Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства
Исследованы структура, механические и резистивные свойства волокнистых Cu–Fe-композитов, в которых диаметр железных волокон d варьировался в широких пределах, включая субмикронную область d ~ 10 nm. Показано, что зависимости предела прочности и твердости композитов от величины d удовлетворительно оп...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2010
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69317 |
| 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: | Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства / В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.Ю. Дмитренко, Ю.И. Непочатых, А.Н. Черкасов // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 110-119. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69317 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Белошенко, В.А. Варюхин, В.Н. Дмитренко, В.Ю. Непочатых, Ю.И. Черкасов, А.Н. 2014-10-10T19:18:07Z 2014-10-10T19:18:07Z 2010 Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства / В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.Ю. Дмитренко, Ю.И. Непочатых, А.Н. Черкасов // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 110-119. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.25.–g, 62.20.F https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69317 Исследованы структура, механические и резистивные свойства волокнистых Cu–Fe-композитов, в которых диаметр железных волокон d варьировался в широких пределах, включая субмикронную область d ~ 10 nm. Показано, что зависимости предела прочности и твердости композитов от величины d удовлетворительно описываются соотношениями Холла–Петча (ХП). Обнаружено отклонение от правила смесей для удельного электрического сопротивления композитов в наноразмерной области значений d. Досліджено структуру, механічні та резистивні властивості волокнистих Cu–Fe-композитів, у яких діаметр залізних волокон d варіювався в широких межах, включаючи субмікронну область d ~ 10 nm. Показано, що залежності межі міцності й твердості композитів від величини d задовільно описуються співвідношеннями Хола–Петча (ХП). Виявлено відхилення від правила сумішей для питомого електричного опору композитів у нанорозмірній області значень d. Structure, mechanical and resistive properties of fibrous Cu–Fe composites with iron fibre diameter d varied in a wide range, the submicron range of d ~ 10 nm inclusive, have been investigated. It is shown that the dependences of ultimate strength and hardness on d are satisfactorily described by Hall–Petch relationships. It has been found that the electrical resistivity of composites for d values in the nanodimensional range deviates from the mixing rule. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства Волокнисті Cu-Fe-композити, отримані методом пакетної гідроекструзії: структура, механічні та резистивні властивості Fibrous Cu–Fe composites produced by packet hydroextrusion: structure, mechanical and resistive properties Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства |
| spellingShingle |
Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства Белошенко, В.А. Варюхин, В.Н. Дмитренко, В.Ю. Непочатых, Ю.И. Черкасов, А.Н. |
| title_short |
Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства |
| title_full |
Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства |
| title_fullStr |
Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства |
| title_full_unstemmed |
Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства |
| title_sort |
волокнистые cu–fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства |
| author |
Белошенко, В.А. Варюхин, В.Н. Дмитренко, В.Ю. Непочатых, Ю.И. Черкасов, А.Н. |
| author_facet |
Белошенко, В.А. Варюхин, В.Н. Дмитренко, В.Ю. Непочатых, Ю.И. Черкасов, А.Н. |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Волокнисті Cu-Fe-композити, отримані методом пакетної гідроекструзії: структура, механічні та резистивні властивості Fibrous Cu–Fe composites produced by packet hydroextrusion: structure, mechanical and resistive properties |
| description |
Исследованы структура, механические и резистивные свойства волокнистых Cu–Fe-композитов, в которых диаметр железных волокон d варьировался в широких пределах, включая субмикронную область d ~ 10 nm. Показано, что зависимости предела прочности и твердости композитов от величины d удовлетворительно описываются соотношениями Холла–Петча (ХП). Обнаружено отклонение от правила смесей для удельного электрического сопротивления композитов в наноразмерной области значений d.
Досліджено структуру, механічні та резистивні властивості волокнистих Cu–Fe-композитів, у яких діаметр залізних волокон d варіювався в широких межах, включаючи субмікронну область d ~ 10 nm. Показано, що залежності межі міцності й твердості композитів від величини d задовільно описуються співвідношеннями Хола–Петча (ХП). Виявлено відхилення від правила сумішей для питомого електричного опору композитів у нанорозмірній області значень d.
Structure, mechanical and resistive properties of fibrous Cu–Fe composites with iron fibre diameter d varied in a wide range, the submicron range of d ~ 10 nm inclusive, have been investigated. It is shown that the dependences of ultimate strength and hardness on d are satisfactorily described by Hall–Petch relationships. It has been found that the electrical resistivity of composites for d values in the nanodimensional range deviates from the mixing rule.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69317 |
| citation_txt |
Волокнистые Cu–Fe-композиты, полученные методом пакетной гидроэкструзии: структура, механические и резистивные свойства / В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.Ю. Дмитренко, Ю.И. Непочатых, А.Н. Черкасов // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 110-119. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT belošenkova voloknistyecufekompozitypolučennyemetodompaketnoigidroékstruziistrukturamehaničeskieirezistivnyesvoistva AT varûhinvn voloknistyecufekompozitypolučennyemetodompaketnoigidroékstruziistrukturamehaničeskieirezistivnyesvoistva AT dmitrenkovû voloknistyecufekompozitypolučennyemetodompaketnoigidroékstruziistrukturamehaničeskieirezistivnyesvoistva AT nepočatyhûi voloknistyecufekompozitypolučennyemetodompaketnoigidroékstruziistrukturamehaničeskieirezistivnyesvoistva AT čerkasovan voloknistyecufekompozitypolučennyemetodompaketnoigidroékstruziistrukturamehaničeskieirezistivnyesvoistva AT belošenkova voloknistícufekompozitiotrimanímetodompaketnoígídroekstruzíístrukturamehaníčnítarezistivnívlastivostí AT varûhinvn voloknistícufekompozitiotrimanímetodompaketnoígídroekstruzíístrukturamehaníčnítarezistivnívlastivostí AT dmitrenkovû voloknistícufekompozitiotrimanímetodompaketnoígídroekstruzíístrukturamehaníčnítarezistivnívlastivostí AT nepočatyhûi voloknistícufekompozitiotrimanímetodompaketnoígídroekstruzíístrukturamehaníčnítarezistivnívlastivostí AT čerkasovan voloknistícufekompozitiotrimanímetodompaketnoígídroekstruzíístrukturamehaníčnítarezistivnívlastivostí AT belošenkova fibrouscufecompositesproducedbypackethydroextrusionstructuremechanicalandresistiveproperties AT varûhinvn fibrouscufecompositesproducedbypackethydroextrusionstructuremechanicalandresistiveproperties AT dmitrenkovû fibrouscufecompositesproducedbypackethydroextrusionstructuremechanicalandresistiveproperties AT nepočatyhûi fibrouscufecompositesproducedbypackethydroextrusionstructuremechanicalandresistiveproperties AT čerkasovan fibrouscufecompositesproducedbypackethydroextrusionstructuremechanicalandresistiveproperties |
| first_indexed |
2025-11-25T20:42:33Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:42:33Z |
| _version_ |
1850528318383718400 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
© В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.Ю. Дмитренко, Ю.И. Непочатых, А.Н. Черкасов, 2010
PACS: 62.25.–g, 62.20.F
В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.Ю. Дмитренко, Ю.И. Непочатых,
А.Н. Черкасов
ВОЛОКНИСТЫЕ Cu–Fe-КОМПОЗИТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ
ПАКЕТНОЙ ГИДРОЭКСТРУЗИИ: СТРУКТУРА, МЕХАНИЧЕСКИЕ
И РЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
E-mail: dmitrenko_v@ukr.net
Статья поступила в редакцию 26 июня 2010 года
Исследованы структура, механические и резистивные свойства волокнистых
Cu–Fe-композитов, в которых диаметр железных волокон d варьировался в широ-
ких пределах, включая субмикронную область d ~ 10 nm. Показано, что зависимо-
сти предела прочности и твердости композитов от величины d удовлетворитель-
но описываются соотношениями Холла–Петча (ХП). Обнаружено отклонение от
правила смесей для удельного электрического сопротивления композитов в нано-
размерной области значений d.
Ключевые слова: волокнистый композит, наноструктура, механические свойства,
резистивные свойства
Введение
В настоящее время актуальна проблема получения нанокристаллических
материалов, обладающих уникальными свойствами. Спектр их применения в
различных областях техники очень широк [1–3]. Для формирования наност-
руктуры используются различные технологии, из которых можно выделить
четыре основных [1,2,4]: компактирование нанопорошков, осаждение на под-
ложку, кристаллизация из аморфной фазы, интенсивная пластическая дефор-
мация (ИПД). Методы ИПД, к которым относится и используемая в данной
работе пакетная гидроэкструзия [5,6], позволяют получать массивные нано-
кристаллические образцы с практически беспористой структурой.
Эволюция микроструктуры и свойства чистых металлов, подвергнутых
ИПД, изучены достаточно хорошо. В меньшей степени это касается много-
фазных систем, в частности композитов, хотя именно они имеют наибольший
потенциал практического применения. Ранее нами показано, что метод пакет-
ной гидроэкструзии может быть успешно использован для получения ферро-
магнитных Cu–Fe-композитов с регулярной структурой магнитной подсисте-
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
111
мы, и изучены их магнитные свойства при варьировании размера железных
волокон в области 3 nm ≤ d ≤ 2 mm [7]. Целью настоящей работы является ис-
следование структуры, резистивных и механических свойств волокнистых
Cu–Fe-композитов в зависимости от размера железных волокон.
Эксперимент
Технология получения волокнистых Cu–Fe-композитов подробно изложена
в работе [8]. Методом последовательной сборки изготовлены композиты с чис-
лом волокон n = 1 (биметалл), 211, 2112, 2113, 85·2113. На каждом этапе их из-
готовления исходная заготовка или соответствующая сборка из стренд подвер-
гались четырехкратной гидроэкструзии с последующим многократным волоче-
нием до различных конечных диаметров композитных проволок D. Получен-
ные образцы имели различное число волокон, диаметр которых варьировался в
широких пределах и рассчитывался с использованием выражения
1/ 2( )d D K n= , (1)
где K – коэффициент объемного содержания железа.
Исследовали образцы, находящиеся как в деформированном, так и ото-
жженном состояниях. Отжиг проводили в вакууме при температуре 550°C в
течение 1 h.
Металлографические и рентгеновские исследования выполняли с помо-
щью микроскопа Neophot-2 и дифрактометра ДРОН–3М. Испытание на
твердость проводили методом Виккерса при нагрузке 200 g; относительная
ошибка измерений – не более 5%. Предел прочности при растяжении образ-
цов диаметром 0.21 mm и длиной 200 mm определяли с использованием раз-
рывной машины ZM-20.
Удельное электрическое сопротивление композитов измеряли по стан-
дартной четырехзондовой методике. Расстояние между токовыми контакта-
ми существенно превышало расстояние между потенциальными контактами.
В этом случае обеспечивалось условие, при котором эквипотенциальные по-
верхности в области потенциальных контактов были практически плоскими
и перпендикулярными оси образцов.
Экспериментальные результаты
Структура композитов
1. Структура композита в поперечном сечении образца диаметром D = 3 mm
с числом волокон n = 211 представлена на рис. 1,а. Волокна железа упоря-
доченно расположены в медной матрице. Поскольку гидроэкструзии под-
вергалась сборка из плотноупакованных биметаллических заготовок, желез-
ные сердечники в которых имели круглое поперечное сечение, можно было
ожидать, что после процессов деформации они примут форму шестиуголь-
ников. Однако, как следует из рис. 1,а,б, форма сечений волокон не является
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
112
а б
в г
д е
Рис. 1. Структура Cu–Fe-композитов с различным числом волокон: а, б – n = 211;
в, г – 2112; д, е – 2113
0.5 mm 20 μm
200 μm 5 μm
100 μm 5 μm
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
113
ни круглой, ни шестиугольной. Обусловлено это значительным различием
модулей сдвига меди и железа: GCu ≈ 48 GPa, GFe ≈ 85 GРa, а также наличи-
ем воздушных промежутков между биметаллическими заготовками в исход-
ной сборке.
Из рис. 1,б видно, что волокна существенно неоднородны – имеются три
четко выраженные зоны. Ранее [8] нами было установлено, что они разли-
чаются величиной микротвердости Hμ и, возможно, размером зерен.
2. На каждом последующем этапе гидроэкструзии структура композитов
становится более сложной. В поперечном сечении композита с n = 2112 (его
фрагмент приведен на рис. 1,в) наблюдаются 211 структурных элементов
(стренд), каждый из которых содержит 211 волокон. Как и на рис. 1,а,
стренды упорядоченно расположены в медной матрице, однако содержат
волокна, форма поперечного сечения которых существенно изменилась (рис.
1,г). Она очень далека от «правильной», а расположение волокон заметно
отличается от регулярного. Причины этого заложены еще на предыдущем
этапе изготовления композитов. Во-первых, при n = 211 (рис. 1,б) волокна
не обладают правильной цилиндрической формой. Поэтому при последую-
щей гидроэкструзии набора 211 стренд неоднородности внешней оболочки
волокон приводят к их разрушению. Немалую роль при этом играет и разли-
чие модулей сдвига меди и железа. Во-вторых, волокна неоднородны и от-
личаются по величине микротвердости в различных радиальных зонах [8],
что также способствует их разрушению. Следовательно, говорить о волок-
нах при n ≥ 2112 можно лишь условно.
3. На рис. 1,д приведен фрагмент сечения композита с числом волокон n =
= 2113. Каждая из структурных единиц, наблюдаемых на рисунке, содержит
2112 стренд (рис. 1,е). Структура этих стренд, содержащих 2112 волокон, не
может быть исследована методом оптической микроскопии. Обусловлено
это тем, что в отличие от стренд, изображенных на рис. 1,г, при n = 2113 и D =
= 3 mm расчетный диаметр волокон становится сравним с длиной волны света
(таблица). Тем не менее следует ожидать, что при переходе в субмикронную
область значений d происходят разрыв волокон и их фрагментация [9].
Таблица
Параметры исследуемых композитов
Количество волокон 1 211 2112 2113 85⋅2113
Объемное содержание железа 0.58 0.39 0.27 0.18 0.13
Диаметр образца, mm Расчетный диаметр волокон
3 2.28 mm 130 μm 7.4 μm 0.42 μm 38 nm
0.21 160 μm 9 μm 0.52 μm 29 nm 2.7 nm
4. Как показали рентгеноструктурные исследования, в процессе гидроэкстру-
зии и волочения в железной компоненте композитов формируется аксиальная
текстура 110 , сохраняющаяся при искажении формы волокон и их фрагмента-
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
114
ции. Ось второго порядка железа становится параллельной оси проволоки. По-
добная текстура характерна для железных и стальных проволок, полученных во-
лочением [10]. В процессе изготовления композитов в медной матрице также
возникает текстура, имеющая преимущественное направление 111 .
Механические свойства композитов
1. Проблема прочности материалов – одна из важнейших в физике твердого
тела. Большое число работ было посвящено выяснению применимости эмпири-
ческих соотношений ХП (см. обзоры [11–13]), связывающих предел текучести σy
и твердость H для поликристаллических материалов с величиной зерна dg:
1/ 2
0y y gK d −σ = σ + , 1/ 2
0 HP gH H K d −= + , (2)
где Ky и KHP – коэффициенты ХП; σ0 и H0 – константы, ассоциирующиеся с
величинами соответственно σy и H для монокристалла.
Расчет [12], выполненный для мелкозернистых однофазных структур, по-
казал, что существует критическое значение dg, лежащее в субмикронной
области, при котором потеря пластической устойчивости и разрушение ма-
териала наступают уже на пределе текучести, т.е. когда предел прочности σb ≈
≈ σy. В обзоре [11] приведены зависимости H(dg) для железа и меди. Уста-
новлено, что в случае железа в интервале 6 nm ≤ dg ≤ 200 nm эта зависимость
хорошо описывается вторым соотношением в (2), а при dg ≤ 6 nm наблюда-
ется незначительное разупрочнение. В меди с уменьшением dg заметен сла-
бый рост величины H до значений dg ≈ 7 nm, а с дальнейшим уменьшением
dg происходит снижение твердости. Зависимость σy(dg) носит аналогичный
характер. В интервале 35 nm ≤ dg ≤ 160 nm она хорошо описывается законом
ХП, при dg ≈ 25 nm величина σy достигает максимума, а затем наблюдается
разупрочнение [12]. Естественно предположить, что, как и в чистых метал-
лах, прочность исследуемых композитов в субмикронной области dg и d
можно описать соотношением ХП.
2. На рис. 2 приведены зависимости σb(K), где K – объемное содержание
железа. Измерения проводили на образцах диаметром 0.21 mm с различным
числом (диаметром) волокон (таблица). Эти зависимости носят немонотонный
характер. С уменьшением величин K и d можно выделить три характерных
области: d ≥ 10 μm, в которой величина σb значительно падает; d ≈ 30–520 nm,
где предел прочности возрастает; d ≤ 30 nm, в которой вновь наблюдается
разупрочнение композита.
В области микронных значений d полученные зависимости хорошо опи-
сываются в соответствии с правилом смесей при условии равных деформа-
ций. С уменьшением d (величина K ≤ 0.4) правило смесей нарушается – пре-
дел прочности композитов существенно возрастает. Можно предположить,
что наблюдаемое отклонение от правила смесей обусловлено действием ме-
ханизмов упрочнения композитов, которые описываются уравнением ХП.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
115
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
K
d, nm
3 30 520 9·103
σ b, G
Pа
1.6·105
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
1
2
3
4
K
d, nm
3 30 520 9·103
σ b ,
G
Pа
1.6·105
Рис. 2. Зависимости предела прочности деформированных (●) и отожженных (○)
образцов композитов от объемного содержания железа и размера волокон
Рис. 3. Зависимости предела прочности медной Cu
bσ (○) и железной Fe
bσ (●) ком-
понент от объемного содержания железа и размера волокон (расчет)
Поскольку осуществить непосредственные механические испытания струк-
турных составляющих нанометрических размеров невозможно, информацию о
свойствах компонентов волокнистых композиционных материалов извлекали
из результатов механических испытаний нанокомпозита в целом с привлечени-
ем правила смеси [6]. В предположении, что прочность нанокристаллической
меди описывается соотношением ХП, используя ее значения, взятые из работы
[14], и анализируя структуру образцов, можно получить зависимость расчетной
прочности медной матрицы от размерного фактора Δi:
1/ 2220 2051
ib iσ = + Δ , (3)
где Δi – толщина медной прослойки в композите. Усредненная прочность
матрицы рассчитывалась по формуле
Cu
1
i
m
b i b
i
K
=
σ = σ∑ , (4)
где Ki – объемная доля меди в i-й прослойке,
ibσ определяется соотношением (3).
Зависимости предела прочности армирующих волокон и медной матрицы
от размерного фактора приведены на рис. 3. Расчет основан на использова-
нии модифицированного правила смеси [6]:
Fe Cu (1 )b b bK Kσ = σ + σ − , (5)
где Fe
bσ – предел прочности волокон железа.
Проанализируем характер полученных зависимостей. В первую очередь
следует выделить участки, соответствующие d ≈ 9–160 μm, где величины
Fe
bσ , Cu
bσ практически не меняются. Как известно, прочностные характери-
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
116
стики объемных материалов во многом определяются размерами зерен.
Вследствие особенностей технологии изготовления композитов при доста-
точно больших d величина зерен железа и меди изменялась незначительно.
Как следствие, так же изменяются и значения Fe
bσ и Cu
bσ .
В интервале значений d от 9 μm до 30 nm предел прочности железной
компоненты композитов возрастает в соответствии с соотношением ХП. В
этой области d величина Fe
bσ во много раз превышает предел прочности
крупнозернистого железа.
При d ≤ 30 nm наблюдается падение Fe
bσ . Отклонение от закона ХП обу-
словлено процессами, протекающими в границах зерен, и механизмом зер-
нограничного проскальзывания, отличными от таковых в макро- и микро-
размерных состояниях [3,11,12].
В отличие от зависимости Fe ( )b dσ величина Cu
bσ с уменьшением K и d
является монотонно возрастающей. Обусловлено это тем, что по мере роста
числа волокон увеличивается и число медных прослоек со все меньшими
значениями их толщины (Δi = 30 nm–200 μm), что приводит к росту величи-
ны Cu
bσ в соответствии с (3) и (4). При этом согласно расчетам в исследуе-
мых композитах размер зерен меди превышает критический (7–20 nm), при
котором наблюдается нарушение закона ХП [11].
3. На рис. 4 приведены зависимости твердости по Виккерсу HV композитов
от K и d. Видно, что они качественно подобны зависимостям предела прочно-
сти, приведенным на рис. 2. Вместе с тем прирост HV при переходе в субмик-
ронную область d заметно меньше, чем для σb. Обусловлено это следующим.
