Frontier Materials & Technologies. 2023; : 41-51
Термическая стабильность субмикрокристаллической структуры, сформированной методом «сдвиг под давлением» в Ni и сплаве Ni–2 % Cr
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-4-66-4Аннотация
Основной проблемой субмикрокристаллических (СМК) материалов, сформированных в результате большой пластической деформации, является их термическая стабильность. Большая запасенная энергия и формирование в структуре сильно разориентированных микрокристаллитов ведет к уменьшению температуры начала рекристаллизации и, как следствие, возможно, к снижению стабильности структуры. В работе проведена большая пластическая деформация методом «сдвиг под давлением», а также отжиг чистого никеля и его сплава, содержащего 2 ат. % хрома. Исследование структуры как деформированного, так и отожженного материала осуществляли методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Анализ зависимости твердости от квадратного корня из истинной деформации совместно с анализом структурных изменений позволил выделить границы стадий структурных состояний. Запасенную при деформации энергию оценивали с помощью дифференциально-сканирующей калориметрии по количеству поглощенной тепловой энергии. Исследовано поведение материалов при отжиге в зависимости от запасенной энергии деформации на стадии СМК-структуры. В чистом никеле выделены три стадии структурных состояний: ячеистой, смешанной и СМК-структуры, тогда как в сплаве, содержащем 2 ат. % Cr, стадия ячеистой структуры не зафиксирована. Обнаружено снижение запасенной энергии деформации на стадии СМК-структуры для обоих материалов. Легирование никеля 2 ат. % хрома повышает термическую стабильность, что проявляется в повышении температуры начала интенсивного роста зерна на 150 °C. Величина запасенной энергии деформации оказывает влияние на рост зерна в сплаве с содержанием хрома 2 ат. %, тогда как в чистом никеле влияние не зафиксировано. В сплаве Ni–Cr большая запасенная энергия соответствует большему размеру рекристаллизованного зерна.
Список литературы
1. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk Nanostructured Materials from Severe Plastic Deformation // Progress in Materials Science. 2000. Vol. 45. № 2. P. 103–189. DOI: 10.1016/S0079-6425(99)00007-9.
2. Valiev R.Z., Estrin Yu., Horita Z., Langdon T.G., Zehetbauer M.J., Zhu Yuntian. Producing Bulk Ultrafine-Grained Materials by Severe Plastic Deformation: Ten Years Later // JOM. 2016. Vol. 68. P. 1216–1226. DOI: 10.1007/s11837-016-1820-6.
3. Cao Yang, Ni Song, Liao Xiaozhou, Song Min, Zhu Yuntian. Structural evolutions of metallic materials processed by severe plastic deformation // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2018. Vol. 133. P. 1–59. DOI: 10.1016/j.mser.2018.06.001.
4. Valiev R.Z., Straumal B., Langdon T.G. Using Severe Plastic Deformation to Produce Nanostructured Materials with Superior Properties // Annual Review of Materials Research. 2022. Vol. 52. P. 357–382. DOI: 10.1146/annurev-matsci-081720-123248.
5. Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using High-Pressure Torsion for Metal Processing: Fundamentals and Applications // Progress in Materials Science. 2008. Vol. 53. № 6. P. 893–979. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2008.03.002.
6. Degtyarev M., Chashchukhina T., Voronova L., Gapontseva T., Levit V. Evolution of microstructure and microtexture upon recrystallization of submicrocrystalline niobium // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2020. Vol. 86. Article number 105117. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105117.
7. Смирнова Н.А., Левит В.И., Пилюгин В.П., Кузнецов Р.И., Давыдова Л.С., Сазонова В.А. Эволюция структуры ГЦК монокристаллов при больших пластических деформациях // Физика металлов и металловедение. 1986. Т. 61. № 6. С. 1170–1177. EDN: UCKEJT.
8. Гапонцева Т.М., Дегтярев М.В., Пилюгин П.В., Чащухина Т.И., Воронова Л.М., Пацелов А.М. Влияние температуры деформации в наковальнях Бриджмена и исходной ориентировки на эволюцию структуры монокристаллического ниобия // Физика металлов и металловедение. 2016. Т. 117. № 4. С. 349–361. DOI: 10.7868/S0015323016040069.
9. Voronova L.M., Chashchukhina T.I., Gapontseva T.M., Patselov A.M., Pilyugin V.P., Degtyarev M.V. Effect of single-crystal orientation on the molybdenum structure and hardness upon high pressure torsion // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2022. Vol. 103. Article number 105754. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105754.
10. Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Нохрин А.В., Макаров И.М., Грязнов М.Ю. Рекристаллизация в микрокристаллических меди и никеле, полученных методами РКУ-прессования. III. Аномальный рост зерен. Модель // Физика металлов и металловедение. 2004. Т. 97. № 1. С. 3–8. EDN: OXKNZJ.
11. Zhou Xin, Li Xiuyan, Lu Ke. Stabilizing nanograins in metals with grain boundary relaxation // Scripta Materialia. 2020. Vol. 187. P. 345–349. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.06.047.
12. Zhou Xin, Li Xiuyan, Lu Ke. 70 nm: The most unstable grain size in Cu prepared by surface mechanical grinding treatment // Nano Materials Science. 2020. Vol. 2. № 1. P. 32–38. DOI: 10.1016/j.nanoms.2020.01.001.
13. Zhou Xin, Li Xiuyan, Lu Ke. Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size // Science. 2018. Vol. 360. № 6388. P. 526–530. DOI: 10.1126/science.aar6941.
14. Дегтярев М.В., Воронова Л.М., Губернаторов В.В., Чащухина Т.И. О термической стабильности микрокристаллической структуры в однофазных металлических материалах // Доклады Академии наук. 2002. Т. 386. № 2. С. 180–183. EDN: MPLCLS.
15. Воронова Л.М., Дегтярев М.В., Чащухина Т.И. Рекристаллизация ультрадисперсной структуры чистого железа, сформированной на разных стадиях деформационного наклепа // Физика металлов и металловедение. 2007. Т. 104. № 3.С. 275–286. EDN: IASANZ.
16. Guo X.K., Luo Z.P., Li X.Y., Lu K. Plastic deformation induced extremely fine nano-grains in nickel // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 802. Article number 140664. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140664.
17. Макаров А.В., Коршунов Л.Г. Металлофизические основы наноструктурирующей фрикционной обработки сталей // Физика металлов и металловедение. 2019. T. 120. № 3. С. 327–336. DOI: 10.1134/S0015323018120124.
18. Haessner F. Recrystallization of Metallic Materials. Stuttgart: Riederer-Verlag, 1978. 293 p.
19. Дегтярев М.В., Пилюгин В.П., Чащухина Т.И., Воронова Л.М. Структура железа, деформированного кручением под давлением при 250°С // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 12. С. 1292–1298. DOI: 10.1134/S0015323019120040.
20. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П., Горная И.Д., Васильев А.Д. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. Киев: Наукова думка, 1987. 248 с.
21. Lee Seungwon, Horita Z. High-Pressure Torsion for Pure Chromium and Niobium // Materials Transactions. 2012. Vol. 53. № 1. P. 38–45. DOI: 10.2320/matertrans.MD201131.
22. Zhang Yubin, Mishin O.V. Stored energy and recrystallized microstructures in nickel processed by accumulative roll bonding to different strains // Materials Characterization. 2017. Vol. 129. P. 323–328. DOI: 10.1016/j.matchar.2017.05.024.
23. Langdon T.G. Twenty-five years of ultrafine-grained materials: Achieving exceptional properties through grain refinement // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. № 19. P. 7035–7059. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.08.018.
24. Dudova N., Belyakov A., Kaibyshev R. Recrystallization behavior of a Ni–20%Cr alloy subjected to severe plastic deformation // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 543. P. 164–172. DOI: 10.1016/j.msea.2012.02.067.
Frontier Materials & Technologies. 2023; : 41-51
Thermal stability of a submicrocrystalline structure formed by high-pressure torsion in Ni and Ni–2 % Cr alloy
https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-4-66-4Abstract
The main problem of submicrocrystalline (SMC) materials formed as a result of large plastic deformation is their thermal stability. The large stored energy and the formation of strongly disordered microcrystallites in the structure lead to a decrease in the recrystallization onset temperature and, therefore, possibly decrease the structure stability. In the work, severe plastic deformation by high-pressure torsion and annealing of pure nickel and an alloy containing 2 at. % chromium were carried out. The structure of both deformed and annealed material was studied by scanning and transmission electron microscopy. The dependence of hardness on the square root of true strain and structure evolution were analyzed to identify the boundaries of the stages of structural states. The energy stored during deformation was estimated using differential scanning calorimetry by the amount of absorbed heat energy. The author studied the behaviour of materials during annealing depending on the stored strain energy at the SMC structure stage. Three stages of structural stats were identified in pure nickel: cellular, mixed, and SMC structure, while in the alloy containing 2 at. % chromium, a cellular structure stage was not detected. A decrease in the stored strain energy was found at the stage of the SMC structure for both materials. Alloying nickel with 2 at. % chromium increases its thermal stability, which increases the temperature when the grain growth becomes intensive by 150 °C. The amount of stored strain energy affects grain growth in the alloy containing 2 at. % chromium, whereas in pure nickel no effect was detected. In the Ni–Cr alloy, greater stored energy corresponds to larger recrystallized grain size.
References
1. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk Nanostructured Materials from Severe Plastic Deformation // Progress in Materials Science. 2000. Vol. 45. № 2. P. 103–189. DOI: 10.1016/S0079-6425(99)00007-9.
2. Valiev R.Z., Estrin Yu., Horita Z., Langdon T.G., Zehetbauer M.J., Zhu Yuntian. Producing Bulk Ultrafine-Grained Materials by Severe Plastic Deformation: Ten Years Later // JOM. 2016. Vol. 68. P. 1216–1226. DOI: 10.1007/s11837-016-1820-6.
3. Cao Yang, Ni Song, Liao Xiaozhou, Song Min, Zhu Yuntian. Structural evolutions of metallic materials processed by severe plastic deformation // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2018. Vol. 133. P. 1–59. DOI: 10.1016/j.mser.2018.06.001.
4. Valiev R.Z., Straumal B., Langdon T.G. Using Severe Plastic Deformation to Produce Nanostructured Materials with Superior Properties // Annual Review of Materials Research. 2022. Vol. 52. P. 357–382. DOI: 10.1146/annurev-matsci-081720-123248.
5. Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using High-Pressure Torsion for Metal Processing: Fundamentals and Applications // Progress in Materials Science. 2008. Vol. 53. № 6. P. 893–979. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2008.03.002.
6. Degtyarev M., Chashchukhina T., Voronova L., Gapontseva T., Levit V. Evolution of microstructure and microtexture upon recrystallization of submicrocrystalline niobium // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2020. Vol. 86. Article number 105117. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105117.
7. Smirnova N.A., Levit V.I., Pilyugin V.P., Kuznetsov R.I., Davydova L.S., Sazonova V.A. Evolyutsiya struktury GTsK monokristallov pri bol'shikh plasticheskikh deformatsiyakh // Fizika metallov i metallovedenie. 1986. T. 61. № 6. S. 1170–1177. EDN: UCKEJT.
8. Gapontseva T.M., Degtyarev M.V., Pilyugin P.V., Chashchukhina T.I., Voronova L.M., Patselov A.M. Vliyanie temperatury deformatsii v nakoval'nyakh Bridzhmena i iskhodnoi orientirovki na evolyutsiyu struktury monokristallicheskogo niobiya // Fizika metallov i metallovedenie. 2016. T. 117. № 4. S. 349–361. DOI: 10.7868/S0015323016040069.
9. Voronova L.M., Chashchukhina T.I., Gapontseva T.M., Patselov A.M., Pilyugin V.P., Degtyarev M.V. Effect of single-crystal orientation on the molybdenum structure and hardness upon high pressure torsion // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2022. Vol. 103. Article number 105754. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105754.
