Экспериментальное и теоретическое исследование механических свойств и структуры нанокристаллического дисперсно-упрочненного сплава Cu-Cr

Рис. 5. Зависимости  среднего размера зерна НМК меди М1 от температуры (А) и времени (Б) изотермического отжига, а также зависимость микротвердости НМК меди М1, подвергнутой различному числу N циклов РКУ-прессования, от температуры 1-часового отжига (В) и зависимости температуры начала Т₁ и окончания Т₂ процесса аномального роста зерен (Г) от степени РКУ-деформации (числа циклов (N) РКУ-прессования). 

6.      Проведен комплекс экспериментальных исследований термической стабильности физико-механических свойств НМК меди М1. Проведено изучение термической стабильности механических свойств свойств (предел макроупругости, предел текучести) НМК меди М1. Показано, что процесс рекристаллизации в НМК меди М1, структура которой была сформирована при помощи РКУ-прессования, сопровождается упрочнением материала при температурах, близких к температуре начла рекристаллизации. Необходимо отметить, что эффект упрочнения наиболее отчетливо проявляется на температурно-временных зависимостях предела макроупругости, нежели на температурно-временных зависимостях предела текучести или микротвердости (Рисунок 6А). Показано, что длительная (до 10⁸ секунд) выдержка при комнатной температуре приводит к существенному снижению механических свойств материала и исчезновению эффекта упрочнения (6Б).

Рис. 6. Температурные  зависимости предела текучести  и предела макроупругости НМК  меди М1 (N=12) непосредственно после РКУ-прессования (А) и после промежуточной вылежки при комнатной температуре в течение 10⁸ секунд (Б). 

7.      Проведены экспериментальные исследования изменения величины удельного электросопротивления (УЭС) НМК меди М1 в процессе изотермических отжигов при различной температуре (Рисунок 7А). Показано, что характер изменения величины УЭС НМК меди М1 в процессе изотермического отжига носит экспоненциальный характер (7Б) и характеризуется энергией активации, сопоставимой с энергией активации диффузии по неравновесным границам зерен.

Рис. 7. Временные  зависимости изменения удельного  электросопротивления НМК меди М1 (N=12), полученные в результате изотермических отжигов при Т=160¸210 ⁰С. 

8.      Проведен комплекс экспериментальных исследований демпфирующих свойств (внутреннего трения) НМК меди М1 в широком диапазоне частот крутильных и изгибных колебаний в условиях непрерывного нагрева с постоянной скоростью и в условиях изотермического отжига при постоянной температуре. Показано, что особенности дислокационного и зернограничного внутреннего трения (в герцовом и килогерцовом диапазоне частот) характеризуются наличием нового пика на температурных зависимостях внутреннего трения (А) и экспоненциальным уменьшением внутреннего трения при увеличении времени изотермического отжига (Б); а также необратимым ходом температурной зависимости при нагреве и охлаждении материала.

Рис. 8. Температурные (А) и временные (Б) зависимости внутреннего  трения в НМК меди М1 (N=12) в герцовом и килогерцовом частотах колебаний.

Рисунок 8А: (1 и 2 - нагрев и охлаждение НМК меди при  частоте 3.2 Гц, 3 и 4 - нагрев и охлаждение НМК меди при частоте 7 Гц, 5 - нагрев КК меди при частоте 3.2 Гц, 6 и 7 - нагрев и охлаждение НМК меди при частоте 1.1 кГц, 8 - нагрев КК меди при частоте 1.1 кГц.);

Рисунок 8Б: (1 - 120 °C, 2 - 185 °C, 3 - 200 °C, 4 - 215 °C и КК меди при 215 °C (кривая 5); 

9.      Проведен комплекс экспериментальных исследований упругих свойств (модуля сдвига, модуля упругости) НМК меди М1 в широком диапазоне крутильных и изгибных колебаний. Показано, что температурные зависимости упругих модулей НМК меди М1 имеют плавный монотонный спадающий необратимый характер (Рисунок 9А). Показано, что в процессе изотермических отжигов происходи экспоненциальное необратимое по времени уменьшение упругих свойств НМК материала (Рисунок 9Б).

Рис. 9. Температурные (А,В) и временные (Б,Г) зависимости  модуля нормальной упругости (А,Б) и  модуля сдвига (В,Г) НМК и КК меди: (А) - Температурная зависимость модуля упругости МК и КК меди. 1 - нагрев МК меди, 2 - охлаждение МК меди, 3 - нагрев КК меди; (Б) - Изменение нормированного модуля упругости МК и КК меди в процессе отжига при разных температурах: 1 – МК (120⁰С), 2 – МК (185⁰С), 3 - МК (200⁰С), 4 - МК (215⁰С), 5 - КК (215⁰С); (В) - Температурные зависимости модуля сдвига МК и КК меди: 1 - нагрев  МК меди, 2 - охлаждение  МК меди, 3 - нагрев КК меди; (Г) - Изменение модуля сдвига МК меди в процессе отжига при разных температурах: 1 - 120 ⁰С, 2 - 180 ⁰С, 3 - 220 ⁰С и 4 - 290 ⁰С.  

·       Проведен комплекс экспериментальных исследований влияния малых добавок примесей на термическую стабильность структуры и свойств НМК меди, приготовленной при помощи РКУ-прессования.

1.      Проведены структурные исследования закономерностей процессов рекристаллизации в НМК меди различной чистоты (высокочистой бескислородной М0б и меди технической чистоты М1к, содержащей 0.02% фосфора). Показано, что макроструктура, формирующееся в процессе РКУ-прессования не зависит от чистоты металла – на обратных полюсных фигурах НМК высокочистой меди в состоянии после РКУ-прессования наблюдается 3 независимые текстурные ориентировки, закономерности изменения которых в процессе отжига аналогичны случаю для НМК меди технической чистоты М1.

2.      Показано, что характер процессов рекристаллизации не зависит от чистоты материала – процесс роста зерен в НМК меди М0б и М1ф носит аномальный характер (см.выше). Экспериментально установлено, что температура начала рекристаллизации (начала аномального роста зерен) существенно зависит от чистоты материала – в высокочистой бескислородной НМК меди М0б (N=12) процесс аномального роста наблюдается уже при комнатной температуре, в то время как в НМК меди М1ф (N=4), содержащей 0.02% фосфора, начало процесса рекристаллизации отмечается при температуре Т~300 ⁰С при 1-часовом изотермическом отжиге. В качестве примера на Рисунке 10 представлены изображения микроструктур НМК меди М0б при комнатной температуре (А) и температурная зависимость микротвердости НМК меди М1ф (Б).

Рис. 10. Микроструктра  НМК высокочистой бескислородной меди М0б (N=12) в состоянии после РКУ-прессования (А – ОМ (´200)) и после рекристаллизационных отжигов: Б – 85 ⁰С (ОМ, ´200); В – 230 ⁰С (ОМ, ´500); а также температурная зависимость микротвердости в НМК меди различной степени чистоты (Г). 

3.      Проведены исследования термической стабильности механических свойств (предел макроупругости, предел текучести) НМК меди М1к в условиях изотермического отжига при различных температурах. Показано, что на температурно-временных зависимостях предела макроупругости и предела текучести НМК меди М1к наблюдается эффект аномального упрочнения, аналогичный обнаруженному в НМК меди М1. На Рисунке 11 представлены временные зависимости предела макроупругости (А) и предела текучести (Б), полученные в процессе изотермического отжига при различных температурах.

Рис. 11. Температурные (А) и временные (Б) зависимости предела  макроупругости НМК меди М1ф (N=4). 

·       Проведен комплекс экспериментальных исследований термической стабильности зеренной структуры и физико-механических свойств нано- и микрокристаллических промышленных медных сплавов системы Cu-Cr с небольшими (0.3¸0.5%) добавка хрома (хромовых бронз), НМК структура в которых была сформирована при помощи специального метода интенсивного пластического деформирования – многоциклового равноканального углового прессования (РКУ-прессования). Перед РКУ-прессованием сплавы подвергались закалке.

1.     Проведен комплекс структурных исследований (оптическая, просвечивающая электронная и атомно-силовая микроскопия) зеренной структуры нано- и микрокристаллических хромовых бронз с различным содержанием хрома в состоянии после РКУ-прессования. Показано, что процесс интенсивного пластического деформирования (РКУ-прессования) приводит к формированию однородной зеренной структуры со средним размером зерна около 200 нм. В качестве примера на Рисунке 12 представлены изображения микроструктур НМК хромовых бронз с различным содержанием хрома в состоянии после РКУ-прессования. 

 

Рис. 12. Микроструктура МК бронз с 0.3 (А) и 0.4% (Б) хрома (АСМ) в  состоянии после РКУП (N=10) и гистограмма распределения зерен по размерам в МК бронзе с 0.5% хрома в состоянии после РКУП (В). 

