Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура

Представлены экспериментальные данные, касающиеся изменения твердости HV в процессе прокатки многослойных двухкомпонентных композитов Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Ti, состоящих из слоев микро- и наноразмерной толщины, и однокомпонентного многослойного материала, состоящего из микроразмерных слоев титана. Для C...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Коржов, В.П., Карпов, М.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2011
Schriftenreihe:	Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69436
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура / В.П. Коржов, М.И. Карпов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 92-102. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-69436
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-694362014-10-14T03:01:41Z Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура Коржов, В.П. Карпов, М.И. Представлены экспериментальные данные, касающиеся изменения твердости HV в процессе прокатки многослойных двухкомпонентных композитов Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Ti, состоящих из слоев микро- и наноразмерной толщины, и однокомпонентного многослойного материала, состоящего из микроразмерных слоев титана. Для Cu/Nb- и Cu/Fe-композитов после 3-го цикла получены зависимости Холла–Петча с величиной толщины отдельного слоя t в качестве независимого параметра. Зависимости Холла–Петча были получены и для композитов, прошедших 1-й и 2-й технологические циклы, но только после их отжига, при котором снималось упрочнение, возникавшее вследствие наклепа поверхности. Представлено експериментальні дані, які стосуються зміни в основному твердості HV в процесі прокатки багатошарових двокомпонентних композитів Cu/Nb, Cu/Fe і Nb/Ti, які складаються з шарів мікро- і нанорозмірної товщини, та однокомпонентного багатошарового матеріалу, який складається з мікророзмірних шарів титануДля Cu/Nb- і Cu/Fe-композитів після 3-го циклу отримано залежності Холла–Петча з величиною товщини окремого шару t в якості незалежного параметру. Залежності Холла–Петча було отримано і для композитів, які пройшли 1-й і 2-й технологічні цикли, але тільки після їх відпалу, при якому знімалося зміцнення, яке виникало внаслідок наклепу поверхні. The experimental data concerning mainly the change of HV hardness in the course of rolling of multi-layer two-component Cu/Nb, Cu/Fe and Nb/Ti composites consisting of layers of micro- and nanoscale thickness, and single-component multi-layer material consisting of micro-scale titanium layers are presented. Hall–Patch dependences have been obtained for Cu/Nb and Cu/Fe composites after the third cycle with the value of a single layer thickness used as an independent parameter. Hall–Patch dependences have been also obtained for the composites passed the first and the second technological cycle but only after the anneal in order to relieve the strengthening caused by the surface coldhardening. 2011 Article Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура / В.П. Коржов, М.И. Карпов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 92-102. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.Fe http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69436 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	Представлены экспериментальные данные, касающиеся изменения твердости HV в процессе прокатки многослойных двухкомпонентных композитов Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Ti, состоящих из слоев микро- и наноразмерной толщины, и однокомпонентного многослойного материала, состоящего из микроразмерных слоев титана. Для Cu/Nb- и Cu/Fe-композитов после 3-го цикла получены зависимости Холла–Петча с величиной толщины отдельного слоя t в качестве независимого параметра. Зависимости Холла–Петча были получены и для композитов, прошедших 1-й и 2-й технологические циклы, но только после их отжига, при котором снималось упрочнение, возникавшее вследствие наклепа поверхности.
format	Article
author	Коржов, В.П. Карпов, М.И.
spellingShingle	Коржов, В.П. Карпов, М.И. Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура Физика и техника высоких давлений
author_facet	Коржов, В.П. Карпов, М.И.
author_sort	Коржов, В.П.
