Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства
Впервые, реализовав метод криомеханической обработки (альтернативный методам интенсивной пластической деформации), получен объемный нанокристаллический титан технической чистоты со средним размером зерна до 35 нм. Метод основывается на выполненных ранее авторами исследованиях роли деформационного дв...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Физика низких температур |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117580 |
| 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: | Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства / В.А. Москаленко, А.Р. Смирнов, A.V. Moskalenko // Физика низких температур. — 2009. — Т. 35, № 11. — С. 1160-1164. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-117580 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1175802025-06-03T16:26:44Z Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства Nanocrystalline titanium produced by the cryomechanical method: microstructure and mechanical properties Москаленко, В.А. Смирнов, А.Р. Moskalenko, A.V. Письма pедактоpу Впервые, реализовав метод криомеханической обработки (альтернативный методам интенсивной пластической деформации), получен объемный нанокристаллический титан технической чистоты со средним размером зерна до 35 нм. Метод основывается на выполненных ранее авторами исследованиях роли деформационного двойникования в низкотемпературной пластичности титана. Методами просвечивающей электронной микроскопии определены размеры областей когерентного рассеяния (зерен-кристаллитов) и сделана полуколичественная оценка их дисперсности в зависимости от режимов механотермических обработок. Изучено влияние среднего размера зерна в нанометровой области на механические свойства титана. Вперше, застосувавши метод кріомеханічної обробки (альтернативний методам інтенсивної пластичної деформації), одержано об’ємний нанокристалічний титан технічної чистоти з середнім розміром зерна до 35 нм. Метод базується на виконаних раніше авторами дослідженнях ролі деформаційного двійникування в низькотемпературній пластичності титану. Методами просвічуючої електронної мікроскопії визначено розміри областей когерентного розсіювання (зерен-кристалітів) та виконано напівкількісну оцінку їх дисперсності в залежності від режимів механотермічних обробок. Вивчено вплив середнього розміру зерна в нанометровій області на механічні властивості титану. Having realized the method of cryomechanical treatment (alternative to severe plastic deformation), bulk commercial-purity nanocrystalline titanium (mean grain size of ∼35 nm) was produced for the first time. The method has its origin in the research of the role of deformation twinning in lowtemperature plasticity of titanium performed previously by the authors. The transmission electron microscopy measurements were performed to determine the dimension of coherent scattering areas (grain-crystallites). A semiquantitative estimation of grain dispersity as a function of conditions of thermal treatment was carried out. The effect of average grain size in the nanometer range on the mechanical properties of titanium is studied. 2009 Article Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства / В.А. Москаленко, А.Р. Смирнов, A.V. Moskalenko // Физика низких температур. — 2009. — Т. 35, № 11. — С. 1160-1164. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 62.25.+g, 62.20.F- https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117580 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Письма pедактоpу Письма pедактоpу |
| spellingShingle |
Письма pедактоpу Письма pедактоpу Москаленко, В.А. Смирнов, А.Р. Moskalenko, A.V. Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства Физика низких температур |
| description |
Впервые, реализовав метод криомеханической обработки (альтернативный методам интенсивной пластической деформации), получен объемный нанокристаллический титан технической чистоты со средним размером зерна до 35 нм. Метод основывается на выполненных ранее авторами исследованиях роли деформационного двойникования в низкотемпературной пластичности титана. Методами просвечивающей электронной микроскопии определены размеры областей когерентного рассеяния (зерен-кристаллитов) и сделана полуколичественная оценка их дисперсности в зависимости от режимов механотермических обработок. Изучено влияние среднего размера зерна в нанометровой области на механические свойства титана. |
| format |
Article |
| author |
Москаленко, В.А. Смирнов, А.Р. Moskalenko, A.V. |
| author_facet |
Москаленко, В.А. Смирнов, А.Р. Moskalenko, A.V. |
| author_sort |
Москаленко, В.А. |
| title |
Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства |
| title_short |
Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства |
| title_full |
Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства |
| title_fullStr |
Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства |
| title_full_unstemmed |
Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства |
| title_sort |
нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Письма pедактоpу |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117580 |
| citation_txt |
Нанокристаллический титан, полученный криомеханическим методом: микроструктура и механические свойства / В.А. Москаленко, А.Р. Смирнов, A.V. Moskalenko // Физика низких температур. — 2009. — Т. 35, № 11. — С. 1160-1164. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| series |
Физика низких температур |
| work_keys_str_mv |
AT moskalenkova nanokristalličeskijtitanpolučennyjkriomehaničeskimmetodommikrostrukturaimehaničeskiesvojstva AT smirnovar nanokristalličeskijtitanpolučennyjkriomehaničeskimmetodommikrostrukturaimehaničeskiesvojstva AT moskalenkoav nanokristalličeskijtitanpolučennyjkriomehaničeskimmetodommikrostrukturaimehaničeskiesvojstva AT moskalenkova nanocrystallinetitaniumproducedbythecryomechanicalmethodmicrostructureandmechanicalproperties AT smirnovar nanocrystallinetitaniumproducedbythecryomechanicalmethodmicrostructureandmechanicalproperties AT moskalenkoav nanocrystallinetitaniumproducedbythecryomechanicalmethodmicrostructureandmechanicalproperties |
| first_indexed |
2025-11-24T23:39:56Z |
| last_indexed |
2025-11-24T23:39:56Z |
| _version_ |
1849717000889171968 |
| fulltext |
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2009, ò. 35, ¹ 11, ñ. 1160–1164
Ïèñüìà ðåäàêòîðó
Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèé òèòàí, ïîëó÷åííûé
êðèîìåõàíè÷åñêèì ìåòîäîì: ìèêðîñòðóêòóðà è
ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà
Â.À. Ìîñêàëåíêî, À.Ð. Ñìèðíîâ
Ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò íèçêèõ òåìïåðàòóð èì. Á.È. Âåðêèíà ÍÀÍ Óêðàèíû
ïð. Ëåíèíà, 47, ã. Õàðüêîâ, 61103, Óêðàèíà
E-mail: Moskalenko@ilt.kharkov.ua
À.V. Ìîskàlånkî
Department of Physics, University of Bath, Bath BA2 7AY, United Kingdom
E-mail: pysam@bath.ak.uk
Ñòàòüÿ ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 5 àâãóñòà 2009 ã.