2.      Проведенные структурные исследования зеренной структуры НМК хромовых бронз с различным содержанием хрома показали, что при увеличении содержания хрома в твердом растворе от 0.3 до 0.5% происходит снижение температуры рекристаллизации на ~0.1Т_ПЛ от значения характерных для меди технической чистоты М1 (~0.3Т_ПЛ). Обнаружено, что процесс рекристаллизации в НМК хромовых бронзах, так же как и в случае НМК меди технической чистоты, носит аномальный характер – на фоне достаточно стабильной НМК матрицы со средним размером зерна ~0.2 мкм существенно укрупняются лишь отдельные зерна, объемная доля которых нарастает по экспоненциальному закону. Размер рекристаллизованных зерен может достигать 5 мкм. В качестве примера на Рисунке 13 представлены изображения микроструктур НМК хромовых бронз после изотермических отжигов при различных температурах. 

 

Рис. 13. Процесс  аномального роста зерен в  МК Cu-0.4%Cr (N=10) после отжига при 250 ^оС, 10 минут (А) (АСМ) и 350 ^оС, 1 час (Б) (ПЭМ), а также гистограмма распределения зерен по размерам в МК хромовой бронзе с 0.5вес.% хрома после отжига 300 ^оС, 10 часов (В) (по данным АСМ). Частицы хрома, выделившиеся при отжиге 300 ^оС, 10 часов в МК сплаве с 0.4% хрома (Г) (ПЭМ). 

3.       Экспериментально изучены механических свойств (микротвердости, предела макроупругости, предела текучести) НМК хромовых бронз с различным содержанием хрома в твердом растворе в состоянии после РКУ-прессования. Показано, что процесс РКУ-прессования приводит к существенному увеличению механических свойств – предела макроупругости в 1.5-2 раза, а предела текучести и микротвердости – 3-5 раз по сравнению с крупнокристаллическим закаленным состоянием. Установлено, что увеличение содержания хрома от 0.3 до 0.5% приводит к незначительному увеличению значений предела текучести и микротвердости (~ на 100 МПа). 

Таблица 1. Механические свойства меди и хромовых бронз в  крупнокристаллическом состоянии  и в состоянии после РКУП.

	КК состояние			после РКУП
	sо, МПа	sт, МПа	Hm, МПа	sо, МПа	sт, МПа	Hm, МПа
медь М1	20	60	600	120	350	1250
Cu-0.3Cr	10	40	480	80	300	1170
Cu-0.4Cr	10	40	500	80	300	1280
Cu-0.5Cr	15	45	520	90	350	1480

 

 

4.      Проведен комплекс экспериментальных исследований термической стабильности физико-механических свойств НМК хромовых бронз – удельного электросопротивления (УЭС) и механических свойств (предела макроупругости, предела текучести и микротвердости). Экспериментально установлено, что при температурах начала аномального роста зерен (~ 150¸200 ⁰С) в НМК хромовых бронзах наблюдается некоторое разупрочнение сплава. При дальнейшем увеличении температуры отжига вновь происходит некоторое увеличение микротвердости до значений, характерных для состоянии после РКУ-прессования. При увеличении температуры отжига до 350¸450 ⁰С начинается существенное разупрочнение сплава до значений, характерных для дисперсноупрочненного крупнокристаллического состояния. В качестве примера на Рисунке 14 представлены зависимостей микротвердости от температуры и времени отжига исследуемых НМК сплавов системы Cu-Cr с различным содержанием хрома, а на рис.15 – зависимости предела макроупругости и предела текучести НМК хромовых бронз от времени и температуры отжига. Показано, что про при температурах ~ 0.25Т_ПЛ в исследуемых материалах начинается процесс распада пересыщенного твердого раствора и выделение наночастиц хрома по границам зерен, о чем свидетельствует начало интенсивного уменьшения величины УЭС при температурах ~ 150¸200 ⁰С (Рисунок 16). Указанный процесс приводит к повышению механических свойств НМК хромых бронз при температурах, превышающих температуру начала рекристаллизации.

Рис. 14. Зависимость  микротвердости от температуры отжига МК сплавов с 0.3 (А) и 0.4 % (Б) хрома.

Рис. 15. Зависимость  предела макроупругости (А, В) и предела  текучести (Б, Г) от времени (А, Б) и температуры (В, Г) отжига МК сплава Cu-0.3%Cr (РКУП, N=10).

Таблица 2. Значения температур Т₁ и Т₂, определяемых по зависимостям микротвердости от температуры отжига МК сплавов системы Cu-Cr

	НМК БрХр-0.3				НМК БрХр-0.4
t, мин	Т1, оС	Т1/Тm	Т2, оС	Т2/Тm	Т1, оС	Т1/Тm	Т2, оС	Т2/Тm
10	220	0.364	420	0.518	180	0.334	440	0.526
30	200	0.364	350	0.459	160	0.319	420	0.511
60	160	0.319	330	0.445	140	0.305	380	0.482
180	160	0.319	320	0.437	140	0.305	360	0.467