Мегапластическая деформация твердых тел

Рассмотрены концепция мегапластических деформаций (МПД) металлов и связанные с нею структурные изменения дефектных подсистем. Показано, что существует некоторое критическое значение деформации, начиная с которого изменения в структуре материала при переходе к высокодеформированному состоянию происхо...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автори:	Глезер, А.М., Метлов, Л.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2008
Назва видання:	Физика и техника высоких давлений
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70454
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:	Мегапластическая деформация твердых тел / А.М. Глезер, Л.С. Метлов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 21-35. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-70454
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-704542014-11-07T03:01:43Z Мегапластическая деформация твердых тел Глезер, А.М. Метлов, Л.С. Рассмотрены концепция мегапластических деформаций (МПД) металлов и связанные с нею структурные изменения дефектных подсистем. Показано, что существует некоторое критическое значение деформации, начиная с которого изменения в структуре материала при переходе к высокодеформированному состоянию происходят скачкообразно. При сверхбольших деформациях помимо обычного механизма релаксации в форме фрагментации или дробления зерен имеют место и другие ее виды – рекристаллизация за счет упругих напряжений при относительно низких температурах, фазовые переходы, аморфизация. Указанные явления и процессы, протекающие при МПД, адекватно описываются в рамках энергетического подхода. The concept of megaplastic deformations (MPD) of metals and the related changes in structure of defective subsystems have been considered. It is shown that there exists some critical deformation value when changes in structure of the material, transforming to a high-deformed state, happen in a jump-like way. Under superhigh deformations, we have, apart from the ordinary relaxation mechanism (grain fragmentation or refinement), another deformation types, such as recrystallization due to elastic stresses for relatively low temperatures, phase transitions, amorphization. These phenomena and processes developing under the MPD are adequately described within the energy approach. 2008 Article Мегапластическая деформация твердых тел / А.М. Глезер, Л.С. Метлов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 21-35. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 05.70.Ce, 05.70.Ln, 61.43.Dg http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70454 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Рассмотрены концепция мегапластических деформаций (МПД) металлов и связанные с нею структурные изменения дефектных подсистем. Показано, что существует некоторое критическое значение деформации, начиная с которого изменения в структуре материала при переходе к высокодеформированному состоянию происходят скачкообразно. При сверхбольших деформациях помимо обычного механизма релаксации в форме фрагментации или дробления зерен имеют место и другие ее виды – рекристаллизация за счет упругих напряжений при относительно низких температурах, фазовые переходы, аморфизация. Указанные явления и процессы, протекающие при МПД, адекватно описываются в рамках энергетического подхода.
format	Article
author	Глезер, А.М. Метлов, Л.С.
spellingShingle	Глезер, А.М. Метлов, Л.С. Мегапластическая деформация твердых тел Физика и техника высоких давлений
author_facet	Глезер, А.М. Метлов, Л.С.
author_sort	Глезер, А.М.
title	Мегапластическая деформация твердых тел
title_short	Мегапластическая деформация твердых тел
title_full	Мегапластическая деформация твердых тел
title_fullStr	Мегапластическая деформация твердых тел
title_full_unstemmed	Мегапластическая деформация твердых тел
title_sort	мегапластическая деформация твердых тел
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2008
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70454
citation_txt	Мегапластическая деформация твердых тел / А.М. Глезер, Л.С. Метлов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 21-35. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT glezeram megaplastičeskaâdeformaciâtverdyhtel AT metlovls megaplastičeskaâdeformaciâtverdyhtel
first_indexed	2025-07-05T19:41:20Z
last_indexed	2025-07-05T19:41:20Z
_version_	1836837221178540032