Âïåðâûå, ðåàëèçîâàâ ìåòîä êðèîìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè (àëüòåðíàòèâíûé ìåòîäàì èíòåíñèâíîé
ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè), ïîëó÷åí îáúåìíûé íàíîêðèñòàëëè÷åñêèé òèòàí òåõíè÷åñêîé ÷èñòîòû ñî
ñðåäíèì ðàçìåðîì çåðíà äî 35 íì. Ìåòîä îñíîâûâàåòñÿ íà âûïîëíåííûõ ðàíåå àâòîðàìè èññëåäîâàíè-
ÿõ ðîëè äåôîðìàöèîííîãî äâîéíèêîâàíèÿ â íèçêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷íîñòè òèòàíà. Ìåòîäàìè
ïðîñâå÷èâàþùåé ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè îïðåäåëåíû ðàçìåðû îáëàñòåé êîãåðåíòíîãî ðàññåÿíèÿ
(çåðåí-êðèñòàëëèòîâ) è ñäåëàíà ïîëóêîëè÷åñòâåííàÿ îöåíêà èõ äèñïåðñíîñòè â çàâèñèìîñòè îò ðåæè-
ìîâ ìåõàíîòåðìè÷åñêèõ îáðàáîòîê. Èçó÷åíî âëèÿíèå ñðåäíåãî ðàçìåðà çåðíà â íàíîìåòðîâîé îáëàñòè
íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà òèòàíà.
Âïåðøå, çàñòîñóâàâøè ìåòîä êð³îìåõàí³÷íî¿ îáðîáêè (àëüòåðíàòèâíèé ìåòîäàì ³íòåíñèâíî¿ ïëàñ-
òè÷íî¿ äåôîðìàö³¿), îäåðæàíî îá’ºìíèé íàíîêðèñòàë³÷íèé òèòàí òåõí³÷íî¿ ÷èñòîòè ç ñåðåäí³ì ðîç-
ì³ðîì çåðíà äî 35 íì. Ìåòîä áàçóºòüñÿ íà âèêîíàíèõ ðàí³øå àâòîðàìè äîñë³äæåííÿõ ðîë³ äåôîð-
ìàö³éíîãî äâ³éíèêóâàííÿ â íèçüêîòåìïåðàòóðí³é ïëàñòè÷íîñò³ òèòàíó. Ìåòîäàìè ïðîñâ³÷óþ÷î¿
åëåêòðîííî¿ ì³êðîñêîﳿ âèçíà÷åíî ðîçì³ðè îáëàñòåé êîãåðåíòíîãî ðîçñ³þâàííÿ (çåðåí-êðèñòàë³ò³â)
òà âèêîíàíî íàï³âê³ëüê³ñíó îö³íêó ¿õ äèñïåðñíîñò³ â çàëåæíîñò³ â³ä ðåæèì³â ìåõàíîòåðì³÷íèõ îáðîáîê.
Âèâ÷åíî âïëèâ ñåðåäíüîãî ðîçì³ðó çåðíà â íàíîìåòðîâ³é îáëàñò³ íà ìåõàí³÷í³ âëàñòèâîñò³ òèòàíó.
PACS: 62.25.+g Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà íàíîðàçìåðíûõ ñèñòåì;
62.20.F– Äåôîðìàöèÿ è ïëàñòè÷íîñòü.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: íàíîêðèñòàëëè÷åñêèå ìåòàëëû, òèòàí, âåëè÷èíà çåðíà, ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà, êðèî-
ìåõàíè÷åñêàÿ îáðàáîòêà.
