Наноструктурных материалах

НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ,

В 15 Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. — М.: Логос, 2000. — 272 с.: ил. ISBN 5-88439-135-8.

К наноструктурным материалам, согласно терминологии, принятой международным журналом «Наноструктурные материалы» («NanoStructured Materials»), относят кристаллические матери-

Наноструктурные материалы вследствие очень малого размера зерен содержат в структуре большое количество границ зерен, которые играют определяющую роль в формировании их необычных физических и механических свойств. Неудивительно, что в проводимых экспериментальных исследованиях и разрабатываемых структурных моделях наноматериалов границы зерен занимают центральное место.

ной в несколько нанометров и центральные части зерен с совершенной кристаллической решеткой. Искаженные приграничные зоны характеризуются также изменениями параметров решетки, что следует из данных высокоразрешающей электронной микроскопии и мессбауэровской спектроскопии (см. §2.1). Такие наноструктуры типичны для чистых металлов, подвергнутых интенсивной деформации кручением или РКУ-прессованием, когда размер зерен составляет 100-200 нм. Если размер зерен уменьшается до 10-20 нм, то дисторсии и дилатации кристаллической решетки охватывают все зерно (рис. 2.216). Здесь решетка теряет строгую периодичность и наноструктурные материалы приобретают псевдоаморфную структуру. Последнее было экспериментально подтверждено рентгеноструктурными и электронно-микроскопическими исследованиями наноструктурных металлов, полученных ИПД консолидацией порошков после шарового размола и имеющих чрезвычайно малый размер зерен (меньше 15-20 нм) [25, 100] (см. также § 1.2).

Наноструктурные ИПД Ni и Си обладают размером зерен на порядок большим, чем типичные наноматериалы, полученные методом газовой конденсации. В связи с этим обнаруженные изменения тепловых характеристик металлов, подвергнутых ИПД, нельзя объяснить только увеличением амплитуды тепловых колебаний атомов, расположенных в узкой зернограничной области, вследствие их небольшой относительной доли к общему числу атомов. Однако, как было показано выше, наноструктурные материалы, полученные ИПД, обладают неравновесными границами зерен с очень высокой плотностью внесенных зернограничных дислокаций, создающих дальнодействующие поля внутренних упру-

Обнаруженные различия могут быть объяснены несколькими причинами. Во-первых, в данных работах наноструктурные материалы были получены различными методами и метод получения мог существенно повлиять на измеряемые характеристики. Например, за счет возможного введения в материал примесей или микропор [1]. Во-вторых, полученные нано структурные ферромагнетики могли значительно отличаться зеренной структурой и, следовательно, возможно изменение в механизме насыщения, например благодаря суперпарамагнетизму [234]. В-третьих, в ИПД материалах могут изменяться межатомные расстояния и проявляться признаки аморфного состояния, т. е. состояние кристаллической решетки претерпевает фундаментальные изменения [12, 57].

В начале циклической деформации наноструктурные материалы проявляют значительно менее короткую стадию быстрого упрочнения по сравнению с обычными поликристаллами. Тем не менее на рис. 5.19 и 5.20 некоторое упрочнение заметно. Для полученных кривых характерно экспоненциальное упрочнение

Образцы, отожженные при 773 К, характеризуются петлями гистерезиса, форма которых типична для обычной поликристаллической Си. В то же время наноструктурные материалы проявляют намного более выраженные петли гистерезиса и, следовательно, лучшие усталостные свойства по сравнению с крупнокристаллическими поликристаллами.

• по сравнению с обычными поликристаллами наноструктурные материалы обладают более высоким напряжением насыщения и значительным эффектом Баушингера;

НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ,

В последнее десятилетие большое внимание специалистов, занимающихся созданием и исследованием новых материалов — физиков, материаловедов, механиков, — вызвали наноструктур-ные материалы (НСМ) [1-5]. Эти материалы обладают уникальной структурой и свойствами, многие из которых имеют непосредственный практический интерес. В наноструктурных материалах часто изменяются фундаментальные, обычно структурно-нечувствительные характеристики, такие как упругие модули, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др. Это открывает перспективы улучшения существующих и создания принципиально новых конструкционных и функциональных материалов.

