Mechanical Alloying and Fracture Features of Non-Equilibrium Cu-Co Alloys

T. P. Tolmachev; V. P. Pilyugin; A. M. Patselov; A. I. Ancharov; A. V. Inozemtsev

doi:10.17804/2410-9908.2018.6.018-026

T. P. Tolmachev, V. P. Pilyugin, A. M. Patselov, A. I. Ancharov, A. V. Inozemtsev

MECHANICAL ALLOYING AND FRACTURE FEATURES OF NON-EQUILIBRIUM Cu-Co ALLOYS

DOI: 10.17804/2410-9908.2018.6.018-026

The paper studies the structural, phase and fractographic features of mechanically synthesized non-equilibrium Cu-Co alloys characterized by limited solubility. The components are taken in three different proportions. Mechanical alloying was carried out by high-pressure torsion related to severe plastic deformation methods. As a result of mechanical alloying, the investigated system of components initially insoluble below 800 °C, according to the equilibrium phase diagram, undergoes structural and phase changes consisting in the formation of non-equilibrium solid solutions. With an increase in the proportion of cobalt in the original mixture, the proportion of this element in the solid solution increases after mechanical alloying. This, in turn, affects the appearance of the fracture surface; namely, it changes from brittle-ductile fracture first to brittle fracture and then to mixed one, corresponding to an earlier stage of deformation-induced mechanical alloying.

Acknowledgement: The research was performed within UB RAS Project No. 18-10-2-24.

Keywords: mechanical alloying, high-pressure torsion, non-equilibrium solid solution, Cu-Co system, fractography, X-ray diffraction analysis

References:

1. Lyakishev N.P., ed. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh sistem [State Diagrams for Double Metal Systems: Reference book]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1997, 1024 p. (In Russian).
2. Miedema A.R., De Chatel P.F., De Boer F.R. Cohesion in alloys – fundamentals of a semi-empirical model. Physica B, 1980, vol. 100, pp. 1–28. DOI: 10.1016/0378-4363(80)90054-6.
3. Barabash O.M., Koval Yu.N. Struktura i svoystva metallov i splavov [Structure and Properties of Metals and Alloys]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1986, 599 p. (In Russian).
4. Tolmachev T.P., Pilyugin V.P., Ancharov A.I., Chernyshov E.G., Patselov A.M. The Formation, Structure, and Properties of the Au–Co Alloys Produced by Severe Plastic Deformation under Pressure. Physics of Metals and Metallography, 2016, vol. 117, no. 2, pp. 135–142. DOI: 10.1134/S0031918X16020125.
5. Starenchenko V.A., Cherepanov D.N., Solov’eva Yu.V., Popov L.E. Generation and accumulation of point defects in fcc single crystals upon plastic strain. Russ. Phys. J., 2009, vol. 52, no. 4, pp. 398–410. DOI: 10.1007/s11182-009-9237-0.
6. Gapontsev V.L., Kondrat’ev V.V. Diffusion phase transformations in nanocrystalline alloys under severe plastic deformation. Dokl. Phys., 2002, vol. 47, no. 8, pp. 576–579. DOI: 10.1134/1.1505513.
7. Farber V.M. Contribution of diffusion processes to structure formation in intense cold plastic deformation of metals. Metal Sci. Heat Treat., 2002, vol. 44, no. 7–8, pp. 317–323. DOI: 10.1023/A:1021216122980.
8. Hirth J.P., Lothe J. Theory of Dislocations, New York, McGraw Hill, 1968, 780 p.
9. Shtremel’ M.A. Participation of diffusion in the processes of mechanical alloying. Metal Sci. Heat Treat., 2002, vol. 44, no. 7–8, pp. 324–327. DOI: 10.1023/A:1021268107050.
10. Oberdorfer B., Setman D., Steyskal E., Hohenwarter A., Sprengel W., Zehetbauer M., Pippan R., Wurschum R. Grain boundary excess volume and defect annealing of copper after high pressure torsion. Acta Mater., 2014, vol. 68, pp. 189–195. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.12.036.
11. Popov V.V., Sergeev A.V., Arkhipova N.K., Istomina A.Yu. Determination of the parameters of grain-boundary diffusion and segregation of Co in W using an improved model of grain-boundary diffusion. Phys. Met. Metallogr., 2011, vol. 112, pp. 256–266. DOI: 10.1134/S0031918X11030252.
12. Christian J. The Theory of Transformations in Metals and Alloys. Part 1. Equilibrium and General Kinetic Theory, Oxford, Pergamon, 1975, 586 p.
13. Andrievskii R.A., Glezer A.M. Strength of nanostructures. Phys. Usp., 2009, vol. 52, no. 4, pp. 315–334. DOI: 10.3367/UFNe.0179.200904a.0337.
14. Andrievskii R.A., Glezer A.M. Size effects in nanocrystalline materials. II. Mechanical and physical properties. Phys. Met. Metallogr., 2000, vol. 89, pp. 83–102.
15. Pilyugin V.P., Gapontseva T.M., Chashchukhina T.I., Voronova L.M., Shchinova L.I., Degtyarev M.V. Evolution of the structure and hardness of nickel upon cold and low-temperature deformation under pressure. Phys. Met. Metallogr., 2008, vol. 105, pp. 409–418. DOI: 10.1134/S0031918X08040157.