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 21 PACS: 05.70.Ce, 05.70.Ln, 61.43.Dg А.М. Глезер1, Л.С. Метлов2 МЕГАПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1Институт металловедения и физики металлов ГНЦ «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» 2-я Бауманская ул, 9/23, г. Москва, 105005, Россия 2Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина E-mail: glezer@imph.msk.ru Рассмотрены концепция мегапластических деформаций (МПД) металлов и связан- ные с нею структурные изменения дефектных подсистем. Показано, что сущест- вует некоторое критическое значение деформации, начиная с которого изменения в структуре материала при переходе к высокодеформированному состоянию про- исходят скачкообразно. При сверхбольших деформациях помимо обычного меха- низма релаксации в форме фрагментации или дробления зерен имеют место и дру- гие ее виды – рекристаллизация за счет упругих напряжений при относительно низких температурах, фазовые переходы, аморфизация. Указанные явления и про- цессы, протекающие при МПД, адекватно описываются в рамках энергетического подхода. В последние годы всевозрастающее внимание исследователей привлекает возможность существенного повышения физико-механических свойств ме- таллических материалов путем использования сверхвысоких пластических деформаций [1]. Два наиболее распространенных способа создания гигант- ских степеней деформации – кручение под давлением в камере Бриджмена (КДКБ) и равноканальное угловое прессование (РКУП). Реализуемые при этом пластические деформации столь существенны, что теряют смысл обычные значения относительных степеней деформации, и следует перехо- дить к истинным деформациям. Для КДКБ e = (r/t)ϕ, где r и t – соответст- венно радиус и толщина цилиндрического образца, ϕ – угол поворота под- вижной наковальни, а для РКУП e = arsh(nctg), где n – число проходов, φ – угол поворота каналов. Формирующиеся при столь гигантских деформациях структурные со- стояния весьма необычны и труднопредсказуемы. К сожалению, подавляю- щее большинство авторов, исследующих влияние сверхвысоких пластиче- ских деформаций, ограничиваются изучением конечных структур и соответ- Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 22 ствующих свойств материалов, не анализируя тех физических процессов, которые протекают непосредственно при гигантских степенях пластическо- го течения. Классические дислокационные и дисклинационные подходы к пониманию структурных процессов при сверхвысоких пластических дефор- мациях представляются недостаточно эффективными и требуют переосмыс- ления. Цель данной статьи – предложить единую физическую картину процессов при сверхвысоких пластических деформациях, способную непротиворечиво объяснить всю совокупность экспериментальных данных, накопленных к настоящему времени в этой бурно развивающейся области физики прочно- сти и пластичности. В работе [2] для обозначения подобных величин деформации предложен термин мегапластическая деформация, что в большей степени, нежели дру- гие, отвечает общей логике развития любого материального явления [3]. Граница между макро- и мегапластической деформациями остается физиче- ски неопределенной. Условно мы будем считать граничной областью отно- сительную деформацию ε ≈ 100% или истинную деформацию e ≈ 1. 1. Мегапластическая деформация Суммируя многочисленные исследования по изучению структуры мате- риалов, подвергшихся МПД, можно констатировать, что наблюдается слож- ное сочетание дефектных структур различных уровней – точечные дефекты, дислокации, сетки дислокаций, мало- и высокоугловые границы зерен в раз- личном процентном соотношении, микропоры и микротрещины. Популяр- ная в литературе трехмерная статистическая оценка подобной зеренной структуры дает в лучшем случае соотношение между высоко- и малоугло- выми границами в структуре материала, а также несущественную информа- цию о природе тех физических процессов, которые протекают при образова- нии границ. Кроме того, информация эта, к сожалению, довольно противо- речива и неоднозначна, поскольку в различных экспериментах авторы на- блюдают, как правило, различные структурные состояния на одних и тех же материалах при сходных, казалось бы, условиях деформирования. При этом наноструктурное состояние с размером зерна d < 0.1 μm формируется срав- нительно редко. В сталях и сплавах МПД часто сопровождается фазовыми переходами (выделение и растворение фаз, мартенситное превращение, аморфизация) [4,5]. Последние, как правило, происходят в интерметаллидах или многокомпонентных системах. Наиболее стройная концепция больших пластических деформаций пред- ложена В.В. Рыбиным [6]. В ее основе лежит понятие о дисклинационной моде. Автору удалось корректно описать явления, протекающие при степе- нях деформации, близких к е = 1. Согласно концепции [6] размер фрагмен- тов – основных структурных элементов – по мере увеличения деформации уменьшается до минимального значения 0.2 μm, после чего стабилизируется Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 23 (предельная или критическая фрагментированная структура). В работе С.А. Фир- стова и др. [7] обращается внимание на тот факт, что при достижении некото- рого критического значения ec изменения в структуре материала при переходе к высокодеформированному состоянию происходят скачкообразно. Подробную систематизацию дефектных структур на основании концеп- ции самоорганизации дислокаций в зависимости от степени пластической деформации провели Э.В. Козлов и Н.А. Конева [8]. Они показали, что в за- висимости от природы материала на 1, 2 и 3-й стадиях деформирования при подходе к области МПД подобно структурным фазовым переходам проис- ходит последовательная смена одних структурных состояний другими (ячеистые, полосовые, фрагментированные структуры и т.