Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо

Приведено описание экспериментальных результатов получения микроламинатов с максимальным количеством слоев 1620 и изучения структуры и свойств этих композитов. Представлена экспериментально установленная зависимость механических характеристик микроламинатов от количества их слоев и параметров термоо...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Неклюдов, И.М., Белоус, В.А., Воеводин, В.Н., Диденко, С.Ю., Ильченко, Н.И., Диденко, Ю.С., Ильченко, Ю.Н., Руденко, А.Г., Толмачева, Г.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Теми:	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/17387
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо / И.М. Неклюдов, В.А. Белоус, В.Н. Воеводин, С.Ю. Диденко, Н.И. Ильченко, Ю.С. Диденко, Ю.Н. Ильченко, А.Г. Руденко, Г.Н. Толмачева // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 5. — С. 95-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-17387
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-173872011-02-27T12:03:34Z Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо Неклюдов, И.М. Белоус, В.А. Воеводин, В.Н. Диденко, С.Ю. Ильченко, Н.И. Диденко, Ю.С. Ильченко, Ю.Н. Руденко, А.Г. Толмачева, Г.Н. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Приведено описание экспериментальных результатов получения микроламинатов с максимальным количеством слоев 1620 и изучения структуры и свойств этих композитов. Представлена экспериментально установленная зависимость механических характеристик микроламинатов от количества их слоев и параметров термообработки. Предложены механизм взаимосвязи между структурой и механическими характеристиками микроламинатов и модель их эволюции в процессе термообработки композитов. Наведено опис експериментальних результатів отримання мікроламінатів з максимальною кількістю шарів 1620 та вивчення структури і властивостей цих композитів. Представлено експериментально встановлену залежність механічних характеристик мікроламінатів від кількості їх шарів і параметрів термообробки. Запропоновано механізм взаємопов’язаності між структурою і механічними характеристиками мікроламінатів та модель їх еволюції в процесі термообробки композитів. Experimental results of obtaining microlaminates with maximum number of layers 1620 and of study of structure and properties of these composites are described. Experimentally established dependence of the mechanical characteristics of microlaminates on the number of layers and heat treatment parameters is presented. The mechanism of relationship between structure and mechanical characteristics of microlaminates and model of their evolution during heat treatment of composites is suggested. 2010 Article Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо / И.М. Неклюдов, В.А. Белоус, В.Н. Воеводин, С.Ю. Диденко, Н.И. Ильченко, Ю.С. Диденко, Ю.Н. Ильченко, А.Г. Руденко, Г.Н. Толмачева // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 5. — С. 95-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/17387 669.018.45 ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
spellingShingle	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Неклюдов, И.М. Белоус, В.А. Воеводин, В.Н. Диденко, С.Ю. Ильченко, Н.И. Диденко, Ю.С. Ильченко, Ю.Н. Руденко, А.Г. Толмачева, Г.Н. Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо
description	Приведено описание экспериментальных результатов получения микроламинатов с максимальным количеством слоев 1620 и изучения структуры и свойств этих композитов. Представлена экспериментально установленная зависимость механических характеристик микроламинатов от количества их слоев и параметров термообработки. Предложены механизм взаимосвязи между структурой и механическими характеристиками микроламинатов и модель их эволюции в процессе термообработки композитов.
format	Article
author	Неклюдов, И.М. Белоус, В.А. Воеводин, В.Н. Диденко, С.Ю. Ильченко, Н.И. Диденко, Ю.С. Ильченко, Ю.Н. Руденко, А.Г. Толмачева, Г.Н.
author_facet	Неклюдов, И.М. Белоус, В.А. Воеводин, В.Н. Диденко, С.Ю. Ильченко, Н.И. Диденко, Ю.С. Ильченко, Ю.Н. Руденко, А.Г. Толмачева, Г.Н.
author_sort	Неклюдов, И.М.
