Механические свойства нанокомпозитных покрытий на основе Fe и Co с различными упрочняющими фазами (Al2O3, SiO2, MgO, CaF2) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Трегубов, Илья Михайлович

• Трегубов, Илья Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Трегубов, Илья Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТРУНЫЙ ОБЗОР

1.1 Механические свойства наноструктурированных материалов

1.2 Механизмы деформации и разрушения наноструктурированных пленок

1.2.1 Внутризеренное скольжение решеточных дислокаций

1.2.2 Зернограничное скольжение

1.2.3 Ротационные механизмы деформации

1.2.4 Зернограничная диффузионная ползучеть по Кобле и диффузионная ползучеть по тройным стыкам

1.3 Нанокомпозитные покрытия

1.4 Гранулированные нанокомпозиты металл - диэлектрик

2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Получение и аттестация образцов

2.2 Методика измерения температурных зависимостей сопротивления композитов в интервале 290 - 900 К

2.3 Методика измерения магниторезистивных свойств

2.4 Методика определения микротвердости композитных покрытий

2.5 Исследование микротвердости с помощью метода непрерывного кинетического индентирования

2.6 Методика определения износостойкости

2.7 Методика определения адгезионной прочности

3. СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Рех(А12Оз)юо-х

3.1 Структура композитов Рех(А120з)юо-х

3.2 Микротвердость композитов Рех(А120з)юо-х

4. СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ (Ре45Со452г10)х(А12Оз)юо-х

4.1 Структура композитов (Ре45Со45ггю)х(А120з) юо-х

4.2 Микротвердость композитов (Ре45Со452гю)х(А120з)юо-х

5. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И АДГЕЗИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Рех(А12Оз)1оо.х и (Ре45Со452г1о)х(А1203)1оо-х

5.1 Износостойкость композитных покрытий

Рех(А12Оз)юо-х И (Ре45Со45гг10)х(А12Оз)|00-х

5.2 Адгезионная прочность композитных покрытий

Рех(А12Оз)юо-х и (Ре45Со45гг1о)х(А12Оз)1оо-х

6. ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ Рех(А12Оз)юо-х, (Ре45Со45гг,о)х(А12Оз)кю-х

5.1 Структура композитов после термических отжигов

Рех(А120з) юо-х и (Ре45Со45гг10)х(А12Оз)1оо-х

5.2 Микротвердость композитных покрытий

Рех(А120з)юо-х и (Ре45Со45гпо)х(Л12Оз)1оо-х после термических отжигов

7. СТРУКТУРА И МИКРОТВЕРДОСТЬ КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА В СОЧЕТАНИИ С

РАЗЛИЧНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ФАЗАМИ

7.1 Структура композитов Сох-(А1203)юо-х, Сох-(8Ю2)юо-х, Сох-(СаР2)юо-х

7.2 Микротвердость композитов Сох-(А12Оз)юо-х> Сох-(8Ю2)юо-х, Сох-(СаР2)юо-х, Сох-(МёО)юо-х 129 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 139 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механические свойства нанокомпозитных покрытий на основе Fe и Co с различными упрочняющими фазами (Al2O3, SiO2, MgO, CaF2)»

Актуальность темы

Прогресс технологий предъявляет все более жесткие требования к повышению качества и надежности конструкционных материалов, способных сопротивляться как динамическим, так и статическим воздействиям различной природы, что, в конечном итоге, должно приводить к значительному увеличению ресурса эксплуатации готовых изделий. Для решения подобных задач существуют разные подходы, одним из которых является модификация поверхности изделий или механизмов, так как именно поверхность всегда подвергается наиболее сложным условиям коррозии и износа, при этом само объемное изделие или деталь могут изготавливаться из обычных конструкционных материалов с невысокими эксплуатационными характеристиками.

В последнее время актуальным направлением модификации поверхности стало создание многокомпонентных наноструктурированных покрытий, в которых рост эксплуатационных характеристик обеспечивается не столько за счет элементного состава покрытия, сколько за счет его морфологии и нано-структурированности. Использование наноструктурного состояния, действительно, позволяет достигать высоких значений твердости, однако, несмотря на значительные абсолютные величины, достигнутые, например, в системах на основе карбидов или нитридов титана, существуют проблемы, затрудняющие использование таких покрытий. Это низкая вязкость, слабая в ряде случаев стойкость к термическому окислению, чрезвычайно высокая чувствительность физических свойств к параметрам процесса получения покрытий, сравнительно высокая стоимость покрытий. При нанесении сверхтвердых покрытий возникает серьезная проблема, связанная с несогласованностью коэффициентов термического расширения покрытия и подложки, что требует создания нескольких промежуточных слоев. Подобные минусы известных решений инициируют дальнейшие поиски новых защитных покрытий.