10. Chuvil'deev V.N., Kopylov V.I., Nokhrin A.V., Makarov I.M., Gryaznov M.Yu. Rekristallizatsiya v mikrokristallicheskikh medi i nikele, poluchennykh metodami RKU-pressovaniya. III. Anomal'nyi rost zeren. Model' // Fizika metallov i metallovedenie. 2004. T. 97. № 1. S. 3–8. EDN: OXKNZJ.
11. Zhou Xin, Li Xiuyan, Lu Ke. Stabilizing nanograins in metals with grain boundary relaxation // Scripta Materialia. 2020. Vol. 187. P. 345–349. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.06.047.
12. Zhou Xin, Li Xiuyan, Lu Ke. 70 nm: The most unstable grain size in Cu prepared by surface mechanical grinding treatment // Nano Materials Science. 2020. Vol. 2. № 1. P. 32–38. DOI: 10.1016/j.nanoms.2020.01.001.
13. Zhou Xin, Li Xiuyan, Lu Ke. Enhanced thermal stability of nanograined metals below a critical grain size // Science. 2018. Vol. 360. № 6388. P. 526–530. DOI: 10.1126/science.aar6941.
14. Degtyarev M.V., Voronova L.M., Gubernatorov V.V., Chashchukhina T.I. O termicheskoi stabil'nosti mikrokristallicheskoi struktury v odnofaznykh metallicheskikh materialakh // Doklady Akademii nauk. 2002. T. 386. № 2. S. 180–183. EDN: MPLCLS.
15. Voronova L.M., Degtyarev M.V., Chashchukhina T.I. Rekristallizatsiya ul'tradispersnoi struktury chistogo zheleza, sformirovannoi na raznykh stadiyakh deformatsionnogo naklepa // Fizika metallov i metallovedenie. 2007. T. 104. № 3.S. 275–286. EDN: IASANZ.
16. Guo X.K., Luo Z.P., Li X.Y., Lu K. Plastic deformation induced extremely fine nano-grains in nickel // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 802. Article number 140664. DOI: 10.1016/j.msea.2020.140664.
17. Makarov A.V., Korshunov L.G. Metallofizicheskie osnovy nanostrukturiruyushchei friktsionnoi obrabotki stalei // Fizika metallov i metallovedenie. 2019. T. 120. № 3. S. 327–336. DOI: 10.1134/S0015323018120124.
18. Haessner F. Recrystallization of Metallic Materials. Stuttgart: Riederer-Verlag, 1978. 293 p.
19. Degtyarev M.V., Pilyugin V.P., Chashchukhina T.I., Voronova L.M. Struktura zheleza, deformirovannogo krucheniem pod davleniem pri 250°S // Fizika metallov i metallovedenie. 2019. T. 120. № 12. S. 1292–1298. DOI: 10.1134/S0015323019120040.
20. Trefilov V.I., Moiseev V.F., Pechkovskii E.P., Gornaya I.D., Vasil'ev A.D. Deformatsionnoe uprochnenie i razrushenie polikristallicheskikh metallov. Kiev: Naukova dumka, 1987. 248 s.
21. Lee Seungwon, Horita Z. High-Pressure Torsion for Pure Chromium and Niobium // Materials Transactions. 2012. Vol. 53. № 1. P. 38–45. DOI: 10.2320/matertrans.MD201131.
22. Zhang Yubin, Mishin O.V. Stored energy and recrystallized microstructures in nickel processed by accumulative roll bonding to different strains // Materials Characterization. 2017. Vol. 129. P. 323–328. DOI: 10.1016/j.matchar.2017.05.024.
23. Langdon T.G. Twenty-five years of ultrafine-grained materials: Achieving exceptional properties through grain refinement // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. № 19. P. 7035–7059. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.08.018.
24. Dudova N., Belyakov A., Kaibyshev R. Recrystallization behavior of a Ni–20%Cr alloy subjected to severe plastic deformation // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 543. P. 164–172. DOI: 10.1016/j.msea.2012.02.067.