title	Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо
title_short	Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо
title_full	Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо
title_fullStr	Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо
title_full_unstemmed	Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо
title_sort	механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Физика радиационных и ионно-плазменных технологий
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/17387
citation_txt	Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо / И.М. Неклюдов, В.А. Белоус, В.Н. Воеводин, С.Ю. Диденко, Н.И. Ильченко, Ю.С. Диденко, Ю.Н. Ильченко, А.Г. Руденко, Г.Н. Толмачева // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 5. — С. 95-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT neklûdovim mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT belousva mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT voevodinvn mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT didenkosû mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT ilʹčenkoni mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT didenkoûs mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT ilʹčenkoûn mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT rudenkoag mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo AT tolmačevagn mehaničeskiesvojstvaistrukturamikrolaminatovsistemymedʹželezo
first_indexed	2025-07-02T18:37:33Z
last_indexed	2025-07-02T18:37:33Z
_version_	1836561417021423616
fulltext	ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. №5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (96), с. 95-101. 95 УДК 669.018.45 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА МИКРОЛАМИНАТОВ СИСТЕМЫ МЕДЬ-ЖЕЛЕЗО И.М. Неклюдов, В.А. Белоус, В.Н. Воеводин, С.Ю. Диденко, Н.И. Ильченко, Ю.С. Диденко, Ю.Н. Ильченко, А.Г. Руденко, Г.Н. Толмачева Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина Приведено описание экспериментальных результатов получения микроламинатов с максимальным коли- чеством слоев 1620 и изучения структуры и свойств этих композитов. Представлена экспериментально ус- тановленная зависимость механических характеристик микроламинатов от количества их слоев и парамет- ров термообработки. Предложены механизм взаимосвязи между структурой и механическими характери- стиками микроламинатов и модель их эволюции в процессе термообработки композитов. ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЙ Микроламинаты (далее в тексте – МЛ) – это один из видов металлических композиционных ма- териалов слоистого строения с двумерными ар- мирующими компонентами. Этими компонентами являются тонкие переходные зоны между слоями из двух и более различных металлов или сплавов, представляющих собой матрицу композита. Переходные зоны – это результат взаимодиффу- зии компонентов матричных металлов, протекаю- щей в процессе термообработки композита. В зави- симости от типа диаграммы состояния контакти- рующих металлов, образующиеся между ними пере- ходные зоны представляют собой сплошные слои твердорастворных фаз, интерметаллидных соедине- ний и/или фаз внедрения (карбидов, нитридов и др.). МЛ отличаются от других видов металлических слоистых композитов (далее – МСК) двумя особыми признаками. Первый – это большое количество сло- ев (порядка 102…103) в 1 мм толщины этого вида композитов, а второй – малая толщина переходных зон, лежащая в диапазоне порядка 10─1…101 мкм. Из приведенных структурно-размерных призна- ков следует, что в МЛ суммарная объемная доля переходных зон может составлять проценты и даже десятки процентов объема композита. Поэтому вклад определенного свойства переходных зон в соответствующее свойство МЛ в целом может быть весьма существенным, что аналогично вкладу свойств волокон в характеристики волокнистых композитов. В работе [1] описан предложенный и развивае- мый нами подход к проблеме получения микрола- минатов и изделий из них. В целом процесс произ- водства изделий состоит из трех основных этапов: - изготовление многослойного композита с большим удельным числом слоев; - формирование из этого композита заготовки изделия, конфигурация и размеры которой практи- чески полностью совпадают с теми, которые должно иметь готовое изделие; - трансформирование многослойной композитной заготовки в изделие из МЛ путем синтеза на грани- цах раздела разнородных металлов соответствую- щих упрочняющих