Низкочастотное внутреннее трение в ультрамелкозернистой меди

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Языкознание


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 539. 67
НИЗКОЧАСТОТНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ МЕДИ
© В. В. Дешевых, В. Г. Кульков, Л. Н. Коротков, Н.Д. Степанов
Ключевые слова: внутреннее трение- зернограничный пик- рекристаллизация- межзеренное проскальзывание. Рассматривается спектр внутреннего трения в меди с ультрамелким зерном. Образцы приготовлены методом интенсивной пластической деформации и прокатки.
Значительный интерес, проявляемый исследователями к ультрамелкозернистым и нанокристаллическим материалам, обусловлен наличием у них особых физических свойств, что выгодно отличает их от аналогичных по химическому составу материалов с традиционным размером зерна. К подобным отличиям можно отнести ряд механических характеристик, таких как микротвердость, пределы прочности и текучести, высокая демпфирующая способность. Характерным для материалов с ультрамелким и нанокристаллическим размером зерна является зависимость их свойств от методов получения. В настоящей работе исследовалось внутреннее трение (ВТ) ультрамелкозернистой меди с анизотропной геометрией зерен.
Для исследования использовались образцы меди М1, приготовленные методом РКУП с последующей прокаткой. Прессование осуществлялось при комнатной температуре по маршруту ВС за десять проходов с углом пересечения каналов 90°. Полученные цилиндрические заготовки перед прокаткой были подвергнуты механической обработке для формирования плоскопараллельных поверхностей, отстоящих друг от друга на 15 мм. Прокатка осуществлялась при комнатной температуре на двухвалковом прокатном стане с диаметром валков 250 мм. Направление прокатки было перпендикулярно направлению экструзии, степень обжатия за проход составляла 5−10%. В результате были получены фольги толщиной 300 мкм, что соответствует общему обжатию при прокатке 98%. Затем образцы были выдержаны при комнатной температуре на воздухе в течение трех лет. Такая длительность вылежки не изменяет размер зерен [1], но при этом снимается неравновесность структуры границ, всегда присущая свежеприготовленным образцам. Кроме того, произошла граничная сегрегация примесей, имевшихся в исходном образце, а также избыточного кислорода, проникавшего в первоначально неравновесные границы. Измерение В Т проводилось методом изгибных колебаний по схеме прямого маятника с частотой 5 Гц в интервале температур 50−350 °С со скоростью нагрева 3 °С/мин. До и после эксперимента измерялась микротвердость прибором ПМТ-3М.
Для материалов с ультрамелким зерном характерен повышенный уровень фона ВТ в связи с большой объемной долей зернограничной фазы. Природа фона связывается с межзеренным проскальзыванием и диффу-
зионными потоками вакансий вдоль границ [2]. При достижении температуры начала рекристаллизации начинается рост зерен, что обычно сопровождается переходом границ в состояние, близкое к равновесному. Все это уменьшает величину фона настолько, что на температурной зависимости ВТ появляется резкий спад, имеющий вид пика. Температурное положение этого пика не зависит от частоты, но зависит от скорости нагрева, слегка смещаясь в область высоких температур при увеличении скорости нагрева.
В настоящем исследовании общий фон, а также пик, связанный с его уменьшением, ввиду исходной равновесности границ проявляется в меньшей степени. Наличие примесей в границах несколько сдвигает его в сторону высоких температур, поскольку примесь снижает скорость зернограничной миграции.
Геометрия исходных зерен такова, что они имеют больший размер в плоскости пластины, толщина их заметно меньшая [3]. Схема нагружения образца при измерении ВТ такова, что вдоль пластины имеются растягивающие и сжимающие напряжения. Наибольшие сдвиговые напряжения возникают в участках границ, наклоненных к плоскости пластины под углами порядка ж/4. Диссипация энергии, связанная с межзе-ренным проскальзыванием, происходит на каждом таком участке. Величина ее определяется отношением площади благоприятно ориентированных границ к
объему зерна, что составляет величину порядка, а, где, а — продольный размер зерен. Таким образом, уровень фона ВТ в структуре после прокатки меньше, чем в структуре с равноосными зернами того же объема. С началом рекристаллизации вытянутые зерна переходят в равноосную конфигурацию с одновременным увеличением объема. Все это является причиной пониженного уровня фона ВТ исследованных образцов в сравнении с обычной мелкозернистой структурой, приготовленной без прокатки.
