Электронно-микроскопическое изучение атомноупорядочивающихся сплавов на основе Cu-Pd и Cu-Au, подвергнутых интенсивной пластической деформации и последующим отжигам : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.07

Развитие транспортной, химической, энергетической индустрии, авиакосми­ ческой техники, судостроения диктует необходимость разработки и создания новых материалов, способных функционировать в разнообразных условиях. К данным материалам относятся атомноупорядоченные сплавы на основе благородных металлов, обладающих особым свойствам, таким как высокая коррозионная стойкость, низкое электросопротивление, подходящие магнит­ ные и оптические свойства. Вместе с тем, для их практического применения всё более востребованным становится комплексное сочетание необходимых эксплуатационных характеристик, обеспечивающих наряду с достаточными электрорезистивными и электроконтактными свойствами высокие прочность, пластичность, коррозионную стойкость. При этом, несомненно, важными остаются простота химического состава создаваемых или усовершенствуемых материалов, технологичность металлургического процесса и последующих производственных переделов на имеющемся оборудовании.
К числу основных современных методов повышения механических свойств металлических сплавов относятся способы, обеспечивающие наноструктурное упрочнение за счет формирования дислокационной субструктуры, распада пересыщенного твердого раствора с образованием высокодисперсных выделе­ ний, доменной субструктуры в атомноупорядочивающихся сплавах и, наконец, измельчения зеренной структуры поликристаллов вплоть до наноразмерного масштаба. Подчас эффективным является совмещение различных механизмов упрочнения в одном металлическом сплаве. Так, в ряде сплавов интенсивная мегапластическая деформация (МПД) может обеспечить образование ультра­ мелкозернистых структурных состояний с размером зерен-нанокристаллитов от 10 до 100 нм. Однако, если влияние МПД очень подробно изучается в течение по­ следних 20-30 лет на самых разных металлических системах (чистых металлах, модельных и промышленных сплавах), то такие систематические исследования на атомноупорядочивающихся сплавах, особенно специального индустриально­ го назначения, практически отсутствуют.
5
Целью данной диссертационной работы является установить ос­ новные закономерности структурных и фазовых превращений, структурно-мор­ фологических особенностей и свойств атомноупорядочивающихся сплавов на медно-палладиевой и медно-золотой основах, подвергнутых мегапластической деформации и последующим отжигам.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Определить закономерности деформационно-индуцированных струк­ турно-фазовых превращений при мегапластической деформации и особенности изменения электросопротивления и механических свойств атомноупорядочивающихся сплавов 3 , 72 28, 72 24 4 и золота 585 пробы при различных условиях деформирования.
2. Установить влияние различной температуры деформирования на структурные превращения, механизмы и кинетику упорядочения спла­ вов при последующих отжигах и их свойства.
3. Выяснить роль легирования железом и серебром в формировании структуры и свойств сплавов 3 и 3 , подвергнутых мегапла­ стической деформации.
4. Выявить особенности высокоэнергетического лазерного воздействия на структуру и свойства сплава 3 .
Научную новизну диссертационной работы определяют следующие на­ учные результаты:
1. Впервые показано, что мегапластическая деформация приводит к полному атомному разупорядочению и формированию высокопрочно­ го ультрамелкозернистого состояния в исходно атомноупорядоченных сплавах на основе систем − и − . Процессы атомного разу­ порядочения и диспергирования происходят совместно.
2. Обнаружен эффект ускорения процесса атомного упорядочения при отжиге сплавов после предварительной мегапластической деформации, обусловленный совместными механизмами первичной рекристал­ лизации и одновременного атомного упорядочения посредством деформационно-индуцированного гомогенного и особенно гетероген­ ного роста атомноупорядоченных кристаллитов-доменов. Установлено, что мегапластическая деформация и последующая термообработка при температурах ниже фазового перехода «порядок-беспорядок»