title	Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура
title_short	Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура
title_full	Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура
title_fullStr	Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура
title_full_unstemmed	Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура
title_sort	многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. их механические свойства и структура
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69436
citation_txt	Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура / В.П. Коржов, М.И. Карпов // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 92-102. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT koržovvp mnogoslojnyeodnoidvuhkomponentnyemetalličeskiemikroinanokompozityihmehaničeskiesvojstvaistruktura AT karpovmi mnogoslojnyeodnoidvuhkomponentnyemetalličeskiemikroinanokompozityihmehaničeskiesvojstvaistruktura
first_indexed	2025-07-05T19:00:49Z
last_indexed	2025-07-05T19:00:49Z
_version_	1836834672119644160
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 © В.П. Коржов, М.И. Карпов, 2011 PACS: 62.20.Fe В.П. Коржов, М.И. Карпов МНОГОСЛОЙНЫЕ ОДНО- И ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МИКРО- И НАНОКОМПОЗИТЫ. ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА Институт физики твердого тела РАН ул. Институтская, 2, г. Черноголовка, 142432, Московская обл., Россия E-mail: korzhov@issp.ac.ru Представлены экспериментальные данные, касающиеся изменения твердости HV в процессе прокатки многослойных двухкомпонентных композитов Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Ti, состоящих из слоев микро- и наноразмерной толщины, и однокомпонентно- го многослойного материала, состоящего из микроразмерных слоев титана. Для Cu/Nb- и Cu/Fe-композитов после 3-го цикла получены зависимости Холла–Петча с величиной толщины отдельного слоя t в качестве независимого параметра. Зави- симости Холла–Петча были получены и для композитов, прошедших 1-й и 2-й тех- нологические циклы, но только после их отжига, при котором снималось упрочне- ние, возникавшее вследствие наклепа поверхности. Ключевые слова: слоистые нанокомпозиты, зависимость Холла–Петча, фольги, твердость по Виккерсу, прокатка Интерес к кристаллическим наноструктурным сплавам в последние годы трудно переоценить. Это объясняется тем, что существенное отличие их фи- зических и химических свойств от тех же свойств металлов и сплавов с обычной структурой нередко позволяет получать новые функциональные материалы с неожиданными механическими, магнитными и электрическими свойствами. Так, наноструктурные слоистые композиты Fe/Ag и Fe/Cu, по- лученные диффузионной сваркой-прессованием и последующей прокаткой при комнатной температуре [1–3], обладали большим магнеторезистивным эффектом, который наблюдался в таких же композитах, но приготовленных более трудоемким и менее производительным методом CVD. Толщина от- дельных слоев в них равнялась 20 nm. С использованием CVD также был изготовлен многослойный материал Mo/W с толщиной слоев молибдена и вольфрама, равной 4 nm [4]. Твердость и предел прочности этого материала в 15 раз превышали аналогичные характеристики сплава, состав которого сопоставим с объемным отношением компонентов в композите. Выражением, отражающим зависимость механических характеристик ма- териала от его структуры, является известная зависимость Холла–Петча, Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 93 связывающая напряжение течения σt и размер зерна d: σt = σ0 + K(1/ d ). Классический механизм, объясняющий ее, основан на возникновении на- пряжения в голове дислокационного скопления на границе зерна, которое должно инициировать скольжение в соседнем зерне. Было показано [5], что зависимость Холла–Петча выполняется и в деформированном состоянии, если в структуре металла присутствуют эффективные протяженные препят- ствия для движения дислокаций, например границы дислокационных ячеек или субзерен. Условием для этого является постоянство коэффициента K, т.