В этом контексте перспективными упрочняющими покрытиями являются покрытия из нанокомпозитов металл-керамика, обеспечивающих сочетание в одном материале преимуществ, которыми обладают керамика (твердость, прочность, химическая инертность, термостойкость и т.п.) и металлические сплавы (пластичность, упругость, широкий интервал значений температурных коэффициентов линейного расширения, теплопроводность и т.п.) по отдельности. Предполагается, что в качестве металлической фазы таких композитов может выступать материал защищаемой поверхности и в таком случае многие проблемы, сопутствующие использованию напыляемых покрытий, будут решены автоматически. В связи с этим существует очевидная потребность в изучении механизмов, определяющих влияние объемного соотношения между фазами, их микроструктуры и возможного химического взаимодействия между ними на механические свойства таких покрытий. Вследствие этого одним из наиболее важных вопросов, возникающих при исследовании нанокомпозитных покрытий металл-керамика, является вопрос о влиянии морфологии композитов на их механические свойства, поскольку для создания новых нанокомпозитов в упрочняющих целях, необходимо не только подобрать определенный элементный состав, но и создать оптимальную морфологию, при которой материал покрытия будет сочетать в себе наилучшие механические свойства. В данной работе проведено исследование влияния морфологии, структуры и элементного состава фаз на характер поведения механических свойств композитов на основе Бе и Со во взаимодействии с различными упрочняющими фазами (А1203, 8Юг, 1^0, СаР2) в зависимости от концентрации сочетаемых фаз.

Тема диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденному Президиумом РАН (раздел 1.2- «Физика конденсированного состояния вещества»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по плану госбюджетной темы ГБ 2007.23 «Синтез, 5 структура и физические свойства новых конструкционных и функциональных материалов», ГБ 10.23 «Синтез и физические свойства новых материалов твердотельной электроники», ВП 1/09 «Влияние полей различной природы на нелинейные явления в гетерогенных системах с нано- и микроскопическим размером неоднородностей», а также по грантам РФФИ № 09-02-97536-р-центр-а «Наногранулированные композиционные материалы на основе гидридообразующих металлов для хранения водорода», № 09-02-90460-Укрфа «Природа и условия возникновения аномальных магнитных и маг-нитотранспортных эффектов в нанокомпозитах металл-диэлектрик вблизи порога перколяции».

Цель работы. Установить закономерности влияния структуры на механические свойства нанокомпозитных материалов металл-диэлектрик.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать влияние концентрации металлической фазы на структуру композитов Рех(А1203) юо-х, (РеСогг)х(А12Оз)юо.х> Сох(А12Оз)юо-х, Сох(8Ю2)юо-х и Сох(СаБ2)юо-х, полученных методом ионно-лучевого распыления.

2. Определить влияние структуры на микротвердость, износостойкость и адгезионную прочность композитных покрытий Рех(А12Оз)юо.х и (РеСо2г)х(А1203) юо-х

3. Исследовать термическую устойчивость и установить влияние термического воздействия на структуру и микротвердость композитных покрытий Рех(А1203)юо-х и (РеСогг)х(А1203),оо-х.

4. Изучить влияние особенностей диэлектрических фаз, формирующих композит, на величину микротвердости покрытий Сох(А1203)10о-х, Сох(8Ю2)юои Сох(СаР2)юо-х

Научная новизна

В работе впервые:

1) Обнаружено, что в композитах на основе Бе и Со с диэлектриками А1203 8Ю2, и СаБ2 имеется максимум твердости при 80 ат.% металлической фазы, определяемый морфологическими особенностями композитных покрытий и независящий от структурного состояния фаз.

2) Установлено, что присутствие максимума на концентрационной зависимости микротвердости композита связано с наличием растворимости металлической компоненты диэлектрической фазы в металлической фазе композита.

3) Установлено, что изменение микротвердости композиционных покрытий Рех(А1203)юо-х и (РеСогг)х(А1203) юо-х при термическом воздействии определяется изменением механических свойств металлической фазы.

