Содержание
Введение...........................................................5
I. Поликристаллический агрегат и его строение 8
1.1. Понятие о границах общег о и специального типов...............8
1.2. Модели границ зерен...........................................9
13. Сведения о распределениях іраниц по углам разориентации в различных
материалах....................................................13
1.4. Энергия границ зерен. Зависимости энергии границ зерен от фундаментальных характеристик (энергии дефекта упаковки и энергии антифазных границ)..............................................19
1.5. Роль границ зерен разного типа в процессе пластической деформации....................................................25
1.6. Постановка задачи............................................33
II. Материалы и методики исследования.............................37
II. 1. Выбор материалов для исследования, подготовка и характеристики
образцов......................................................37
11.2. Методики изучения зеренной структуры с использованием оптической металлографии и электронной микроскопии............40
И.З. Проблема оценки энергии границ зерен.........................49
II.4. Оценка энергии упорядочения и энергии АФГ...................54
Н.4.Механические испытания........................................56
III. Влияние среднего размера зерна на зерноганичный ансамбль в сплаве NijFe в состоянии с ближним атомным поря ком........................................57
111.1. Качественное описание зеренной структуры. Типы материнских
зерен........................................................57
111.2. Распределения материнских зерен по размерам в сплаве Ni?Fe 65
111.3. Статистика расстояний между ближайшими іраницами разного
типа..........................................................80
Щ.4. Распределения іраниц зерен по энергии.........................88
III.5. Влияние среднего числа границ специального типа в материнском зерне на механические свойства................................95
IV. Роль концентрации твердого раствора и энергии дефекта упаковки в формировании зеренной
структуры твердых растворов Cu-АІ и Cu-Mn.........................103
IV.1. Описание зернограіпічньїх ансамблей в твердых растворах
Cu-АІ и Cu-Mn................................................103
IV.2. Распределения зерен, ограничешшх границами общего типа, по
размерам в сплавах Cu-АІ.....................................108
IVJ. Распределения зерен, ограниченных границами общего типа, по
размерам в сплавах Cu-Mn.....................................122
IV.4. Статистика расстояний между ближайшими границами разного
типа.........................................................136
IV.5. Распределения границ зерен по энергии в сплавах Cu-АІ и Cu-Mn 147
V. Изменение структуры зернограничного ансамбля в процессе атомного упорядочения в сплаве
Pd3Fe.............................................................157
V.l. Качественное описание зериной структуры в сплаве с ближним и
дальним атомным порядком......................................157
V.2. Распределения материнских зерен по размерам в сплаве Pd?Fe 160
V.3. Энергетическое состояние границ зерен при упорядочивающем отжиге. Распределения границ зерен по энергии........................166
V.4. Изменение кристаллографических параметров границ зерен в статистическом ансамбле зерен в результате отжига, приводящего к упорядочению сплава..........................................171
VI. Роль энергии упорядочения и энергии антифазных границ в формировании зеренной структуры упорядоченных сплавов со
сверхструктурой ЬІ2.............................................190
VI. 1. Описание зернограничных ансамблей сплавов со
сверхструктурой ЬІ2........................................191
VI.2. Распределения зерен, ограниченных границами общего типа, по
размерам в сплавах со сверхструктурой L12..................195
VI.3. Статистика расстояний между ближайшими границами разного
типа.......................................................201
V1.4. Энергия границ зерен. Распределения границ зерен по энергии 205
Заключение......................................................212
Выводы..........................................................218
Ли тера тура....................................................220
5
ВВЕДЕНИЕ
Создание и внедрение новых металлических материалов с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами является одним из важнейших направлений современного металловедения. В настоящее время представляется возможным конструирование поликристаллических агрегатов с заданным набором свойств. Фундаментальной основой такого конструирования является детальное изучение структуры поликристаллов и их границ зерен Границы зерен определяют многие практически важные свойства материала, в особенности, механические. Имеется большое количество экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что на поведение материала в процессе пластической деформации большое влияние оказывает тип границ зерен [1-8]. Известно [4], что при напряжениях, соответствующих пределу текучести, зернограничные источники дислокаций начинают работать прежде всего на границах общего типа 11ри напряжениях, больших предела текучести, наибольшее сопротивление распространению сдвигу также оказывают границы общего типа. В то же время через специальные границы передача скольжения от зерна к зерну облегчена [4-7]. В настоящее время установлено, что пластичность и прочность поликристаллических материалов в значительной мере определяются долей границ специального гипа в зернограничном ансамбле 19-11]. Экспериментально установлено [12-15], что малоугловыс и низкоэнсргетичсскис специальные границы обладают высоким сопротивлением разрушению. При этом межкристаллитный механизм разрушения поликристагта сменяется транскристаллнтным [12]. Увеличение в материале доли специальных границ способствует подавлению межзерен-ного растрескивания [14, 16, 17], кавитации [18] и хладноломкости (19, 20], повышает свариваемость [21]. сопротивление ползучести (18, 22, 23] и коррозионную стойкость [24-27]. В связи с вышесказанным аттестация поликристаллического агрегата по тину границ зерен в нем является весьма важной [28].