д.). Чрезвычайно широкое распространение получила гипотеза о том, что в результате МПД образуются «особые» «неравновесные» границы зерен [9]. Эти границы, по мнению многих авторов, ответственны за аномальные яв- ления проскальзывания, диффузии, взаимодействия с решеточными дефек- тами и, как следствие, могут отвечать за высокий уровень пластичности при относительно высокой прочности наноматериалов. В работе В.А. Лихачева с сотрудниками [10], в которой подвергали МПД медную проволоку (e = 1.6 и 3.7), по мере приближения к устью трещины наблюдали пространственную цикличность в изменении структуры: фраг- ментированная структура (r = 0.2 μm), рекристаллизованная (r = 5 μm), да- лее снова фрагментированная (d = 0.1 μm), где d – средний размер фрагмен- тов. Интересно отметить, что вторичная фрагментированная структура не- посредственно у устья трещины в два раза дисперснее структуры первичной фрагментации в областях, удаленных от трещины. 2. Энергетические принципы механического воздействия на твердое тело Полноценная теория МПД должна, с нашей точки зрения, быть способной однозначно ответить на следующие вопросы: – какие структурные и фазовые превращения протекают в процессе МПД; – каковы предпосылки реализации МПД по тому или иному сценарию; – каковы условия образования при МПД истинного наноструктурного со- стояния с размером кристаллитов менее 100 nm, разделенных высокоугло- выми границами или иной фазой [11]; – какими отличительными структурными признаками обладает процесс МПД и в чем различие между МПД и «обычной» пластической деформацией; – чем определяется граничное значение величины деформации, начиная с которой мы можем говорить о том, что находимся в области МПД. Рассмотрим энергетические аспекты поведения твердого тела под нагруз- кой. При механическом и тепловом воздействии на твердое тело конечных размеров в него в общем случае закачивается определенная энергия du в форме работы δa и теплового потока δq: du = δa + δq. (1) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 24 Внутри твердого тела часть энергии, полученной от работы, будет запасена в форме поля упругих напряжений d d e ij ije = σ ε (где ijσ – упругие напряжения, e ijε – упругие деформации), вторая часть δa′ будет рассеяна (диссипирована) и перейдет в другие формы энергии, а именно в энергию теплового движе- ния δqin и на создание или модернизацию дефектной подсистемы: in 1 d N i i a e q g = δ = + δ + δ∑ , (2) где gi – суммарная энергия дефектов i-тира, N – число типов дефектов. Бу- дем рассматривать только дефекты, образующие статистические множества (точечные дефекты, дислокации, дислокационные сетки, мало- и высокоуг- ловые границы и др.), элементы которых равномерно распределены в про- странстве. Уникальные дефекты (полосы скольжения и др.), которых мало в представительном объеме, могут быть также рассмотрены, но только как со- ставные дефекты, удовлетворяющие предыдущему условию. Отметим, что δq – это часть приращения тепловой энергии за счет внеш- них источников в форме тепловых потоков от термостатов, в то время как δqin – это часть тепловой энергии, производимая внутри твердого тела вследствие необратимости. Она не является потоком, а имеет объемное про- исхождение от равномерно распределенных в пространстве источников эн- тропии, которые могут быть отождествлены с процессами, протекающими на структурных дефектах. Поскольку эта часть энтропии генерируется в форме квазимонохроматических фононов (акустическая эмиссия) в момент зарождения и движения дефектов, она находится в неравновесной форме. Обозначим через δq′ часть тепловой энергии от внутренних источников, ус- певшей за время акта внешнего воздействия релаксировать и перейти в рав- новесную форму, а через δq″ – ту ее часть, которая остается в неравновесной форме и которой предстоит релаксировать в последующие моменты време- ни. Объединив обе части равновесной тепловой энергии от внешних и внут- ренних источников, можно записать dq q T s′δ + δ ≡ . Тогда изменение внут- ренней энергии (1) можно представить в виде 1 d d d N e ij ij i i i u T s T s h = = σ ε + + δ + ϕ δ∑ . (3) Здесь изменения «остаточной» энергии неравновесной теплоты δq″ и сум- марной энергии дефектов каждого типа δgi выражены через произведения сопряженных термодинамических переменных и их приращений, где T и s – неравновесные температура и энтропия, а ϕi и ih – средняя энергия и плот- ность дефектов соответствующего типа. Все параметры, входящие в (3), яв- ляются по определению измеримыми величинами. Через полные дифферен- циалы записаны приращения параметров, являющихся функциями состояния системы. Это те параметры, которые по определению равновесны. Остальные Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 25 параметры неравновесны, и в общем случае они не являются функциями со- стояния системы. По аналогии с параметром порядка эволюцию неравновес- ных параметров можно описать в виде системы эволюционных уравнений: , . l s l h l l s u T t s h u t h ∂ ∂⎛ ⎞= γ −⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠ ⎛ ⎞∂ ∂ = γ − ϕ⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠ (4) где sγ и lhγ – кинетические коэффициенты. В случае гигантских пластических деформаций основным видом дефектов являются высокоугловые границы зерен, образование которых определяет сущность измельчения последних в процессе МПД [12]. Плотности