фаз в процессе термообработки заготовки по заданному режиму. Понятно, что выбор параметров термообработки МСК определенного типа должен базироваться на результатах предварительных исследований особен- ностей термоактивируемой эволюции строения и свойств этих композитов и продуцируемых из них МЛ. В качестве объекта наших исследований были выбраны МСК и МЛ системы медь-железо. Это до- вольно доступные металлы, широко используемые в практике изготовления различных изделий. Пара медь-железо входит в состав многих биметаллов типа тугоплавкий металл–сталь, термическая ста- бильность этой пары, диаграмма состояния и харак- тер диффузионных процессов в ней изучены до- вольно подробно [2-5]. Результатом взаимной диф- фузии в этой паре являются твердые растворы с не- высокой концентрацией диффундирующего элемен- та (при 800 оС предел растворимости меди в железе составляет примерно 1,4 вес.%, а железа в меди – 0,9 вес.%), интерметаллические соединения в би- нарной системе медь-железо отсутствуют [3-5]. Еще одним аргументом в пользу выбора меди и железа в качестве базовой системы в наших экспе- риментах послужила их высокая пластичность при комнатной температуре. Ожидалось, что изготовле- ние МСК системы медь-железо с большим удель- ным количеством слоев (количество слоев в 1 мм его толщины) особых трудностей не вызовет. Кроме того, МСК и МЛ на основе системы медь-железо являются весьма перспективными материалами с высокими демпфирующими характеристиками и уникальными анизотропными электропроводностью и магнитопроводностью, существенно разнящимися в направлениях вдоль и перпендикулярно плоскости слоев. Вместе с тем, известные в настоящее время рас- четные методики оценки кинетики эволюции струк- турно-фазового состояния МСК и ее влияния на ме- ханические свойства композитов не позволяют по- лучить практически применимые результаты. Это связано с тем, что эти методики базируются на оп- ределенных модельных, а потому упрощенных представлениях о реальных процессах в многоком- понентных композитах. Кроме того, они игнориру- ют многие технологические факторы, которые су- щественно влияют на протекание процессов транс- формирования МСК в МЛ. Поэтому основным содержанием наших иссле- дований являлось проведение экспериментов, на- правленных на решение двух основных задач. Од- ной из них было получение экспериментальных данных, позволяющих судить об общих закономер- ностях получения МСК по методике, основанной на циклическом и многократном применении метода горячей прокатки в вакууме для твердофазной свар- ки металлов разного состава [1]. Другая задача исследований – выявление и изу- чение термокинетических эффектов, которые обу- словлены трансформированием МСК в МЛ и прояв- ляются в изменении механических свойств, микро- твердости и структуры исследуемых объектов. МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Для обеспечения исследований эксперименталь- ным материалом были изготовлены МСК в виде полос толщиной 1 мм с количеством слоев от 3 до 1620. Исходными материалами являлись полосы из меди М1 и стали 20 толщиной 2 мм и 5…10 мм со- ответственно, из которых были изготовлены прямо- угольные карточки размером 100х200 мм. Далее следовала очистка свариваемых поверхностей кар- точек от всевозможных загрязнений, наличие кото- рых отрицательно сказывается на сплошности и прочности сварного соединения всех слоев компо- зита. Очищенные карточки собирали в чередующей- ся последовательности так, что наружные слои па- кета были медными. Далее в прокатно-сварочной установке СВАПР этот исходный пакет нагревали до температуры около 800 оС в вакууме 10-2 Па и прокатывали за один проход с относительным обжатием примерно 30 %. После остывания композитную заготовку из- влекали на атмосферу и подвергали холодной про- катке до толщины 2 мм. По описанной схеме получали композитные за- готовки с небольшим числом слоев – до 20. Для по- лучения МСК с гораздо большим числом слоев применяли более сложный циклический маршрут. Его суть состоит в том, что из композитной полосы с небольшим числом слоев отрезают несколько кар- точек и, накладывая их друг на друга, собирают па- кет. Далее этот пакет, состоящий уже не из мономе- таллов, а из МСК, сваривают прокаткой в вакууме и раскатывают на воздухе до толщины примерно 2 мм. Необходимость применения этой схемы обу- словлена тем, что изготовить исходный пакет тол- щиной, например, 20 мм из нескольких сотен слоев практически