Согласно современным представлениям физической мезомеханики деформируемый поликристалл является самоорганизующейся многоуровневой системой, в которой движение структурных элементов всех масштабов происходит самосогласованно [29]. В соответствии с законом структурных уровней деформации мезосубсфуюу-ра может включает в себя как конгломерат зерен, так и отдельные зерна [30]. Элементы такой субсгруктуры зарождаются в условиях зернограничного проскальзывания и
6
их движение характеризуется схемой «сдвиг + поворот» [31]. С этой точки зрения изучение структуры поликристаллического агрегата представляется очень важным
Используя сведения о структуре и свойствах границ зерен в настоящее время ведутся работы по созданию новых материалов с целенаправленным формированием зернограничного ансамбля Перспективное направление разработки прочных и достаточно пластичных поликристаллических материалов, заключающееся в "зернограничном конструировании", предложено Т. \Vatanabe [12-14]. В настоящее время есть примеры "зернограничного конструирования" [12-15, 32-35]. Путем различных механических обработок и отжигов, при температуре ниже температуры рекристаллизации, в зернограничном ансамбле можно получить долю границ специального типа до 80% [36-47]. Целью "зернограничного конструирования" является изменение функции распределения границ зерен в зависимости от угла разори-ентации, увеличивающее долю специальных границ в зернограничном ансамбле.
К настоящему' моменту накоплен достаточно большой объем информации по статистике зернограничных распределений в металлах и сплавах и о влиянии типа границ зерен на их прочностные свойства [1, 2, 4, 10, 14-16, 18-24, 27, 36. 37. 44. 46. 42, 48-58]. Тем не менее, в литературе отсутствуют систематические данные о влиянии фундаментальных характеристик материала, таких как, энергия дефекта упаковки, энергия упорядочения, энергии антифазных границ в упорядоченных твердых растворах и концентрация твердого раствора, на параметры зернограничного ансамбля.
Основной целью настоящей работы является исследование зеренной структуры ряда ГЦК сплавов твердых растворов и факторов, влияющих на формирование зернограничного ансамбля. Материалами исследования были сплавы на основе меди, легированные алюминием и марганцем, упорядочивающиеся сплавы М-Те, Ni2.Mii, РЦ-Те и интерметаллид Ы1зА1
Диссертация состоит из шести глав. Первая глава посвящена обзору имеющихся литературных данных по экспериментальному и теоретическому исследованию границ зерен. Обзор литературы завершает постановка задачи исследования. Во второй главе приводятся сведения о материалах исследования и методиках определения параметров зеренной структуры. В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования влияния среднего размера зерен гга структуру зернограничного ансамбля в сплаве в состоянии с ближним атомным поряд-
7
ком. В четвертой главе рассмотрена роль энергии дефекта упаковки и концентрации твердого раствора в формировании зеренной структуры сплавов системы Си-А1 и Си-Мп. В пятой главе выполнено исследование влияния упорядочения на спектр границ зерен в сплаве Р<ЬРс Шестая глава посвящена изучению зернограничных ансамблей упорядоченных сплавов ОДМп, РсЬРе и интерметаллида Ы|3А1 в зависимое™ от энергии упорядочения и энергии антифазных границ.
