ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.18, вып.4, 2013 УДК 669.35: 539.89 ФРАКТОГРАФИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИ СИНТЕЗИРОВАННЫХ Cu-Zn И Cu-Ag СПЛАВОВ ПОСЛЕ ХОЛОДНОЙ И КРИОДЕФОРМАЦИИ Т.П. Толмачев, В.П. Пилюгин, А.А. Ярославцев Ключевые слова: Cu-Ag; Cu-Zn; деформация; криодеформация; давление; фрактография; механосинтез; неравновесный раствор. Исследовано влияние холодной (293 К) и низкотемпературной (80 К) мегапластической деформации порошк овых смесей систем Cu-Zn и Cu-Ag на структурные превращения и кинетику механического сплавления. Установлена задержка структурно-фазовых изменений и более низкая гомогенность твердых растворов, механически сплавленных при 80 К в сравнении с 290 К. Мелкозернистость фрактографии образцов Cu-Ag обусловлена высокой неравновесностью и начальным распадом Cu-Ag твердых растворов. Для механического синтеза твердых растворов используют методы шарового помола [1]. Cплавы имеют порошковый вид, что затрудняет применение структурных методов, в частности, методов фрактографии. Представляет интерес исследование эволюции микроструктуры и вида изломов образцов синтезируемых сплавов от степени деформации и температуры. Объектами исследования выбраны системы неограниченной растворимости Cu-Zn с отрицательной энтальпией смешения J = –11 кДж/моль и ограниченной растворимости с положительной энтальпией смешения Cu-Ag, J = +5 кДж/моль [2]. Для более точного определения степени деформации исходных порошковых смесей и контроля температуры выбран метод обработки на вращаемых наковальнях Бриджмена [3]. Основной целью работы являлось исследование эволюции микроструктуры и характера разрушения образцов смесей Cu-Zn, Cu-Ag от величины холодной (290 К) и низкотемпературной (80 К) пластических деформаций (ПД). Исследовали порошковые смеси состава, % (ат.): 80 Cu + 20 Zn (область α-латуни на равновесной фазовой диаграмме) и % (ат.): 80 Cu + 20 Zn (область отсутствия растворимости на равновесной фазовой диаграмме). Применяли порошковые материалы: меди 99,7 % после химического восстановления, частицы длиной 30–100 мкм и 10–60 мкм в поперечнике (рис. 1а). Цинк ЧДА и серебро 99,99 % (рис. 1б, 1в) в виде стружки толщиной до 10 мкм, шириной 100–200 мкм и длиной 100–500 мкм. Для изучения на различных уровнях структуры синтезируемых сплавов применяли методы РСА – рентгеновской дифрактометрии на отражение (ДРОН-1УМ) и на просвет в синхротронном излучении, СЭМ – электронной сканирующей и ПЭМ – просвечивающей микроскопии. Для достижения поставленных целей авторы ограничились иллюстрациями данных только от метода СЭМ. Остановимся на результатах системы Cu-Zn. СЭМ фрактография изломов показала, что малая истинная ПД порошковой смеси металлов е = 1,7 (поворот наковален на φ = 15°) при 290 К приводит к изменению формы частиц: сплющиванию и вытягиванию в направлении кручения. Частицы спрессовываются в конгломерат, между частицами обнаруживаются трещины, возникшие, вероятно, во время снятия давления и последующего излома образцов (рис. 2а). С увеличением ПД вытянутость частиц растет, толщина уменьшается, и при е ≤ 4,8 (n ≤ 1, n – число оборотов наковален) образец представляет собой цельный, без трещин, тонкослоистый (2–5 мкм) по ламинарному типу течения, конгломерат (рис. 2в). Увеличение e до 6,5 (n = 5) приводит к изменению типа излома: исчезает тонкая слоистость, его поверхность более однородна (рис. 2д). Встречаются участки с гладкой поверхностью разрушения, что характерно для хрупкого излома, и перетяжки, соответствующие вязкому типу разрушения. Такая структура характеризует раствор, по данным РСА и ПЭМ, не достигший гомогенности. После ПД е = 7,5 (n = 15) характер разрушения радикально изменяется: изломы приобретают