Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением
Методом наноиндентирования исследовано влияние измельчения зеренной
 структуры до наноразмеров на комплекс механических характеристик
 (твердость Hh, пластичность δA и модуль Юнга E) армко-железа после обработки интенсивной пластической деформацией трением (ИПДТ) в аргоне.
 П...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76438 |
| 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: | Механические свойства наноструктурного железа, полученного
 интенсивной пластической деформацией трением / А.И. Юркова, А.В. Белоцкий, А.В. Бякова, Ю.В. Мильман // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 619-632. — Бібліогр.: 36 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860069913914245120 |
|---|---|
| author | Юркова, А.И. Белоцкий, А.В. Бякова, А.В. Мильман, Ю.В. |
| author_facet | Юркова, А.И. Белоцкий, А.В. Бякова, А.В. Мильман, Ю.В. |
| citation_txt | Механические свойства наноструктурного железа, полученного
 интенсивной пластической деформацией трением / А.И. Юркова, А.В. Белоцкий, А.В. Бякова, Ю.В. Мильман // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 619-632. — Бібліогр.: 36 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Методом наноиндентирования исследовано влияние измельчения зеренной
структуры до наноразмеров на комплекс механических характеристик
(твердость Hh, пластичность δA и модуль Юнга E) армко-железа после обработки интенсивной пластической деформацией трением (ИПДТ) в аргоне.
При уменьшении зерен до размеров меньше 30 нм обнаружено уменьшение
значений модуля Юнга на 10% по сравнению с крупнокристаллическим
состоянием. В отличие от ГЦК-металлов, в которых при уменьшении размера зерен до 20 нм твердость только повышается, а пластичность снижается, в ОЦК-железе установлен обратный эффект: уменьшение размеров зерен от 50 до 20 нм вызывает снижение твердости (от 5,8 до 3,7 ГПа) и повышение характеристики пластичности δA (от 0,82 до 0,87).
Методою наноіндентування досліджено вплив подрібнення зеренної структури до нанорозмірів на комплекс механічних характеристик (твердість
Hh, пластичність δA і модуль Юнґа E) армко-заліза після інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в арґоні. При зменшенні зерен до розмірів
менше 30 нм виявлено зниження значень модуля Юнґа на 10% в порівнянні з крупнокристалічним станом. На відміну від ГЦК-металів, в яких при
зменшенні розміру зерен до 20 нм твердість тільки підвищується, а пластичність знижується, в ОЦК-залізі встановлено зворотній ефект: зменшення
розмірів зерен від 50 до 20 нм викликає зниження твердости (від 5,8 до 3,7
ГПа) і підвищення пластичности (від 0,82 до 0,87).
By using nanoindentation technique, the role of grain refinement down to
nanometre sizes in terms of its influence on mechanical parameters (hardness,
Hh, plasticity characteristic, δA, and Young’s modulus, E) of α-Fe subjected to
severe plastic deformation by friction (SPDF) with argon atmosphere is stud-ied. In comparison with Fe of coarse-grained structure, Young’s modulus decreases
by 10% when grain size decreases down to less then 30 nm. Unlike
f.c.c. metals for which decreasing the grain size down to 20 nm results in gradual
increasing of the hardness values and, therefore, in decreasing of the plasticity,
the reverse effect is believed to be true for b.c.c. Fe, namely, the decreasing
of grains sizes within the range from 50 to 20 nm causes the hardnessvalues
decreasing from 5.8 to 3.7 GPа, while plasticity characteristic increases
from 0.82 to 0.87.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:09:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
619
PACS numbers: 07.35.+k, 61.72.Hh,62.20.de,62.20.fq,62.20.Qp,81.40.Pq, 81.65.Lp
Механические свойства наноструктурного железа, полученного
интенсивной пластической деформацией трением
А. И. Юркова, А. В. Белоцкий, А. В. Бякова*, Ю. В. Мильман*
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт»,
просп. Победы, 37,
03056 Киев, Украина
*Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины,
ул. Кржижановского, 3,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
Методом наноиндентирования исследовано влияние измельчения зеренной
структуры до наноразмеров на комплекс механических характеристик
(твердость Hh, пластичность δA и модуль Юнга E) армко-железа после обра-
ботки интенсивной пластической деформацией трением (ИПДТ) в аргоне.
При уменьшении зерен до размеров меньше 30 нм обнаружено уменьшение
значений модуля Юнга на 10% по сравнению с крупнокристаллическим
состоянием. В отличие от ГЦК-металлов, в которых при уменьшении раз-
мера зерен до 20 нм твердость только повышается, а пластичность снижает-
ся, в ОЦК-железе установлен обратный эффект: уменьшение размеров зе-
рен от 50 до 20 нм вызывает снижение твердости (от 5,8 до 3,7 ГПа) и по-
вышение характеристики пластичности δA (от 0,82 до 0,87).
Методою наноіндентування досліджено вплив подрібнення зеренної струк-
тури до нанорозмірів на комплекс механічних характеристик (твердість
Hh, пластичність δA і модуль Юнґа E) армко-заліза після інтенсивної плас-
тичної деформації тертям (ІПДТ) в арґоні. При зменшенні зерен до розмірів
менше 30 нм виявлено зниження значень модуля Юнґа на 10% в порівнян-
ні з крупнокристалічним станом. На відміну від ГЦК-металів, в яких при
зменшенні розміру зерен до 20 нм твердість тільки підвищується, а пласти-
чність знижується, в ОЦК-залізі встановлено зворотній ефект: зменшення
розмірів зерен від 50 до 20 нм викликає зниження твердости (від 5,8 до 3,7
ГПа) і підвищення пластичности (від 0,82 до 0,87).