6
позволяет получить высокопрочное ультрамелкозернистое и низко­
электрорезистивное атомноупорядоченное состояний.
3. Установлено, что мегапластическая деформация при криогенной тем­ пературе ( = 77 К) приводит к более сильному, чем деформация на те же степени при комнатной температуре, упрочнению сплава Cu3Pd и эффект бо ́льшего упрочнения сохраняется при последующем низко­ температурном отжиге (особенно при 300 – 400 ∘С), ответственном за
атомное упорядочение ультрамелкозернистого сплава.
4. Определены этапы последовательного развития мегапластической де­ формации, начиная с умеренных величин ( = 0,5) до сверхбольших ( = 7,3), ответственных за формирование субмикро- и нанокристал­ лических состояний. Обнаружено два новых эффекта: температура фазового перехода «порядок-беспорядок» существенно возросла (от 465 до 535 ∘С) при отжиге сплава 3 в исходном ультрамел­ козернистом состоянии; одновременно с этим значительно ускорился процесс атомного упорядочения при изотермической обработке после мегапластической деформации и последующем охлаждении после на­
грева выше температуры фазового перехода «порядок-беспорядок».
Теоретическая и практическая значимость. Установленные в рабо­ те экспериментальные данные дополняют представления о физике процессов, протекающих при мегапластической деформации атомноупорядочивающихся сплавов. Разработанный деформационно-термический способ, сочетающий ме­ гапластическую деформацию волочением (или прокаткой при комнатной темпе­ ратуре) и отжиг, был апробирован для получения высокопрочного пластичного атомноупорядоченного сплава 3 . Достигнуты высокие прочностные (σ0.2 в пределах 550 ÷ 750 МПа; σ – 670 ÷ 1000 МПа) и пластические (δ в пределах 5-11%) свойства проволок в атомноупорядоченном состоянии. Резуль­ таты, полученные при исследовании микроструктуры и свойств сплавов после мегапластической деформации и последующих отжигов, дают возможность рекомендовать их для практического использования с целью эффективного из­ мельчения структуры, повышения прочностных и пластических характеристик атомноупорядоченных низкоомных электрорезистивных и электроконтактных
сплавов.
Mетодология и методы исследования. Методология и основные под­
ходы исследования заключались в необходимости получения высокопрочных,

7
пластичных низкоомных атомноупорядоченных сплавов систем − и − за счет использования мегапластической деформации и отжига на атомное упорядочение. В качестве основных для решения поставленных задач были выбраны методы просвечивающей электронной микроскопии, растровой электронной микроскопии и рентгеновского фазового и структурного анализа, измерения электросопротивления, твердости и механических свойств на рас­ тяжение. Данные методы позволяют надежно идентифицировать фазовый и химический состав, тонкую структуру и морфологию исходной фазы, с высокой точностью определять тип и параметры кристаллической решетки, их измене­ ния от температуры, а также получать сведения о электрических, прочностных и пластических свойствах сплавов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Деформационно-индуцированное атомное разупорядочение приводит формирования высокопрочного ультрамелкозернистого состояния в атомноупорядочивающихся сплавах − и − .
2. Мегапластическая деформация приводит к ускорению процесса атом­ ного упорядочения при последующей термообработке, сохранения вы­ сокопрочное ультрамелкодисперсное состояние, в том числе за счет барьерного эффекта торможения дисперсными частицами.
3. Температура фазового перехода «порядок-беспорядок» возрастает в сплаве 3 , подвергнутом мегапластической деформации.
4. Сочетание мегапластической деформации волочением (или прокаткой при комнатной температуре) и отжига позволяют получить высоко­ прочные (σ0.2 в пределах 550 ÷ 750 МПа; σ – 670 ÷ 1000 МПа) и пластичные (δ в пределах 5-11%) свойства проволок сплава 3 в атомноупорядоченном состоянии.
5. Определена схема формирования структуры и свойств сплава 3 при импульсном лазерном воздействии.
Достоверность результатов работы обеспечена использованием со­ временного, аттестованного метрологического экспериментального научного оборудования и измерительных приборов, применением взаимодополняющих методов и апробированных методик анализа структуры и физических свойств, устойчивой воспроизводимостью результатов, полученных для образцов раз­ ного состава, а также соответствием установленных в работе результатов с