е. эффективность препятствий для скольжения дислокаций не должна из- меняться. Если границы зерен, ячеек или субзерен остаются в процессе ис- пытания единственными или хотя бы основными препятствиями для дисло- каций, то выражение Холла–Петча применимо и к пределу прочности, и к твердости металла. Авторы работы [6] выделяют три интервала размера зерен. На участке монокристалл–зерно размером 1 μm зависимость Холла–Петча выполняется точно, показатель степени n = −0.5. На участке от 1 μm до 30 nm зависи- мость выполняется приближенно: n → 0. В области очень малых размеров зерна d напряжение течения не растет с уменьшением d (n ≈ 0) или даже на- блюдается его снижение. В сравнительно недавней работе [7] на основе анализа большого количе- ства литературных данных выделены четыре диапазона размеров зерен с различными механизмами деформации. В диапазоне 500–100 nm деформа- ция происходит так же, как в обычных сплавах с мелкокристаллической структурой. В интервале размеров зерен от 100 до 50 nm дислокации эмит- тируются границами и аннигилируют на границах зерен. В диапазоне 50–10 nm основным механизмом деформации является зарождение частичных дисло- каций и двойников деформации. При размерах зерен менее 10 nm домини- рующим механизмом является зернограничное проскальзывание. Так обстоит дело в массивных металлах и сплавах. Известные данные о зависимости предела текучести от толщины слоя противоречивы и носят дискуссионный характер. В работе [8] на основе анализа имевшихся в то время экспериментальных результатов был сделан вывод, что механические свойства растут с уменьшением толщины слоев в соответствии с зависимостью Холла–Петча только до определенного значе- ния, после которого рост свойств может происходить быстрее или медлен- нее. Критическая толщина слоев могла изменяться в пределах от 70 до 5 nm. В данной работе плоские слоистые нанокомпозиты получали методом про- катки многослойных пакетов [9], который можно причислить к методам ин- тенсивной пластической деформации [10,11]. Если в первом цикле прокатки пакет собирается из фольг двух и более разнородных металлов, во втором цикле – из многослойных фольг, полученных после 1-го цикла, в третьем цикле – из еще более многослойных фольг после 2-го цикла и т.д., то отдель- ная фольга металла испытывает колоссальную суммарную деформацию. На Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 94 практике, чтобы деформировать фольгу толщиной несколько десятых долей миллиметра до толщины 10 и менее нанометров, достаточно трех циклов. Этим способом получали многослойные композитные материалы с нанораз- мерными слоями ниобия и NbTi-сплава [12,13], меди и ниобия [14] и др. Если при нагреве собранные в пакет компоненты не проявляли активно- го диффузионного взаимодействия, то перед вакуумной прокаткой добав- лялась операция диффузионной сварки пакетов при 800–850°C под давле- нием 12–18 MPa. Одной из характерных особенностей плоских многослойных композит- ных материалов с наноразмерными слоями является то, что толщина их от- дельных слоев t есть параметр, ответственный за механические свойства ма- териала, так как определяет длину пробега дислокаций. В известном выра- жении Холла–Петча, которое связывает механические характеристики и структуру, параметром является размер зерна d [5]. В многослойных же ма- териалах с наноразмерными толщинами слоев в качестве параметра может выступать t [8]. В работе [13] зависимости Холла–Петча для твердости по Виккерсу HV, в которых параметром была толщина слоя t, были получены для многослой- ных наноструктурных композитов Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Nb50Ti (Nb–50 mass% Ti), а также для пределов текучести σ0.1 и σ0.2 и предела прочности σs при испытаниях на растяжение для композита Nb/Nb31Ti. Изготовление различного типа многослойных композиционных материа- лов методом многоразовой пакетной прокатки (чем мы занимаемся уже на протяжении десятка лет) имеет общую задачу получить функциональный материал с присущими ему свойствами, которые должны быть лучше или, во всяком случае, не хуже, чем свойства того же материала, полученного другими, более традиционными для него, методами. В данной работе представлены экспериментальные данные, касающиеся изменения в основном твердости HV в процессе прокатки многослойных двухкомпонентных композитов Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Ti, состоящих из слоев микро- и наноразмерной толщины, а также однокомпонентного многослойно- го материала, состоящего из микроразмерных слоев титана. Результаты уста- навливают соответствие или несоответствие полученных зависимостей HV(t) выражению Холла–Петча. Это и является целью настоящего сообщения. 