By using nanoindentation technique, the role of grain refinement down to
nanometre sizes in terms of its influence on mechanical parameters (hardness,
Hh, plasticity characteristic, δA, and Young’s modulus, E) of α-Fe subjected to
severe plastic deformation by friction (SPDF) with argon atmosphere is stud-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2009, т. 7, № 2, сс. 619—632
© 2009 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
620 А. И. ЮРКОВА, А. В. БЕЛОЦКИЙ, А. В. БЯКОВА, Ю. В. МИЛЬМАН
ied. In comparison with Fe of coarse-grained structure, Young’s modulus de-
creases by 10% when grain size decreases down to less then 30 nm. Unlike
f.c.c. metals for which decreasing the grain size down to 20 nm results in grad-
ual increasing of the hardness values and, therefore, in decreasing of the plas-
ticity, the reverse effect is believed to be true for b.c.c. Fe, namely, the decreas-
ing of grains sizes within the range from 50 to 20 nm causes the hardness-
values decreasing from 5.8 to 3.7 GPа, while plasticity characteristic increases
from 0.82 to 0.87.
Ключевые слова: железо, интенсивная пластическая деформация трени-
ем (ИПДТ), наноструктура, наноиндентирование, модуль Юнга, твер-
дость, характеристика пластичности δA.
(Получено 23 ноября 2007 г.; окончат. вариант– 23 сентября 2009 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Диспергирование зеренной структуры при высокоэнергетических
механических воздействиях методами интенсивной пластической
деформации (ИПД) [1] является одним из способов улучшения меха-
нических характеристик конструкционных материалов. Известно,
что металлы в наноструктурном состоянии обладают высоким пре-
делом текучести и повышенной твердостью, но пониженной пла-
стичностью [2, 3]. Для разработки высокоэффективных нанострук-
турных материалов желательно обеспечить оптимальное соотноше-
ние между значениями прочности, которая может быть охарактери-
зована твердостью, и пластичности. Это означает, что усилия, на-
правленные на увеличение прочности, оправданы, если пластич-
ность материала остается удовлетворительной.
Проведенные в последние годы исследования показывают, что
ультрадисперсные материалы, полученные методами ИПД, обла-
дают необычными, по сравнению с традиционными поликристал-
лическими материалами, физическими и механическими свойст-
вами [1—4]. В связи с высокой структурной чувствительностью ме-
ханических свойств изучение деформационного поведения нанома-
териалов имеет важное значение и является предметом интенсив-
ных исследований. В литературе [2—5] имеются данные о снижении
модуля Юнга при уменьшении зерен до субмикро- и наноразмеров и
отклонении экспериментальных результатов измерений от соотно-
шения Холла—Петча. Обычно соотношение Холла—Петча выполня-
ется для значительной части исследованных наноматериалов до оп-
ределенного критического размера зерна dc, а при уменьшении раз-
мера зерна до d < dc наблюдается обратный эффект – разупрочне-
ние. Нарушение закона Холла—Петча исследователи предположи-
тельно связывают с изменением механизма пластической деформа-
ции в наноматериалах по сравнению с крупнозернистыми [4, 6—9].
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНОГО ЖЕЛЕЗА 621
Свойства наноматериалов в существенной степени зависят как от
размеров их структурных составляющих, так и от состояния границ
зерен. В зависимости от способа получения может формироваться
зеренная структура с различной степенью структурной неоднород-
ности, спектром разориентаций, дефектностью и химическим соста-
вом границ зерен. В ряде исследований указывается, что опреде-
ляющую роль в аномальном механическом поведении нано- и суб-
микроразмерных материалов играют границы зерен (ГЗ), пригра-
ничные объемы и тройные стыки, объемная доля которых возраста-
ет по мере уменьшения размера зерна [3—5, 10, 11, 12]. Отмеченное
обстоятельство является особенно характерным для наноструктур-
ных материалов, полученным методами ИПД, в которых формиру-
ется дефектная структура ГЗ, ассоциируемая с высоким уровнем
внутренних упругих напряжений, повышенной плотностью зерно-
граничных дислокаций и значительными микроискажениями кри-
сталлической решетки в приграничных областях [1, 13—15].
В экспериментальных и теоретических работах [2, 3, 6—11], а так-
же в исследованиях, основанных на методе молекулярной динамики
[4, 5], показана определяющая роль границ раздела (границ зерен,
приграничных объемов и тройных стыков) при деформации нанома-
териалов. Так, в работе [16] установлено, что в отличие от крупнозер-
нистых материалов, в которых ГЗ являются барьерами для движения
решеточных дислокаций, ГЗ нанокристаллических материалов мож-
но рассматривать как каналы для пластического течения. Для на-
нокристаллических материалов в работе [4] методом молекулярной
динамики (ММД) продемонстрирована возможность реализации на-
ряду с зернограничным проскальзыванием другого механизма де-
формации – внутризеренного скольжения, при котором ГЗ действу-
ют как источники и стоки дислокаций. Однако экспериментальное
подтверждение такого механизма отсутствует. Наиболее вероятным
механизмом пластической деформации наноматериалов при темпе-
ратурах ≤ 300 К и при уменьшении зерен до размеров меньше крити-
ческого (d < dc) все же представляется зернограничное проскальзыва-
ние (ЗГП) с активизацией ротационных мод деформации.
