Закономерности зернограничных диффузионно-контролируемых процессов в ультрамелкозернистых и наноструктурных металлах и сплавах

• Автор: Иванов, Максим Борисович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 115 с. : ил.

1 Феноменологические модели зернограничной диффузии
1.1 Классификация режимов зернограничной диффузии по Харрисону.
Модель Фишера
1.2 Обобщенные классификации режимов зернограничной диффузии для неподвижных и движущихся границ зерен. Диаграмма Канна-Баллуффи
1.3 Феноменологические модели зернограничной диффузии в наноструктурных материалах
2 Объемные ультрамелкозернистые и наноструктурные металлы и сплавы
2.1 Методы получения
2.2 Особенности развития диффузионно-контролируемых процессов в наноструктурном состоянии. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким
зерном
3 Закономерности и механизмы зернограничной диффузии в наноструктурных металлах
4 Обратимое легирование водородом, как способ модификации микроструктуры титановых сплавов
4.1 Термодинамика и кинетика фазовых превращений в системах
титановый сплав-водород
4.2 Использование обратимого легирования водородом для модификации структуры титановых сплавов
5 Постановка задачи исследований. Обоснование выбора материалов и
методов исследований
6 Исследование зернограничной диффузии в наноструктурных металлах
6.1 Исследование диффузии меди в наноструктурном никеле
6.2 Анализ применимости моделей диффузии по границам зерен и
тройным стыкам к интерпретации экспериментальных результатов
7 Исследование закономерностей изменения дисперсности частиц Б-фазы в сплаве А1-^-1л-& (1420) в процессе отжига и сверхпластической деформации
8 Контролируемая диффузией эволюция структуры ультрамелкозернистого сплава Ть6А1-4У-хН
8.1 Особенности фазовых превращений в сплаве Т1-6А1-4У с высоким содержанием водорода
8.2 Особенности контролируемого зернограничной диффузией роста зерен
в двухфазной структуре
8.3 Структура сплава ВТ6, подвергнутого термомеханической обработке разносторонним прессованием в сочетании с обратимым легированием водородом
Выводы
ЛИТЕРАТУРА
Приложение

С созданием нового класса материалов - наноструктурных металлов и сплавов -физика границ зерен и закономерности зернограничной диффузии в ультрамелкозернистом состоянии стали интересовать все большее количество исследователей во всем мире [1, 2]. Связано это с тем, что диффузионные процессы играют немаловажную, а, подчас, решающую роль в реализации уникальных свойств, таких как высокие показатели сверхпластичности, фазовые превращения, процессы формирования, деградации и возврата структуры наноматериалов в интервале температур близких к комнатной. Действительно, с уменьшением размера зерна увеличивается объемная доля материала, относящегося к границам зерен и приграничным областям. Размеры элементов структуры приближаются к длинам диффузионных путей, характерным для различных практически важных процессов. Термодинамически неравновесное состояние наноматериалов, в особенности полученных методами интенсивной пластической деформации, позволяет предполагать изменение фундаментальных характеристик твердого тела, в том числе, параметров диффузии. Исследование диффузии в таких материалах стало интригующим и практически важным вследствие ряда экспериментальных работ, в которых было обнаружено, что коэффициенты диффузии (предположительно зернограничной) в наноструктурных металлах и сплавах на несколько порядков величины превышают соответствующие в крупнозернистых [3,4].
Получение надежных результатов в определении коэффициентов диффузии по границам зерен зачастую связано с большими трудностями в подборе адекватной модели зернограничной диффузии для анализа экспериментальных данных. Малый размер зерен, возможность перекрытия друг с другом диффузионных потоков атомов от соседних границ, релаксация и миграция границ зерен (ГЗ) в ходе диффузионных отжигов и, сверх того, неоднородность структуры объема зерен оказывают значительное влияние на кинетику диффузионных процессов. Как следствие, результаты анализа экспериментальных данных различными авторами могут иметь существенные различия.
Следует упомянуть несколько слов о принятой терминологии, в частности дать определение наноструктурным (НС) и ультрамелкозернистым (УМЗ) материалам.

Классически принятым до недавних пор являлось определение наноструктурных материалов, данное Гляйтером [1], который предложить использовать приставку «нано» в тех случаях, когда величина характерного размера элементов структуры материала хотя бы в одном измерении меньше 1000А. Очевидно, что предложенная классификация формальна - средний линейный размер элементов структуры не определяет весь спектр физических, механических и химических свойств объекта, для большинства практически важных случаев гистограмма распределения элемента структуры по размерам распространяется за пределы указанной величины (объемная доля «ненаноразмерного» компонента может быть значительной, если не подавляющей). Кроме того, что очевидно, уникальность наноструктурных материалов заключается не в уменьшении размеров структуры, а в качественном изменении конкретных выделенных свойств, с ним связанных. Следовательно, в зависимости от типа материала и исследуемого спектра свойств переход к наноструктурному состоянию реализуется при различном среднем размере того или иного элемента структуры. Таким образом, прибегать к терминологии «нано» следует исходя не из структурных исследований, а из доказанного качественного изменения изучаемых свойств, связанного, например, с уменьшением размера зерна.
К подобному заключению пришел международный технический комитет ИСО/ТК 229 «Нанотехнологии», который провел свое инаугурационное заседание 9-11 ноября 2005 г. в Лондоне и определил область своей деятельности следующим образом: «Стандартизация в области нанотехнологий, которая охватывает один или два аспекта: 1) понимание и управление сущностью и процессами в масштабе нанометра, как правило, но не исключительно, ниже 100 нанометров в одном или более измерениях, где ввод в действие зависящего от размера явления обычно дает возможность новых применений: 2) использование свойств материалов в нанометрическом масштабе, которые отличаются от свойств индивидуальных атомов, молекул и вещества в объеме, для создания более совершенных материалов, приборов и систем, которые используют эти новые свойства».
Что касается ультрамелкозернистых материалов, к таковым можно отнести системы, не попадающие в разряд наноструктурных по причине несоответствия размерного параметра указанному выше определению (размер элементов структуры превышает барьер в 100 нм многократно), однако и такие материалы благодаря

К до 943 К при введении 0,8 мае. %Н, ниже этой температуры в равновесии находятся только а- и (3-фазы.
Рис. 4.2. Температурно-концентрационная диаграмма фазового состава водородсодержащего титанового сплава ВТ6 [60].
Мартенситные (3-»а'- и (3-»а"-превращения в сплавах титана с водородом в чистом виде реализуются при охлаждении со скоростью, больше некоторой критической т°>ук. Из-за увеличения термодинамической стабильности (3-фазы при легировании водородом величина тк уменьшается с повышением содержания водорода [60, 65]. Дополнительным фактором, снижающим значением критической скорости охлаждения является снижение диффузионной подвижности основных легирующих элементов, что было показано экспериментально на примере диффузионных пар Тн->П-6А1-4У [69]. В частности было обнаружено, что водород в количестве до 0,3 мае. % уменьшает коэффициент диффузии алюминия и ванадия в 0-фазе более чем в 2 раза при температуре 1323 К.
Кроме того, следствием увеличения стабильности [3-фазы по отношению к а-фазе при легировании водородом является снижение температур начала и конца мартенситного превращения, а так же увеличение температурного интервала прямого и обратного превращения. При закалке водород облегчает протекание (3->а"-превращения и оно может реализовываться даже в сплавах, в которых в отсутствие водорода имеет место (3->а'-превращение [60]. При этом дислокационный механизм деформации с инвариантной решеткой при мартенситном превращении меняется на