1. Композит Cu/Nb В 1-м цикле пакет собирали из 20 Cu- и 20 Nb-фольг толщиной 0.3 mm прокатывали до толщины 0.3 mm. На этом этапе толщина слоев равнялась 7.5 μm. Во 2-м и 3-м циклах пакет собирали из 40 многослойных фольг, по- лученных в предыдущих циклах. Суммарное количество слоев – 64000. При толщине композита 0.4 mm средняя расчетная толщина слоев меди и ниобия равнялась 6.5 nm. Это хорошо совпадало с толщиной, оцененной по данным электронной микроскопии (рис. 1). Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 95 На рис. 2 показаны зависимости твердости по Виккерсу HV от 1/t0.5 для композитов после 2-го и 3-го циклов. Твердость измеряли при на- грузке 5 kg вдавливанием алмазной пирамиды стандартных размеров. Поскольку измерения проводили на достаточно тонких фольгах, сущест- вовали вполне реальные опасения, что глубина отпечатка могла ока- заться больше толщины фольги. В таких случаях между столиком твер- домера и исследуемой фольгой по- мещали отрезки фольги, аналогич- ные измеряемой, в количестве, дос- таточном, чтобы след от отпечатка не просматривался с обратной стороны самого нижнего отрезка фольги. 0.02 0.04 0.06 0.08 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2 1 H V , G Pa t–0.5, nm–0.5 а б Рис. 2. Зависимости HV от обратной величины квадратного корня из t для компози- та Cu/Nb после 2-го (а) и 3-го (б) циклов: 1 и 2 – два одинаковых композита, произ- веденные в различное время; светлые символы – после прокатки при комнатной температуре; темные – после прокатки и отжига: 650°C, 2 h После 2-го цикла измерения HV поверхности композитов производили не- посредственно после прокатки при комнатной температуре и после прокатки и вакуумного отжига при 650°C в течение 2 h. После прокатки по мере уменьше- ния t твердость повышалась и, достигнув максимального значения, равного ∼ 1.7 GPa, незначительно падала (см. измерения для композита 1). Изменения HV от величины t для обоих композитов явно не подчинялись зависимости Холла–Петча. Отжиг уменьшал общий уровень значений твердости примерно в 1.5 раза. Это происходило вследствие снятия упрочнения поверхности компо- зита за счет наклепа при прокатке. Значения твердости, обусловленные только «многослойностью» материала, хорошо укладывались на прямую линию. Рис. 1. Микроструктура поперечного се- чения композитной Cu/Nb-ленты. Дан- ные просвечивающей электронной ми- кроскопии Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 96 После 3-го цикла зависимость Холла–Петча имела два участка с интер- валами толщин 100–25 и 25–5 nm, имеющих разные наклоны. Различие констант K в 6 раз означало изменение эффективности межслойных границ как препятствий для скольжения дислокаций. Анализ текстуры в слоях ГЦК-меди и ОЦК-ниобия показал, что при достижении толщины 25 nm формировались текстуры, при которых плоскости и направления скольже- ния в обоих слоях становились почти параллельными друг другу. Это об- легчало передачу скольжения из слоя в слой. Для сравнения отметим, что для композита Nb/Nb50Ti, где оба компонента имеют ОЦК-решетку, тек- стура в обоих слоях была одинакова и скольжение легко передавалось при всех t. Зависимости Холла–Петча имели только один наклон во всем нано- интервале толщин [13]. 2. Композит Cu/Fe Первоначально композит собирали из 23 Cu-фольг и такого же количест- ва Fe-фольг. Во 2-м и 3-м циклах пакеты собирали из 46 многослойных фольг, полученных в предыдущих циклах. После 2-го расчетное количество слоев должно составлять с 2116 толщиной ∼ 90 nm, после 3-го – более 97000 с расчетной толщиной ∼ 2 nm (при толщине композита 0.18 mm). Однако данные микроструктурных исследований с помощью растровой электронной микроскопии свидетельствуют о том, что конечная толщина слоев (в композите после 3-го цикла) превышала их расчетную толщину t (рис. 3). Это можно объяснить тем, что при используемых режимах получе- ния композитов в 3-м цикле в процессе