Влияние размера зерен на механические свойства наноструктур-
ных ГЦК-металлов изучено достаточно подробно [1—5]. Данные о ме-
ханических свойствах и особенно пластичности наноструктурных
ОЦК-металлов крайне ограничены. Пластичность при растяжении
ОЦК-металлов в наноструктурном состоянии настолько низкая, что
данные количественных измерений обычно в литературе не приво-
дятся [2]. Публикации по ОЦК-металлам, измельченным ИПД до
размеров меньше 80 нм, с определением характеристики пластично-
сти авторам неизвестны. Вместе с тем характеристика пластичности,
определяемая при индентировании, позволяет количественно оце-
нить пластичность материалов, которые ведут себя хрупко при стан-
622 А. И. ЮРКОВА, А. В. БЕЛОЦКИЙ, А. В. БЯКОВА, Ю. В. МИЛЬМАН
дартных механических испытаниях на растяжение и изгиб.
Цель работы: изучить влияние наноструктурного состояния по-
верхностного слоя железа, полученного ИПД трением в нейтраль-
ной среде (аргон), на его механические свойства (твердость, пла-
стичность, модуль Юнга).
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
В качестве объектами исследования использовали образцы армко-
железа (чистотой 99,97 масс.% с размером зерна 80—100 мкм) с гра-
диентным поверхностным слоем, полученным интенсивной пла-
стической деформацией трением (ИПДТ) в аргоне [17]. Зеренная
структура такого слоя изменялась от микро- до субмикро- и нано-
размерного уровня с минимальным размером зерен 20 нм на по-
верхности [18].
Механические свойства диспергированного железа исследовали по
толщине градиентного слоя методом непрерывного вдавливания
при наноиндентировании пирамидой Берковича на приборе «Nano
Indenter II». Во время испытаний регистрировали перемещение ал-
мазного индентора, как при росте нагрузки, так и при ее снижении
(рис. 1). Модуль Юнга Е и твердость Hh определяли по диаграмме на-
гружения индентора в координатах нагрузка на индентор F—
перемещение индентора h в соответствии со стандартом ISO [19], ис-
пользуя методику Оливера и Фарра [20]. При этом определяли твер-
дость по Мейеру (Hh = HM), которая является средним контактным
давлением на контактной поверхности индентор—образец и хорошо
коррелирует с напряжением течения [21].
Обработку экспериментальных данных для определения твер-
дости и модуля Юнга проводили в соответствии с работой [20].
Характеристику пластичности δА определяли в соответствии с
[19, 22, 23] и рассчитывали по отношению площадей на диа-
грамме непрерывного вдавливания (рис. 1) по формуле:
1p e
A
t t
A A
A A
δ = = − , (1)
где Ae – площадь под кривой разгружения; At – площадь под
кривой нагружения; p t eA A A= − .
Характеристика пластичности δА, определенная методом непре-
рывного вдавливания, является аналогом безразмерного параметра
пластичности δН – доли пластической деформации в общей упруго-
пластической деформации под индентором, характеризующим спо-
собность материала к формоизменению в процессе деформации, и
определяется по формуле (2) в соответствии с методикой, изложен-
ной в работах [21, 22]:
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНОГО ЖЕЛЕЗА 623
1 ,p e
H
ε ε
δ = = −
ε ε
(2)
где εр, εе, ε – усредненные по площадке контакта индентора с
образцом значения пластической, упругой и общей деформации в
направлении приложения нагрузки.
Для индентора Берковича характеристику пластичности δH,
согласно [22, 23] определяют по выражению:
( )21 10,2 1 2 ,H
HM
E
δ = − − ν − ν (3)
где ν – коэффициент Пуассона; Е – модуль Юнга; НМ – твер-
дость по Мейеру.
Из выражения (3) следует, что характеристика пластичности δН в
основном определяется соотношением НМ/Е и с ростом твердости
значения характеристики пластичности должны снижаться при
постоянном модуле Е. При этом эффект снижения пластичности
при увеличении твердости должен усиливаться при одновременном
уменьшении модуля Юнга. Теоретические и экспериментальные
исследования авторов [24] показали, что с достаточной точностью
δА ≈ δН. При этом определение характеристики пластичности δА по
формуле (1), в отличие от методики расчета характеристики δН, не
требует определения модуля Юнга, твердости и коэффициента Пу-
ассона, вносящих некоторую погрешность.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ
НАНОИНДЕНТИРОВАНИИ
На рисунке 2 представлены диаграммы непрерывного вдавливания,
Íàãðóæåíèå
Ðàçãðóæåíèå
Âûäåðæêà ïîä íàãðóçêîé
Ïåðåìåùåíèå h, íì
Í
àã
ð
ó
çê
à
F
,
í
Ì
h
ð h
e
A
p
A
e
F
max
Рис. 1. Диаграмма нагружения индентора Берковича в координатах на-
грузка на индентор F—перемещение индентора h [19].