дислока- ций и сеток дислокаций, основная эволюция которых завершилась на 1, 2 и 3-й стадиях деформирования, на стадии МПД меняются медленно и выступают как управляющие параметры по отношению к эволюции основного дефекта. Их влияние будет осуществляться через законы упрочнения. Одним из «кана- лов диссипации» упругой энергии является пластическая деформация, кото- рая на разных стадиях деформирования осуществляется различными типами структурных дефектов. При исчерпании этого канала может быть реализован другой – механическое разрушение через накопление микротрещин и после- дующее их слияние. Однако при значительных величинах упругой энергии внутренних напряжений, связанных с неравновесным состоянием границ, мо- гут быть инициированы иные «каналы диссипации»: динамическая рекри- сталлизация и фазовые превращения. В тех вариантах МПД, в которых велика компонента напряжений всестороннего сжатия, образование и рост раскалы- вающих трещин частично или полностью подавляется, а следовательно, су- щественно затрудняется реализация процесса разрушения. Представим внутреннюю энергию в виде ряда по степеням равновесных и неравновесных параметров 2 3 4 0 0 1 2 3 1 1 1 ... 2 3 4 u u h h h h= + ϕ − ϕ + ϕ − ϕ + , (5) где h – объемная плотность границ зерен; ϕ0, ϕ1, ϕ2 и ϕ3 – коэффициенты разложения, которые выражаются через управляющие параметры следую- щим образом: ( ) ( )2 2 0 1 2 e e ii iju = λ ε +μ ε , ( ) ( )2 2* 0 0 1 2 e e e ii ii ijg aCϕ = ϕ + ε + λ ε +μ ε + , (6) * 1 1 2 e iieϕ = ϕ + ε . Здесь λ, μ – упругие модули Ламе, λ , μ – их необратимые аналоги, ϕ0, ϕ1, g, a, e – остальные коэффициенты разложения, выражающие разные вариан- Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 26 ты зависимости от управляющих параметров – инвариантов тензора упругих деформаций e iiε и ( )2e e e ij ij jiε ≡ ε ε – концентрации компонентов C (в сплавах). Кинетическое уравнение эволюции границ зерен благодаря (15) можно запи- сать в явном виде: ( )2 3 0 1 2 3 ...h h h h h t ∂ = γ ϕ − ϕ + ϕ − ϕ + ∂ . (7) Графики внутренней энергии при некоторых параметрах модели приве- дены на рис. 1. Каждый отдельный график построен при постоянном зна- чении упругой деформации e ijε , что позволяет осуществить классифика- цию основных сценариев развития МПД. В приближении полинома 4-й степени график внутренней энергии в общем случае имеет два максимума (устойчивые стационарные точки) и один минимум (неустойчивая стацио- нарная точка). Левый максимум соот- ветствует существованию устойчиво- го стационарного решения в области низкого значения плотности границ зерен h, т.е. в области крупнозернистого строения, правый – то же самое в области мелкозернистого строения. В работе [13] было предложено три возможных сценария развития собы- тий после формирования предельной фрагментированной структуры. 1. В случае, когда в материале облегчены процессы дислокационных (дисклинационных) перестроек (например, в чистых металлах), наряду с дроблением зерен осуществляется низкотемпературная динамическая рек- ристаллизация. Локальные области структуры «очищаются» от дефектов, и в новых рекристаллизованных зернах снова начинается процесс пластическо- го течения с помощью дислокационных и дисклинационных мод. В этом случае динамическая рекристаллизация выступает в качестве мощного до- полнительного канала диссипации упругой энергии. Стационарное состояние системы в процессах МПД определяется нулями правой части (17). В квадратичном по энергии приближении (линейном по обобщенной термодинамической силе) это состояние задается условием: ϕ0 – ϕ1h = 0. (8) Это соотношение следует понимать как динамическое равновесие про- цессов образования и распада границ зерен, когда общее количество границ в процессе МПД не меняется. Рис. 1. Зависимость внутренней энер- гии от плотности границ зерен. Каж- дая кривая построена при постоянном значении управляющего параметра e ijε Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 27 2. В том случае, когда подвижность носителей пластической деформации относительно низка (например, в интерметаллидах), мощным дополнитель- ным каналом диссипации упругой энергии служит фазовый переход. Чаще всего это переход кристалл ⇒ аморфное состояние. В результате пластиче- ское течение локализуется в аморфной матрице без эффектов деформацион- ного упрочнения и накопления больших внутренних напряжений. 3. Промежуточный случай, когда дополнительным каналом диссипации могут служить дисклинационные перестройки, что приводит к наблюдаемой в некоторых экспериментах стабилизации фрагментированной структуры по мере развития МПД. Очевидно, переход от одного сценария структурных перестроек к друго- му зависит также от параметра TMPD/Tm, где TMPD – температура МПД с уче- том возможного эффекта выделения тепла, Tm – температура плавления. С учетом сказанного концепция В.