диффузионной сварки и прокатки происходило частичное слияние слоев. а б Рис. 3. Микроструктура поперечного сечения композитов Cu/Fe вдоль направления прокатки после 2-го (а) и 3-го (б) циклов Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 97 На рис. 4 и 5 представлены зависимости твердости по Виккерсу HV для ком- позитов в состоянии после прокатки при комнатной температуре (а) и после про- катки и отжига (б). Отжиг, как и в случае композитов Cu/Nb, проводили для ис- ключения твердости, обусловленной наклепом поверхности. Конструкция ком- позитов Cu/Fe была такова, что с одной стороны была фольга меди, с другой – фольга железа. Поэтому твердость измеряли на обеих поверхностях. Более высо- кие значения HV со стороны Fe, чем со стороны Cu, наблюдались только для первых трех толщин композита после 1-го цикла, да и то только в состоянии по- сле прокатки (рис. 4,а). Во всех последующих случаях твердости, измеренные со стороны меди и железа с учетом разброса значений, не отличались друг от друга. 0.01 0.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2 1 2-nd cicle1-st cicle H V , G Pa t–0.5, nm–0.5 0.01 0.1 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 H V , G Pa t–0.5, nm–0.5 2-nd cicle1-st cicle а б Рис. 4. Зависимость твердости по Виккерсу от t–0.5 для композита Cu/Fe после 1-го (ин- тервал изменения t от 40 до 4.1 μm) и 2-го (интервал изменения t от 1.4 μm до 90 nm) циклов в состоянии после прокатки (а) и после прокатки и отжига: 650°C, 2 h (б): 1 и 2 – измерения HV поверхности композита со стороны меди и железа соответственно 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2 1 H V , G Pa t–0.5, nm–0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2 1 H V , G Pa t–0.5, nm–0.5 а б Рис. 5. Зависимость твердости по Виккерсу от t–0.5 для композита Cu/Fe после 3-го цикла (интервал изменения t от 30 до 1.8 nm) в состоянии после прокатки (а) и по- сле прокатки и отжига: 600°C, 1 h (б): 1 и 2 – измерения HV поверхности композита со стороны меди и железа соответственно Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 98 Зависимости HV(t–0.5) после прокатки имели явно экстремальный харак- тер. После 3-го цикла (рис. 5,а) значения твердости достаточно хорошо ук- ладывались на прямые линии, вторая из которых имела отрицательный на- клон, демонстрируя «анти Холл–Петч». После отжигов все HV(t–0.5) имели вид зависимости Холла–Петча. Причем HV(t–0.5) для композита после 3-го цикла (рис. 5,б) имела преломляющийся характер, что соответствует компо- зитам, состоящим из металлов с различными кристаллическими решетками. В данном случае это α-Fe, имеющее ОЦК-решетку, и ГЦК-Cu. Здесь нужно отметить, что представленные экспериментальные данные получены без учета предполагаемого слияния слоев. Однако они соответст- вуют теоретическим представлениям рассматриваемого вопроса. Такое об- стоятельство дает повод предполагать, что периодичность слоистой наност- руктуры в композите, закладываемая при сборке пакета в 3-м цикле, сохра- няется. Это может выражаться в концентрационном различии слоев и в ко- герентных границах между ними, не разрешаемых электронной микроско- пией. Предел прочности при комнатной температуре определяли при испыта- ниях на растяжение и на изгиб на образцах, вырезанных вдоль направления прокатки (рис. 6). Следует обратить внимание, во-первых, на то, что даже после отжига композит, составленный из пластичных металлов, после 2-го цикла имел достаточно высокие значения прочности при растяжении, рав- ные 530–540 MPa. При этих значениях относительное удлинение равнялось 10%. Во-вторых, предел прочности при изгибе измеряли при двух ориента- циях направления приложения нагрузки – перпендикулярно и параллельно плоскости прокатки композита (см. обозначения 1 и 2 на рис. 6,б). Каза- лось бы, величина прочности должна быть различной. Однако, как пока- зали испытания, прочность не зависела от направления приложения на- грузки. 