624 А. И. ЮРКОВА, А. В. БЕЛОЦКИЙ, А. В. БЯКОВА, Ю. В. МИЛЬМАН
полученные при наноиндентировании градиентного поверхностного
слоя железного образца после ИПДТ (диаграммы 1, 2, 3, 4), и неде-
формированной крупнокристаллической основы (диаграмма 5). Для
наноструктурного участка, прилегающего к самой поверхности, в
котором средний размер зерен составлял примерно 20 нм, наблюда-
ется больший наклон кривой разгружения (диаграмма 1), по сравне-
нию с кривой разгружения для крупнокристаллической недеформи-
рованной основы (диаграмма 5). Увеличение наклона кривой раз-
гружения для наноструктурного участка α-Fe свидетельствует об
уменьшении модуля Юнга, по сравнению с его значениями для
крупнокристаллической основы. Наклон кривых разгружения для
наноструктурного участка с размером зерен больше 30 нм (диаграм-
ма 2), субмикроструктурного (диаграмма 3) и микрокристалличе-
ского (диаграмма 4) участков измельченного слоя железа такой же,
как для крупнозернистой основы. Модуль Е для этих участков при-
мерно соответствует значению модуля упругости исходного крупно-
кристаллического железа.
На рисунке 3 показано изменение модуля Юнга Е в зависимости
от размера зерна для различных структурных участков поверхно-
стного слоя образца железа. Уменьшение модуля Юнга (Е = 176±9
ГПа) в наноструктурном участке слоя с размером зерен 20 нм по
сравнению со значением модуля упругости крупнозернистого неде-
формированного α-Fe составляет примерно 10%. Отметим, что экс-
периментально регистрируемые значения модуля Е крупнокри-
Рис. 2. Диаграммы внедрения пирамидального индентора при наноинден-
тировании армко-железа после ИПДТ. Участки диспергированного слоя:
1 – наноструктурный, d = 20 нм (Е = 176 ГПа, Hh = 3,7 ГПа); 2 – наност-
руктурный, d = 50 нм (Е = 200 ГПа, Hh = 5,9 ГПа); 3 – субмикроструктур-
ный, d = 200 нм (Е = 209 ГПа, Hh = 5,8 ГПа); 4 – микрокристаллический,
d = 3 мкм (Е = 212 ГПа, Hh = 3,7 ГПа); 5 – крупнокристаллическая неде-
формированная основа, d = 80мкм (Е = 210 ГПа, Hh = 2,9 ГПа).
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНОГО ЖЕЛЕЗА 625
сталлической основы (E = 210±10 ГПа), находятся в области значе-
ний Е (196,2—227,5 ГПа), которые приведены в справочной литера-
туре [25] для α-Fe. Эти результаты показывают, что ИПДТ железа в
аргоне приводит к уменьшению значений модуля Юнга только в
участке слоя с размерами зерен меньше 30 нм. При больших разме-
рах зерен градиентного слоя значения Е, с учетом интервала раз-
броса данных, соответствуют значению модуля Юнга обычного
крупнокристаллического железа (рис. 3).
Результаты измерения твердости Hh железа после ИПДТ показы-
вают (рис. 3), что с уменьшением размеров зерен от крупнокристал-
лических до микрокристаллических и субмикронных (до 200 нм)
твердость увеличивается от 3 до 5,8 ГПа. При этом увеличение твер-
дости удовлетворительно описывается соотношением Холла—Петча
H = H0 + kуd−0,5
(рис. 3, 4), в котором коэффициент kу = 0,43 МПа⋅м2,
что соответствует значению этого коэффициента для обычного поли-
кристаллического железа [26, 27]. Уменьшение размера зерен от 200
до 50 нм сопровождается отклонением зависимости Hh(d) от соотно-
шения Холла—Петча: значения твердости практически не изменяют-
ся, оставаясь высокими. Дальнейшее уменьшение размеров зерен до
d < 50 нм сопровождается снижением твердости, которая при зернах
20 нм достигает значения 3,7 ГПа (рис. 3).
Изменение значений характеристики пластичности δA (рис. 3) в
зависимости от размера зерна отражает характер зависимости Hh(d).
При уменьшении зерен от крупнокристаллических до микро-, суб-
микро- и наноразмерных пластичность уменьшается с увеличением
твердости. При уменьшении зерен до размеров меньше 50 нм, сопро-
Рис. 3. Изменение механических характеристик (твердости Hh, характе-
ристики пластичности δА и модуля Юнга Е) в зависимости от размера
зерна d −0,5 армко-железа после ИПДТ.
626 А. И. ЮРКОВА, А. В. БЕЛОЦКИЙ, А. В. БЯКОВА, Ю. В. МИЛЬМАН
вождающемся снижением твердости, наблюдается увеличение зна-
чений характеристики пластичности δA от 0,82 до 0,87.
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В литературе [1—4, 15, 16] обсуждается несколько факторов, оказы-
вающих влияние на упругие свойства ультрадисперсных материа-
лов, полученных методами ИПД. Предполагается, что определяю-
щую роль в уменьшении упругих свойств наноматериалов играют
границы зерен и тройные стыки, т.к. значительная доля атомов на-
ноструктурного материала расположена в местах, отличных от их
нормальных позиций в кристаллической решетке, а объемная доля
границ зерен, приграничных объемов и тройных стыков возрастает
по мере уменьшения размера зерна [3, 10, 12]. Согласно «модели
композита» Муграби [28, 29] уменьшение значений модуля Е мо-
жет происходить в результате увеличения объемной доли межзе-
ренного пространства: границ зерен и тройных стыков, для кото-
рых механические свойства отличаются от свойств тела зерна. Кро-
ме этого, уменьшение размеров зерен приводит к увеличению доли
свободного объема в границах зерен, в приграничных областях и в
тройных стыках, что сопровождается ослаблением атомных связей
в наноструктурном материале.
