Получение компактных нанокристаллических материалов. Интенсивная пластическая деформация

Лекции №6 и 7.

Получение компактных нанокристаллических материалов.

Большой фундаментальный и особенно прикладной интерес представляют компактные нанокристаллпческие материалы, во многих случаях более удобные для изучения и применения.

Для получения объемных нанокристаллических материалов используются различные методы, которые можно разделить на три группы: порошковая металлургия (компактирование нанопорошков), кристаллизация из аморфного состояния и интенсивная пластическая деформация. Размер зерна, морфология и текстура конечного продукта могут меняться в зависимости от технологических параметров каждого из этих процессов.

На слайде 2 приведена схема классификации материалов, в том числе и наноматериалов, по структуре.

Для металлических материалов влияние размера зерна на твердость (или прочность) описывается соотношением Холла – Петча:

H_v = H₀ + k L^-1/2

(На слайде 3 это соотношение записано для предела текучести).

Где H_v – твердость поликристаллического образца; H₀ – твердость зерна; L – размер зерна; k – коэффициент пропорциональности.

Т. е. при уменьшении размера зерна в диапазоне от миллиметра до 1 мкм прочностные характеристики образца увеличиваются.

Это выражение было получено эмпирическим путем на основании большого числа экспериментальных данных. В качестве примера на следующем слайде 4 приведена зависимость предела текучести меди от размера зерна.

Этот закон выполняется и для некоторых наноматериалов, но далеко не для всех. Есть даже данные, что в некоторых случаях коэффициент k имеет отрицательное значение при переходе к нанометровому размеру зерна. С чем это связано пока не совсем понятно. Есть предположения, что это обусловлено наличием микропор между нанозернами. В некоторых же случаях это связывают со сверхпластичностью, когда зерна начинают согласованно перемещаться относительно друг друга без деформации материала самого зерна.

Важность получения как можно меньшего размера зерна в компактированном материале иллюстрирует следующий слайд 5, где приведено соотношение между прочностью и пластичностью для сталей различных марок.

Как мы с вами уже знаем, все типы наноматериалов, за исключением супрамолекулярных объектов, являются неравновесными в силу особенностей структуры и способов получения. Удаление от равновесия и, соответственно, избыточная свободная энергия Гиббса связаны с большой поверхностью раздела в наноматериалах, наличием неравновесных фаз и пограничных сегрегаций, остаточных напряжений и дефектов кристаллического строения. Очевидно, что при термических воздействиях должны протекать рекристаллизационные и релаксационные процессы. Экспериментальные факты свидетельствуют об активной рекристаллизации некоторых наноструктур даже при температурах немного выше комнатной, но в то же время известны и примеры термической стабильности наноструктур..

Методы порошковой металлургии, включают различные виды прессования и спекания с использованием высоких статических и динамических давлений при обычных и высоких температурах.

Стандартные методы этой технологии оказываются эффективными