Ââåäåíèå
Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû — ïîëèêðèñ-
òàëëû, ñîñòîÿùèå èç çåðåí íàíîìåòðîâîãî ðàçìåðà
(d < 100 íì), — ïðåäñòàâëÿþò áîëüøîé íàó÷íûé è
ïðèêëàäíîé èíòåðåñ áëàãîäàðÿ óíèêàëüíîìó ñî÷å-
òàíèþ ôèçè÷åñêèõ, ìåõàíè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ
ñâîéñòâ, ïî êîòîðûì îíè çàìåòíî ïðåâîñõîäÿò ñâîè
êðóïíîçåðíèñòûå àíàëîãè ñ ìèêðîííûì è äàæå ñóá-
ìèêðîííûì (0,1–1,0 ìêì) ðàçìåðîì çåðíà. Ñðåäè îò-
ëè÷èòåëüíûõ ñâîéñòâ òàêèõ ìàòåðèàëîâ, îáóñëîâëåí-
íûõ âûñîêîé îáúåìíîé äîëåé ãðàíèö çåðåí [1], îòìå-
òèì èõ àíîìàëüíî âûñîêóþ ïðî÷íîñòü è íàðóøåíèå
ñîîòíîøåíèÿ Õîëëà–Ïåò÷à, óâåëè÷åíèå ñêîðîñòíîé
÷óâñòâèòåëüíîñòè íàïðÿæåíèÿ òå÷åíèÿ, ïîâûøåíèå
ñîïðîòèâëåíèÿ êîððîçèè, óâåëè÷åíèå õèìè÷åñêîé è
áèîëîãè÷åñêîé àêòèâíîñòè è ïð. [2–9]. Íàíîêðèñòàë-
ëè÷åñêèå ìàòåðèàëû ÷àñòî îáëàäàþò ìàãíèòíî-ìÿã-
êèìè ñâîéñòâàìè, ïîâûøåííûìè òåïëîåìêîñòüþ,
© Â.À. Ìîñêàëåíêî, À.Ð. Ñìèðíîâ, À.V. Ìîskàlånkî, 2009
êîýôôèöèåíòàìè òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ è äèôôóçèè,
ìåíüøèìè ìîäóëÿìè óïðóãîñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷-
íûìè ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèìè ìàòåðèàëàìè [2,6,10,11].
Óñïåõè â ïðîáëåìå íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèà-
ëîâ îïðåäåëÿþòñÿ äâóìÿ îñíîâíûìè ôàêòîðàìè: íà-
ëè÷èåì îïòèìàëüíûõ òåõíîëîãèé èõ ïîëó÷åíèÿ è
ñòåïåíüþ èçó÷åííîñòè èõ óíèêàëüíûõ ñâîéñòâ. Íàè-
áîëüøèå òðóäíîñòè âîçíèêàþò ïðè ïîëó÷åíèè îáúåì-
íûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, â îñîáåííîñ-
òè ÷èñòûõ ìåòàëëîâ, ïðåäñòàâëÿþùèõ íàèáîëüøèé
èíòåðåñ äëÿ òåõíè÷åñêèõ ïðèëîæåíèé.  íàñòîÿùåå
âðåìÿ èçâåñòíû ìíîãî÷èñëåííûå ïîïûòêè ïîëó÷åíèÿ
îáúåìíûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ìåòîäà-
ìè èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè (ÈÏÄ),
íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè âèäàìè êîòîðîé ÿâ-
ëÿþòñÿ ðàâíîêàíàëüíîå óãëîâîå ïðåññîâàíèå èëè ýêñ-
òðóçèÿ ñ êðó÷åíèåì [12]. Íî îíè îêàçàëèñü áåçóñ-
ïåøíûìè: ñðåäíÿÿ âåëè÷èíà çåðíà â ïîëó÷àåìûõ
ìåòîäàìè ÈÏÄ ìàòåðèàëàõ, îñîáåííî ýòî îòíîñèòñÿ ê
÷èñòûì ìåòàëëàì, íàõîäèòñÿ, êàê ïðàâèëî, â ïðåäåëàõ
250–500 íì. Ê òîìó æå, ñòðóêòóðíîå ñîñòîÿíèå òàêèõ
óëüòðàìåëêîçåðíèñòûõ ïîëèêðèñòàëëîâ îòëè÷àåòñÿ
íåäîñòàòî÷íîé ñòàáèëüíîñòüþ [13]. Èìåííî îòñóò-
ñòâèå ñîîòâåòñòâóþùèõ òåõíîëîãèé ïîëó÷åíèÿ íàíîê-
ðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñ ðàçìåðîì çåðíà ìåíåå
100 íì ÿâëÿåòñÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ îñíîâíîé ïðè-
÷èíîé íåäîñòàòî÷íîé èçó÷åííîñòè èõ óíèêàëüíûõ
ñâîéñòâ. Â íàñòîÿùåé ðàáîòå áûëè èññëåäîâàíû ìèê-
ðîñòðóêòóðà è ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà òèòàíà ñ êîí-
òðîëèðóåìûì ñðåäíèì ðàçìåðîì çåðíà ìåíåå 100 íì.