По данным, приведенным в работах [2, 4, 5], отклонение зависи-
мости Н(d) от закона Холла—Петча для ультрамелкодисперсных и
нанокристаллических ГЦК-металлов наблюдается при размерах зе-
рен d ≤ 20 нм, когда происходит некоторое уменьшение твердости
(рис. 4). В то же время, для измельченного ИПДТ ОЦК-железа, как
показано на рис. 3, отклонение зависимости Н(d) от закона Холла—
∼ 1000 200100 50 20 d, íì
H
,
δ A
d−0,5, íì−0,5
k
y ÎÖÊ
>> k
y ÃÖÊ δ
A
ÃÖÊ
> δ
A
ÎÖÊ
H
ÎÖÊ-Fe
H
ÃÖÊ
δ
A
ÃÖÊ
δ
A
ÎÖÊ-Fe
Рис. 4. Схема изменения твердости Н и характеристики пластичности
δА в зависимости от размера зерна d−0,5 в микро-, субмикро-, нанокри-
сталлических ГЦК-металлах [2, 4] и в ОЦК-железе после ИПДТ.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНОГО ЖЕЛЕЗА 627
Петча начинается при больших размерах зерен (d ≤ 200) нм по срав-
нению с ГЦК-металлами. В соответствии с существующими пред-
ставлениями [2, 4, 6—11] отклонение от закона Холла—Петча приня-
то связывать с изменением механизма деформации, когда при
уменьшении зерен до размеров d < dc энергетически выгодным ста-
новится подключение к обычному дислокационному механизму де-
формации механизма зернограничного проскальзывания (ЗГП).
Учитывая, что для ОЦК-металлов коэффициент ky в уравнении Хол-
ла—Петча значительно выше, чем для ГЦК-металлов (табл. 1) [2, 4,
26, 27], значительное повышение прочности с уменьшением разме-
ров зерен требует намного больших напряжений для передачи
скольжения от зерна к зерну. Поэтому изменение механизма дефор-
мации в ОЦК-железе начинается при большем размере зерен: уже
при размере зерен около 200 нм (против 20 нм для ГЦК-металлов)
становится энергетически выгодным подключение к дислокацион-
ному механизму деформации с передачей скольжения через границы
зерен механизма ЗГП, который начинает играть определяющую роль
при d = 50 нм.
По разнице между значениями твердости в области соблюдения
закона Холла—Петча, и значениями Hh в нано- и субмикрострук-
турном участках слоя (20 ≤ d ≤ 200 нм), в которых наблюдается на-
рушение этого закона, рассчитан выигрыш в напряжении течения
Δσs при Н ≈ 3σs (по Тейбору) при подключении механизма ЗГП к
дислокационному механизму деформации. Такая обработка дан-
ных показывает, насколько облегчается процесс деформации с уча-
стием ЗГП по сравнению с передачей скольжения от зерна к зерну
через границу по дислокационному механизму Холла—Петча. Ока-
залось, что при уменьшении размеров зерен от 200 до 50 нм выиг-
рыш в напряжении течения Δσs составляет 850 МПа, а при d = 20 нм
Δσs составляет 2580 МПа (рис. 5). Эти результаты показывают, что в
участке слоя с размерами зерен 50 < d < 200 нм деформация проис-
ходит с участием смешанного механизма – к обычному дислокаци-
онному механизму подключается механизм ЗГП. При уменьшении
зерен до размеров d < 50 нм, определяющая роль принадлежит ме-
ханизму ЗГП – сдвиговые моды деформации подавляются, рота-
ционные моды деформации активизируются [6—9]. О наблюдении in
situ (в колонне ЭМ) пластической деформации нанокристалличе-
ских металлов (медь, никель) путем ротации зерен сообщалось в ра-
ботах [7, 30]. При этом деформация реализовалась поворотом нано-
ТАБЛИЦА. Значения коэффициента ky в уравнении Холла—Петча для
ОЦК- и ГЦК-металлов.
Металл ОЦК ГЦК Fe Cu
ky, MПa⋅м1/2 ≅ 0,7 [2] < 0,16 [2] 0,57—0,73 [27, 27] 0,1 [4]
628 А. И. ЮРКОВА, А. В. БЕЛОЦКИЙ, А. В. БЯКОВА, Ю. В. МИЛЬМАН
зерен, который был вызван высоким уровнем напряжений в трой-
ных стыках нанозерен.
Несмотря на некоторое уменьшение модуля Юнга (рис. 3), умень-
шение твердости железа приводит к повышению характеристики
пластичности δA (до 0,87) в наноструктурном железе, полученном
ИПДТ. В участке слоя с размерами зерен d < 50 нм пластичность по-
вышается т.к. твердость уменьшается быстрее, чем модуль Юнга.