В. Рыбина [6] соответствует переходу материала от левого максимума к правому по направлению, указанному стрелкой 3 (рис. 1). С учетом влияния гидростатических давлений в рамках этой концепции вполне можно описать формирование структур и с более мелким зерном, вплоть до достижения истинного наноструктурного состоя- ния 100 nm и ниже. Однако, если продолжать деформировать материал уже после достижения им критической или стационарной дефектной структуры, то в действие могут вступить другие механизмы релаксации, которые рань- ше не учитывались. При условии от- сутствия больших гидростатических сжимающих напряжений – это будут формирование системы микротрещин и последующее разрушение; при на- личии гидростатических сжимающих напряжений – это динамическая рек- ристаллизация и фазовые превраще- ния, роль которых согласно (15) при больших h должна возрасти. Для сравнения на рис. 2 приведены кине- тические кривые, построенные в со- ответствии с теорией Рыбина (кривая 1) [29] и с представленным энергети- ческим описанием (кривая 2). 3. Низкотемпературная динамическая рекристаллизация Предлагая первый сценарий структурных изменений при МПД, мы тем самым a priori констатировали, что процесс рекристаллизации в ходе де- формации может быть реализован даже при комнатной температуре. Со- гласно существующим представлениям процесс рекристаллизации (в том числе и динамической) является сугубо диффузионным [14]. Тем самым предполагается, что диффузия и самодиффузия атомов замещения, необхо- Рис. 2. Кинетические кривые фрагмен- тации металла в процессе МПД: 1 – из работы [29], 2 – в рамках энергетиче- ского описания Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 28 димые для образования зародышей рекристаллизации и их последующего роста, могут быть успешно реализованы при относительно низких темпера- турах в железе, никеле, алюминии, титане и других металлах, а также спла- вах на их основе, для которых проводились МПД-эксперименты. На первый взгляд, подобное утверждение выглядит некорректным. Приведем, однако, ряд соображений, подтверждающих правоту нашей гипотезы. 1. Известно [14], что температура начала динамической рекристаллизации зависит от степени деформации при заданной температуре. Чем выше сте- пень деформации, тем при более низкой температуре деформации начинает- ся рекристаллизация. В области холодной деформации эта зависимость так- же реализуется, и нет никаких физических ограничений на то, чтобы рас- пространить ее и на область комнатной и близких к ней температур. В этом случае динамической рекристаллизации должны соответствовать очень вы- сокие степени деформации, а именно о таких деформациях (МПД) мы и ве- дем речь. 2. Многие исследователи, рассматривая возможность протекания тех или иных диффузионных процессов в условиях МПД, не учитывают существен- ного влияния на диффузионные потоки внутренних напряжений. Вместе с тем термин «диффузия под напряжением» давно и хорошо известен [15]. Поскольку процессам пластической деформации свойственна неоднород- ность, заметную роль приобретают градиенты упругих напряжений, в осо- бой степени проявляющиеся при МПД. Возникающий как следствие этого градиент химического потенциала в соответствии с известным вторым по- стулатом Онзагера [16] должен приводить к возникновению диффузионных потоков. Вполне возможно, что диффузионные процессы еще более ускоря- ются за счет колоссального пересыщения материала, подвергнутого МПД, точечными дефектами [17]. Дополнительный вклад в ускорение диффузии может быть связан также с динамическим захватом атомов ансамблями ин- дивидуально и коллективно движущихся дислокаций и дисклинаций. 3. Существует множество примеров, когда действующие напряжения смещают реализацию физических процессов в область более низких темпе- ратур. В качестве примера рассмотрим механизм пластической деформации нанокристаллов, где дислокационная мода не может быть реализована вследствие размерного эффекта. В работе [18] был теоретически предсказан механизм низкотемпературного зернограничного микропроскальзывания как начальный этап пластического течения нанокристаллов при комнатных температурах. Зернограничное проскальзывание, как известно, является процессом, контролируемым диффузией, и в обычных условиях наблюдает- ся при высоких температурах. Тем не менее эксперименты по компьютер- ному моделированию подтвердили правоту авторов [18] и показали возмож- ность проскальзывания по границам зерен при комнатной температуре в ус- ловиях существования больших деформирующих напряжений [19]. В на- стоящее время механизм низкотемпературного зернограничного микропро- скальзывания в нанокристаллах является общепризнанным. Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 29 Как показано в обзоре [20], после МПД чистой меди в ней фиксируются существенно более низкие, чем в обычном материале, значения энергии ак- тивации ряда диффузионных процессов: для зернограничной диффузии – 0.64–0.69 eV/at, для ползучести по механизму Кобле – 0.72 eV/at, для про- цесса роста зерен – 0.7 eV/at. Общая тенденция к заметному снижению тем- пературы, при которой могут реализоваться диффузионные процессы, в ус- ловиях очень больших пластических деформаций четко проявляется, как бу- дет показано в следующем разделе, и при МПД аморфных сплавов. 