Effect of composition and annealing temperature on the structure and properties of Cu–Ni alloys processed by severe plastic deformation

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The structure of Cu–Ni alloys processed by high-pressure torsion (HPT) by 5 revolutions at room temperature and its thermal stability under subsequent annealing have been studied using transmission electron microscopy and microhardness measurements. The influence of three main factors on the structure and microhardness under deformation and annealing depending on the composition has been revealed: the changes in homologous temperature and stacking fault energies (SFE) and the effect of solid solution formation. The combination of these factors results in the non-monotonic change in the structure obtained by HPT (crystallite sizes and microhardness) and its thermal stability depending on the alloy composition. In copper-rich alloys, a decrease in the homologous temperature with an increase in Ni content plays a decisive role in the refinement of the structure, strengthening and thermal stability. When Ni is alloyed with Cu, the structure and its thermal stability do not change as significantly, since the increase in homologous temperature and the decrease in SFE compensate each other, but due to the effect of solid solution formation in alloys with a nearly equiatomic composition, the most dispersed and thermally stable structure is formed.

About the authors

S. A. Sudakova

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of RAS

Email: vpopov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

V. V. Popov

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of RAS

Email: vpopov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

E. N. Popova

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of RAS

Email: vpopov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

A. V. Stolbovsky

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch of RAS

Author for correspondence.
Email: vpopov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