8
известными данными других авторов по структуре и свойствам сплавов на ос­ нове − и − .
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следу­ ющих российских и международных конференциях: VIII Молодежный семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2007), IX Международная научно-техническая конференция «Уральская школа – семинар металловедов – молодых ученых», (г. Екатеринбург, 2008), V Меж­ дународная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черноголовка, 2008), XI Международная конференция «Дислокационная струк­ тура и механические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2008), Х Молодёжная школа – семинар по проблемам физики конденсированного со­ стояния вещества (г. Екатеринбург, 2009), III Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО-2009 (г. Екатеринбург, 2009), XI Всероссийская моло­ дёжная школа – семинар по проблемам физики конденсированного состояния (г. Екатеринбург, 2010), XI Уральская школа – семинар молодых учёных – метал­ ловедов и Международная научная школа для молодёжи «Материаловедение и металлофизика лёгких сплавов» (г. Екатеринбург, 2010), 19 Петербургские чтения по проблемам прочности, (г. С. Петербург, 2010), XII Всероссийская мо­ лодёжная школа – семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2011), XII Международный семинар «Дислокацион­ ная структура и механические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2011), 51 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности»(г. С. Петербург, 2011), Вторые Московские чтения по проблемам прочности (г. Москва, 2011), 7 Летняя межрегиональная школа физиков (г. Красноярск, 2011), XIII Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденси­ рованного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2012), VII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черного­ ловка, 2012), XIV Международная научно – техническая Уральская школа – семинар металловедов – молодых учёных (г. Екатеринбург, 2013), 54 Между­ народная конференция «Актуальные проблемы прочности» (г. Екатеринбург, 2013), XIV Всероссийская школа – семинар по проблемам физики конденси­ рованного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2013), XIII Международная конференция Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов (г. Екатеринбург, 2014), XV Всероссийская школа – семинар по пробле­ мам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2014),

9
8 Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристал­ лов» (г. Черноголовка, 2014), XVI Всероссийская школа–семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2015), XIX Всероссийская школа–семинар по проблемам физики конденсированного состо­ яния вещества (г. Екатеринбург, 2018), XX Всероссийская школа–семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2019).
Соответствие диссертации паспорту специальности. Изложенные в диссертации результаты соответствуют пункту 1 «Теоретическое и экспе­ риментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе мате­ риалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от химического, изотропного состава, температуры и давления» и пункту 3 «Изуче­ ние экспериментального состояния конденсированных веществ (сильное сжатие, ударные воздействия, изменения гравитационных полей, низкие температуры), фазовых переходов в них и их фазовые диаграммы состояния» паспорта специ­ альности 01.04.07 – физика конденсированного состояния.
Личный вклад. Диссертационная работа выполнялась Н. В. Гохфельдом под научным руководством и при участии профессора, д.ф.-м.н. В. Г. Пушина. Лично автором выполнены пробоподготовка, электро-эрозионная резка, шли­ фовка, химическое и электро-химическое травление, ионное утонение, полный цикл приготовления фольг для просвечивающей электронной микроскопии, ис­ следования структуры методами просвечивающий электронной микроскопии (ПЭМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеновского фазового и структурного анализа (РФСА), измерения микротвердости, проведение испы­ таний на разрыв, обработка, анализ и обобщение полученных данных. Анализ методами ПЭМ и РЭМ выполнялся автором совместно с сотрудниками лабо­ ратории цветных сплавов к.ф.-м.н. Л. Н. Буйновой и Н. В. Николаевой на оборудовании ЦКП ИФМ УрО РАН. Исследования механических свойств на растяжение проволоки автором проводились совместно с к.т.н. А. В. Пушиным. Деформирование образцов методом кручения при высоком гидростатическом давлении (КВД) осуществлялось совместно с к.ф.-м.н. В.П. Пилюгиным в лаборатории физики высоких давлений ИФМ УрО РАН. Изучение электро­ сопротивления производилось совместно с д. ф.-м. наук Н. И. Коуровым в лаборатории низких температур ИФМ УрО РАН.

10
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 35 печатных изданиях, 5 из которых изданы в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 2 в журналах не входящих в перечень ВАК, 28 — в тезисах докладов и материалах международных и российских научных кон­ ференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, се­ ми глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 155 страниц, включая 102 рисунка, 30 формул и 10 таблиц. Список литературы содержит 232 наименования.
Работа выполнена по теме государственного задания «Структу­ ра» (No гос. регистрации 0120463331) при частичном финансировании Госконтрактом No02.513.11.3197; Проектом РФФИ No08-02-00844; Проектом УрО РАН No12-П-2-1060; Проектами УрО РАН No15-9-2-17 и No18-10-2-39.