4. На рис. 3 представлены электронно-микроскопические изображения структуры чистого железа, прошедшего обработку при комнатной температу- ре методом КДКБ (4 полных оборота, e = 5.6). На фоне матрицы с высокой плотностью дефектов наблюдаются малые по размеру (100–200 nm) области, полностью свободные от дислокаций и представляющие собой, судя по всему, зародыши рекристаллизации. Получение подобных снимков, безусловно, ред- кая удача, поскольку процесс МПД был остановлен как раз в тот момент, ко- гда зародыши рекристаллизации только появились и не успели вырасти и/или «обзавестись» дислокациями в результате непрекращающейся деформации. Проведенные нами исследования показали, что переход от чистого металла к твердому раствору на его основе затрудняет динамическую рекристаллиза- цию. Аналогичным образом влияет мартенситное превращение, иницииро- ванное деформацией. Оно же ведет к заметному диспергированию структуры, переводя ее в нанокристаллическое состояние (рис. 3,в). Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения ранних стадий динамиче- ской рекристаллизации в чистом железе (а, б) и наночастиц мартенсита дефор- мации в сплаве Fe–32% Ni (в) после че- тырех полных оборотов при комнатной температуре методом КДКБ. Светло- польное изображение Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 30 Механизмы формирования зародыша рекристаллизации и его последую- щего роста в процессе МПД могут совпадать с теми механизмами, которые уже известны для обычной динамической рекристаллизации при высоких температурах, но могут оказаться существенно иными, возможными только при низких температурах в условиях МПД. 5. В работе [10] впервые убедительно продемонстрировано явление ди- намической рекристаллизации в процессе МПД чистой меди при комнатной температуре. Хотя авторы работы создавали условия для МПД весьма ори- гинальным способом (локальной деформацией в зоне растущей трещины), это нисколько не снижает значимости их результата, тем более что ими же было обнаружено явление вторичной фрагментации. 6. Можно также предположить, что в случае гигантских пластических деформаций мы сталкиваемся с принципиально новой ситуацией, с другим механизмом протекания рекристаллизационных процессов по бездиффузи- онному механизму. Например, граница зерна в результате потери устойчи- вости может прийти в быстрое движение подобно ударной волне, «заметая» в процессе такого движения все мелкие структурные дефекты и даже грани- цы других зерен. В пользу такого механизма протекания рекристаллизаци- онных процессов свидетельствуют экспериментальные результаты, полу- ченные М.М. Мышляевым на сверхпластичных материалах [12], когда уда- лось по следам выделений мелких частиц Al2LiMg установить промежуточ- ные положения границ зерен в процессе этого движения. В пользу подобно- го сценария развития событий говорят также результаты компьютерных экспериментов, когда in situ удалось наблюдать движение границы разори- ентации со скоростью порядка 45% от скорости звука [21]. Таким образом, можно считать вполне установленным и теоретически обоснованным тот факт, что в процессе МПД чистых металлов (Fe, Al, Cu и др.) и твердых растворов на их основе наблюдается процесс динамической рекристаллизации, который является мощным дополнительным каналом диссипации упругой энергии, вводимой в твердое тело в процессе МПД. 5. Принцип цикличности при МПД Классические представления о пластической деформации основываются на том, в процессе увеличения степени деформации происходит накопление дислокационных дефектов. Чем выше степень пластической деформации, тем больше дефектов должен содержать деформируемый кристалл. Первое исключение из этого правила возникло при осуществлении больших пласти- ческих деформаций с активным участием дисклинационных мод: фрагменты имели тонкие границы и были практически полностью свободны от дисло- каций. Однако при переходе в область МПД, как мы видели, осуществляют- ся кардинальные структурные перестройки за счет дополнительных каналов диссипации упругой энергии. О скачкообразном изменении структуры и свойств при переходе к МПД сообщали и авторы работы [7]. При наличии Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 31 существенных напряжений всестороннего сжатия в схеме напряженного со- стояния при МПД процесс разрушения предотвращается или, по крайней мере, сильно затрудняется. В этих условиях каналами диссипации при МПД могут служить динамическая рекристаллизация, фазовые превращения (включая аморфизацию) и выделение избыточного тепла. Если рассматри- вать конкретный микрообъем деформируемого образца, то вслед за динами- ческой рекристаллизацией или аморфизацией процесс пластической дефор- мации как бы начинается «с чистого листа» во вновь образовавшемся рекри- сталлизованном зерне или в области аморфной фазы. Далее в рассматривае- мом микрообъеме под действием деформирующих напряжений снова про- исходит накопление дефектов, и процесс повторяется. Можно полагать, что природа формирования пластических зон вокруг устья трещины, наблюдав- шихся в работе [10], имеет такое же циклическое автоволновое происхождение. Автоволновой циклический характер описанных выше переходов можно проиллюстрировать в рамках энергетического подхода из условия сущест- вования двух максимумов внутренней энергии (см. рис. 1). Если в началь- ном состоянии материал находился в аморфном состоянии, то в результате внешнего механического воздействия он будет разупрочняться, что