References

  1. Edalati K., Bachmaier A., Beloshenko V.A., Beygelzimer Y.. Blank V.D., Botta W.J., Bryła K., Čížek J., Divinski S., Enikeev N.A., Estrin Y., Faraji G., Figueiredo R.B., Fuji M., Furuta T., Grosdidier T., Gubicza J., Hohenwarter A., Horita Z., Huot J., Ikoma Y., Janeček M., Kawasaki M., Král P., Kuramoto S., Langdon T.G., Leiva D.R., Levitas V.I., Mazilkin A., Mito M., Miyamoto H., Nishizaki T., Pippan R., Popov V.V., Popova E.N., Purcek G., Renk O., Révész Á., Sauvage X., Sklenicka V., Skrotzki W., Straumal B.B., Suwas S., Toth L.S., Tsuji N., Valiev R.Z., Wilde G., Zehetbauer M.J., Zhu X. Nanomaterials by severe plastic deformation: review of historical developments and recent advances // Mater. Research Letters. 2022. V. 10. P. 163–256. https://doi.org/10.1080/ 21663831.2022.2029779
  2. Edalati K., Ahmed A.Q., Akram S., Ameyama K., Aptukov V., Asfandiyarov R.N., Ashida M., Astanin V., Bachmaie A., Beloshenko V., Bobruk E.V., Bryła K., Cabrera J.M., Carvalho A.P., Chinh N.O., Choi I., Chulist R., Cubero-Sesin J.M., Davdian G., Demirtas M., Divinski S., Durst K., Dvorak J., Edalati P., Emura S., Enikeev N.A., Faraji G., Figueiredo R.B., Floriano R., Fouladvind M., Fruchart D., Fuji M., Fujiwara H., Gajdics M.l., Gheorghe D., Gondek Ł., Gonz´alez-Hern´andez J.E., Gornakova A., Grosdidier T., Gubicza J., Gunderov D., He L., Higuera O.F., Hirosawa S., Hohenwarter A., Horita Z., Horky J., Huang Yi., Huot J., Ikoma Y., Ishihara T., Ivanisenko Y., Jang J., Jr0 A.M.J., Kawabata-Ota M., Kawasaki M., Khelfa T., Kobayashi J., Kommel L., Korneva A., Kral P., Kudriashova N., Kuramoto S., Langdon T.G., Lee D.-H., Levitas V.I., Li C., Li H.-W., Li Y., Li Z., Lin H.-J., Liss K.-D., Liu Y., Cardona D.M.M., Matsuda K., Mazilkin A., Mine Y., Miyamoto H., Moon S.-C., Müller T., Mu˜noz J.A., Murashkin M.Y., Naeem M., Novelli M., Olasz D., Pippan R., Popov V.V., Popova E.N., Purcek G., de Rango P., Renk O., Retraint D., R´ev´esz A., Roche V., Rodriguez-Calvillo P., Romero-Resendiz L., Sauvage X., Sawaguchi T., Sena H., Shahmir H., Shi X., Sklenicka V., Skrotzki W., Skryabina N., Staab F., Straumal B., Sun Z., Szczerba M., Takizawa Y., Tang Y., Valiev R.Z., Vozniak A., Voznyak A., Wang B., Wang J.T., Wilde G., Zhang F., Zhang M., Zhang P., Zhou J., Zhu X., Zhu Y.T. Severe plastic deformation for producing superfunctional ultrafine-grained and heterostructured materials: An interdisciplinary review // J. Alloys Compounds. 2024. V. 1002. P. 174667–174816. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174667
  3. Смирнова Н.А., Левит В.И., Пилюгин В.П., Кузнецов Р.И., Давыдова Л.С., Сазонова В.А. Эволюция структуры ГЦК монокристаллов при больших пластических деформациях // ФММ. 1986. Т. 61 (6). С. 1170–1177.
  4. Смирнова Н.А., Левит В.И., Пилюгин В.П., Кузнецов Р.И., Дегтярев М.В. Особенности низкотемпературной рекристаллизации никеля и меди // ФММ. 1986. Т. 62 (3). С. 566–570.
  5. Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications // Prog. Mater. Sci. 2008. V. 53. P. 893–979.
  6. Pippan R., Scheriau S., Hohenwarter A., Hafok M. Advantages and limitations of HPT: a review // Mater. Sci. Forum. 2008. V. 584–586. P. 16–21.
  7. Pereira P.H.R., Figueiredo R.B. Finite element modelling of high-pressure torsion: an overview // Mater. Trans. 2019. V. 60 (7). P. 1139–1150.
  8. Рогачев C.O., Рожнов А.Б., Никулин С.А., Рыбалъченко О.В., Горшенков М.В., Чжен В.Т., Добаткин С.В. Влияние режимов кручения под высоким давлением на структуру и упрочнение сплава Zr–1% Nb // ФММ. 2016. Т. 117. № 4. С. 385–391.
  9. Орлова Д.К., Чащухина Т.И., Воронова Л.М., Дегтярев М.В. Влияние температурно-скоростных условий деформации в наковальнях Бриджмена на формирование структуры в меди технической чистоты // ФММ. 2015. Т. 116. № 9. С. 1001–1008.
  10. Красноперова Ю.Г., Дегтярев М.В., Воронова Л.М., Чащухина Т.Н. Влияние температуры отжига на рекристаллизацию никеля с ультрадисперсной структурой различного типа // ФММ. 2016. Т. 117. № 3. С. 279–286.