Одновременно с ростом новых зерен происходят процессы, формирующие релаксационный зернограничный пик, обусловленный межзеренным проскальзыванием. Этот пик известен в литературе как низкотемпературный зернограничный пик [4]. Его время релаксации и частота связаны соотношением ют = 1, где, согласно [5]:
1885
_ (1 -v)X2S2n'-d
4GDkT
(1)
описанным причинам был ниже, чем у свежеприготовленных образцов.
Здесь D — коэффициент граничной диффузии- d — размер зерна- T — температура пика- остальные величины — параметры модели.
Температура начала рекристаллизации и соответствующего спада ВТ весьма чувствительна к чистоте материала, размеру зерна и технологии получения образцов. В литературе имеются неоднозначные сведения на этот счет. Согласно [6], спад на кривой ВТ наблюдается в интервале температур 230−270 °С. При размере зерна 60 мкм на частоте 5 Гц температура зернограничного пика 275 °C [7]. Из (1) можно получить связь температур пиков с отношением размера равноосных зерен:
d = |^exp (- H (0−1 -0−1))
d 2 ®2
(2)
где Н = & lt-2/кТт = 9,2 [1]- Q — энергия активации граничной диффузии- 0 = Т/Тт — гомологическая температура. Из (2) получаем, что температура пика при размере зерна 0,5 мкм составляет 230 °C. Существование зернограничного пика при таком размере зерна иногда ставится под сомнение. Однако в работе [8] указывается, что с уменьшением размера зерна в область десятков нанометров зернограничный пик имеется- кроме того, высота его может расти. Ширина пика при неизменной во времени структуре превосходит ширину дебаевского пика, что объясняется разбросом размеров зерен, распределение которых можно описывать логарифмически нормальным законом [7]. В нашем случае необходимо учитывать, что с увеличением температуры в изменяющейся структуре имеет место сильный разброс зерен по размеру, малых зерен становится все меньше, так что пик еще более широкий, и он смещается с увеличением температуры, вследствие продолжающейся рекристаллизации.
В результате наложения описанных пиков результирующая кривая, как следует из рис. 1, имеет вплоть до максимума монотонный характер. Рост размера зерна приводит к уменьшению микротвердости от 1,5 ГПа в исходном образце до 1 ГПа после проведения измерения ВТ. На зависимости микротвердости от величины нагрузки в исходных образцах наблюдается резкий провал при нагрузке на индентор 14 г. По-видимому, это связано с особенностями микроструктуры вблизи поверхности образцов, обусловленной описанной методикой их приготовления. Поскольку в структуре образца после нагрева произошли необратимые изменения, во многих работах при повторных измерениях величина ВТ имеет меньшую величину, а пик рекристаллизации отсутствует. В нашем случае различие результатов первого и последующего измерений незначительное вследствие того, что сам уровень фона по
Рис. 1. Зависимость В Т от температуры
Сочетание описанного метода приготовления образцов с выбранной схемой нагружения приводит к значительно меньшему уровню фона ВТ, связанному с рекристаллизацией пика.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чувильдеев В. Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 304 с.
2. Кульков В. Г. Диффузионная модель внутреннего трения в нанок-ристаллическом материале // ЖТФ. 2007. Т. 77. № 3. С. 43−48.
3. Stepanov N.D., Kuznetsov A. V., Salishchev G.A., Raab G.I., Valiev R.Z. Effect of cold rolling on microstructure and mechanical properties of copper subjected to ECAP with various numbers of passes // Materials Science and Engineering A. 2012. V. 554. Р. 105−115.
4. Blanter M.S. Golovin I.S., NeuhЁauser H. Sinning H. -R. Internal Friction in Metallic Materials. Springer, 2007.
5. Кульков В. Г. Спектр внутреннего трения в поликристаллических материалах с фасетированными границами // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2. № 1. С. 7072.
6. Грязное М. Ю., Чувильдеев В. Н., Сысоев А. Н., Копылов В. И. Зернограничное внутреннее трение и сверхпластичность нано- и микрокристаллических металлов и сплавов // Вестник Нижегородского университета. 2010. № 5 (2). С. 147−158.
7. Головин И. С. Зернограничная релаксация в меди до и после равноканального углового прессования и рекристаллизации // ФММ. 2010. Т. 110. № 4. С. 424−432.
8. Weins W.N., Makinson J.D., De Angelis R.J., Axtell S.C. Low-frequency internal friction studies of nanocrystalline copper // Nano-struct. Mater. 1997. V. 9. P. 509−512.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Deshevykh V.V., Kulkov V.G., Korotkov L.N., Stepanov N.D. LOW-QUALITY INTERNAL FRICTION IN ULTRA-FINE-GRAINED COPPER
The spectrum of internal friction in copper with ultra finegrained is considered. The samples are prepared by severe plastic deformation and rolling.
Key worlds: internal friction- grain boundary peak- recrystallization- grain boundary sliding.
1886

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой