ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ МЕДИ ВСЛЕДСТВИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕКСТУРЫ ПРИ ОТЖИГЕ

Рыбалко А.П.¹, Паль-Валь П.П.²

¹Кандидат физико-математических наук, Харьковский национальный экономический университет им. С. Кузнеца; ²доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины.

ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ МЕДИ ВСЛЕДСТВИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕКСТУРЫ ПРИ ОТЖИГЕ

Аннотация

Исследовано влияние отжига на величину динамического модуля Юнга образцов УМЗ меди, полученных путем гидроэкструзии и волочения. Установлено, что основной причиной нетривиального поведения упругих свойств является формирование и последующая трансформация текстуры при интенсивной пластической деформации и отжиге.

Ключевые слова: модуль Юнга, упругие свойства, отжиг, текстура.

Rybalko A.P.¹, Pal-Val P.P.²

¹PhD in Physics and Mathematics, S. Kuznets Kharkov National University of Economics; ²Doctor in Physics and Mathematics, B.I. Verkin Institute of Low Temperature Physics and Engineering, National Academy of Sciences of Ukraine.

ENORMOUS VARIATION OF THE YOUNG’S MODULUS IN ULTRAFINE-GRAINED COPPER CAUSED BY TEXTURE CHANGES AT ANNEALING

Abstract

An influence of annealing on the dynamic Young’s modulus of UFG copper samples prepared by a hydrostatic extrusion and drawing is investigated. It is established that a non-trivial behavior of the elastic properties is mainly due to a formation and successive transformation of the texture at severe plastic deformation and annealing.

Keywords: Young’s modulus, elastic properties, annealing, texture.

Введение. Ультрамелкозернистые (УМЗ) металлы и сплавы характеризуются повышенными технологическими и эксплуатационными характеристиками и являются перспективными для практического использования их в качестве конструкционных материалов. Наиболее доступным способом получения объемных УМЗ металлов является применение различных методов интенсивной пластической деформации (ИПД). Однако полученные методами ИПД материалы являются термодинамически неравновесными, что обусловливает временную и температурную нестабильность их основных характеристик. Поэтому изучение особенностей формирования и стабильности микроструктуры ИПД- металлов представляется важной и актуальной задачей современного материаловедения как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.

Модуль Юнга является важным технологическим и структурно-чувствительным параметром, дающим интегральную информацию о структурных изменениях в объеме материала образцов. До сих пор внимание исследователей было сосредоточено на изучении поведения динамических компонент модуля Юнга, обусловленных релаксационными процессами в различных подсистемах дефектной структуры металлов [0−0]. Практически за пределами внимания исследователей остается мало изученный вопрос о влиянии текстуры на величину модуля Юнга на разных стадиях приготовления УМЗ металлов и сплавов.

В настоящей работе исследовано влияние отжига на величину динамического модуля Юнга образцов УМЗ меди технической чистоты, полученных путем гидроэкструзии и волочения (суммарная деформация e = 6.77). Выявлена нетривиальная зависимость величины модуля Юнга от температуры отжига и показано, что основной причиной аномального поведения упругих свойств является формирование текстуры в образцах и ее последующая трансформация при высокотемпературном отжиге.

Результаты измерений. Влияние температуры отжига Tann на величину динамического модуля Юнга E при 5 К и 300 К показано на рис. 1.

Рис. 1 - Влияние температуры отжига на величину динамического модуля Юнга E при 5 К и 300 К

Для сравнения на рис. 1 пунктирными линиями показаны значения E, измеренные при этих температурах на крупнозернистых полностью отожженных образцах меди (CGFA) [0]. После деформации величина модуля Юнга более, чем на 20 % превосходила значения E в CGFA образцах. Изотермические отжиги приводили к немонотонному изменению величины модуля Юнга. До температуры отжига Тann = 150℃ модуль Юнга увеличивался. При дальнейшем повышении Тann величина E уменьшалась – сначала медленно, а затем скорость уменьшения модуля Юнга с температурой отжига резко возрастала. Общее уменьшение значений модуля Юнга после отжига при 410 ℃ составило 47 %.