0.01 0.1 200 300 400 500 2-nd cicle 1-st cicle σ s, M Pa t–0.5, nm–0.5 150 200 250 300 350 400 1-st cicle σ b, M Pa t–0.5, nm–0.5 – 1 – 2 0.01 а б Рис. 6. Зависимости от t–0.5 предела прочности при растяжении Cu/Fe-композита после 1-го и 2-го циклов (а) и предела прочности при изгибе после 1-го цикла (б) Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 99 3. Композит Nb/Ti Микроструктурный композит получали прокаткой пакета, собранного из чередующихся 26 Nb- и 25 Ti-фольг толщиной 0.15 mm. После 1-го цикла при толщине композита 0.2 mm расчетная толщина слоев t = 4.4 μm. Зависимости твердости от обратной величины квадратного корня из t для композита в состояниях после прокатки и после прокатки и отжига имели тот же характер, что и для композитов Cu/Nb и Cu/Fe (рис. 7). Предполага- ется, что для композита Nb/Ti различие кристаллических решеток компо- нентов, из которых состоит композит, начинает проявляться уже после 1-го этапа прокатки (см. HV(t–0.5) для композита после прокатки и отжига). 4. Композит Ti/Ti Композит, состоящий из слоев титана микроразмерной толщины, полу- чался диффузионной сваркой под давлением и последующей прокаткой сна- чала в вакууме, а потом при комнатной температуре и содержал 120 Ti- слоев. При толщине композитной ленты 0.26 mm толщина отдельного слоя составляла 2.2 μm. Твердость в интервале t от 16 до 2.2 μm повышалась с 2.9 до 3.4 GPa (рис. 8) при сохранении достаточной пластичности. Выводы 1. Методами диффузионной сварки и прокатки многослойных пакетов получены микро- и наноструктурные композиты Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Ti, а также однокомпонентный многослойный микроструктурный композит из титана. Исследованы зависимости твердости по Виккерсу HV от обратной величины квадратного корня из t (t – средняя расчетная толщина слоев в композите). Показано, что зависимости HV(t–0.5) для композитов Cu/Nb и Cu/Fe 1.5 2.0 2.5 H V , G Pa t–0.5, nm–0.5 0.01 0.01 0.02 3.0 3.2 3.4 H V , G Pa t–0.5, nm–0.5 Рис. 7. Зависимость HV от t–0.5 для композита Nb/Ti после 1-го цикла (интервал t от 93 до 4.4 μm) после прокатки (–□–) и после прокатки и отжига: 650°C, 2 h (–■–) Рис. 8. Зависимость HV от t–0.5 для однокомпонентного композита из Ti после 1-го цикла (интервал t от 16 до 2.2 μm) после прокатки при комнатной температуре Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 100 после 3-го цикла удовлетворяют соотношению Холла–Петча. Причем они имеют два нанодиапазона толщин с различными наклонами зависимостей HV(t–0.5). Кроме того, HV(t–0.5) для композитов Cu/Nb, Cu/Fe и Nb/Ti описы- вались выражением Холла–Петча и на стадии 1-го и 2-го циклов, но только после отжигов, в результате которых снимался наклеп поверхности. 2. Из испытаний композита Cu/Nb на растяжение и изгиб рассчитаны зна- чения пределов прочности σs и σb соответственно. После 2-го цикла предел прочности σs достигал 540 MPa при относительном удлинении, равном 10%, а σb не зависел от того, как прилагалась нагрузка (параллельно или перпен- дикулярно плоскости прокатки) к образцу. 3. Многослойный композит из титана обладал достаточно высокой твер- достью ∼ 3 GPa. 1. P.H. Shingu, K. Yasuna, K.N. Ishihara, A. Otsuki, M. Tarauchi, Mater. Sci. Forum 35, 235 (1996). 2. K. Yasuna, M. Tarauchi, A. Otsuki, K.N. Ishihara, P.H. Shingu, J. Appl. Phys. 82, 2435 (1997). 3. B. Huang, K.N. Ishihara, P.H. Shingu, J. Mat. Sci. Lett. 19, 1763 (2000). 4. D.P. Adams, M. Vill, J. Bilello, S.M. Yalisove, J. Appl. Phys. 17, 1015 (1993). 5. В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, С.А. Фирстов, Физические основы прочности тугоплавких металлов, Нукова думка, Киев (1975). 6. P.G. Sanders, J.A. Eastman, J.R. Weertman, Acta Mater. 45, 4019 (1997). 7. Y.T. Zhu, T.G. Langdon, Mater. Sci. Eng. A409, 234 (2005). 8. G.S. Was, T. Foecke, Thin Solid Films 286, Nо 1–2, 1 (1996). 9. М.И. Карпов, В.И. Внуков, К.Г. Волков, Н.В. Медведь, И.И. Ходос, Г.Е. Аброси- мова, Материаловедение № 1, 48 (2004). 10. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Наноструктурные материалы, полученные ин- тенсивной пластической деформацией, Логос, Москва (2000). 11. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Объемные наноструктурные металлические ма- териалы (получение, структура и свойства), ИКЦ «Академкнига», Москва (2007). 12. М.И. Карпов, В.П. Коржов, В.И. Внуков, В.Н. Зверев, IV Международная науч- но-техническая конференция «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», Минск, 19–21 октября 2009 г., Сб. материалов в 3-х кн., Кн. 3 «Обработка материалов давлением. Пленарные доклады», С.