Это следует из того, что в соответствии с работой [24] характеристика
пластичности δА ≈ δН и, поэтому, в основном определяется соотноше-
нием НМ/Е (см. выражение (3)).
Для ГЦК-металлов разработаны специальные методики, которые
позволяют несколько повысить пластичность наноструктурных ма-
териалов. Наиболее известные методы [31—33] повышения пластич-
ности наноструктурных материалов предусматривают следующее:
формирование дуплекс-структуры, состоящей из наноразмерных зе-
рен и некоторого количества более крупных зерен, в которых ини-
циируется пластическая деформация; формирование нанодисперс-
ных частиц второй фазы, вызывающих деформационное упрочнение
и повышающих деформацию до формирования при растяжении ста-
бильной шейки.
Возможность количественно характеризовать пластичность на-
ноструктурного ОЦК-железа, как и других ОЦК-металлов, откры-
вает возможность поиска путей повышения пластичности этих ма-
териалов.
Результаты настоящего исследования показывают значительное
влияние наноструктурного состояния железа, диспергированного в
процессе ИПДТ, на его механические характеристики. Существенно,
Рис. 5. Выигрыш в напряжении течения Δσs при подключении к дисло-
кационному механизму деформации механизма зернограничного про-
скальзывания (ЗГП).
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНОГО ЖЕЛЕЗА 629
что диспергирование ОЦК-железа до наноструктурного состояния с
размером зерен меньше 50 нм приводит к росту значений характери-
стики пластичности δА, в то время как при диспергировании зерен-
ной структуры ГЦК-металлов до 20 нм происходит только уменьше-
ние пластичности (рис. 4, 6) вследствие повышения твердости. Это
вызвано тем, что снижение твердости в наноструктурном железе на-
блюдается при размере зерен меньше 50 нм, а в ГЦК-металлах – при
20 нм. Как следует из данных, приведенных на рис. 6, характери-
стика пластичности δА железа, диспергированного ИПДТ до размера
зерен 20 нм, приближается к параметру пластичности δН меди с раз-
мерами зерен 20 нм и меньше. Следует отметить, что формирование
структуры с размером зерен d < 20 нм является крайне сложным в
инженерной практике. В то же время формирование в железе нано-
зерен с размером d < 50 нм является вполне достижимым.
В литературе [2] приводятся данные по влиянию размерного фак-
тора на твердость ОЦК-металлов (W, Mo, Cr, Fe) с размером зерен не
менее 50—80 нм, для которых соотношение Холла—Петча выполняет-
ся. Данные по влиянию меньших размеров зерен на механические
свойства ОЦК-металлов, полученных методами ИПД, и в частности
чистого железа, авторам не известны. Вероятно, это связано с труд-
ностью диспергирования зерен менее указанных размеров. Методы
ИПД, используемые для получения объемных ультрамелкодисперс-
ных материалов, не позволяют получать зерна меньше 150—200 нм.
Публикации (например [35, 36]), в которых описаны методы поверх-
ностной ИПД с диспергированием структуры до 10—20 нм, в основ-
ном посвящены структурным аспектам. Данные по систематическо-
му исследованию механических свойств и, в частности, характери-
Рис. 6. Изменение характеристики пластичности δA железа, подвергну-
того ИПДТ, и δН меди (рассчитано по значениям H(d−0,5) [34]) в зависи-
мости от размера зерна.
630 А. И. ЮРКОВА, А. В. БЕЛОЦКИЙ, А. В. БЯКОВА, Ю. В. МИЛЬМАН
стики пластичности δА/δН в этих публикациях отсутствуют. Авторы
этих работ не использовали методику определения характеристики
пластичности δА/δН методом индентирования и, поэтому, зависи-
мость пластичности от размера зерен для ОЦК-металлов до настоя-
щего времени не была исследована.
Описанные изменения механического поведения по толщине
диспергированного ИПДТ слоя железа удалось зарегистрировать
лишь при использовании техники наноиндентирования с определе-
нием характеристики пластичности. Традиционная методика мик-
роиндентирования не позволяла ранее обнаружить описанные эф-
фекты [17].
5. ВЫВОДЫ
В единых условиях нагружения экспериментально установлено
влияние измельчения зерен до наноразмерного уровня на механиче-
ские характеристики (твердость, пластичность, модуль Юнга) желе-
за, подвергнутого интенсивной пластической деформации трением
(ИПДТ) в аргоне.
При уменьшении зерен до размеров меньше 30 нм обнаружено
снижение значений модуля Юнга на 10% по сравнению с крупно-
кристаллическим состоянием (176±9 против 210±10 ГПа), вызван-
ное ослаблением атомных связей вследствие увеличения доли сво-
бодного объема в границах зерен, приграничных областях и трой-
ных стыках.
Уменьшение зерен от крупнокристаллических до микрокристал-
лических и субмикронных размеров (до 200 нм) вызывает увеличе-
ние твердости (от 3 до 5,8 ГПа), которое удовлетворительно описыва-
ется законом Холла—Петча. Повышение твердости сопровождается
снижением значений характеристики пластичности до δА = 0,82. При
дальнейшем уменьшении размеров зерен от 200 до 20 нм наблюдает-
ся нарушение закона Холла—Петча, выражающееся в стабилизации
значений твердости на уровне 5,8 ГПа с последующим уменьшением
до 3,7 ГПа и росте характеристики пластичности δA (0,82 до 0,87).