согласу- ется со снижением твердости на этой стадии [22]. Физической предпосыл- кой наблюдавшегося при МПД снижения прочности служит, по-видимому, то обстоятельство, что аморфное состояние является замороженным жидким состоянием и в процессе энергетической накачки еще больше приближается к последнему. Наиболее эффектно цикличность перехода кристалл–аморфное состояние наблюдалась при осуществлении весьма близких с МПД процессов механо- активации [23]. По мере обработки порошка интерметаллида Co75Ti25 в ша- ровой мельнице при продолжительности обработки до 720 ks рентгеногра- фически наблюдались циклические фазовые переходы ОЦК-Co75Ti25 ⇒ ⇒ аморфное состояние ⇒ ОЦК-Co75Ti25 ⇒ аморфное состояние ⇒ ОЦК- Co75Ti25 ⇒ аморфное состояние. На рис. 4 представлена обобщающая все вышесказанное схема протека- ния структурных процессов, демонстрирующая принцип цикличности при МПД. Процесс разрушения скомпенсирован напряжениями всестороннего сжатия и выведен из рассмотрения. Две ветви структурных превращений при МПД соответствуют протеканию либо динамической рекристаллизации, либо аморфизации сплавов. Схема носит упрощенный характер и не учиты- вает ряда дополнительных условий, которые могут усложнить общую кар- тину. Но принцип цикличности является, на наш взгляд, основополагающим при рассмотрении МПД. Заключение Мы можем теперь дать исчерпывающие ответы на все вопросы, постав- ленные в начале раздела 3. Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 32 Рис. 4. Общая схема возможных структурных превращений в процессе МПД; σHP – всестороннее сжатие В процессе МПД обязательно должны быть эффективно реализованы до- полнительные (помимо пластической деформации) каналы диссипации уп- ругой энергии. Структурные изменения при МПД характеризуются опреде- ленной цикличностью. Конкретный маршрут структурных перестроек при МПД определяется рядом факторов: температурой, величиной барьера Пайерлса дислокаций и их способностью к диффузионным перестройкам, разностью энергий кри- сталлического и аморфного состояний. Протекание МПД вовсе не гарантирует образования нанокристаллическо- го состояния с размером кристаллитов менее 100 nm, разделенных высоко- угловыми или межфазными границами. Например, в чистых металлах с вы- сокой дислокационной подвижностью это практически исключено. Важны- ми факторами образования наноструктур при МПД являются протекание фазовых превращений мартенситного и диффузионного типа, а также пере- ход в аморфное состояние. Стимулируя фазовые превращения путем варьи- рования температуры и химического состава материалов, мы в состоянии получить наноструктуры различного типа. Отличительным признаком МПД является существование дополнительных эффективных каналов диссипации упругой энергии. Таких каналов, по наше- му мнению, четыре (если исключить процессы механического разрушения): динамическая рекристаллизация, дисклинационные перестройки, фазовые превращения (включая переход в аморфное состояние) и выделение скрытой Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 33 теплоты деформационного происхо- ждения. При обычных (макропласти- ческих) деформациях происходит на- копление упругой энергии, и лишь на стадии МПД включаются мощные диссипативные процессы. Можно весьма точно определить граничную деформационную об- ласть, где макропластическая де- формация переходит в мегапласти- ческую. На рис. 5 представлена зави- симость температуры начала дина- мической рекристаллизации от вели- чины деформации при заданной тем- пературе, приведенная в монографии [14]. Предположим, что мы прово- дим деформацию при комнатной температуре (в принципе она может быть любой, удовлетворяющей соотношению Td/Tm < 0.3). При степенях дефор- мации ниже граничного значения εb динамическая рекристаллизация не происходит, и мы находимся в области макродеформации. При значениях ε > εb процесс пластической деформации начинает включать в себя динами- ческую рекристаллизацию, и мы переходим в область МПД. Таким образом, определена граница реализации МПД в случае действия одного из мощных каналов диссипации. В случае другого канала (аморфизации) признаком пе- рехода в область МПД может служить появление в структуре микрооблас- тей аморфной фазы. Если действуют одновременно оба вышеупомянутых канала диссипации (относительно редкий случай), то граничное значение деформации соответствует меньшему из них. В качестве вывода по работе попытаемся дать строгое определение МПД. Мегапластическая (интенсивная) деформация – это процесс пластиче- ского течения при температуре Тd < 0.3Тm, удовлетворяющий двум сле- дующим условиям: 1) в схеме напряженного состояния деформируемого твердого тела име- ется существенная компонента напряжений всестороннего сжатия, пре- дотвращающая механическое разрушение; 2) величина пластической деформации столь велика, что пластическое течение сопровождается циклическими процессами динамической рекри- сталлизации и/или аморфизации структуры, которые протекают при тех же температурах с учетом эффектов выделения скрытого тепла. В заключение несколько коротких замечаний. 