невозможно. Действительно, выполне- ние операций очистки такого большого числа фольг (толщиной порядка 10-1 мм и площадью ∼104 мм2) и последовательной укладки их в пакет не только весьма трудоемко, но и не гарантирует полной и качественной очистки или предотвращения попада- ния загрязнений на свариваемые поверхности в про- цессе сборки пакета. Понятно, что различия в термомеханической предыстории МСК с разным количеством слоев не- избежно приводят к определенным отличиям в их свойствах и структурном состоянии. Для мини- мизации этих отличий на заключительном этапе изготовления исследовательских образцов все ком- позитные полосы толщиной 2 мм подвергали от- жигу в вакууме при температуре 750 оС в течение 1 ч и последующей холодной прокатке с суммарным обжатием 50%. Состояние лент из МСК толщиной 1 мм после указанной заключительной термомеха- нической обработки было принято за их исходное состояние. Из лент, полученных описанным образом, изго- тавливали образцы для механических испытаний, измерений микротвердости и металлографических исследований. Форма образцов для механических испытаний приведена на рис. 1. Длина рабочей части образцов составляла 10 мм, а ее ширина – 3,5 мм. Рис. 1. Образцы для проведения механических испытаний Механические испытания проводили при ком- натной температуре с использованием разрывной машины типа INSTRON-5581. Скорость деформа- ции составляла 2 мм/мин. Фиксировали значения пределов прочности и текучести образцов из испы- туемых МСК, а также их относительное удлинение. Были определены основные характеристики ме- ханических свойств МСК с количеством слоев 3, 11, 21, 62, 182, 540, 1080 и 1620 в их исходном состоя- нии. Установлено, что значения этих характеристик МСК имеют слабо выраженную тенденцию к воз- растанию по мере увеличения количества слоев композитов. Трансформирование образцов из МСК в МЛ осуществлялось путем отжигов образцов из МСК в вакууме при температуре 750 оС. Длительность от- жигов составляла 1, 2 и 3 ч. Механические испытания образцов из МЛ про- водили так же, как и образцов из МСК. Установле- но, что определенная зависимость механических характеристик МЛ от количества их слоев начинает проявляться, начиная только со 182 слоев. Поэтому на рис. 2 приведены данные о механических харак- теристиках МСК в исходном состоянии и МЛ с ко- личеством слоев не менее 62. Металлографические исследования микрострук- туры МСК и МЛ проводили по общепринятым ме- тодикам световой микроскопии с использованием приборного комплекса GX-51. Фотографии типичных микроструктур МСК и МЛ показаны на рис. 3. Установлено отсутствие не- сплошностей (непроваров) на границах раздела сло- ев из меди и стали, а также структурно-фазовых со- ставляющих, отличающихся по травимости от меди и стали. 96 Микротвердость слоев композитов измеряли с использованием прибора NanoIndenter G200 (произ- водства MTS Systems, USA), оснащенного трехгран- ной пирамидкой Берковича с радиусом затупления при вершине около 0,02 мкм. Измерения проводили до глубины погружения индентора 0,2 мкм, при этом нагрузка достигала 4 мН (примерно 0,4 г). Прецизионная точность нагружения и измерения смещений обеспечивается прибором в автоматиче- ском режиме с помощью электромагнитного приво- да и емкостных датчиков перемещения. 0 100 200 300 400 500 600 700 62 182 540 1080 1620 Количество слоев П ре де л пр оч но ст и, М П а Отпечатки наносились на расстоянии 3 мкм (по оси Х) и 5 мкм (по оси Y) друг от друга (см. рис. 3,а и б), при этом величина поперечника отпечатков составляла около 1 мкм. Цепочки отпечатков ориен- тировали под разными углами к границам раздела слоев меди и стали для получения надежных данных о твердости слоев меди и стали толщиной 2…3 мм, которые непосредственно примыкают к границе раздела этих металлов. 0 100 200 300 400 500 62 182 540 1080 1620 Количество слоев П ре де л те ку че ст и, М П а Выявить различия в твердости приграничных и удаленных от границы областях меди удалось толь- ко для композитов с количеством слоев не более 182. Это связано с тем, что средняя толщина слоев меди в композитах со 182 слоями составляет уже примерно 3 мкм и, как отмечено выше, с увели- чением количества слоев уменьшается вплоть до сотен нанометров. В композитах с количеством слоев до 182 в при- граничных зонах твердость меди примерно на 15 % выше твердости участков, удаленных от границы раздела слоев. Ширина этих зон была оценена вели- чиной 1…2 мкм для меди, причем их твердость воз- растет