Увеличение пластичности в ОЦК-железе начинает наблюдаться
при размере нанозерен, большем, чем в ГЦК-металлах, в которых
уменьшение размера зерен до 20 нм вызывает только повышение
твердости и снижение пластичности, и лишь при d < 20 нм наблю-
дается снижение твердости и повышение пластичности. При разме-
ре зерен 20 нм характеристика пластичности δA ОЦК-железа оказы-
вается сопоставимой с характеристикой пластичности для ГЦК-
меди.
Авторы выносят благодарность С. Н. Дубу за проведение испы-
таний методом наноиндентирования.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНОГО ЖЕЛЕЗА 631
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Р. З.Валиев, И. В. Александров, Наноструктурные материалы, получен-
ные интенсивной пластической деформацией (Москва: Логос: 2000).
2. Н. И. Носкова, Р. Р. Мулюков, Субмикрокристаллические и нанокристал-
лические металлы и сплавы (Екатеринбург: УрО РАН: 2003).
3. Р. А. Андриевский, А. М. Глезер, ФММ, 88, № 1: 50 (1999); idem, ФММ, 89,
№ 1: 91 (2000).
4. H. Van Swygenhoven and J. R. Weertman, Materials Today, 9, No. 5: 24
(2006).
5. K. S. Kumar, H. Van Swygenhoven, and S. Suresh, Acta Materialia, 51: 5743
(2003).
6. В. А. Поздняков, А. М. Глезер, ФТТ, 44, № 4: 705 (2002).
7. N. I. Noskova, J. Phys. Metals and Metallography. Suppl., 94: S119 (2002).
8. Г. А. Малыгин, ФТТ, 37, № 8: 2281 (1995).
9. В. А. Поздняков, ФММ, 96, № 1: 114 (2003).
10. A. M. Glezer, Strength and Plasticity of Nanocrystals. Deformation and Frac-
ture of Materials–DFM 2006 (Moscow: 2006), p. 14.
11. М. Ю. Гуткин, И. А. Овидько, Дефекты и механизмы пластичности в на-
ноструктурных и некристаллических материалах (Санкт-Петербург:
Янус: 2001).
12. G.Palumbo, U. Erb, and K. T. Aust, Scripta Met. Mater., 24: 2347 (1990).
13. Р. З. Валиев, Р. Ш. Мусалимов, ФММ, 78, № 1: 114 (1994).
14. Р. З. Валиев, Р. К. Исламгалиев, ФММ, 85, № 3: 161 (1998).
15. Z. Horita, D. Smith, M. Furucawa et al., J. Mater. Res., 11, No. 8: 1880 (1996).
16. М. Ю. Гуткин, И. А. Овидько, Физическая механика деформируемых нано-
структур. Нанокристаллические материалы (Санкт-Петербург: Янус:
2003), т. 1.
17. A. И. Юркова, А. В. Белоцкий, Ю. В. Мильман, A. В. Бякова, Наносистеми,
наноматеріали, нанотехнології, 2, вип. 2: 633 (2004).
18. A. И. Юркова, А. В. Белоцкий, A. В. Бякова, Наносистеми, наноматеріа-
ли, нанотехнології, 4, вип. 2: 483 (2006).
19. International Standard ІSО 14577-1-2002(Е).
20. W. C. Oliver and G. M. Pharr, J. Mater. Res., 7, No. 6: 1564 (1992).
21. D. Tabor, The Hardness of Metals (Oxford: Clarendon Press: 1951, 2000).
22. Yu. V. Milman, B. A. Galanov, and S. I. Chugunova, Acta Metall. Mater., 41,
No. 9: 2523 (1993).
23. Ю. В. Мильман, Сучасне матеріалознавство XXI сторіччя (Київ: Наукова
думка: 1998), с. 637.
24. A. Byakova, Yu. Milman, and A. Vlasov, Proc. of the 8
th
CIRP International
Workshop on Modeling of Machining Operations (May 10—11, 2005, Chemnitz,
Germany), p. 559—568.
25. И. Н. Францевич, Ф. Ф. Воронов, С. А. Бакута, Упругие постоянные и модули
упругости металлов и неметаллов: Справочник (Киев: Наукова думка:
1982).
26. В. И. Трефилов, Ю. В. Мильман, С. А. Фирстов, Физические основы прочно-
сти тугоплавких материалов (Киев: Наукова думка: 1975).
27. В. И. Трефилов, В. Ф. Моисеев, Э. П. Печковский и др. Деформационное
упрочнение и разрушение поликристаллических материалов (Киев: Нау-
632 А. И. ЮРКОВА, А. В. БЕЛОЦКИЙ, А. В. БЯКОВА, Ю. В. МИЛЬМАН
кова думка: 1987).
28. T. Ungar, H. Mughraby, D. Könnpagel, and M. Wilkens, Acta Metall., 32, No.
3: 333 (1984).
29. H. Mughrabi, Acta Metall., 31: 1367 (1983).
30. Н. И. Носкова, Е. Г. Волкова, ФММ, 91, № 6: 100 (2001).
31. C. C. Koch, Scripta Materialia, 49: 657 (2003).
32. S. Cheng, E. Ma, M. Y. Wang et al., Acta Materialia, 53: 1521 (2005).
33. Y.-H. Zhao, X.-Z. Liao, S. Cheng et al., Advanced Materials, 18: 2280 (2005).
34. P. G. Sanders, J. A. Eastman, and J. R. Weertman, Acta Mater., 45: 4019
(1997).
35. N. R. Tao, Z. N. Wang, W. P. Tong et al., Acta Mater., 50: 4603 (2002).
36. M. Umemoto, Y. Todaka, J. Li, and K. Tsuchiya, Materials Science Forum,
503—504: 11 (2006).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76438 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:09:50Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Юркова, А.И. Белоцкий, А.В. Бякова, А.В. Мильман, Ю.В. 2015-02-10T13:15:35Z 2015-02-10T13:15:35Z 2009 Механические свойства наноструктурного железа, полученного
 интенсивной пластической деформацией трением / А.И. Юркова, А.В. Белоцкий, А.В. Бякова, Ю.В. Мильман // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 619-632. — Бібліогр.: 36 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 07.35.+k,61.72.Hh,62.20.de,62.20.fq,62.20.Qp,81.40.Pq,81.65.Lp https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76438 Методом наноиндентирования исследовано влияние измельчения зеренной
 структуры до наноразмеров на комплекс механических характеристик
 (твердость Hh, пластичность δA и модуль Юнга E) армко-железа после обработки интенсивной пластической деформацией трением (ИПДТ) в аргоне.
 При уменьшении зерен до размеров меньше 30 нм обнаружено уменьшение
 значений модуля Юнга на 10% по сравнению с крупнокристаллическим
 состоянием. В отличие от ГЦК-металлов, в которых при уменьшении размера зерен до 20 нм твердость только повышается, а пластичность снижается, в ОЦК-железе установлен обратный эффект: уменьшение размеров зерен от 50 до 20 нм вызывает снижение твердости (от 5,8 до 3,7 ГПа) и повышение характеристики пластичности δA (от 0,82 до 0,87). Методою наноіндентування досліджено вплив подрібнення зеренної структури до нанорозмірів на комплекс механічних характеристик (твердість
 Hh, пластичність δA і модуль Юнґа E) армко-заліза після інтенсивної пластичної деформації тертям (ІПДТ) в арґоні. При зменшенні зерен до розмірів
 менше 30 нм виявлено зниження значень модуля Юнґа на 10% в порівнянні з крупнокристалічним станом. На відміну від ГЦК-металів, в яких при
 зменшенні розміру зерен до 20 нм твердість тільки підвищується, а пластичність знижується, в ОЦК-залізі встановлено зворотній ефект: зменшення
 розмірів зерен від 50 до 20 нм викликає зниження твердости (від 5,8 до 3,7
 ГПа) і підвищення пластичности (від 0,82 до 0,87). By using nanoindentation technique, the role of grain refinement down to
 nanometre sizes in terms of its influence on mechanical parameters (hardness,
 Hh, plasticity characteristic, δA, and Young’s modulus, E) of α-Fe subjected to
 severe plastic deformation by friction (SPDF) with argon atmosphere is stud-ied. In comparison with Fe of coarse-grained structure, Young’s modulus decreases
 by 10% when grain size decreases down to less then 30 nm. Unlike
 f.c.c. metals for which decreasing the grain size down to 20 nm results in gradual
 increasing of the hardness values and, therefore, in decreasing of the plasticity,
 the reverse effect is believed to be true for b.c.c. Fe, namely, the decreasing
 of grains sizes within the range from 50 to 20 nm causes the hardnessvalues
 decreasing from 5.8 to 3.7 GPа, while plasticity characteristic increases
 from 0.82 to 0.87. Авторы выносят благодарность С. Н. Дубу за проведение испытаний методом наноиндентирования. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением Mechanical Properties of Nanostructured Iron Produced by Severe Plastic Deformation by Friction Article published earlier |
| spellingShingle | Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением Юркова, А.И. Белоцкий, А.В. Бякова, А.В. Мильман, Ю.В. |
| title | Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением |
| title_alt | Mechanical Properties of Nanostructured Iron Produced by Severe Plastic Deformation by Friction |
| title_full | Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением |
| title_fullStr | Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением |
| title_full_unstemmed | Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением |
| title_short | Механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением |
| title_sort | механические свойства наноструктурного железа, полученного интенсивной пластической деформацией трением |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76438 |
| work_keys_str_mv | AT ûrkovaai mehaničeskiesvoistvananostrukturnogoželezapolučennogointensivnoiplastičeskoideformacieitreniem AT belockiiav mehaničeskiesvoistvananostrukturnogoželezapolučennogointensivnoiplastičeskoideformacieitreniem AT bâkovaav mehaničeskiesvoistvananostrukturnogoželezapolučennogointensivnoiplastičeskoideformacieitreniem AT milʹmanûv mehaničeskiesvoistvananostrukturnogoželezapolučennogointensivnoiplastičeskoideformacieitreniem AT ûrkovaai mechanicalpropertiesofnanostructuredironproducedbysevereplasticdeformationbyfriction AT belockiiav mechanicalpropertiesofnanostructuredironproducedbysevereplasticdeformationbyfriction AT bâkovaav mechanicalpropertiesofnanostructuredironproducedbysevereplasticdeformationbyfriction AT milʹmanûv mechanicalpropertiesofnanostructuredironproducedbysevereplasticdeformationbyfriction |