$Fig. 3. X-ray diffraction patterns of the Cu and Co system components in powders and after mechanical alloying: 1 – Undeformed 50:50 mixture; 2 – after MA of the 80:20 composition; 3 – after MA of 50:50; 4 – after MA of 20:80$ $Fig. 4. The fracture surfaces of the Cu-Co alloys, obtained by an SEM, at the middle of the radii of the specimens of the following compositions: a – 80:20; b – 50:50, c – 20:80$

Т. П. Толмачев, В. П. Пилюгин, А. М. Пацелов, А. И. Анчаров, А. В. Иноземцев

МЕХАНИЧЕСКОЕ СПЛАВЛЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Co-Cu

В работе изучаются структурно-фазовые и фрактографические особенности механически синтезированных неравновесных сплавов системы с ограниченной растворимостью Cu-Co, компоненты которой брали в трех различных пропорциях. Механическое сплавление осуществляли методом интенсивной пластической деформации – кручением под высоким давлением. В результате механосплавления исследуемая система исходных отдельных нерастворимых ниже 800^°С компонентов, согласно равновесной фазовой диаграмме, испытывает структурно-фазовые изменения, которые заключаются в формировании неравновесных твердых растворов. С увеличением доли кобальта в шихте доля его в твердом растворе после механосплавления увеличивается. Это в свою очередь влияет на вид поверхности разрушения, когда от хрупко-вязкого излома происходит переход сначала к хрупкому сколу, а затем к смешанному, соответствующему более ранней стадии деформационно-индуцированного механического сплавления.

Благодарность: Исследование выполнено за счет проекта УрО РАН № 18-10-2-24.

Ключевые слова: механическое сплавление, кручение под высоким давлением, система Cu-Co, неравновесный твердый раствор, фрактография, рентгеновская дифрактометрия

Библиография:

Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник в 3 т. / под общ. ред. Н. П. Лякишева. – М. : Машиностроение, 1997. – 1024 с.
Miedema A. R., De Chatel P. F., De Boer F. R. Cohesion in alloys - fundamentals of a semi-empirical model // Physica B. – 1980. – Vol. 100. – P. 1–28. – DOI: 10.1016/0378-4363(80)90054-6.
Барабаш О. М., Коваль Ю. Н. Структура и свойства металлов и сплавов. – Киев : Наукова думка, 1986. – 599 с.
Образование, структура и свойства сплавов системы Au–Co, полученных интенсивной пластической деформацией под давлением / Т. П. Толмачев, В. П. Пилюгин, А. И. Анчаров, Е. Г. Чернышев, А. М. Пацелов // Физика металлов и металловедение. – 2016. — № 2 (117). – С. 155–163. – DOI: 10.7868/S0015323016020121.
Генерация и накопление точечных дефектов в процессе пластической деформации в монокристаллах с ГЦК-структурой / В. А. Старенченко, Д. Н. Черепанов, Ю. В. Соловьева, Л. Е. Попов // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2009. – № 4. – C. 60–71.
Гапонцев В. Л., Кондратьев В. В. Диффузионные фазовые превращения в нанокриталлических сплавах при интенсивной пластической деформации // Доклады Академии наук. – 2002. – Т. 385, № 5. – С. 608–611.
Фарбер В. М. Вклад диффузионных процессов в структурообразовании при интенсивной холодной пластической деформации металлов // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2002. – № 8. – С. 3–9.
Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций / пер. с англ. под ред. Э. М. Надгорного, Ю. А. Осипьяна. – М. : Атомиздат, 1972. – 600 с.
Штремель М. А. Об участии диффузии в процессах механического легирования // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2002. – № 8. – С. 10–12.
Grain boundary excess volume and defect annealing of copper after high pressure torsion / B. Oberdorfer, D. Setman, E. Steyskal, A. Hohenwarter, W. Sprengel, M. Zehetbauer, R. Pippan, R. Wurschum // Acta Mater. – 2014. – Vol. 68. – P. 189–195. – DOI: 10.1016/j.actamat.2013.12.036.
Определение параметров зернограничной диффузии и сегрегации Со в W с использованием уточненной модели зернограничной диффузии / В. В. Попов, А. В. Сергеев, Н. К. Архипова, А. Ю. Истомина. // Физика металлов и металловедение. – 2011. – № 3 (112). – С. 273–284.
Кристиан Дж. Теория превращения в металлах и сплавах. Ч. 1 : Термодинамика и общая кинетическая теория. – М. : Мир, 1978. – 806 с.
Андриевский Р. А., Глезер А. М. Прочность наноструктур // Успехи физических наук. – 2009. – Т. 179, № 4. – С. 337–358. – DOI: 10.3367/UFNr.0179.200904a.0337.
Андриевский Р. А., Глезер А. М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах: II. Механические и физические свойства // Физика металлов и металловедение. – 2000. – Т. 89, № 1. – С. 91–112.
Эволюция структуры и твердости никеля при холодной и низкотемпературной деформации под давлением / В. П. Пилюгин, Т. М. Гапонцева, Т. И. Чащухина, Л. М. Воронова, Л. И. Щинова, М. В. Дегтярев // Физика металлов и металловедение. – 2008. – № 4 (105). – С. 1–11.

Библиографическая ссылка на статью

Mechanical Alloying and Fracture Features of Non-Equilibrium Cu-Co Alloys / T. P. Tolmachev, V. P. Pilyugin, A. M. Patselov, A. I. Ancharov, A. V. Inozemtsev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2018. - Iss. 6. - P. 18-26. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2018.6.018-026. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_235.html
(accessed: 21.12.2024).