вид камневидного разрушения со сложным рельефом (рис. 2ж). Данный вид изломов проявляет уже гомогенный твердый раствор 80 Cu + 20 % Zn. Снижение температуры ПД Cu-Zn системы до 80 К показало различие в характере изломов, обусловленное замедлением процессов изменения формы и свариваемости частиц. После большой криогенной ПД в образцах все еще сохраняется слоистость, хотя прослойки становятся тоньше, появляются сплошные области, утратившие слоистость (рис. 2з) и разрушающиеся по гладкой поверхности. Процессы вытягивания в слои, сваривания в конгломерат и взаимного растворения существенно замедляются. Образование твердого раствора наступает при существенно больших степенях ПД, е = 15–18 (n ≥ 30). Рис. 1. Частицы порошков: а) меди; б) цинка; в) серебра 1659 ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.18, вып.4, 2013 n = 40–45. По данным ПЭМ, размер кристаллитов 20 нм. Растворы Cu–Ag являются нестабильными и испытывают частичный распад, что и проявляется в «зернистости» излома. Большее увеличение показывает, что разрушение, аналогично излому с включениями второй фазы, рис. 4. Рис. 4. СЭМ излом Cu – 20 ат. % Ag сплава ПД, n = 44 при 290 K, ×50 000 Вторая фаза в данном случае – это неоднородное состояние раствора, появившееся в результате распада механически синтезированного неравновесного твердого раствора Cu – 20 ат. % Ag. ЛИТЕРАТУРА 1. Рис. 2. СЭМ изломы Cu – 20 ат. % Zn после ПД при 290 и 80 К: а) n = 15°, Т = 290 К; б) n = 15°, Т = 80 К; в) n =1 оборот, Т = 290 К; г) n =1 оборот, Т = 80 К; д) n = 5 оборотов, Т = 290 К; е) n = 5 оборотов, Т = 80 К; ж) n = 15 оборотов, Т = 290 К; з) n = 15 оборотов, Т = 80 К 2. 3. Gilman P.S., Benjamin J.S. Mechanical Alloying // Annual Review of Materials Science. 1983. V. 13. P. 279-361. Miedema A.R., de Chatel P.F., de Boer F.R. Cohesion in alloys – fundamentals of a semi-empirical model // Physica 100B. 1980. P. 1-28. Пилюгин В.П., Толмачев Т.П., Пацелов А.М. и др. Влияние температуры на механизм и кинетику образования твердых растворов в системе Сu-Zn при деформировании под давлением // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 6. (в печати). БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена по теме «Импульс» и при частичной поддержке проектов Президиума РАН № 12-П-2-1053, Президиума УрО РАН № 12-П-2-1016п, М10. Структурные исследования выполнены в ЦКПЭМ ИФМ УрО РАН. Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г. Рис. 3. СЭМ изломы Cu – 20 ат. % Ag после ПД, n = 40 при 290 K слева и 80 K справа Перейдем к системе Cu-Ag, рис. 3. При малых ПД разрушение образцов имеет общие черты с Cu-Zn образцами. После больших ПД в действие вступают механизмы, действующие на уровне тонкой структуры, и проявляются сильные различия в фрактографии Cu – 20Zn и Cu – 20Ag растворов. Характерной особенностью разрушения Cu – 20Ag образцов после сверхбольших е = 15–18 (n ≥ 30) является «зернистость» излома, около 150–200 нм. Она уменьшается до 50–60 нм после еще большей ПД, 1660 Tolmachev T.P., Pilyugin V.P., Yaroslavtcev A.A. FRACTOGRAPHIC ANALYSIS OF MECHANICALLY ALLOYED Сu-Zn, Сu-Ag AFTER COLD AND CRYO-DEFORMATION The influence of severe cold – (293 К) and low-temperature (80 К) deformation Cu-Zn and Cu-Ag powder mixtures on the structural transitions and mechanical alloying kinetics is studied. The significant retardation of structural-phase changes and low homogeneity of solid solution produced at 80 K in comparison with that produced at 290 K are revealed. A “sand like” shape at large magnification fracture of Cu-Ag is due to non-equilibrium inhomogeneity of solid solution. Key words: Cu-Ag; Cu-Zn; deformation; cryo-deformation; pressure; fractography; mechanical alloying; non-equilibrium solid solution.