Обсуждение результатов. Как правило, ИПД приводит к заметному (до 10 %) уменьшению величины модуля Юнга УМЗ металлов [0−0],  что обусловлено значительным увеличением плотности дислокаций в результате интенсивной пластической деформации (ИПД) и, соответственно, большим дислокационным вкладом в упругую деформацию. Отжиг образцов при повышенных температурах приводил к уменьшению плотности дислокаций и увеличению модуля Юнга.

В настоящей работе было зарегистрировано совершенно иное поведение модуля Юнга: значения E сразу после ИПД-обработки намного превосходили значения модуля в хорошо отожженных поликристаллах, и были намного меньше соответствующих значений после отжига при Tann = 410 ℃. Поэтому прежде всего следует обсудить пределы возможного изменения модуля Юнга в меди. Согласно [0], ориентационная зависимость величины модуля Юнга в кристалле кубической симметрии может быть выражена как:

     (1)

где C11, C12 и C44 – значения компонент тензора модуля упругости меди, r = , lij – значения направляющих косинусов.

На рис. 2 приведены сечения характеристических поверхностей модуля Юнга меди при 5 К и 300 К плоскостью . График показывает, что направлению <001> соответствуют минимальные значения E<001> = 73.2 ГПа, а направлению <111> – максимальное значение E<111> = 205.0 ГПа. Таким образом, наблюдаемые в эксперименте величины E не выходят за пределы возможных для монокристалла Cu значений модуля Юнга.

Рис. 2 - Сечения характеристических поверхностей модуля Юнга в монокристалле меди при 300 К (1) и 5 К (2) плоскостью 

Если в однофазном поликристалле имеется достаточно большое количество зерен со случайной ориентацией, его можно рассматривать как макроскопически  квазиизотропную среду. Упругие свойства такой среды характеризуются с помощью эффективных  коэффициентов упругости, связывающих усредненные по всему объему напряжения и деформации. Верхнюю и нижнюю границы для оценки модулей упругости квазиизотропных поликристаллов можно определить, пользуясь усреднениями Фойгта () и Ройсса () (см., например, [0]):

Измеренные после ИПД величины модуля Юнга находятся за пределами верхней границы значений, даваемых для квазиизотропных поликристаллов приближением Фойгта. В то же время, в образцах, отожженных при температурах 370 ℃ и выше, величина модуля Юнга опускается ниже значений, полученных путем усреднения Ройсса.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что ИПД приводит к формированию в образцах отчетливо выраженной анизотропной структуры. Анизотропия упругих свойств однофазного материала может быть обусловлена образованием кристаллографической текстуры. Наиболее вероятными механизмами значительного изменения модуля Юнга на различных этапах обработки образцов могут быть следующие:

образование выраженной аксиальной кристаллографической текстуры <111> в результате применения использованной схемы ИПД;

вытеснение текстуры <111>, доминирующей после деформации, аксиальной текстурой отжига <001>;

формирование окончательной кристаллографической текстуры отжига <112> и/или образование квазиизотропного поликристаллического состояния (следует отметить, что величина модуля Юнга E<112> » ECGFA, т.е. в экспериментах по определению модуля Юнга меди различить эти два состояния практически невозможно).

Высказанные предположения подтверждаются данными текстурного анализа, проведенного в [0]. Согласно [0], изученные в настоящей работе образцы можно представить в виде композитного материала, составленного из расположенных вдоль оси нагружения волокон различной ориентации: с текстурой <111>, с текстурой <001> и периферийной области, в которой либо доминирует ориентация <112>, либо наблюдается квазиизотропное состояние. При этом вычисление усредненного модуля Юнга упругости текстурированного материала можно произвести по правилу смесей:

 (4)

где Ei  − модули Юнга и ni − объемные доли текстурных компонент.