по мере увеличения длительности отжигов примерно до 20 % твердости удаленных участков. В стальных слоях ширина зон с повышенной на 10…15 % твердостью оценена величиной 1 мкм для всех композитов. Таким образом, общая ширина переходных зон между слоями меди и стали, отли- чающихся от этих металлов повышенной твердо- стью, составляет примерно 2…3 мкм. 0 3 6 9 12 15 18 21 24 62 182 540 1080 1620 Количество слоев О тн ос ит ел ьн ое у дл ин ен ие , % Величину объемной доли меди в МСК опреде- ляли с использованием металлографической и пик- нометрической методик. Последнюю применяли потому, что границы раздела слоев из меди и стали искривлены и не параллельны. Наиболее ярко эта структурная особенность выражена в МСК с боль- шим количеством слоев (см. рис. 3). Следствием этого является большой разброс результатов не- скольких измерений толщины отдельных слоев (с последующим их суммированием), выполненных металлографическим методом для одного и того же образца. Рис. 2. Зависимость предела прочности, предела текучести и относительного удлинения от количе- ства слоев: - МСК в исходном состоянии; - МЛ после отжига 750 оС, 1 ч; - МЛ после отжига 750 оС, 2 ч; - МЛ после отжига 750 оС, 3 ч Единственным отличием микроструктур МСК и МЛ является отсутствие в последних волокнистой текстуры, порожденной холодной прокаткой МСК на завершающем этапе их изготовления. Вместе с тем, сравнение величин объемной доли меди в МСК с небольшим количеством слоев, полу- ченных по разным методикам, показало их практи- чески полное совпадение. Установлен характер за- висимости объемной доли меди в МСК: она плавно уменьшается от 34 % (трехслойные МСК) до 30 % (МСК со 182 слоями) и далее остается практически неизменной на этом уровне для всех исследованных МСК с большим количеством слоев. Показано, что с увеличением количества слоев в МСК и МЛ появляются ограниченные участки в слоях меди, толщина которых имеет нанометриче- ский масштаб (порядка 0,1 мкм и менее). Наиболее отчетливо эта структурная особенность характерна для композитов с количеством слоев 1080 и 1620. 97 а б в г Рис. 3. Микроструктура МСК и МЛ: МСК с 62 слоями (х500) (а); МЛ с 540 слоями (х500) (б); МСК с 1620 слоями (х1000) (в); МЛ с 1620 слоями (х1000) (г) ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Переходя к анализу результатов эксперимен- тальных исследований, отметим, что обе их задачи, сформулированные выше, успешно решены. Главным результатом исследований общих зако- номерностей получения МСК по избранной нами методике является экспериментальная демонстрация реальности получения МСК с большим количеством слоев в 1 мм толщины композита – на уровне 1500…2000. Вполне очевидно, что, сварив горячей вакуумной прокаткой пакет, состоящий 10…20 кар- точек толщиной 1…2 мм из таких МСК, можно по- лучить плиту толщиной 10…15 мм с размерами в плане примерно 100х500 мм – технические характе- ристики прокатно-сварочной установки СВАПР по- зволяют это осуществить. Количество повторов тех- нологического цикла может быть не более 4-5. Следовательно, избранная нами методика, клю- чевым элементом которой является применение ва- куумной прокатки, позволяет получать не только сравнительно небольшие полосы из МСК, предна- значенные главным образом для исследований, но и довольно крупные композитные заготовки, пригод- ные для практического использования МСК и МЛ в различных промышленных изделиях. Еще одним практически важным результатом этих исследований является экспериментальное вы- явление динамики изменения объемной доли меди в МСК в процессе их изготовления по многоцикловой схеме. Показано, что, несмотря на значительное различие в сопротивлении пластическому деформи- рованию меди и стали, по избранной нами методике можно получать МСК с практически одинаковой объемной долей более пластичного компонента, но очень большим различием в количестве слоев. Сле- довательно, эта методика может быть успешно при- менена для получения МСК, компонентами которых являются весьма разнообразные металлы и сплавы, в том числе и существенно разнящиеся своими ме- ханическими и технологическими характеристиками в широком температурном интервале. Примерами этих металлов являются такие пары, как Al и Ti, Al и Ni, Ti и Ni, Nb и БрОФ 6,5-0,15 и др. Приступая к обсуждению второй группы резуль- татов, полученных в исследованиях термоки- нетических эффектов, которые обусловлены транс- формированием МСК в МЛ и проявляются в изме- нении механических характеристик композитов, сделаем общее замечание о связи свойств компози- тов слоистого строения с соответствующими свой- ствами их структурных составляющих. Существуют различные расчетные методики, ис- 98 пользуемые для прогнозирования механических и других характеристик композитов слоистого строе- ния на основе экспериментальных данных о соот- ветствующих индивидуальных характеристиках их компонентов [6, 7]. В соответствии с простейшей из них определенная характеристика композита Fк в первом приближении рассматривается как аддитив- ная сумма произведений соответствующей индиви- дуальной характеристики их компонентов fi на объ- емную долю этих составляющих в композите αi, т.е. Fк = ∑ αi fi , причем ∑ αi = 1 (так называемое прави- ло смеси) вне зависимости от количества слоев ком- позита. Для обеспечения возможности применения этой методики к МСК и МЛ, были проведены механиче- ские испытания меди и стали, которые использовали для получения МСК и МЛ, после термоме- ханической обработки, копирующей режимы полу- чения композитов. Применяя эти данные для преде- лов прочности и текучести, с учетом величины объ- емной доли меди в композитах, по правилу смеси вычислили соответствующие характеристики МСК и МЛ для всех значений количества их слоев, ис- пользованных в наших экспериментах. Оказалось, что экспериментально определенные характеристики всех МСК в исходном состоянии превышают расчетные на 5…7 %. Для МЛ анало- гичное различие находится на уровне 10…12 %, причем только при количестве слоев не более 62, а при большем количестве наблюдается существенное (на 15 % и более) превышение экспериментальных значений в сравнении с расчетными. При этом вели- чина различия возрастает с увеличением количества слоев и длительности термического воздействия на МЛ в процессе их термоактивированного трансфор- мирования. Иными словами, расчетная модель, основанная на учете только двух компонентов МЛ (меди и ста- ли), неприменима к МЛ с количеством слоев 182 и более. Это указывает на то, что для МЛ с большим количеством слоев необходимо учитывать вклад механических характеристик переходных зон в со- ответствующие характеристики этих композитов. Однако, просто добавить еще одно слагаемое в расчетную аддитивную сумму не представляется возможным по следующим двум обстоятельствам. Во-первых, определить достаточно точно (хотя бы на уровне 10 % погрешности) объемную долю пере- ходных зон в МЛ очень сложно из-за описанных выше особенностей структуры этих композитов с большим количеством слоев. Во-вторых, с использованием доступных нам ме- тодик невозможно определить индивидуальные ме- ханические характеристики переходных зон, состав которых довольно сложен и при этом изменяется по толщине зоны. Поэтому в дальнейшем анализе полученных ре- зультатов сравнивали между собой только экспери- ментальные результаты, разделенные на три группы по признаку количества слоев МЛ, к которым эти результаты относятся. Первая группа – это МЛ с числом слоев порядка 101 (МЛ с 3, 11 и 21 слоями), вторая – с числом слоев порядка 102 (МЛ с 62 и 182 слоями) и третья - с числом слоев порядка 103 (МЛ с 540, 1080 и 1620 слоями). Для МЛ из первой группы объемная доля переходных зон может быть оценена величиной 2…3 %, из второй – 20…30 %. Для третьей группы, как уже отмечалось выше, установить границы переходных зон не представля- ется возможным из-за чрезвычайно малой толщины слоев меди. Более того, видимо, можно говорить о том, что как таковой исходной меди М1 в этих МЛ уже нет – есть слои медного сплава, диффузионно- насыщенного компонентами стали, а объемная доля этого компонента МЛ равна объемной доле меди в исходных МСК, т.е. 30 %. Рассмотрим возможные механизмы, которые по- зволяют интерпретировать данные о механических характеристиках МСК и МЛ, которые приведены на рис. 2. Для МСК в исходном состоянии пределы прочности и текучести имеют лишь слабую тенден- цию к росту по мере увеличения количества слоев, и поэтому можно считать, что они практически равны для всех МСК вне зависимости от количества их слоев. Главный фактор, определяющий характери- стики МСК, – это наклеп меди и стали в процессе холодной прокатки с суммарным обжатием 50 % на заключительном этапе получения МСК. Отсюда – хорошее согласование расчетных и эксперимен- тальных данных об этих характеристиках. Значительное уменьшение пределов прочности и текучести и увеличение пластичности МЛ по срав- нению с МСК – это, несомненно, результат транс- формирующих отжигов. В процессе этих отжигов происходит не только развитие переходных зон, но и устраняется эффект наклепа меди и стали. Некоторое ухудшение согласования расчетных и экспериментальных данных и их характеристик можно отнести на счет увеличения объемной доли переходных зон в МЛ первой группы по сравнению с МСК. В пользу этого предположения свидетельст- вует нарастание рассогласования расчетных и экс- периментальных данных для МЛ второй и третьей групп. Поэтому представляется разумным проводить сравнительный анализ экспериментальных значений характеристик МЛ второй и третьей групп относи- тельно соответствующих характеристик МЛ первой группы. Данные о превышении значений пределов прочности и текучести МЛ в процентах к характе- ристикам МЛ с 62 слоями приведены в табл. 1 и 2 соответственно. Таблица 1 Сравнение значений предела прочности МЛ с 62 слоями и МЛ с большим количеством слоев Длительность отжига, ч Превышение, % 1 101 102 104 107 2 101 102 107 115 3 101 105 115 132 Количество слоев МЛ 182 540 1080 1620 99 Таблица 2 Сравнение значений предела текучести МЛ с 62 слоями и МЛ с большим количеством слоев Длительность отжига, ч Превышение, % 1 103 111 123 138 2 103 113 127 150 3 103 116 131 161 Количество слоев МЛ 182 540 1080 1620 Возрастание характеристик МЛ второй группы (по сравнению с первой) можно объяснить большей объемной долей переходных зон. Однако объяснить аналогичным образом превышение характеристик МЛ третьей группы над характеристиками второй группы не представляется возможным. Этот наш вывод обоснован следующими обстоя- тельствами. Во-первых, объемные доли компонен- тов композитов на основе меди в МЛ из второй и третьей групп одинаковы. Во-вторых, механические характеристики материалов, из которых состоят эти компоненты, из-за низкой взаимной растворимости железа и меди не могут сильно отличаться от харак- теристик матричных металлов. Это подтверждается как литературными данными [8], так и результатами наших измерений микротвердости приграничных участков меди в МЛ с малым количеством слоев. Однако различие в характеристиках МЛ второй и третьей групп, например, со 182 и 1620 слоями, по- сле отжига в течение 3 ч составляет для значений пределов прочности и текучести 30 и 56 % соответ- ственно. Поэтому для интерпретации столь значительного различия в характеристиках МЛ, видимо, требуется привлечь к рассмотрению дополнительные физиче- ские механизмы, эффективность влияния которых возрастает по мере увеличения количества слоев МЛ. С учетом упомянутого факта существования в медных слоях МЛ с большим количеством слоев ограниченных участков меди, толщина которых имеет нанометрический масштаб, можно предполо- жить, что именно наноструктурные эффекты явля- ются причиной роста пределов прочности и текуче- сти МЛ третьей группы по сравнению со второй. Так, в публикации [9] сделан вывод о том, что в слоистых композитах при толщинах их слоев 400 нм и менее, эффективными препятствиями для движе- ния дислокаций являются межслойные (межфазные) границы. Таким образом, механические характеристики МЛ, видимо, контролируются совместно физиче- скими механизмами двух типов: диффузионно- обусловленными (термодиффузионными) и мас- штабно-обусловленными (наноструктурными). На характеристики МЛ с малым количеством слоев (порядка 101…102) превалирующее влияние оказы- вают механизмы первого типа, а на характеристики МЛ с большим количеством слоев (порядка 103) влияют механизмы обоих типов совместно. Кроме того, отмеченная тенденция возрастания значений механических характеристик МСК по мере роста количества их слоев, по-видимому, также свя- зана с проявлением наноструктурных эффектов, которые наблюдаются в исходных композитах сла- бее, чем в отожженных. Обращает на себя внимание результат сравнения механических характеристик МСК в исходном со- стоянии и МЛ с 1620 слоями после отжига в течение 3 ч (см. рис. 2). Значения пределов прочности и те- кучести МЛ меньше, чем у МСК на 16 и 7 % соот- ветственно, зато относительное удлинение МЛ больше на 65 %. Это свидетельствует о том, что изделия из МЛ с большим количеством слоев, полученные отжигом заготовок изделий из МСК, обладают значительно лучшим сочетанием прочности и пластичности по сравнению с заготовками. Используя данные, при- веденные на рис. 2, можно в довольно широких пре- делах варьировать механические характеристики изделий, полученных с использованием одного и того же вида МСК, в зависимости от функциональ- ного назначения конкретных изделий. В завершение обсуждения экспериментальных результатов отметим, что исследовательские образ- цы, использованные в исследованиях, можно рас- сматривать как своеобразные изделия, полученные в соответствии с предложенной методикой изготовле- ния изделий из МЛ. Таким образом, получено экс- периментальное подтверждение результативности и эффективности этой методики. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Экспериментально отработана методика полу- чения изделий из микроламинатов системы медь- железо с максимальным количеством слоев 1620 путем термообработки заготовок изделий, изготов- ленных из многослойных композитов с соответст- вующим количеством слоев из этих разнородных металлов. 2. На примере микроламинатов системы медь- железо впервые продемонстрирована возможность получения (с использованием вакуумных прокатки и термообработки) таких прочностных характеристик микроламинатов, которые не намного ниже, чем у исходных многослойных композитов (пределы прочности и текучести на 16 и 7 % соответственно), но пластичность – значительно выше (относитель- ное удлинение микроламинатов почти на порядок больше). 3. Полученные экспериментальные данные о ки- нетике эволюции микроламинатов системы медь- железо в процессе их отжигов при 750 оС могут быть использованы для определения таких темпера- турно-временных параметров термообработки заго- товки из конкретного многослойного композита, которые обеспечивают изделию из микроламината требуемый уровень его механических характери- стик. ЛИТЕРАТУРА 1. И.М. Неклюдов, С.Ю. Диденко, Н.И. Ильченко и др. Перспективы производства и использования металлических микроламинатов, получаемых ва- 100 куумной прокаткой // Наст. номер, с. 89-94. 2. К.Е. Чарухина, С.А. Голованенко, В.А. Масте- ров, Н.Ф. Казаков. Биметаллические соединения. М.: «Металлургия», 1970, 278 с. 3. О. Кубашевски. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Справ. изд. / Пер. с англ. М.: «Металлургия», 1985, 184 с. 4. О.А. Банных, П.Б. Будберг, С.П. Алисов и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпо- нентных систем на основе железа: Справ. изд. М.: «Металлургия», 1986, 440 с. 5. Двойные и многокомпонентные системы на ос- нове меди: Справочник. М.: «Наука», 1979, 247 с. 6. Композиционные материалы. Справочник / Под ред. Д.М. Карпиноса. Киев: «Наукова думка», 1985, 592 с. 7. Т. Фудзии, М. Дзако. Механика разрушения ком- позиционных материалов / Пер. с японского. М.: «Мир», 1982, 232 с. 8. Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин. Ме- талловедение и термическая обработка цвет- ных металлов и сплавов. М.: «Металлургия», 1981, 416 с. 9. М.И. Карпов. Пластическое поведение и меха- нические свойства многослойных композицион- ных материалов в наноразмерной области. Чер- ноголовка: Институт физики твердого тела РАН, 2008, 24 с. Статья поступила в редакцию 11.02.2010 г. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ І СТРУКТУРА МІКРОЛАМІНАТІВ СИСТЕМИ МІДЬ-ЗАЛІЗО І.М. Неклюдов, В.А. Білоус, В.М. Воєводін, С.Ю. Діденко, М.І. Ільченко, Ю.С. Діденко, Ю.М. Ільченко, О.Г. Руденко, Г.Н. Толмачова Наведено опис експериментальних результатів отримання мікроламінатів з максимальною кількістю ша- рів 1620 та вивчення структури і властивостей цих композитів. Представлено експериментально встановле- ну залежність механічних характеристик мікроламінатів від кількості їх шарів і параметрів термообробки. Запропоновано механізм взаємопов’язаності між структурою і механічними характеристиками мікроламіна- тів та модель їх еволюції в процесі термообробки композитів. MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE OF MIKROLAMINATES OF COPPER-IRON SYSTEM I.M. Neklyudov, V.А. Bilous, V.N. Voyevodin, S.Yu. Dihdenko, N.I. Ilchenko, Yu.S. Didenko, Yu.N. Ilchenko, A.G. Rudenko, G.N. Tolmashova Experimental results of obtaining microlaminates with maximum number of layers 1620 and of study of struc- ture and properties of these composites are described. Experimentally established dependence of the mechanical characteristics of microlaminates on the number of layers and heat treatment parameters is presented. The mecha- nism of relationship between structure and mechanical characteristics of microlaminates and model of their evolu- tion during heat treatment of composites is suggested. 101

Механические свойства и структура микроламинатов системы медь-железо

Репозитарії

Схожі ресурси