ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Объемные наноструктурные материалы из "Новые материалы " Особенности модели наноструктур. [c.19] Уже в первых работах, выполненных X. Гляйтером с сотрудниками [2], был установлен ряд особенностей структуры нанокристаллических материалов, полученных газовой конденсацией атомных кластеров с последующим их компактированием. Это, прежде всего, пониженная плотность полученных нанокристаллов и присутствие специфической зернограничной фазы , обнаруженное с появлением дополнительных пиков при мессбауэровских исследованиях. На основании проведенных экспериментов, включая компьютерное моделирование, была предложена структурная модель нанокристаллического материала, состоящего из атомов одного сорта (рис. 1.5) [2]. В соответствии с этой моделью такой нанокристалл состоит из двух структурных компонент кристаллитов-зерен (атомы представлены светлыми кружками) и зернограничных областей (черные кружки). Атомная структура всех кристаллитов совершенна и определяется только их кристаллографической ориентацией. В то же время зернограничные области, где соединяются соседние кристаллиты, характеризуются пониженной атомной плотностью и измененными межатомными расстояниями. [c.20] Экспериментальные исследования, проведенные с использованием различных, часто взаимно дополняюших методов, каковыми являются просвечивающая, включая высокоразрешающую, электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, мессбауэровская спектроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, свидетельствуют, что в наноструктурных ИПД металлах и сплавах границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный присутствием зернограничных дефектов с высокой плотностью (рис. 1.6). [c.21] Разработанные на основе концепции неравновесных границ зерен модельные представления позволрши не только качественно, но и количественно оценить изменения фундаментальных, обычно структурнонечувствительных параметров, которые наблюдали во многих наноструктурных материалах (табл. 1.1). [c.22] В случае многофазных сплавов и интерметаллидов получаемые в результате ИПД наноструктуры весьма специфичны и характеризуются не только очень малым размером зерен в несколько десятков нанометров, но и сильно метастабильным фазовым составом, связанным с формированием пересыщенных твердых растворов разупорядочением и в отдельных случаях даже с аморфизацией [4]. [c.22] Состояние после ИПД в NijAl также характеризуется повышенным уровнем остаточного электросопротивления, значительными внутренними напряжениями и высокой микротвердостью. Кроме того, данные ре нтге но структурного анализа свидетельствуют о полном отсутствии дальнего порядка в данном состоянии. [c.23] Необычные свойства НСМ и области применений. Специфические микроструктуры в объемных наноматериалах определяют их необычные свойства, многие из которых уникальны и весьма привлекательны для практического использования. Эти специфические качества связаны с изменением некоторых фундаментальных свойств материала при уменьшении размера частиц или зерна, а также с изменением соотношения некоторых объемных и поверхностных свойств. [c.24] К уникальным особенностям наноматериалов относятся отличия их температур плавления и размеров кристаллических решеток от соответствующих величин в материалах с обычной структурой. В связи с этим возникает вопрос о справедливости использования термина постоянные решетки , применительно к размерам решетки. [c.24] Установлено также уменьшение параметра решетки для металлов и некоторых соединений при уменьшении размера частиц. Так, при уменьшении диаметра частиц алюминия от 20 до 6 нм период решетки уменьшается примерно на 1,5 %. Размер, ниже которого наблюдается уменьшение параметра решетки, различен для разных металлов и соединений. [c.24] Однако особый интерес представляют механические свойства объемных наноструктурных материалов. Как свидетельствуют теоретические оценки, с точки зрения механического поведения формирование наноструктур в различных металлах и сплавах может привести к высокопрочному состоянию в соответствии с соотношением Холла-Петча, а также к появлению низкотемпературной и/или высокоскоростной сверхпластичности [4]. Реализация этих возможностей имеет непосредственное значение для разработки новых высокопрочных и износостойких материалов, перспективных сверхпластичных сплавов, металлов с высокой усталостной прочностью. Все это вызвало большой интерес среди исследователей прочности и пластичности материалов к получению больших объемных образцов с наноструктурой, для последующих механических испытаний. [c.25] Вместе с тем, как отмечалось выше, существуют нерешенные проблемы в получении таких наноматериалов специальными методами порошковой металлургии — газовой конденсацией или шаровым размолом, в связи с сохранением в них при компактировании некоторой остаточной пористости и наличием дополнительных трудностей при приготовлении массивных образцов. Как результат, до недавнего времени были выполнены лишь единичные работы по исследованию механических свойств наноструктурных металлов и сплавов, имеющих размер зерен около 100 нм и менее. Большинство проведенных исследований связано с измерениями микротвердости, и полученные данные весьма противоречивы. Например, в некоторых исследованиях обнаружено разупрочнение при уменьшении зерен до нанометрических размеров, в то же время в ряде других работ наблюдали в этом случае упрочнение, хотя наклон кривых был меньше, по сравнению с соотношением Холла-Петча. При растяжении эти НСМ оказались очень хрупкими, несмотря на высокую твердость. [c.25] Например, наноструктурная Си, полученная РКУ прессованием, в сравнении с хорошо отожженным крупнозернистым состоянием, проявляет два наиболее существенных различия во-первых, в несколько раз более высокое значение предела текучести, превышающее 400 МПа, и, во-вторых, значительно менее выраженное деформационное упрочнение на стадии пластического течения. Короткий отжиг не приводит к заметному росту зерен, однако ведет к возврату дефектной структуры их границ, выраженному в резком уменьшении внутренних напряжений. Несмотря на аналогичный размер зерен, имеется весьма существенная разница деформационного поведения в этих двух состояниях. После кратковременного отжига вид кривой истинное напряжение — деформация становится похожим на вид кривой, соответствующей крупнокристаллической Си. Этот результат очень важен и показывает, что на прочностные свойства наноструктурных материалов может влиять не только средний размер зерна, но и дефектная структура границ зерен. [c.26] Аналогичная закономерность была обнаружена в Ti, подвергнул интенсивной пластической деформации кручением (рис. 1.7, б). По деформации кручением в один оборот, когда истинная логарифмич кая деформация близка к единице, и затем деформирования растя -нием при 250 наблюдается упрочнение. [c.28] Однако при этом пластичность падает (рис. 1.7, б, кривая 6) по срс нению с исходным крупнокристаллическим состоянием со средним р мером зерен 20 мкм (рис. 1.7, б, кривая 5). Дальнейшее увеличение ст пени интенсивной деформации (до 5 поворотов) обеспечивает дости ние рекордной прочности для Ti (рис. 1.7, б , кривая 7) с пределе прочности около 1000 ГПа, сравнимым со значением, характерным д наиболее прочных Ti сплавов. При этом происходит и рост пластичн сти, когда удлинение до разрыва превышает даже максимальное удл1 нение для исходного отожженного образца. [c.28] Вернуться к основной статье