Закономірності формування нанорозмірної субструктури ГЦК-металів в процесі вакуумного осадження та її вплив на механічні властивості - Автореферат

При цьому, як було показано в роботах Мовчана Б. О., Демчишина А. В., Палатніка Л. С., Торнтона Д. А. та ін., характеристики мікроструктури (зеренної) та субструктури (субзеренної) вакуумних конденсатів можуть контролюватись за рахунок зміни умов осадження (температури підкладки, швидкості осадження). Тому застосування парофазних технологій для формування вакуумних конденсатів ГЦК-металів у вигляді фольг чи покриттів з нанорозмірною субструктурою може розглядатися як перспективний напрямок зміцнення цих металів без забруднення їх домішками і, очевидно, без суттєвої зміни їх транспортних властивостей. Практичне використання такого підходу до зміцнення ГЦК-металів передбачає, з одного боку, розуміння того яким чином можна отримати вакуумні конденсати із заданими мікро-та субструктурою, з другого - зясування впливу структурних характеристик на поведінку матеріалів в умовах механічних навантажень. Патона НАН України в рамках тем: № держреестрації 0107U002126 „Розробка наукових засад електронно-променевої гібридної технології формування наноструктурних матеріалів та конструкційних елементів функціонального призначення на основі однофазних та гетерофазних (композитних) систем” (2007-2009 рр.); № держреестрації 0107U007155 „Розробка фізичних засад електронно-променевої технології формування твердих високодемпфуючих покриттів на основі консолідованих наноматеріалів” (2007-2009 рр.); № держреестрації 0107U005433 „Оптимізація технології осадження та структури захисних покриттів, які забезпечують подовження строку експлуатації конструкційних елементів в умовах вібраційних навантажень.1. Мета даної роботи - встановити закономірності формування наномасштабної субструктури зерен ГЦК-металів при вакуумному осадженні з парової фази та визначити її вплив на механічні властивості вакуумних конденсатів.Електронно-мікроскопічні дослідження конденсатів міді показали, що при високих температурах підкладки (600-700 ?С) формуються конденсати, субструктура зерен яких характеризується наявністю дефектів дислокаційного типу (рис. Оскільки відомо, що морфологічні характеристики мікроструктури конденсатів суттєвим чином залежать від температури підкладки (структурні зони Мовчана-Демчишина), а нанодвійникова субструктура зерен формується при певних температурних умовах осадження, то зміни субструктури зерен у вакуумних конденсатах можуть бути повязані з особливостями росту стовпчастих кристалітів. Дослідження текстури вакуумних конденсатів міді, отриманих при різних температурах підкладки, показали, що при температурах підкладки вищих за 350 ?С у конденсатах формується однокомпонентна текстура волокнистого типу. Для зясування того, яким чином орієнтовані двійникові границі в вакуумних конденсатах міді, отриманих при різних температурах підкладки, було досліджено мікроструктуру поперечного перерізу вакуумних конденсатів, осаджених при різних температурах підкладки (рис. На цій підставі можна зробити висновок, що поява двійникових границь в процесі росту кристалітів при температурі підкладки, вищій за критичну, може бути зумовлена релаксаційними процесами, інтенсивність яких збільшується з підвищенням температури підкладки, тоді як поява двійникової субструктури зерен при температурах підкладки нижчих критичної - з утворенням дефектів на фронті росту кристалітів в напрямку .Встановлено, що при вакуумному осадженні ГЦК-металів існує критична температура підкладки ~ 0.45 Тпл (Тпл - температура плавлення металу), вище якої формується матеріал переважно з монодоменною дислокаційною структурою зерен (кристалітів), а нижче - переважно з полідоменною субструктурою з нанорозмірним масштабом доменів. Вперше показано, що тип полідоменної субструктури зерен вакуумних конденсатів ГЦК-металів при температурі підкладки, нижче критичної, визначається кристалографічним напрямком росту їх стовпчастих зерен: при рості зерен у напрямку - двійниковими доменами, а при рості зерен в інших напрямках - фрагментами, відокремленими один від одного малокутовими границями. Встановлено, що напрямок росту кристалітів у вакуумних конденсатах ГЦК-металів залежить від температури підкладки. Так, при осадженні конденсатів ГЦК-металів з низькою енергією дефектів пакування (меншою за ~ 100 МДЖ/м2) при температурах підкладки, вищих за критичну, кристаліти переважно ростуть вздовж напрямку , а при температурах підкладки, нижчих за критичну, - в напрямку , а при осадженні ГЦК-металів з високою енергією дефектів пакування (більшою за ~ 100 МДЖ/м2) при високих температурах підкладки ріст кристалів відбувається переважно в напрямку , який змінюється на напрямок при температурах, нижчих за критичну. Вперше встановлено, що при зменшенні енергії дефектів пакування, введенні в паровий потік нерозчинних домішок та збільшенні швидкості осадження пари в конденсатах ГЦК-металів з низькою енергією дефектів пакування, осаджених при температурах підкладки, нижчих за критичну температуру, зменшується товщина двійникових доменів, тобто збільшується щільність двійникових границь.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Встановлено, що при вакуумному осадженні ГЦК-металів існує критична температура підкладки ~ 0.45 Тпл (Тпл - температура плавлення металу), вище якої формується матеріал переважно з монодоменною дислокаційною структурою зерен (кристалітів), а нижче - переважно з полідоменною субструктурою з нанорозмірним масштабом доменів.