Ýòîò ìàòåðèàë ïîëó÷åí ðàíåå ðàçðàáîòàííûì îðèãè-
íàëüíûì ìåòîäîì êðèîìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè êðóï-
íîçåðíèñòîãî òèòàíà.
2. Ïîëó÷åíèå íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ìåòàëëà è
ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ
Îáúåêò èññëåäîâàíèÿ — îáúåìíûé íàíîêðèñòàëëè-
÷åñêèé òèòàí òåõíè÷åñêîé ÷èñòîòû ÂÒ1-0 — ïîëó÷åí
êðèîïðîêàòêîé (îäíèì èç âîçìîæíûõ âèäîâ êðèîìåõà-
íè÷åñêîé îáðàáîòêè) ïðè òåìïåðàòóðå ∼110 Ê ïðè çíà-
÷åíèè èñòèííîé äåôîðìàöèè e = ln (t/t0) = –1,95, ãäå t0
è t — íà÷àëüíàÿ è êîíå÷íàÿ òîëùèíû ïðîêàòûâàåìîé
ïëàñòèíû; îòíîñèòåëüíàÿ äåôîðìàöèÿ ε = 86%. Â îñ-
íîâó ìåòîäà êðèîìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè ïîëîæåíû
ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå àâòîðàìè â ðåçóëüòàòå èññëå-
äîâàíèé ôèçè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ ïëàñòè÷åñêîé äå-
ôîðìàöèè òèòàíà ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ [14–17].
Ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ïëàñòè÷åñêàÿ äåôîðìà-
öèÿ òèòàíà, èìåþùåãî ãåêñàãîíàëüíóþ ïëîòíîóïà-
êîâàííóþ êðèñòàëëè÷åñêóþ ñòðóêòóðó, îñóùåñòâëÿåò-
ñÿ ïðåèìóùåñòâåííî ñêîëüæåíèåì ïî ïëîñêîñòÿì
ïðèçìû {1010}〈1120〉 ñ ïîäêëþ÷åíèåì áàçèñíîãî
(0001)〈1120〉 è ïèðàìèäàëüíîãî {1011}〈1123〉 ñêîëü-
æåíèÿ, à òàêæå äâîéíèêîâàíèÿ — â îñíîâíîì òèïà
{ }10 1 2 è {1122}.
Ïðè íèçêîòåìïåðàòóðíîé äåôîðìàöèè çàìåòíî
óñèëèâàåòñÿ ðîëü ìåõàíè÷åñêîãî äâîéíèêîâàíèÿ êàê
äîïîëíèòåëüíîé ìîäû ïëàñòè÷íîñòè. Óæå ïðè íåáîëü-
øèõ ñòåïåíÿõ äåôîðìàöèè äâîéíèêîâàíèþ ïîäâåðãà-
þòñÿ ïðàêòè÷åñêè âñå çåðíà ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî
àãðåãàòà. Ýòîìó áëàãîïðèÿòñòâóåò ìíîãîîáðàçèå ñèñ-
òåì äâîéíèêîâàíèÿ, êîòîðûå ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû
ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ, è àêòèâèçàöèÿ ñàìîãî ïðî-
öåññà äâîéíèêîâàíèÿ. Íàáëþäàþòñÿ êàê äâîéíèêè
ðàñòÿæåíèÿ òèïà {1121}, {1012}, âîçíèêíîâåíèå êîòî-
ðûõ ïðèâîäèò ê óäëèíåíèþ êðèñòàëëèòà (çåðíà) â íà-
ïðàâëåíèè îñè ñ, òàê è äâîéíèêè ñæàòèÿ òèïà {1122} è
{1124}, êîòîðûå âûçûâàþò ñæàòèå çåðíà â íàïðàâëå-
íèè îñè ñ. Äâîéíèêîâàíèå ïî ñòîëü ìíîãî÷èñëåííûì
ñèñòåìàì ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó èçìåëü÷åíèþ
çåðíà. Äîïîëíèòåëüíàÿ ôðàãìåíòàöèÿ çåðåí ïðîèñõî-
äèò òàêæå çà ñ÷åò î÷åíü ðàçâèòîãî âòîðè÷íîãî è òðå-
òè÷íîãî äâîéíèêîâàíèÿ, ïåðåñå÷åíèÿ äâîéíèêîâ,
äâîéíèêîâàíèÿ â àêêîìîäàöèîííîé çîíå íà ãðàíèöå
äâîéíèê–ìàòðèöà, ïðè âçàèìîäåéñòâèè äâîéíèêîâ ñ
ãðàíèöàìè çåðåí è ïð. [14–16].
Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèé òèòàí èññëåäîâàí â òðåõ
ñòðóêòóðíûõ ñîñòîÿíèÿõ, ñôîðìèðîâàííûõ â ðåçóëü-
òàòå êðèîïðîêàòêè ïðè ~110 Ê è ïîñëåäóþùèõ îò-
æèãàõ ïðè 525 è 725 Ê â òå÷åíèå 45 ìèí. Êàê áóäåò
ïîêàçàíî íèæå, ïðèâåäåííûå ìåõàíîòåðìè÷åñêèå îá-
ðàáîòêè ïîçâîëèëè ïîëó÷èòü ìåòàëë ñî ñðåäíèì ðàç-
ìåðîì çåðíà d = 35, 45 è 70 íì, ÷òî äàëî âîçìîæíîñòü
èçó÷èòü âëèÿíèå âåëè÷èíû çåðíà â íàíîìåòðîâîé îá-
ëàñòè íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà òèòàíà. Ìèêðîñòðóê-
òóðà íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî òèòàíà àíàëèçèðîâàëàñü
ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòîäîâ ñâåòëîïîëüíîé è òåìíî-
ïîëüíîé òðàíñìèññèîííîé ýëåêòðîííîé ìèêðîñêî-
ïèè (ÒÝÌ). Îáðàçöû äëÿ ìåõàíè÷åñêèõ èñïûòàíèé â
ôîðìå äâîéíûõ ëîïàòîê ñ ðàçìåðîì ðàáî÷åé ÷àñòè
0,55×5×25 ìì áûëè âûøòàìïîâàíû èç ïîëîñû â íà-
ïðàâëåíèè ïðîêàòêè. Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ïðè êîì-
íàòíîé òåìïåðàòóðå îïðåäåëÿëèñü ïðè îäíîîñíîì
êâàçèñòàòè÷åñêîì ðàñòÿæåíèè ïðè ñêîðîñòè äåôîðìà-
öèè �ε = 2·10
–4
ñ
–1
. Ðåãèñòðèðóåìûå â ýêñïåðèìåíòå
äèàãðàììû íàãðóçêà–âðåìÿ ïåðåñòðîåíû â äåôîðìà-
öèîííûå êðèâûå èñòèííîå íàïðÿæåíèå–èñòèííàÿ äå-
ôîðìàöèÿ. Îïðåäåëåíû óñëîâíûé ïðåäåë òåêó÷åñòè
0,2, ïðåäåë ïðî÷íîñòè è è âåëè÷èíà îòíîñèòåëüíîãî
óäëèíåíèÿ .
3. Ðåçóëüòàòû è èõ îáñóæäåíèå
Íà ñâåòëîïîëüíûõ ÒÝÌ èçîáðàæåíèÿõ ìèêðî-
ñòðóêòóðû îáðàçöîâ òèòàíà, ïîëó÷åííîãî êðèîïðîêàò-
êîé, à òàêæå îáðàçöîâ ñ ïîñëåäóþùèìè îòæèãàìè
îáû÷íî íàáëþäàëàñü ìåëêîäèñïåðñíàÿ îäíîðîäíàÿ â
ìàñøòàáå îäíîãî êâàäðàòíîãî ìèêðîíà ñòðóêòóðà, êî-
Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèé òèòàí, ïîëó÷åííûé êðèîìåõàíè÷åñêèì ìåòîäîì
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2009, ò. 35, ¹ 11 1161
òîðóþ ìîæíî óïîäîáèòü íåêîé «êàøèöå», ñîñòîÿùåé
èç ÷àñòèö ðàçíîãî ðàçìåðà ñ íå÷åòêèìè î÷åðòàíèÿìè è
ðàçìûòûìè ãðàíèöàìè. Áîëåå èíôîðìàòèâíûìè ïðè
èçó÷åíèè ñòðóêòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ íàíîêðèñòàëëè-
÷åñêîãî òèòàíà ÿâëÿþòñÿ òåìíîïîëüíûå èçîáðàæåíèÿ,
êîòîðûå ïîçâîëÿþò îïðåäåëèòü èñòèííûå ðàçìåðû îá-
ëàñòåé êîãåðåíòíîãî ðàññåÿíèÿ (ÎÊÐ) è ñäåëàòü ïîëó-
êîëè÷åñòâåííóþ îöåíêó äèñïåðñíîñòè êðèñòàëëèòîâ,
îáðàçóþùèõñÿ â ðåçóëüòàòå óêàçàííûõ âûøå ìåõàíî-
òåðìè÷åñêèõ ïðîöåäóð. Îòìåòèì, ÷òî â îáëàñòÿõ, âû-
ðåçàåìûõ ñåëåêòîðíûìè äèàôðàãìàìè, ò.å. íà ïëîùà-
äÿõ ïîðÿäêà 30–50 ìêì
2
, ïðèñóòñòâóåò ñòîëü áîëüøîå
êîëè÷åñòâî ÎÊÐ (ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ñîòåí), ÷òî åãî
äîñòàòî÷íî, ÷òîáû ãóñòî çàïîëíèòü âñå ðàçðåøåííûå
ñòðóêòóðíûì ôàêòîðîì äèôðàêöèîííûå êîëüöà.
Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ñòàòèñòè÷åñêîãî ðàñïðåäå-
ëåíèÿ çåðåí ïî ðàçìåðàì â íàíîêðèñòàëëè÷åñêîì ìà-
òåðèàëå ïîñëå ðàçëè÷íûõ ðåæèìîâ ìåõàíîòåðìè÷åñ-
êîé îáðàáîòêè ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 1. Âèäíî, ÷òî â
ïðîöåññå êðèîìåõàíè÷åñêîé ïðîêàòêè (e = −1,95) â òè-
òàíå ïðîèñõîäèò ñèëüíàÿ ôðàãìåíòàöèÿ çåðåí, ïðè êî-
òîðîé ðàçìåðû ÎÊÐ (çåðåí-êðèñòàëëèòîâ) íå ïðåâû-
øàþò 90 íì, à èõ ñðåäíèé ðàçìåð ñîñòàâëÿåò 35 íì
(ðèñ. 1,à). Ïîñëåäóþùèé îòíîñèòåëüíî íèçêîòåìïåðà-
òóðíûé îòæèã ïðè 523 Ê íå èçìåíÿåò õàðàêòåð ðàñ-
ïðåäåëåíèÿ ñòðóêòóðíûõ ýëåìåíòîâ (êîëè÷åñòâåííî
ïðåîáëàäàþò ìåëêèå çåðíà-êðèñòàëëèòû ðàçìåðîì
30–70 íì) è ëèøü íåìíîãî óâåëè÷èâàåòñÿ èõ ñðåäíèé
ðàçìåð îò 35 äî 45 íì (ñð. ðèñ. 1,à è á). Îòìåòèì òàê-
æå, ÷òî äàííûé îòæèã ïðèâîäèò ê ñíÿòèþ âíóòðåí-
íèõ íàïðÿæåíèé, ïðèñóòñòâóþùèõ â ìàòåðèàëå ïîñëå
êðèîïðîêàòêè.
Áîëåå ñóùåñòâåííûå ìèêðîñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ
îòìå÷àþòñÿ â îáðàçöàõ, ïîäâåðãíóòûõ ïîñëå êðèîïðî-
êàòêè îòæèãó ïðè òåìïåðàòóðå 725 Ê. Íàðÿäó ñ ïðàê-
òè÷åñêè äâóêðàòíûì óâåëè÷åíèåì ñðåäíåãî ðàçìåðà
çåðåí (äî 70 íì) ïî ñðàâíåíèþ ñ íåîòîææåííûìè îá-
ðàçöàìè ïðîèñõîäèò çàìåòíîå èçìåíåíèå õàðàêòåðà èõ
ðàñïðåäåëåíèÿ ïî ðàçìåðàì (ðèñ. 1,â).  ÷àñòíîñòè,
íàáëþäàåòñÿ óìåíüøåíèå äîëè ñàìûõ ìàëûõ çåðåí
(îêîëî 20 íì) è óâåëè÷åíèå äîëè çåðåí ðàçìåðàìè
100–200 íì.
Ðåçóëüòàòû ïî âëèÿíèþ íàíîìåòðîâîãî ðàçìåðà
çåðíà-êðèñòàëëèòà íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà òèòàíà â
ñðàâíåíèè ñ êðóïíîçåðíèñòûì ìàòåðèàëîì èëëþñòðè-
ðóþòñÿ êðèâûìè èñòèííîå íàïðÿæåíèå–èñòèííàÿ äå-
ôîðìàöèÿ, ïðåäñòàâëåííûìè íà ðèñ. 2. Âèäíî, ÷òî
óìåíüøåíèå ðàçìåðà çåðíà îò 15 ìêì äî 35 íì ïðèâî-
äèò ê óâåëè÷åíèþ ïðåäåëà òåêó÷åñòè 0,2 ïî÷òè â òðè
ðàçà — îò 300 äî 840 ÌÏà (ñð. êðèâûå 1 è 4 íà ðèñ. 2),
à ïðåäåë ïðî÷íîñòè è äîñòèãàåò 920 ÌÏà ïðè îòíîñè-
òåëüíîì óäëèíåíèè äî ðàçðóøåíèÿ = 5%.
Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà òåêó÷åñòè ìåòàëëîâ îò ñðåä-
íåãî ðàçìåðà çåðíà d îáû÷íî ïîä÷èíÿåòñÿ ñîîòíîøå-
íèþ Õîëëà–Ïåò÷à [18,19]:
0,2 = 0 + Kyd
–1/2
, (1)
ãäå 0 è Ky — ýêñïåðèìåíòàëüíûå êîíñòàíòû. Ôèçè-
÷åñêèé ñìûñë ñëàãàåìîãî 0 çàêëþ÷àåòñÿ â åãî ñâÿçè
ñî ñâîéñòâàìè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, â ÷àñòíîñ-
1162 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2009, ò. 35, ¹ 11
Â.À. Ìîñêàëåíêî, À.Ð. Ñìèðíîâ, À.V. Ìîskàlånkî
20 40 60 80 1000
5
10
15
20 d = 35 íì
×
àñ
òî
òà
,
%
×
àñ
òî
òà
,
%
×
àñ
òî
òà
,
%
à
0 40 80 120 160 200
4
8
12
= 70 íìd
Ðàçìåð îáëàñòè êîãåðåíòíîãî ðàññåÿíèÿ, íì
Ðàçìåð îáëàñòè êîãåðåíòíîãî ðàññåÿíèÿ, íì
Ðàçìåð îáëàñòè êîãåðåíòíîãî ðàññåÿíèÿ, íì
â
20 40 60 80 100 120 1400
5
10
15
20
= 45 íìd
á
Ðèñ. 1. Ãèñòîãðàììû ðàñïðåäåëåíèÿ çåðåí ïî ðàçìåðàì â
íàíîêðèñòàëëè÷åñêîì òèòàíå ÂÒ1-0 ïîñëå ðàçëè÷íûõ ìå-
õàíîòåðìè÷åñêèõ îáðàáîòîê: êðèîïðîêàòêà ïðè Ò = 110 Ê
(e = −1,95) (à), êðèîïðîêàòêà + îòæèã ïðè 525 Ê (á) è êðèî-
ïðîêàòêà + îòæèã ïðè 725 Ê (â).
òè, ýòîò ïàðàìåòð ñîïîñòàâëÿþò ñ ñîïðîòèâëåíèåì
êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè äâèæåíèþ äèñëîêàöèé èëè
íàïðÿæåíèåì òðåíèÿ. Êîýôôèöèåíò Ky ñâÿçàí ñ çåð-
íîãðàíè÷íûì óïðî÷íåíèåì è õàðàêòåðèçóåò òðóä-
íîñòü ïåðåäà÷è ñêîëüæåíèÿ ÷åðåç ãðàíèöó çåðíà è,
ñëåäîâàòåëüíî, çàâèñèò îò ñòðóêòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ
ýòèõ âíóòðåííèõ ïîâåðõíîñòåé ðàçäåëà. Â íàíîêðèñ-
òàëëè÷åñêîì òèòàíå, ïîëó÷åííîì êðèîìåõàíè÷åñêèì
ìåòîäîì, ãðàíèöàìè çåðåí-êðèñòàëëèòîâ â áîëüøèí-
ñòâå ñëó÷àåâ ÿâëÿþòñÿ ñïåöèàëüíûå ãðàíèöû — ãðà-
íèöû äâîéíèêîâ, ò.å. â ñòðóêòóðíîì îòíîøåíèè îíè
îòëè÷àþòñÿ îò ãðàíèö çåðåí â íàíîñòðóêòóðíûõ ìàòå-
ðèàëàõ, èçãîòîâëåííûõ ÈÏÄ ìåòîäàìè.  ÷àñòíîñòè,
êàê ñâèäåòåëüñòâóþò äàííûå, ïîëó÷åííûå äëÿ
îáðàçöîâ, ïîäâåðæåííûõ îòæèãó, ýòè ãðàíèöû áîëåå
óñòîé÷èâû è ñîõðàíÿþò ñâîé óïðî÷íÿþùèé ýôôåêò
äàæå ïðè òåìïåðàòóðå Ò ≈ 750 Ê.
Çíà÷åíèÿ ïðåäåëà òåêó÷åñòè 0,2, ïðåäñòàâëåííûå
íà ðèñ. 3 â êîîðäèíàòàõ 0,2–d −1 2/ , óêàçûâàþò íà âû-
ïîëíåíèå ñîîòíîøåíèÿ Õîëëà–Ïåò÷à äëÿ íàøèõ îá-
ðàçöîâ ñî ñëàáîé òåíäåíöèåé ê åãî íàðóøåíèþ ïðè
ðàçìåðàõ çåðåí ìåíåå 40 íì. Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ ïî
âëèÿíèþ ðàçìåðà çåðåí íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà
ïîçâîëÿåò çàêëþ÷èòü, ÷òî ïðåäåë òåêó÷åñòè 0,2 íà-
íîêðèñòàëëè÷åñêîãî òèòàíà îïðåäåëÿåòñÿ ðàçìåðîì
çåðíà, à âåëè÷èíà ïëàñòè÷íîñòè — õàðàêòåðîì ðàñ-
ïðåäåëåíèÿ çåðåí ïî ðàçìåðàì.
Òàêèì îáðàçîì, ïðîäåìîíñòðèðîâàíà âîçìîæíîñòü
ïîëó÷åíèÿ îáúåìíûõ íàíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ìåòàëëîâ
IV A ãðóïïû Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöû ýëåìåíòîâ (Ti,
Zr, Hf) ñ ðàçìåðîì çåðíà äî 30 íì ñ ïðèìåíåíèåì ìåòî-
äà êðèîìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè.
1. G. Palumbo, S.J. Thorpe, and K.T. Aust, Scipta Metall.
Mater. 24, 1347 (1990).
2. H. Gleiter, Prog. Mater. Sci. 33, 223 (1989).
3. H. Gleiter, Acta Mater. 48, 1 (2000).
4. K.S. Kumar, H. Van Swygenhoven, and S. Suresh, Acta
Mater. 51, 5743 (2003).
