Низкотемпературная пластическая деформация и деформационное упрочнение нанокристаллического титана

Abstract

Закономерности пластической деформации нанокристаллического (НК) титана технической чистоты ВТ1-0 изучены в экспериментах по квазистатическому растяжению при изменении среднего размера зерен d от 35 нм до 2 мкм в интервале температур 4,2 К < Т < 395 К. Широкий интервал вариации размеров и распределения зерен по размерам стал возможен благодаря использованию метода криомеханической фрагментации зеренной структуры, сочетающего прокатку при температуре жидкого азота и последующие отжиги. При температурах Т ≲ 30 К плавные деформационные кривые становятся волнистыми, а при дальнейшем понижении температуры до Tjump ≈ 22 К — скачкообразными. Найдена корреляция между относительной амплитудой скачка напряжения ∆σ/σ и скоростью деформационного упрочнения θ = (∂σ/∂е)ė. Обнаружено существенное повышение пластичности, особенно заметное при температурах Т ≲ 140 К, при наличии в НК титане небольшой доли (≈ 15%) зерен субмикронного размера. Результат объясняется сочетанием динамического роста зерен под действием растягивающих напряжений и активизирующимся в зернах субмикронного размера нанодвойникованием, которому благоприятствует аномальный рост зерен, индуцированный деформацией при криогенных температурах. В зернах нанометрового размера (d ≲ 50 нм) двойники не наблюдались.

Закономірності пластичної деформації нанокристалічного (НК) титану технічної чистоти ВТ1-0 вивчено в експериментах із квазістатичного розтягу при зміні середнього розміру зерна d від 35 нм до 2 мкм в інтервалі температур 4,2 К < Т < 395 К. Широкий інтервал розмірів зерен та розподілу зерен за розмірами став можливим завдяки використанню метода кріомеханічної фрагментації зеренної структури, який поєднує прокатку при температурі рідкого азоту і подальші відпали. При температурах Т ≲ 30 К плавні деформаційні криві стають хвилястими, а при подальшому зниженні температури до Tjump ≈ 22 К — стрибкоподібними. Знайдено кореляцію між відносною амплітудою стрибка напруження ∆σ/σ і швидкістю деформаційного зміцнення θ = (∂σ/∂e)ė. Виявлено істотне підвищення пластичності, особливо значне при температурах Т ≲ 140 К, при наявності в НК титані частки (≈ 15%) зерен субмікронного розміру. Ефект пов’язується з поєднанням процесів динамічного росту зерен під впливом напружень розтягу і активізованим в зернах субмікронного розміру нанодвійникування, якому сприяє аномальний ріст зерен, що індуковано деформацією при кріогенних температурах. В зернах нанометрового розміру (d ≲ 50 нм) двійники не спостерігались.

The regularities of low-temperature plastic deformation of nanocrystalline (NC) commercial purity titanium VT1-0 have been studied in the quasi-static tensile experiments with average grain size ranged from d = 35 nm up to d = 2 µm in the temperature range 4.2 K < T < 395 K. The wide range of grain size distribution became possible due to using the method of cryomechanical grain fragmentation which combined rolling at liquid nitrogen temperature with subsequent annealing. It is found that the smooth curves are of a behavior wavy at temperatures T ≲ 30 K, become serrated ones with decreasing temperature down to T jump ≈ 22 K. The correlation between relative amplitude of the stress jump ∆σ/σ and strain hardening rate θ = (∂σ/∂е)ė was found. A significant increase of ductility (especially at temperatures T ≲ 140 K) under the condition of presence of a small fraction (≈ 15%) of submicron grains in NC titanium was observed. This can be explained by a combination of two processes: the dynamic grain growth under the influence of tensile stress and nanotwinning activation in the submicron grains. Discovered anomalous grain growth at cryogenic temperatures also favors for nanotwinning in the process of deformation. In the nanometer-sized grains (d ≲ 50 nm) twins were not observed.