Если m – объемная доля периферийной зоны, E – измеренное после отжига при Tann значение модуля Юнга, то для объемной доли n<111> , занимаемой кристаллографической текстурой <111>, можно записать:

   (5)

Расчет согласно (5) показывает, что если периферийная зона занимает около 20%  объема образца, текстуры <111> и <001> занимают около 62 % и 18 % объема образца, соответственно. После отжига образцов при 410 ℃ эти доли составляют 3.2 % и 76.8 % (в предположении, что  m остается неизменным).

Выводы. Поведение упругих характеристик образцов УМЗ меди, полученных различными методами ИПД, является существенно различным. В отличие от РКУП-обработанной УМЗ меди, в образцах, полученных путем гидроэкструзии и волочения, выявлено существенное (~ 20 %) увеличение модуля Юнга по сравнению с хорошо отожженными образцами.

При изотермических отжигах до Tann = 150 °C модуль Юнга дополнительно возрастает. При более высоких Tann наблюдается сначала слабое, а при Tann > 210 °С – катастрофическое падение модуля Юнга до значений на 35 % меньших, чем в хорошо отожженных образцах.

Сопоставление полученных результатов с данными текстурного анализа показывает, что аномальное большие значения модуля Юнга объясняются образованием при волочении преимущественной аксиальной кристаллографической текстуры <111>. Значительное уменьшение E при отжиге обусловлено вытеснением текстуры <111> текстурой <001> по мере повышения температуры отжига.

Литература

1. Буренков Ю.А., Никаноров С.П., Смирнов Б.И., Копылов В.И. Восстановление модуля Юнга при отжиге наноструктурного ниобия, полученного в условиях интенсивной пластической деформации // ФТТ. – 2003. – Т. 45, вып. 11. – С. 2017-2021.
2. Kobelev N., Kolyvanov E., Estrin Y. Temperature dependence of sound attenuation and shear modulus of ultra fine grained copper produced by equal channel angular pressing // Acta Mater. – 2008. – Т. 56. – С. 1473-1482.
3. Ватажук Е.Н., Паль-Валь Л.Н., Нацик В.Д., Тихоновский М.А., Куприянов А.А. Низкотемпературные релаксационные процессы в наноструктурном волокнистом композите Сu-Nb // ФНТ. – 2009. – Т. 35, № 5.- С. 528-536.
4. Golovin I.S. and Estrin Y. Mechanical spectroscopy of ultrafine grained copper // Mater. Sci. Forum. – 2011.– V. 667-669 .– 857-862.
5. Golovin I.S., Pal-Val P.P., Pal-Val L.N., Vatazhuk E.N., Estrin Y. The effect of annealing on the internal friction in ECAP-modified ultrafine grained copper // Solid State Phenom. – 2012. – V. 184. – P. 289-295.
6. Паль-Валь П.П., Паль-Валь Л.Н. Низкотемпературное внутреннее трение и стабильность нaнocтpyктypныx металлов // МиТОМ. – 2012, № 5 (683). – С. 28-32.
7. Нацик В.Д., Ватажук Е.Н., Паль-Валь П.П., Паль-Валь Л.Н., Москаленко В.А. Наблюдение низкотемпературных аномалий стекольного типа при изучении акустических свойств наноструктурных металлов // ФНТ.– 2013. – Т. 39, № 12. – С . 1381–1396.
8. Ledbetter H.M. and Naimon E.R. Elastic properties of metals and alloys. II. Copper // J. Phys. Chem. Ref. Data. – 1974. – V. 3. – P. 897-935.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука,1987.- 248 с.
10. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука,1977.- 400 с.
11. Демаков С.Л., Логинов Ю.Н., Илларионов А.Г., Иванова М.А., Карабаналов М.С. Влияние температуры отжига на текстуру в медной проволоке // ФММ. – 2012. – Т. 113, № 7. – С. 1-7.