Современные проблемы физики наноструктурных материалов. Механические свойства и механизмы деформации наноматериалов

(микротвердости):

При низких температурах границы зерен играют упрочняющую роль. Предел текучести поликристаллов увеличивается ус уменьшением размера зерен.

дислокационных скоплений является одной из физически наиболее ясных и физически обоснованных объяснений соотношения Холла-Петча

σ* – напряжение прорыва головной дислокации через ГЗ
N – число дислокаций в дислокационном скоплении
σ – приложенное напряжений

модель прорыва дислокационных скоплений

нм наблюдается «отрицательное» соотношение ХП: микротвердость убывает с уменьшением размера зерен. В ряде сулчаев наклон соотношения остается положительным, но уменьшается.

перед измерениями образцы не отжигались, то есть имели одно и то же состояние, отличающееся только размером зерен.

путем отжига и роста зерен в образцах, имеющих минимальный размер зерен, наблюдается отрицательный наклон соотношения Х.-П. Отжиг уменьшает пористость и внутренние напряжения. Влияние пор очевидно – они уменьшают прочностные характеристики.

1989.23. 1679

При уменьшении размера зерен скорость диффузионной ползучести увеличивается, поэтому даже при комнатной температуре этот вид деформации может вносить вклад в общую деформацию, приводя к уменьшению напряжения деформации с уменьшением d.

Скорость диффузионной ползучести
По Набарро-Херрингу:

По Коблу:

MATER. 1993. 2. 323. NAZAROV A.A. SCR. MATER. 1996. 34. 697

Обычное решение, полученное для больших n (больших d), не справедливо для малого количества дислокаций в скоплении

Уравнение для координат дислокаций (L – полином Лагерра):

Для поликристалла напряжение растяжения σ = Mτ, M = 3,06 для г.ц.к. металлов (множитель Тейлора)

NANOSTR. MATER. 1993. 2. 323. NAZAROV A.A. SCR. MATER. 1996. 34. 697

dn- минимальный размер зерен, при котором в нем укладывается скопление n дислокаций, Xn – максимальное решение уравнения равновесия дислокаций

При малых d xn < d, предел текучести становится ступенчатой функцией размера зерен. При учете распределения размеров зерен получится монотонное уменьшение наклона соотношения до нуля

внутренних напряжений, тем шире интервал, в котором распределены значения приложенного напряжения, необходимого для перехода скольжения через границы зерен. Иными словами, внутренние напряжения в равной вероятностью уменьшают и увеличивают прозрачность ГЗ.

А. Влияние внутренних напряжений на «прозрачность» ГЗ
Случайные внутренние напряжения приводят в распределению «прозрачности ГЗ» - минимального приложенного напряжения σс, при котором деформация через ГЗ проходит

когда сдвиг проходит по какому-либо пути через весь поликристалл, то есть обрузуется непрерывный путь по связям. Это – перколяция (протекание) по связям в треугольной сетке. Перколяция в треугольной сетке связей происходит, когда не менее 35% связей являются активными, то есть когда соответствующие границы «прозрачны» для сдвига.

Б. Предел текучести поликристалла как процесс перколяции
В двумерной модели поликристалла, состоящего из шестиугольных зерен, границы зерен представляют собой связи (каждая связь изображается отрезком, проходящим через ГЗ и соединяющим центры соседних зерен). Эти связи образуют треугольную сетку.

полшикристалла с широким распределением прозрачности ГЗ лежит левее предела текучести поликристалла с равновесными ГЗ. При отжиге внутренние напряжения релаксируют – предел текучести растет.

В. Перколяция по связям при наличии распределения прозрачности границ зерен
Когда есть распределение ГЗ по напряжениям прохождения сдвига σc, линия, ограничивающая 35% всех связей – ГЗ, лежит левее напряжения пропускания сдвига для равновесных ГЗ, σc0, и чем шире распределение, то есть выше внутренние напряжения, тем левее эта линия..

отжига наблюдается для ряда наноструктурных металлов и сплавов. При дальнейшем повышении рост зерен снижает эту характеристику, поэтому кривая проходит через максимум и идет на снижение

ВС, 8 проходов

Наноструктурирование методами ИПД в разы повышает предел текучести, предел прочности, но существенно снижает пластичность металлов

Y. Zhao et al, Adv. Mater. 2008. 20. 3028

Соотношение между пределом текучести и пластичностью никеля

L. Kunz et al, Frattura ed Integrità Strutturale,
19 (2012) 61-75

Mater. Trans. 2008. 49. p. 31

РКУП, 8 проходов

Отжиг повышает пластичность наноструктурного металла, но при этом заметно снижается достигнутая прочность

разрушения от амплитуды УЗО

При УЗО одновременное повышение пластичности (удлинения до разрушения) и предела прочности ультрамелкозернистого никеля, полученного равноканальным угловым прессованием. При этом эффект зависит от амплитуды ультразвука; существует оптимальная амплитуда, при которой эффект максимален.

Повышение пластичности УМЗ никеля путем ультразвуковой обработки

действия механизмов деформации, отличных от дислокационного

2713

Квазидвумерный (бамбуковый) поликристалл
Ось z параллельна [110]
Можно создавать желаемые ГЗ
Можно моделировать большие размеры зерен
Недостаток – невозможно моделировать зарождение криволинейных дислокаций, все дислокации должны быть прямыми, параллельными оси [110]; дислокации в каждом зерне движутся в двух плоскостях {111}

d=45-100 нм

N=450 000-
2 500 000

и г.п.у.):
- 1 ряд г.п.у. атомов – двойниковая граница;
- 2 соседних ряда г.п.у. атомов – ДУ вычитания, 2 г.п.у. слоя с
г.ц.к. слоем между ними – ДУ внедрения;
- ни г.ц.к., ни г.п.у. – ГЗ или ядра дислокаций
Если дислокация соединена с ДУ – это частичная дислокация

К
Скорость деформации 107 с-1, при этом скорость дислокаций около 500 м/c

зарождаться, только если d > r(σ)
При d ~ r(σ) зарождается только одна частичная дислокация, и в зерне образуется ДУ;
При d < r(σ) зарождение дислокаций невозможно, деформация сосредотачивается в ГЗ (ЗГП); предел текучести НК-в в этой области начинает уменьшаться с уменьшением d (обратное соотношение Холла-Петча)

с подобными структурами – исследование размерного эффекта