1. В рамках рассматриваемой модели МПД нет необходимости привле- кать представления об «особых» сильнонеравновесных границах зерен как ответственных за протекание всех неравновесных процессов в твердом теле Рис. 5. Схема, поясняющая нахождение граничной области деформаций, разде- ляющей макро- и мегапластическую деформации Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 34 при интенсивном внешнем воздействии. Хотя, безусловно, неравновесность границ имеет место и может сыграть определенную роль в общем сценарии установления стационарного или автоволнового режима (например, при за- пуске одного из каналов мощной релаксации), все же эта роль, скорее, более скромная, чем это полагалось ранее. 2. Деформационное поведение материалов в условиях МПД по своей природе очень близко, на наш взгляд, к поведению материала при сверхпла- стичности. Подобная аналогия может оказаться продуктивной для выясне- ния природы сверхпластичности. 3. МПД – это явление, протекающее только на поздних стадиях деформа- ции, для его реализации можно использовать любую схему напряженного состояния (например, обычную прокатку) при условии создания высоких гидростатических напряжений. Авторы выражают сердечную признательность Б.С. Бокштейну, В.Н. Ва- рюхину, С.В. Добаткину, Ю.А. Осипьяну, Е.Г. Пашинской, С.Д. Прокошки- ну и М.А. Штремелю за плодотворное обсуждение полученных результатов. Работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ (грант 06.02.17075). 1. С.В. Добаткин, Н.П. Лякишев, Тез. докл. Второй Всероссийской конференции по наноматериалам, ИХТТМ СО РАН, Новосибирск (2007), с. 35–36. 2. А.М. Глезер, Изв. РАН. Сер. физ. 71, 1767 (2008). 3. Ю.И. Головин, Универсальные принципы естествознания, ТГУ, Тамбов (2002). 4. Е.В. Татьянин, В.Г. Курдюмов, В.Б. Федоров, ФММ 62, 133 (1986). 5. Н.А. Смирнова, В.И. Левит, В.И. Пилюгин, Р.И. Кузнецов, Л.С. Давыдова, В.А. Са- зонов, ФММ 61, 1170 (1986). 6. В.В. Рыбин, Большие пластические деформации и разрушение металлов, Ме- таллургия, Москва (1986). 7. С.А. Фирстов, Н.И. Даниленко, В.И. Копылов, Ю.Н. Подрезов, Изв. вузов. Фи- зика 45, № 3, 41 (2002). 8. Н.А. Конева, Э.В. Козлов, в сб.: Структурные уровни пластической деформации и разрушения, В.Е. Панин (ред.), Наука, Новосибирск (1990), с. 123–186. 9. Р.З. Валиев, Российские нанотехнологии 1, № 1–2, 208 (2006). 10. В.М. Быков, В.А. Лихачев, Ю.А. Никонов, Л.Л. Сербина, Л.И. Шибалова, ФММ 45, 163 (1978). 11. Р.А. Андриевский, А.М. Глезер, ФММ 89, № 1, 91 (2000). 12. M.M. Myshlyaev, M.M. Kamalov, M.M. Myshlyaeva, in the collection: Nanomaterials by Severe Plastic Deformation, M. Zehetbauer, R.Z. Valiev (eds.) (2005), p. 717– 721. 13. В.А. Поздняков, А.М. Глезер, Изв. РАН. Сер. физ. 68, 1449 (2004). 14. С.С. Горелик, С.В. Добаткин, Л.М. Капуткина, Рекристаллизация металлов и сплавов, МИСиС, Москва (2005). 15. Я.С. Уманский, Б.Н. Финркельштейн. М.Е. Блантер, Физические основы ме- талловедения, Металлургиздат, Москва (1949). Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4 35 16. Б.С. Бокштейн, Диффузия в металлах, Металлургия, Москва (1978). 17. В.Л. Гапонцев, В.В. Кондратьев, ДАН 385, 608 (2002). 18. В.А. Поздняков А.М. Глезер, ФТТ 44, 705 (2002). 19. А.М. Глезер, Деформация и разрушение материалов № 2, 10 (2005). 20. Э.В. Козлов, Н.А. Конева, А.Н. Жданов, Физическая мезомеханика 7, № 4, 93 (2004). 21. Н.Н. Белоусов, Л.С. Метлов, А.Б. Дугадко, ФТВД 15, № 2, 38 (2005). 22. А.М. Глезер, С.В. Добаткин, М.Р. Плотникова. А.В. Шалимова, Тез. докл. Вто- рой Всероссийской конференции по наноматериалам, ИХТТМ СО РАН, Ново- сибирск (2007), с. 51. 23. M. Sherif El-Eskandarany, K. Aoki, K. Sumiyama, K. Suzuki, Acta Met. 50, 1113 (2002). A.M. Glezer, L.S. Metlov MEGAPLASTIC DEFORMATION OF SOLIDS The concept of megaplastic deformations (MPD) of metals and the related changes in structure of defective subsystems have been considered. It is shown that there exists some critical deformation value when changes in structure of the material, transforming to a high-deformed state, happen in a jump-like way. Under superhigh deformations, we have, apart from the ordinary relaxation mechanism (grain fragmentation or refinement), an- other deformation types, such as recrystallization due to elastic stresses for relatively low temperatures, phase transitions, amorphization. These phenomena and processes devel- oping under the MPD are adequately described within the energy approach. Fig. 1. Dependence of internal energy on density of grain boundaries. Each curve has been constructed for constant value of control parameter e ijε Fig. 2. Kinetic curves for metal fragmentation under MPD: 1 – from paper [29], 2 – within the framework of energy description Fig. 3. Electron microscope image of early stages of dynamic recrystallization in pure iron (а, б) and of deformation-martensite nanoparticles in alloy Fe–32% Ni (в) after four complete revolutions by the torsion under pressure in Bridgemen chamber method, under the room-temperature conditions. Light-field image Fig. 4. General scheme of possible structural transformations under MPD; σHP – uniform compression Fig. 5. Scheme explaining the location of boundary deformation region separating macro- and megaplastic deformations

Мегапластическая деформация твердых тел

Репозитарії

Схожі ресурси