On extreme minimal grain sizes and mechanism of B2?B19`?B2 transformation under nanocrystalline structures formation in .pdf В широком классе материалов при достижении некоторой критической степени деформации наступает стадия формирования нанокристаллических структур с предельными (минимальными) размерами зерен (dмин), после которой дальнейшее уменьшение этих размеров невозможно. В условиях деформации кручением на наковальнях Бриджмена эти размеры меняются в пределах от нескольких сотен до нескольких нанометров [1, 2]. В чистых металлах с относительно невысокими значениями прочности и температуры плавления указанные выше размеры dмин ≈ 50-200 нм. В металлах и сплавах тугоплавких элементов, композициях металл-металлоид, сплавах с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, полупроводниках и интерметаллидах минимальный размер зерен dмин ≈ 10-20 нм. Согласно [1, 2], важным фактором способности материала к измельчению зеренной структуры является подвижность элементарных носителей деформации (дислокаций и точечных дефектов), контролирующая пути их пробега в полях напряжений, характерные масштабы переориентирующихся микрообъемов, а, следовательно, и размеры нанозерен. Эта подвижность в значительной степени зависит от прочности материала и гомологической температуры деформации, определяющих напряжения дислокационного сдвига и интенсивность диффузионных механизмов релаксации наноструктурных состояний [3, 4]. В настоящем сообщении представлены результаты исследования особенностей формирования таких состояний в условиях пластической деформации сплава на основе никелида титана с участием механизма обратимого (В2В19В2) мартенситного превращения [5-7]. Исследование проведено с использованием монокристалла сплава TiNi(Fe, Mo) (≈ 0.3% Fe и 0.3% Mo, ат. %), со структурой В2-фазы после закалки от Т = 1233 К в ледяную воду. Образцы для пластической деформации кручением имели форму дисков диаметром 8 мм и толщиной 0.3 мм с ориентацией оси сжатия, близкой к полюсу [001]. Деформацию осуществляли при комнатной температуре на наковальнях Бриджмена под давлением ≈ 8 ГПа. Эволюция микроструктуры в интервале значений истинной логарифмической деформации от е  0.15 сжатием в направлении [001] примерно до 2-3 заключается в формировании двухфазных структурных состояний, содержащих двойники деформации В2-фазы в плоскостях с разными ({112}, {113}, {114}) индексами и пластины или нанозерна мартенсита В19, свидетельствующие о формировании этих состояний в процессе В2В19В2-превращений [5-7]. При величинах е  2-3 фрагментация материала с участием таких превращений приводит к формированию двухфазной (В2 + В19)-нанокристаллической структуры с размерами нанозерен мартенсита примерно от 50 до 100 нм и В2-фазы ≈ (10-20) нм. Увеличение степени деформации до е ≈ 3-4 приводит, во-первых, к полному обратному (В19В2)-превращению мартенсита В19 в исходную В2-фазу, во-вторых, к значительному (примерно на порядок) уменьшению размеров нанозерен. Оценка этих размеров по полуширине кольца дифракционных максимумов от плоскостей типа {110} В2-фазы (1/d{110} ≈ 1/4-1/6 нм-1) на формирующихся при этом электронограммах (рис. 1, а) дает величину расстояний между этими плоскостями d{110} ≈ 4-6 нм. При значении е ≈ 5-6 указанная выше полуширина увеличивается до 1/d{110} ≈ (1-1/2) нм-1 (рис. 1, б) и свидетельствует о формировании нанозерен, которые в направлениях типа имеют размеры (d{110} ≈ 1-1.5 нм) в несколько межатомных расстояний. В соответствии с [1, 2] достигнутая к настоящему времени в процессе деформации кручением под давлением степень измельчения зеренной структуры соответствует величине dмин ≈ 10 нм. В настоящей работе эта величина на порядок ниже. Это предельная (максимально возможная) степень наноструктурирования кристалла с формированием аморфно-кристаллической структуры, когда более половины атомов границ нанозерен и их тройных стыков находятся в аморфном состоянии. Как следует из анализа приведенных выше результатов, механизмами формирования таких состояний являются В2В19В2-превращения совместно с квазивязким механизмом переориентации потоками неравновесных точечных дефектов в полях высоких локальных градиентов напряжений [1, 3-5]. Подчеркнем в связи с этим следующие важные особенности этих механизмов. Во-первых, это ОЦКГПУОЦК-превращения, единственной модой дисторсии которых является однородная деформация превращения типа деформации Бейна [6-8]. Дефекты субструктурного упрочнения, в том числе границы нанозерен, не являются для этой моды деформации сколько-нибудь эффективными препятствиями, а высокие локальные внутренние напряжения служат скорее стимулом ее реализации. Во-вторых, в условиях фазовой нестабильности в Ti-Ni-сплавах появляется возможность интенсивного разупрочнения материала. Рис. 1. Картины микродифракции сплава TiNi(Fe, Mo) в нанокристаллических структурных состояниях при размерах нанозерен d ≈ 4-6 нм (а) и 1-1.5 нм (б) после деформации е ≈ 3-4 (1/2 оборота наковальни) и 5-6 (3 оборота наковальни) соответственно Таким образом, важнейшей чертой пластической деформации механизмами ОЦКГПУОЦК-превращений является отсутствие для носителей этой моды деформации каких-либо эффективных препятствий, в том числе в нанокристаллических состояниях, формирующихся при сверхвысоких степенях деформации, при одновременной возможности интенсивной релаксации таких состояний. В этих условиях появляется возможность пластической деформации путем многократного повторения указанных выше превращений. Как видно, в никелиде титана это обеспечивает формирование указанных выше состояний с предельной (максимально возможной) степенью наноструктурирования микроструктуры с формированием нанозерен размерами (d ≈ 1-1.5 нм) в несколько межатомных расстояний. Немаловажными факторами формирования указанных выше аморфно-кристаллических состояний являются, во-первых, высокий уровень в этих состояниях деформирующих напряжений - источников высоких локальных градиентов наномасштабного уровня, определяющих характерные размеры микрообъемов, способных быть зародышами новых кристаллитов, и определяющих размеры нанозерен. Во-вторых, снижение в зонах В2В19В2-превращений интенсивности диффузионных механизмов релаксации микроструктуры (например, диффузионного роста нанозерен) вследствие уменьшения в этих зонах запасенной энергии деформации при высокой плотности низкоэнергетических двойниковых границ специального типа. Структурные исследования проведены с использованием оборудования ТМЦКП ТГУ.

Скачать электронную версию публикации