5. Ñ.S. Pande and K.P. Cooper, Prog. Mater. Sci. 54, 689
(2009).
6. M.A. Meyers, A. Mishra, and D.J. Benson, Prog. Mater.
Sci. 51, 427 (2006).
7. S. Fujimoto, H. Hayashida, and T. Shibata, Mater. Sci.
Eng. A267, 314 (1999).
8. Sh. Faghihi, A.P. Zhilyaev, J.A. Szpunar, F. Azari, H. Va-
li, M. Tabrizian, Biomaterials 28, 3887 (2007).
9. T.J. Webster and J.U. Ejiofor, Biomaterials 25, 4731
(2004).
10. R. Wurschum, S. Herth, and U. Brossmann, Adv. Eng.
Mater. 5, 365 (2003).
11. R.P. Andres, R.S. Averback, W.L. Brown, L.E. Brus,
W.A. Goddard, A. Kaldor, S.G. Louie, M. Moscovits, P.S.
Peercy, S.J. Riley, R.W. Siegel, F. Spaepen, and Y.
Wang, J. Mater. Res. 4, 704 (1989).
12. R.Z. Valiev, Yu. Estrin, Z. Horita, T.G. Langdon, M. Ze-
hetbauer, and Y.T. Zhu, JOM 58, 33 (2006).
13. Zh. Yang, J. Chen, L. He, H. Cong, and H. Ye, Acta Ma-
ter. 57, 3633 (2009).
14. R.A. Ul’yanov, V.Ya. Ilichev, and V.A. Moskalenko,
Trans. JIM 9, Suppl., 475 (1968).
15. Â.À. Ìîñêàëåíêî, Äèññ. … êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê,
ÔÒÈÍÒ ÀÍ ÓÑÑÐ, Õàðüêîâ (1975).
16. V.A. Moskalenko, V.I. Startsev, and V.N. Kovaleva,
Cryogenics 20, 507 (1980).
17. A.R. Smirnov and V.A. Moskalenko, Mater. Sci. Eng.
A327, 138 (2002).
18. E.O. Hall, Proc. Phys. Soc. (London) B64, 747 (1951).
19. N.J. Petch, J. Iron Steel Inst. 174, 25 (1953).
Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèé òèòàí, ïîëó÷åííûé êðèîìåõàíè÷åñêèì ìåòîäîì
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2009, ò. 35, ¹ 11 1163
0 2 4 6
200
400
600
800
σ 0
,2
,
Ì
Ï
à
d , ì
– –1/2 1/2
10
–3
Ðèñ. 3. Âëèÿíèå ñðåäíåãî ðàçìåðà çåðíà d íà ïðåäåë òåêó-
÷åñòè òèòàíà ÂÒ1-0. Ïðè d � 45 íì âåðîÿòíî íà÷àëî îò-
êëîíåíèÿ îò ñîîòíîøåíèÿ (1). Ïðÿìàÿ ëèíèÿ ïðåäñòàâëÿ-
åò ñîîòíîøåíèå Õîëëà–Ïåò÷à.
0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,280
200
400
600
800
1000
È
ñò
è
í
í
î
å
í
àï
ð
ÿ
æ
åí
è
å,
Ì
Ï
à
Èñòèííàÿ äåôîðìàöèÿ
4
32
1
Ðèñ. 2. Äåôîðìàöèîííûå êðèâûå èñòèííîå íàïðÿæå-
íèå–èñòèííàÿ äåôîðìàöèÿ ïðè Ò = 293 Ê äëÿ òèòàíà
ÂÒ1-0 ñ ðàçëè÷íûì ñðåäíèì ðàçìåðîì çåðíà d: 35 íì (1),
45 íì (2), 70 íì (3), 5 ìêì (4).
Nanocrystalline titanium produced by the
cryomechanical method: microstructure and
mechanical properties
V.A. Moskalenko, A.R. Smirnov,
and À.V. Ìîskàlånkî
Having realized the method of cryomechanical
treatment (alternative to severe plastic deforma-
tion), bulk commercial-purity nanocrystalline tita-
nium (mean grain size of ∼35 nm) was produced for
the first time. The method has its origin in the re-
search of the role of deformation twinning in low-
temperature plasticity of titanium performed pre-
viously by the authors. The transmission electron
microscopy measurements were performed to de-
termine the dimension of coherent scattering areas
(grain-crystallites). A semiquantitative estimation
of grain dispersity as a function of conditions of
thermal treatment was carried out. The effect of av-
erage grain size in the nanometer range on the me-
chanical properties of titanium is studied.
PACS: 62.25.+g Mechanical properties of nano-
scale systems;
62.20.F– Deformation and plasticity.
Keywords: nanocrystalline metals, titanium, grain
size, mechanical properties, cryomechanical treat-
ment.
1164 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2009, ò. 35, ¹ 11
Â.À. Ìîñêàëåíêî, À.Ð. Ñìèðíîâ, À.V. Ìîskàlånkî
|