2.3.3. Интенсивная пластическая деформация

Получение беспористых наноструктурированных конструкционных материалов методом кристаллизации из аморфного состояния, применимо только для сплавов, которые можно закалить из расплава в аморфное состояние. Интенсивная пластическая деформация (ИПД), позволяющая получать беспористые металлы и сплавы с размером зерна менее 100нм, применима к пластическим деформируемым материалам [2].Для получения зерен нанокристаллического уровня необходимы высокая интенсивность и существенная немонотонность деформации, выполняемой при температурах, не превышающих 0,3-0,4 Тпл. системы. Немонотонность деформации обеспечивает активизацию новых систем скольжения дислокаций и их взаимодействие с образующимися при деформации малоугловыми границами фрагментов. Необходимо и наличие высокого всестороннего давления для предотвращения образования трещин.

М етод ИПД, заключающийся в деформировании с большими степенями деформации без изменения внешних размеров заготовки, позволяет получать объемные беспористые нанокристаллические материалы кручением под высоким давлением и равноканальным угловым прессованием (Рис. 26). В процессе такой деформации повышается плотность дислокаций, измельчается зерно, возрастает концентрация точечных дефектов. Основная роль в формировании структуры и свойств материала состоит в обеспечении однородности напряженного состояния по всему объему материала.

Рис. 26. Схемы основных методов интенсивной пластической деформации: а — кручение под высоким давлением,

б — равноканальное угловое прессование

Основной особенностью структуры является неравновестность границ зерен и тройных стыков зерен ,которые служат источником больших упругих напряжений. Ширина межзеренных границ составляет от 2 до 10 нм ,плотность дислокаций достигает 3*10¹⁵ см^-2

К известным методам ИПД относятся: мультиосевая деформация [27], знакопеременный изгиб [28], аккумулируемая прокатка, винтовое прессование.

В некоторых сплавах после ИПД происходит образование пересыщенных твердых растворов [29],способных упрочняться последующим старением. (Рис. 27).

Рис. 27. Морфология частиц состаренного порошка карбида ванадия при увеличении в 50000 раз: частицы размером около 1 мкм представляют собой совокупность нанокристаллитов в форме искривлённых лепестков-дисков диаметром от 400 до 600 нм и толщиной около 15-20 нм.

Особенности структуры нанокристаллических материалов приводят к отличиям их физико-механических свойств от свойств крупнозернистых аналогов. С уменьшением размеров зерен происходит рост прочности и твердости за счет образования дополнительных границ зерен, которая является препятствиями для движения дислокаций, и трудности образования новых дислокаций. Микротвердость нанокристаллических материалов в 2-7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, причем это не зависит от метода получения материала.

Прочность и износостойкость наноструктурных металлических материалов значительно выше крупнозернистых сплавов.

При интенсивной пластической деформации в металлах и сплавах происходит эволюция дефектов кристаллического строения.

В работе [38] предложена технология получения высокопрочного никелида титана за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры до нанокристаллического размера с использованием продольной прокатки полосы в валках прокатного стана. Технология позволяет получать массивные образцы с нанокристаллической структурой и может осуществляться на обычном ,используемом в производстве ,оборудовании .Кристаллографическое строение матрицы соответствует фазе никелида титана с ОЦК ячейкой с периодом 0,3013 нм. Частицы мартенсита размером 5-15 нм встроены в высокодисперсную матрицу, состоящую из элементов структуры размером около 3 нм, которые хорошо видны при увеличении 500000 крат.

Путем интенсивной деформации в вакуум плавленых и порошковых сплавах на основе вольфрама повышается жаропрочность ,вязкость разрушения и низкотемпературная пластичность за счет создания в материалах субмикронной структуры и формирования субмикронных и наноразмерных частиц оксидов в порошковых материалах и тугоплавких карбидов в вакуум плавленых сплавах [39]. Интенсивная деформация в сплавах вольфрама создает субмикронную зеренную, волокнистую и ячеистую структуру, которая обеспечивает высокую прочность и хорошую пластичность при компактной температуре за счет образования карбидов металлов величиной 10 – 100 нм.