4) Предложена качественная модель, объясняющая упрочнение композиционного материала металл-диэлектрик при концентрации металлической фазы 80 ат. %.

Практическая значимость работы

1) Обнаружен эффект упрочнения металлического материала при введении в него небольшого количества диэлектрической фазы (15-20 ат. %).

2) Сформулированы критерии, при которых проявляется эффект упрочнения композиционного покрытия, заключающиеся в создании условий для формирования диэлектрической фазы композита при стехиометричном соотношении компонент.

3) Экспериментально определены значения параметров прочностных характеристик наноструктурных покрытий, сформированных из композиционных материалов Рех(А12О3)100-х5 (РеСо2г)х(А1203)юо-х,-, Сох(А12О3)100-х, Сох(8Ю2)юо-х и Сох(СаР2)юо-х* полученных методом ионно-лучевого напыления.

4) Установлена связь прочностных характеристик с соотношением фаз и их элементным составом для композитов Рех(А12Оз)юо-х> (РеСоггЦАЬОзЭюо-х, Сох(А1203) 100-х) Сох(8Ю2)юо.х и Сох(Сар2)юо-х

5) Получены термически устойчивые до 550 °С композитные покрытия со значениями микротвердости, достигающими 12-14 ГПа.

6) На примере систем Рех(А1203)1оо-х? (РеСо2г)х(А12Оз)юо-х экспериментально установлено, что износостойкость и адгезионная прочность выше у композитов с аморфной металлической фазой.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1) Экспериментальное обнаружение максимума на концентрационной зависимости микротвердости композиционных пленок на основе Бе и Со с диэлектриками А1203, БЮг и СаБг в районе 80 ат.% металлической фазы.

2) Объяснение максимума микротвердости, наблюдаемого в композитных покрытиях в районе 80 ат. % металлической фазы, изменением механизма деформации при переходе через эту концентрацию.

3) Различный характер изменения микротвердости композиционных покрытий Рех(А1203) 100-х и (РеСогг)х(А1203) юо-х при термическом воздействии, обусловленный особенностями структурных изменений металлических фаз этих композитов при нагреве.

4) Закономерность, связывающая появление максимума микротвердости в композитах металл-диэлектрик, связанная с условиями формирования стехиометрической диэлектрической фазы.

5) Экспериментальное обнаружение влияния структурного состояния фаз композитных покрытий на характеристики их износостойкости.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:

• «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами» (Воронеж 2010)

• Второй международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2010: Беларусь - Россия - Украина»: (Киев, Украина 2010)

• XXII международной конференции "Релаксационные явления в твердых телах": (Воронеж 2010)

• 50-ой, 51-ой и 52-ой отчётных научно-практической конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2010, 2011, 2012)

• Третьем Международном форуме по нанотехнологиям, конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий: Кшпапо1есЬ 2010 (Москва 2010)

• Открытой школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2010" (Уфа 2010)

• Четвертой всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2011» (Москва, ИМЕТ РАН, 2011)

• Международной научной конференции ФТТ-2011 (Минск 2011)

• Третьей всеукраинской конференции молодых ученых «СММТ-2011» (Киев Украина 2011)

• Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Наноматериалы и нанотехнологии в металлургии и материаловедении» (Белгород 2011)

• Открытой школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2012" (Уфа 2012)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-16] — подготовка к эксперименту, получение экспериментальных данных, анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы из 175 наименований. Основная часть работы изложена на 157 страницах, содержит 91 рисунок и 2 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Трегубов, Илья Михайлович

основные результаты и выводы

1. Установлено, что концентрационные зависимости микротвердости композитных покрытий Рех(А12Оз)юо-х, (Ре45Со45гг,0)х(А12Оз),00.х Сох(8Ю2)юо-х и Сох(СаР2)юо-х немонотонны и проходят через максимум при концентрации металлической фазы 80 - 85 ат. %, независимо от структурного состояния фаз, формирующих композиты. Наблюдаемый максимум микротвердости нанокомпозитов обусловлен морфологией, представляющей собой сочетание двух дискретных наноразмерных сред, обладающих специфической природой деформации, препятствующей как зарождению и развитию дислокаций, так и хрупкому растрескиванию.