А. Астапчик (ред.), ФТИ НАН Беларуси, Минск (2009), с. 65–70. 13. М.И. Карпов, В.П. Коржов, В.И. Внуков, И.С. Терехова, Г.Е. Абросимова, И.И. Ходос, Деформация и разрушение материалов № 6, 18 (2008). 14. М.И. Карпов, В.И. Внуков, Б.А. Гнесин, Г.Е. Абросимова, Л.А. Фролова, И.С. Те- рехова, В.П. Коржов, И.И. Ходос, Деформация и разрушение материалов № 11, 2 (2007). Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 101 В.П. Коржов, М.І. Карпов БАГАТОШАРОВІ ОДНО- І ДВОКОМПОНЕНТНІ МЕТАЛЕВІ МІКРО- І НАНОКОМПОЗИТИ. ЇХ МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА СТРУКТУРА Представлено експериментальні дані, які стосуються зміни в основному твердості HV в процесі прокатки багатошарових двокомпонентних композитів Cu/Nb, Cu/Fe і Nb/Ti, які складаються з шарів мікро- і нанорозмірної товщини, та однокомпонент- ного багатошарового матеріалу, який складається з мікророзмірних шарів титану. Для Cu/Nb- і Cu/Fe-композитів після 3-го циклу отримано залежності Холла–Петча з величиною товщини окремого шару t в якості незалежного параметру. Залежності Холла–Петча було отримано і для композитів, які пройшли 1-й і 2-й технологічні цикли, але тільки після їх відпалу, при якому знімалося зміцнення, яке виникало внаслідок наклепу поверхні. Ключові слова: шаруваті нанокомпозити, залежність Холла–Петча, фольги, твер- дість по Віккерсу, прокатка V.P. Korzhov, M.I. Karpov MULTI-LAYER SINGLE- AND TWO-COMPONENT METALLIC MICRO- AND NANOCOMPOSITES. MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE The experimental data concerning mainly the change of HV hardness in the course of rolling of multi-layer two-component Cu/Nb, Cu/Fe and Nb/Ti composites consisting of layers of micro- and nanoscale thickness, and single-component multi-layer material con- sisting of micro-scale titanium layers are presented. Hall–Patch dependences have been obtained for Cu/Nb and Cu/Fe composites after the third cycle with the value of a single layer thickness used as an independent parameter. Hall–Patch dependences have been also obtained for the composites passed the first and the second technological cycle but only after the anneal in order to relieve the strengthening caused by the surface cold- hardening. Keywords: layered nanocomposites, Hall–Petch relationship, foils, Vickers hardness, rolling Fig. 1. The microstructure of the cross-section of composite Cu/Nb tape. The data of transmission electron microscopy Fig. 2. HV vs inverse square root of t for Cu/Nb composite after the second (а) and the third (б) cycle: 1 and 2 – two the same composites made at different time; clear symbols – after the rolling at room temperature; dark symbols – after the rolling and annealing at 650°C for 2 h Fig. 3. The microstructure of the cross-section of Cu/Fe composite along the rolling di- rection after the second (а) and the third (б) cycle Fig. 4. HV vs t–0.5 for Cu/Fe composite after the first cycle (t varies in the range from 40 to 4.1 μm) and after the second cycle (the range varies from 1.4 μm to 90 nm): а – after Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2 102 the rolling, б – after the rolling and annealing at 650°C for 2 h. 1 and 2 – HV measure- ments of composite surface on the copper and iron side, correspondingly Fig. 5. HV vs t–0.5 for Cu/Fe composite after the third cycle (t varies in the range of 30–1.8 nm): а – after the rolling, б – after the rolling and annealing at 650°C for 1 h. 1 and 2 – HV measurements of composite surface on the copper and iron side, correspond- ingly Fig. 6. Tensile strength (а) and bending strength (б) vs t–0.5 for Cu/Fe composite after the first cycle Fig. 7. HV vs t–0.5 for Nb/Ti composite after the first cycle (t varies in the range from 93 to 4.4 μm): □ – after the rolling, ■ – after the rolling and annealing at 650°C for 2 h Fig. 8. HV vs t–0.5 for single-component Ti composite after the first cycle (t varies in the range from 16 to 2.2 μm) after the rolling at room temperature

Многослойные одно- и двухкомпонентные металлические микро- и нанокомпозиты. Их механические свойства и структура

Institution

Ähnliche Einträge