  11. Talantsev E.F., Degtyarev M.V., Chashchukhina T.I., Voronova L.M., Pilyugin V.P. Piecewise model with two overlapped stages for structure formation and hardening upon high-pressure torsion // Metall. Mater. Trans. A 2021. V. 52. P. 4510–4517.
  12. Корзников А.В., Тюменцев А.Н., Дитенберг И.А. О предельных минимальных размерах зерен в наноструктурных металлических материалах, полученных при деформации кручением под давлением // ФММ. 2008. Т. 106. № 4. С. 433–438.
  13. Pippan R., Scheriau S., Taylor A., Hafok M., Hohenwarter A., Bachmaier A. Saturation of fragmentation during severe plastic deformation // Ann. Rev. Mater. Res. 2010. V. 40. P. 319–343.
  14. Zhao Y.H., Liao X.Z., Zhu Y.T., Horita Z., Langdon T.G. Influence of stacking fault energy on nanostructure formation under high pressure torsion // Mater. Sci. Eng. A 2005. V. 410–411. P.188–193.
  15. Zhao Y.H., Zhu Y.T., Liao X.Z., Horita Z., Langdon T.G. Tailoring stacking fault energy for high ductility and high strength in ultrafine grained Cu and its alloy // Appl. Phys. Let. 2006. V. 89. P. 121906.
  16. An X.H., Wu S.D., Wang Z.G., Zhang Z.F. Significance of stacking fault energy in bulk nanostructured materials: Insights from Cu and its binary alloys as model systems // Progr. Mater. Sci. 2019. V. 101. P. 1–45. https://doi.org/10.1016/ j.pmatsci.2018.11.001
  17. Dobatkin S.V., Bastarache E.N., Sakai G., Fujita T., Horita Z., Langdon T.G. Grain refinement and superplastic flow in an aluminum alloy processed by high-pressure torsion // Mater. Sci. Eng. A. 2005. V. 408. P. 141–146.
  18. Cayron C. Quantification of multiple twinning in face centred cubic materials // Acta Mater. 2011. V. 59 (1). P. 252–262.
  19. Barr C.M., Leff A.C., Demott R.W., Doherty R.D., Taheri M.L. Unraveling the origin of twin related domains and grain boundary evolution during grain boundary engineering // Acta Mater. 2018. V. 144. P. 281–291.
  20. Попов В.В., Попова Е.Н., Столбовский А.В., Фалахутдинов Р.М. Эволюция структуры бронзы Cu–1%Sn при кручении под высоким давлением и последующем отжиге // ФММ. 2018. Т. 119. № 4. С. 377–386.
  21. Попов В.В., Столбовский А.В., Попова Е.Н., Фалахутдинов Р.М., Шорохов Е.В. Эволюция структуры оловянистой бронзы при динамическом канально-угловом прессовании // ФММ. 2017. Т. 118. № 9. С. 909–916.
  22. Emeis F., Peterlechner M., Divinski S.V., Wilde G. Grain boundary engineering parameters for ultrafine grained microstructures: Proof of principles by a systematic composition variation in the Cu–Ni system // Acta Mater. 2018. V. 150. P. 262–272. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.02.054.
  23. Harris I.R., Dillamore I.L., Smallman R.E., Beeston B.E.P. The influence of d band structure on stacking-fault energy // Phil. Mag. 1966. М. 128. No. 14. P. 325–333.
  24. Detor A.J., Schuh C.A. Microstructural evolution during the heat treatment of nanocrystalline alloys // J. Mater. Res. 2007. V. 22 (11). P. 3233–3248.
  25. Кузнецов П.В., Рахматулина Т.В., Беляева И.В., Корзников А.В. Энергия внутренних границ раздела как характеристика эволюции структуры ультрамелко-зернистых меди и никеля после отжига // ФММ. 2017. Т. 118. № 3. С. 255–262.
  26. Попов В.В., Столбовский А.В., Попова Е.Н. Структура сплавов системы никель–медь в стадии насыщения после кручения под высоким давлением // ФММ. 2017. Т. 118. № 11. С. 1129–1137.
  27. Popov V.V., Stolbovsky A.V., Popova E.N., Pilyugin V.P. Structure and thermal stability of Cu after severe plastic deformation // Defect Diff. Forum. 2010. V. 297–301. P. 1312–1321.
  28. Labusch R. A statistical theory of solid solution hardening // Phys. Stat. Sol. (B). 1970. V. 41(2). P. 659–669.
  29. Popov V.V., Popova E.N., Osinnikov E.V. Specific Features of Grain Boundaries in Nickel Processed by High-Pressure Torsion // Mater. Trans. 2023. V. 64(7). P. 1401–1409.
  30. Popov V.V., Popova E.N., Osinnikov E.V. Effect of Severe Plastic Deformation on the Structure and State of Grain Boundaries in Niobium // Met. Mater. Int. 2025. https://doi.org/10.1007/s12540-024-01871-x

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».