2. Установлено, что износостойкость нанокомпозитов Рех(А1203)юо-х и (Ре45Со457г1о)х(А12Оз)юо-х значительно превышает износостойкость нержавеющих сталей (12Х18Н10Т). Несмотря на схожесть морфологии композиты (Ре45Со45гг10)х(А12Оз)1оо-х с аморфной металлической фазой демонстрируют более высокую износостойкость по сравнению с кристаллическими композитами Рех(А1203)юо-х, что является следствием разницы механизмов деформации в аморфном и кристаллическом материале.

3. Композитные покрытия Рех(А12Оз)юо-х и (Ре45Со45гг1о)х(А1203)1оо-х являются термически устойчивыми и сохраняют высокие значения микротвердости (12 - 14 ГПа) после отжигов при 550 °С, вследствие сохранения наногра-нулированной структуры. Показано, что наблюдаемый характер изменения микротвердости композитов двух исследованных систем после отжигов связан с особенностями структурных изменений в материалах металлических фаз композитов при нагреве.

4. Экспериментально установлено, что в наноструктурированных композитах металл-диэлектрик выполняется правило смесей. Установлено наличие корреляции между твердостью диэлектрической и металлической фазы и твердостью композитов в системах Сох(А1203)юо-х5 Сох(8Ю2)юо-х,

Сох(СаР2)юо-х- В композитах Сох(8Ю2)юо-х и Сох(СаР2)ю0.х увеличение кон

139 центрации кобальта приводит к увеличению микротвердости, в композитах Сох(А12Оз)1оо-х напротив - к снижению.

5. Показано, что эффект упрочнения нанокомпозитов Сох(8Ю2)юо-Х5 Сох(СаР2) юо-х, заключающийся в наличии максимума микротвердости вблизи 80 ат. % металлической фазы, и отсутствие этого эффекта в композитах Сох(А12Оз)юо-х и Сох(М§0)юо.х связано с различной растворимостью элементов, формирующих диэлектрик (А1, Са, и 81), в кобальте. Предложена качественная модель, объясняющая упрочнение композиционного материала за счет формирования диэлектрической фазы композита со сте-хиометричным соотношением компонент. Получено экспериментальное подтверждение модели.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Трегубов, Илья Михайлович, 2012 год

1. Gleiter Н. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure. 11 Acta Mater., 2000, v. 48, №1, p. 1-29.

2. Гусев А.И., Ремпель A.A. Нанокристаллические материалы. // M.: Физматлит, 2000. 175с.

3. Hall Е.О. The deformation and aging of mild steel // Proc.Phys.Soc. (London) -1951. V. B64 (38IB). - P.742-753.

4. Petch N.J. The cleavage strength of polycrystals // J.Iron.Steel Inst. 1953. V.174. -N.l.-P .25-28.

5. Hahn H., Padmanabhan K.A. Mechanical response of nanostructured materials. //Nanostruct. Mater., 1995, v. 6, № 1-4, p. 191-200.

6. Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications. / Eds. A.S. Edelstain, R.C. Cammarata // Bristol and Philadelphia Inst. Physics Publ., 1996. 479 P.

7. R&D Status and Trends in Nanoparticles, Nanostructured Materials, and Nano-devices in the United States. // Eds. R.W. Siegel, E. Hwu, M.C. Roco. Baltimore, Int. Technology Res. Inst., 1997. 398 P.

8. Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology // v. 1-5. Ed. H.S. Nalwa. San Diego, Academic Press, 1999.

9. Ovid'ko I.A. Interfaces and misfit defects in nanostructured and polycrystalline films. // Rev. Adv. Mater. Sci., 2000, v. 1, № 1, p. 61-107.

10. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Дефекты и механизмы пластичности в нано-структурных и некристаллических материалах. // СПб, Янус, 2001,180 с.

11. Siegel R.W., Fougere G.E. Mechanical properties of nanophase metals. // Nanostruct. Mater., 1995, v. 6, № 1-4, p. 205-216.

12. Song H.W., Guo S.R., Hu Z.Q. A coherent polycrystal model for the inverse Hall-Petch relation in nanocrystalline materials. // Nanostruct. Mater., 1999, v. 11, №2, p. 203-210.

13. Mayo M.J. High and low temperature superplasticity in nanocrystalline materials. //Nanostruct. Mater., 1997, v. 9, № 1-8, p. 717-726.1417,18