» » Сверхпрочные наноструктурные материалы
18.01.2016

Как известно, механическая прочность кристаллических материалов зависит от размера зерен d в соответствии с соотношением Холла—Петча σ = kd-1/2 + σ0. Однако для нанометрового интервала размеров такая зависимость нарушается, что приводит к повышению предела прочности с уменьшением размера зерен.
Механизм повышения прочности ультрадисперсных нанофазных металлов и сплавов, качественно согласуется с зависимостью Холла—Петча, но имеет иную природу. Обычный механизм генерации дислокаций источником Франка—Рида при столь малом размере зерна заморожен, и для обеспечения деформации необходим другой механизм.
Наноструктурные материалы (характеризующиеся большим числом поверхностей раздела) благодаря интенсивным граничным процессам могут обладать не только высокой прочностью, но и значительной пластичностью.
Неравновесные границы зерен содержат большое количество дислокаций, плотность которых, например в материалах, полученных интенсивной пластической деформацией, составляет примерно 3*10в15 м-2, а в стыках зерен присутствуют нескомпенсированные дисклинации в 1—2°. Плотность дислокаций внутри зерен существенно ниже. В связи с этим вблизи границ зерен и тройных стыков концентрируются поля напряжений, являющиеся причиной высокой избыточной энергии границ зерен в наноматериалах.
Основными факторами, определяющими отличие механических свойств нанокристаллических материалов по сравнению с исходным аморфным сплавом, является наличие в нанокристаллах дисклинаций и их высокая концентрация.
Модель расщепления стыковой дисклинации с локальной аморфизацией области тройного стыка в зависимости от свойств материала и условий деформирования используется при анализе пластичности нанокристаллических материалов. Стыковые дисклинации играют двойственную роль: они понижают пластичность при небольших пластических деформациях и повышают при больших деформациях. Локальная аморфизация является альтернативой процессу зарождения микротрещин на тройных стыках межзеренных границ. «Тормозящей силой» расщепления дисклинации с локальной аморфизацией межзеренного стыка является избыточная энергия, обусловленная неупорядоченной структурой аморфной фазы по сравнению с кристаллической.
При высоких степенях пластической деформации стыковые дисклинации инициируют локальную аморфизацию тройного стыка, что препятствует зарождению в нем микротрещины и способствует повышению пластичности.
Наноструктурные композиты Cu/Nb демонстрируют значительное повышение прочности и пластичности при деформировании (деформационное упрочнение). Предел прочности на растяжение составляет около 2 ГПа, а относительное удлинение достигает 10%.
При переходе к наноструктурным материалам соотношение прочность/пластичность может стать значительно лучшим, чем у современных конструкционных материалов. Применение современных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение размеров структурных элементов может привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность.
Нанофазные материалы, полученные компактированием наноразмерных частиц, обладают довольно высокой стабильностью размера зерна. Например, нанофазный компакт ТiO2 со средним размером зерна - 10 нм характеризуется весьма незначительным увеличением зерна при спекании. Это характерно также для нанофазных металлов и сплавов.
Высокопрочные нанокристаллические сплавы на основе алюминия системы Аl—ПМ—Lп (переходной металл (ПМ): Ni, Fе, Zr, Ti, Со, Сu, Ag; Ln (металл — лантаноид): Сс, Lа, Nd) при содержании 85—94 % ат. Аl имеют предел прочности 1200 МПа, что существенно превышает уровень обычных высокопрочных сплавов на основе алюминия.
Метод быстрой закалки расплава в сочетании с термической обработкой позволяет получить на некристаллические материалы с высоким уровнем механической прочности, превосходными магнитными свойствами, повышенной коррозионной стойкостью.
Выбор эффективного легирования в значительной мере определяет тип формирующейся смешанной наноструктуры, состоящей из дисперсных частиц в аморфной матрице, получаемой либо непосредственно при быстрой закалке расплава, либо в результате кристаллизации аморфного сплава. Легирующие элементы, способствующие формированию наноструктуры, характеризуются следующими особенностями:
— высокой температурой плавления;
— большим размером атома или большим соотношением размеров атомов компонентов сплава;
— большой отрицательной теплотой смешивания с основным компонентом;
— близкой к нулю предельной растворимостью в основном компоненте сплава.
Изучение процессов зарождения и роста кристаллических фаз позволяет лучше понимать влияние легирования на формирование нанокристаллических структур, что обеспечивает новые возможности синтеза уникальных структур как конструкционных, так и функциональных материалов.
Установлено большое разнообразие нанокристаллических структур, имеющих уникальные свойства.
По мере повышения дисперсности микроструктур до уровня дисперсности наноструктур физические свойства существенно изменяются.
Для реализации уникальных свойств этих материалов в изделиях из конструкционных и функциональных материалов различного назначения определяющее значение имеет проблема сохранения стабильности нанокристаллических структур при технологических операциях производства изделий и в процессе их службы.