик НС титана можно добиться за счет повышения пластич­ности в сочетании с высокой прочностью, путем варьиро­вания параметров проводимой после ИПД термомехани­ческой обработки.

Интересен тот факт, что формирование УМЗ структуры в материалах, полученных при ИПД, может также привес­ти к появлению многофункциональных свойств. Напри­мер, наноструктурный сплав никелида титана демон­стрирует необычное сочетание высоких механических и функциональных свойств: сверхупругости и эффекта па­мяти формы. Подобное сочетание делает этот нанострук­турный сплав титана в принципе отличным от его тради­ционного крупнозернистого аналога. Формирование мно­гофункциональных материалов становится новым на­правлением в науке о наноматериалах, полученных ИПД.