В настоящей главе изложены основные результаты экспериментальных исследований, направленных на выяснение дефектной структуры как границ, так и тела зерен в наноструктурных материалах, полученных с использованием ИПД. Рассмотрена структурная модель этих наноматериалов, базирующаяся на представлениях о неравновесных границах зерен.

Согласно динамической теории дифракционного контраста [112-114], толщинные контуры экстинкции являются контурами одинаковой глубины в тонкой фольге и появляются на электронно-микроскопическом изображении, когда некоторое семейство плоскостей данного зерна находится в брэгговских условиях отражения. В работах [115, 116] проанализирована физическая природа уширения толщинных контуров экстинции на электронно-микроскопических изображениях границ зерен в наноструктурных материалах и показано, что оно связано с высоким уровнем внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен в образцах, подвергнутых ИПД. На основе этого анализа предложена методика определения величины упругих деформаций в зависимости от расстояния до границы зерна.

Полученные результаты позволили заключить [116], что уши-рение толщинных контуров экстинции на электронно-микроскопических изображениях границ зерен в наноструктурных материалах действительно связано с большими упругими деформациями. Более того, максимальные значения упругих деформаций наблюдаются в приграничных областях, где их уровень значительно выше, чем в теле зерен. При этом развитый метод может быть использован для количественных измерений упругих деформаций в индивидуальных границах.

Таким образом, рассмотренные выше результаты показывают, что методы рентгеноструктурного анализа активно применяются для определения размера зерен и микродеформаций в наноструктурных материалах. Однако в ряде случаев имеет место разброс в абсолютных значениях этих параметров, полученных различными методами. В связи с этим важным является совершенствование методик для получения более достоверной информации о размерах зерен и микродеформаций в наноструктурных материалах. Весьма полезным здесь представляется применение компьютерного моделирования для правильного анализа полученных результатов [131-133].

Параметр кристаллической решетки в наноструктурных материалах, как и в случае традиционных исследований, рассчитывают исходя из положений центров тяжести рентгеновских пиков. Уширение и связанное с ним возможное наложение хвостов рентгеновских пиков, а также повышенный уровень фона на рентгенограммах наноструктурных материалов могут несколько увеличить погрешность получаемых результатов, оцениваемую снизу в случае крупнокристаллических материалов значением порядка 0,004% [134].

Отметим, что недавно повышение свободного объема границ зерен в наноструктурных материалах было показано также методом позитронной аннигиляции [151].

границ зерен в наноструктурных материалах, что соответствует результатам экспериментальных исследований, проведенных другими методами.

Прямые наблюдения границ зерен, выполненные методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, дают доказательства их специфической дефектной структуры в наноструктурных материалах вследствие присутствия атомных ступенек и фасеток, а также зернограничных дислокаций. В свою очередь, высокие напряжения и искажения кристаллической решетки ведут к дилатациям решетки, проявляющимся в изменении межатомных расстояний, появлении значительных статических и динамических атомных смещений, которые экспериментально наблюдались в рентгеновских и мессбауэрографических исследованиях.

Экспериментальные данные о необычной дефектной структуре границ зерен в наноструктурных материалах, полученных интенсивной пластической деформацией, наблюдение искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен легли в основу развиваемых модельных представлений об атомной структуре и свойствах этих материалов [12]. Данные представления базируются на концепции неравновесных границ зерен, которая была введена в научную литературу в 70-80-х годах [110, 111] и позднее стала широко использоваться при описаниях взаимодействий решеточных дислокаций и границ зерен, для анализа рекристаллизационных и деформационных процессов в поликристаллах [3, 172]. Ниже будут кратко рассмотрены основные положения физики неравновесных границ, дано описание структурной модели нанокристаллов и ее развитие для понимания их необычных свойств.

Неравновесные границы зерен в наноструктурных материалах вследствие наличия в их структуре внесенных дефектов с предельно высокой плотностью обладают избыточной энергией и дальнодействующими упругими напряжениями. В результате действия этих напряжений вблизи границ зерен возникают значительные искажения и дилатаций кристаллической решетки, которые экспериментально обнаруживаются методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. В свою очередь атомные смещения в приграничных областях изменяют динамику колебаний решетки и, как результат, приводят к изменению таких фундаментальных свойств, как упругие модули, температуры Дебая и Кюри и др.