2. Вперше показано, що тип полідоменної субструктури зерен вакуумних конденсатів ГЦК-металів при температурі підкладки, нижче критичної, визначається кристалографічним напрямком росту їх стовпчастих зерен: при рості зерен у напрямку - двійниковими доменами, а при рості зерен в інших напрямках - фрагментами, відокремленими один від одного малокутовими границями. При цьому розмір елементів субструктури зерен зменшується до нанорозмірного масштабу.

3. Встановлено, що напрямок росту кристалітів у вакуумних конденсатах ГЦК-металів залежить від температури підкладки. Так, при осадженні конденсатів ГЦК-металів з низькою енергією дефектів пакування (меншою за ~ 100 МДЖ/м2) при температурах підкладки, вищих за критичну, кристаліти переважно ростуть вздовж напрямку , а при температурах підкладки, нижчих за критичну, - в напрямку , а при осадженні ГЦК-металів з високою енергією дефектів пакування (більшою за ~ 100 МДЖ/м2) при високих температурах підкладки ріст кристалів відбувається переважно в напрямку , який змінюється на напрямок при температурах, нижчих за критичну.

4. Вперше встановлено, що при зменшенні енергії дефектів пакування, введенні в паровий потік нерозчинних домішок та збільшенні швидкості осадження пари в конденсатах ГЦК-металів з низькою енергією дефектів пакування, осаджених при температурах підкладки, нижчих за критичну температуру, зменшується товщина двійникових доменів, тобто збільшується щільність двійникових границь. На основі цих результатів - переважного росту кристалітів у напрямку і орієнтації двійникових границь перпендикулярно до напрямку росту кристалітів, формування нанодвійникової субструктури пояснюється виникненням помилок у пакуванні атомних площин {111} на фронті росту кристаліту.

5. Показано, що наномасштабна субструктура зерен ГЦК-металів веде до значного підвищення рівня твердості (межі плинності) конденсатів. Розмірна залежність твердості від товщини двійників (в координатах Холла-Петча) характеризується більшим нахилом прямої на відміну від зміцнення конденсатів, зумовленого зміною розміру зерен, а для нанофрагментованої субструктури зерен - залежність твердості від розміру фрагментів подібна до тієї, що спостерігається при зміні розміру зерен.

6. Встановлено, що ступінь чутливості межі плинності до швидкості навантаження залежить не тільки від розміру зерен та елементів субструктури конденсатів ГЦК-металів, а й від типу границь між елементами субструктури: суттєво зростає при зменшенні товщини двійникових доменів і слабо залежить від розміру фрагментів зеренної субструктури.

7. Вперше встановлено, що перехід до нанорозмірної субструктури зерен ГЦК-металів супроводжується послабленням залежності демпфуючої здатності від амплітуди деформації (з параболічної на логарифмічну) і значним підсиленням залежності рівня демпфування від температури рівномірно у всьому діапазоні амплітуд деформації в межах від 10-4 до 10-3, що пояснюється зміною механізмів розсіювання механічної енергії: з дислокаційного в монодоменних конденсатах на термічно активовані процеси на границях розділу нанорозмірних елементів субструктури зерен.

8. Вперше показано, що вид температурної залежності демпфуючої здатності вакуумних конденсатів ГЦК-металів визначається типом субструктури зерен. У випадку нанофрагментованої субструктури зерен температурна залежність демпфуючої здатності носить пороговий характер: демпфуюча здатність починає збільшуватися лише при нагріванні до температури, вище деякої критичної. При нанодвійниковій субструктурі зерен, демпфуюча здатність вакуумних конденсатів при нагріванні збільшується монотонно. Це повязується з механізмами мікропластичної деформації наноструктурованих матеріалів - домінуючими стають процеси мікропластичної деформації по границям зерен, що і зумовлює значну залежність рівня демпфування від температури та її різний вид в залежності від типу границь між елементами субструктури (двійникові чи малокутові границі).

1. Влияние температуры подложки на микро- и субструктуру конденсатов меди, осажденных из паровой фазы / А. И. Устинов, Е. В. Фесюн, Т. В. Мельниченко [и др.] // Современная электрометаллургия. - 2007. - № 4. - С. 19-26.

2. Ustinov A. I. Damping capacity of nanotwinned copper / A. I. Ustinov, V. S. Skorodzievski, E. V. Fesiun // Acta Materialia. - 2008. - № 56. - P. 3770-3776.

3. Ustinov A. I. Effect of substrate temperature on the structure of Ag-Cd condensates / A. I. Ustinov, O. V. Fesiun // Surface Coatings Technol. - 2010. - № 204. - P. 1774-1778.

4. Влияние добавок железа на микро- и субструктуру вакуумных конденсатов меди / А. И. Устинов, Е. В. Фесюн, Т. В. Мельниченко [и др.] // Современная электрометаллургия. 2010. - № 3. - С. 21-26.

5. Influence of Fe-additives on the microstructure and mechanical properties of vacuum copper condensates / A. I. Ustinov, V. S. Skorodzievskii, O. V. Fesiun [et al.] // Materials Science Engineering A. - 2011. - № 528. - P. 1030-1036.

6. Влияние микроструктуры вакуумных конденсатов никеля на их прочностные свойства. А. И. Устинов, Е. В. Фесюн, Т. В. Мельниченко [и др.] // Наноструктурное материаловедение. 2010. - № 4. - С. 45 - 53.

Размещено на .ru