Величина HV при d ≈ 160 μm (биметалл) определяется в основном твердостью
железа. При меньших размерах волокон (других типоразмерах композита) раз-
мер отпечатка индентора существен-
но превышает d, и HV является уже
некоторой средней интегральной ве-
личиной, определяемой железными
волокнами и медной матрицей. По-
этому рост величины HV с уменьше-
нием d относительно невелик вслед-
ствие увеличения вклада более мяг-
кой медной компоненты композита.
Отжиг приводит к уменьшению
значений σb и HV, не изменяя харак-
тер зависимостей (рис. 2, 4). Это
обусловлено ростом величины зерен
меди и железа, так как температура
отжига выше температуры рекри-
сталлизации компонент композита.
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
K
H
V, G
Pa
d, nm
3 30 520 9·103 1.6·105
Рис. 4. Зависимости твердости дефор-
мированных (●) и отожженных (○) об-
разцов композитов от объемного содер-
жания железа и размера волокон (D =
= 0.21 mm, поперечное сечение)
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
117
Резистивные свойства композитов
Известно, что в мелкозернистых материалах, в особенности при переходе
в область наноразмеров, существенно возрастает роль рассеяния свободных
носителей на дефектах решетки и межзеренных границах [1–3]. Это приво-
дит к повышению удельного электрического сопротивления.
На рис. 5 показана зависимость удельного электросопротивления Cu–Fe-
композитов от объемного содержания железа. Измерения проводили на об-
разцах диаметром 3 mm с различным числом волокон (см. таблицу). Экспе-
риментальные точки хорошо согласуются с зависимостью, полученной в со-
ответствии с правилом смесей при параллельном соединении медной и же-
лезной компонент композита:
Fe Cu
Fe Cu(1 )K K
ρ ρ
ρ =
ρ − +ρ
, (6)
где ρ, ρFe, ρCu – удельное электрическое сопротивление соответственно ком-
позита, железа и меди. При дальнейшем уменьшении величины d наблюда-
ется отклонение от правила смесей, и удельное электрическое сопротивле-
ние композитов заметно возрастает по сравнению с расчетным (рис. 6).
0 10 20 30 40
2.0
2.1
2.2
2.3
D = 0.21 mm
ρ,
1
0–6
Ω
·c
m
d , nm
3 mm
Рис. 5. Зависимость удельного сопротивления композитов (D = 3mm) от объемного
содержания железа: ○ – эксперимент, ⎯ – расчет
Рис. 6. Зависимость удельного сопротивления композита с n = 85·2113 от диаметра
волокон (K = 0.13)
В наноструктурной меди при dg ≈ 7 nm ρ повышается на порядок в сравне-
нии с крупнозернистой и составляет 10–30 μΩ·cm [2,3]. Рост электрического
сопротивления исследуемых композитов при переходе в область нанометро-
вых значений d (рис. 6) определяется уменьшением структурных элементов.
При изготовлении композитов проводили неоднократные технологические
отжиги, поэтому размер зерен меди определяется величиной деформации на
последнем этапе волочения. Так как эта величина мала (e = 1.7), то не столь
значительным будет и уменьшение размеров зерен меди, а следовательно, и
рост электрического сопротивления медной матрицы. В железных волокнах
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
118
увеличение размера зерен ограничено их диаметром. Поскольку сопротивле-
ние железных волокон в композите шунтируется медной матрицей, наблю-
даемый рост величины ρ композитов относительно невелик.
Выводы
Установлено, что в субмикронной области значений зерен твердость и
предел прочности Cu–Fe-композитов удовлетворительно описываются в
рамках закона ХП, если в качестве характеристического размера взять диа-
метр железных волокон.
Полученные волокнистые Cu–Fe-композиты характеризуются удельным
электрическим сопротивлением, близким к сопротивлению чистой меди, и
повышенными прочностными характеристиками.
1. С.В. Шевченко, Н.Н. Стеценко, Успехи физики металлов 5, 219 (2004).
2. А.И. Гусев, УФН 168, 55 (1998).
3. Р.А. Андриевский, А.М. Глезер, ФММ 88, № 1, 50 (2000); 89, № 1, 91 (2000).
4. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Объемные наноструктурные металлические ма-
териалы, Москва, ИКЦ Академкнига (2007).
5. В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.З. Спусканюк, Теория и практика гидроэкстру-
зии, Наукова думка, Киев (2007).
6. В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, Н.И. Матросов, Э.А. Медведская, Гидропрессо-
вание волокнистых композиционных материалов, Наукова думка, Киев (2009).
7. В.А. Белошенко, В.Н. Варюхин, В.Ю. Дмитренко, Ю.И. Непочатых, В.З. Спус-
канюк, А.Н. Черкасов, Б.А. Шевченко, ЖТФ 79, № 12, 68 (2009).
8. А.Н. Черкасов, В.А. Белошенко, В.З. Спусканюк, В.Ю. Дмитренко, Б.А. Шевчен-
ко, ФММ 104, 144 (2007).
9. X. Sauvage, F. Wetsher, P. Pareige, Acta Met. 53, 2127 (2005).
10. Н.Ю. Золотаревский, Е.В. Нестерова, В.В. Рыбкин, Ю.Ф. Титовец, ФММ 99, № 1,
80 (2005).
11. В.А. Поздняков, ФММ 96, № 1, 114 (2003).
12. Г.А. Малыгин, ФТТ 49, 961 (2007).
13. Р.А. Андриевский, А.М. Глезер, УФН 179, 337 (2009).
14. Н.И. Носкова, А.В. Корзников, С.Р. Идрисова, ФММ 89, № 4, 103 (2000).
В.О. Білошенко, В.М. Варюхін, В.Ю. Дмитренко, Ю.І. Непочатих, А.М. Черкасов
ВОЛОКНИСТІ Cu-Fe-КОМПОЗИТИ, ОТРИМАНІ МЕТОДОМ ПАКЕТНОЇ
ГІДРОЕКСТРУЗІЇ: СТРУКТУРА, МЕХАНІЧНІ ТА РЕЗИСТИВНІ
ВЛАСТИВОСТІ
Досліджено структуру, механічні та резистивні властивості волокнистих Cu–Fe-
композитів, у яких діаметр залізних волокон d варіювався в широких межах,
включаючи субмікронну область d ~ 10 nm. Показано, що залежності межі міцності
й твердості композитів від величини d задовільно описуються співвідношеннями
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
119
Хола–Петча (ХП). Виявлено відхилення від правила сумішей для питомого
електричного опору композитів у нанорозмірній області значень d.
Ключові слова: волокнистий композит, наноструктура, механічні властивості, ре-
зистивні властивості
V.A. Beloshenko, V.N. Varyukhin, V.Yu. Dmitrenko, Yu.I. Nepochatykh, A.N. Cherkasov
FIBROUS Cu–Fe COMPOSITES PRODUCED BY PACKET
HYDROEXTRUSION: STRUCTURE, MECHANICAL
AND RESISTIVE PROPERTIES
Structure, mechanical and resistive properties of fibrous Cu–Fe composites with iron fi-
bre diameter d varied in a wide range, the submicron range of d ~ 10 nm inclusive, have
been investigated. It is shown that the dependences of ultimate strength and hardness on d
are satisfactorily described by Hall–Petch relationships. It has been found that the electri-
cal resistivity of composites for d values in the nanodimensional range deviates from the
mixing rule.
Keywords: fibrous composite, nanostructure, mechanical properties, resistive properties
Fig. 1. Structure of Cu–Fe composites with different quantity of fibres: а, б – n = 211; в,
г – 2112; д, е – 2113
Fig. 2. Dependences of the ultimate strength of deformed (●) and annealed (○) samples of
composites on iron content by volume and fibre size
Fig. 3. Dependences of the ultimate strength of copper Cu
bσ (○) and iron Fe
bσ (●) com-
ponents on iron content by volume and fibre size (calculation)
Fig. 4. Dependences of hardness of deformed (●) and annealed (○) samples of composites
on iron content by volume and fibre size (D = 0.21 mm in cross-section)
Fig. 5. Dependence of composite’s resistivity (D = 3mm) on iron content by volume: ○ –
experiment, ⎯ – calculation
Fig. 6. Dependence of composite’s resistivity with n = 85·2113 on fibre diameter (K = 0.13)
|