На защиту' выносятся следующие положения
1. Зависимость доли границ специального типа в сплавах Си-А1 и Си-Мп от величины энергии дефекта упаковки и концентрации твердого раствора.
2. Структура поликристаллического агрегата ГЦК сплавов на основе меди и никеля состоит из материнских зерен, ограниченных границами общего типа и образованных в процессе первичной рекристаллизации. Материнские зерна содержат границы специального типа, которые сформированы при вторичных процессах отжига Увеличение размера материнского зерна увеличивает число специальных границ, содержащихся внутри него.
3. . Экспериментальное доказательство уменьшения доли границ специального типа в пол и кристаллических сплавах со сверхструктурой Ы2 с увеличением энергии антифазных границ и энергии упорядочения
4 Экспериментатьно определенные распределения относительной энергии границ разного типа в сплавах на основе меди и никеля. Установленные зависимости энергии специальных границ от энергии дефекта упаковки, энергии антифазных границ и концентрации твердого раствора
8
I. Поликристаллы чески й агрегат и его строение
1.I. Понятие о границах зерен общего и специального типов Границы зерен представляют собой поверхность раздела, по которой сопрягаются два различно ориентированных кристалла Для описания такой поверхности достаточно знать взаимную ориентацию двух сопрягающихся кристаллов и ориентацию граничной поверхности в кристаллической решетке каждого зерна [9-11). Эти параметры принято называть макроскопическими. Разорнснтировку зерен, т. е взаимную ориентацию двух соседних кристаллов, описывают как поворот одного кристалла относительно другого, приводящий к совмещению узлов кристаллических решеток, на угол 0 вокруг общей для обоих зерен кристаллографической оси и. Угол 0 называют углом разориентации, а направление и - осью разориентации. Вектор и выбирается единичной длины и задается тремя компонентами. Таким образом, разориентировку зерен задают четыре скалярных параметра, которые определяют вектор разориентировки 0=6 »и Параметры 0 и и определяют физические свойства границ зерен и являются основой их классификации. В зависимости от параметра 0 различают малоугловые, границы специального типа (СТ) и границы общего типа (ОТ). К малоугловым относятся границы с углом разориентации до 15°, к границам СТ и близкими к ним относятся границы, которые имеют высокую плотность совпадающих узлов (малые величины обратной плотности совпадающих узлов £). Термин "специальные" введен для обозначения особых свойств границ с малыми значениями I - этим границам соответствуют минимумы зернограничнон энергии, коэффициента зернограничной диффузии, склонности к сегрегациям примесей и других свойств от угла разориентации [10]. Границы, не валяющиеся границами СТ, называются границами ОТ. Границы относятся к близким границам СТ, если отклонение от специальной разориентации Д0 меньше некоторого Д0,ыХ Вопрос о максимальном значении Д6щх\ все еще остается дискуссионным Величина Дб«« может быть определена несколькими способами ДОпих^ОсДГ1'* [59]. ДО^-бгД’1 100). Дбпмч^ =0|>Г1'3 [61]. Показатель степени I берется в зависимости от того, какое используется приближение для оценки усредненного вектора Бюргерса
9
зернограничной дислокации. Параметр 0о определяется природой материала и характеризует переход от малоугловых границ к большеутловым.
Особые свойства границ ОТ, такие как сопротивление ползучести [18, 22, 23] и разрушению [14, 16, 17], коррозионная стойкость [24-27], передача скольжения [4-7] и т д. определяют интерес многочисленных исследователей. Елиного ответа на вопрос о том. сколько границ СТ содержит поликристаллический агрегат и от каких параметров зависит их доля в спектре всех границ пока что в литературе нет. Известно, что влияние на указанные параметры оказывают способ получения материала, чистота исходных компонентов, условия предшествующей деформации и ре кристаллизационный отжиг [10, 62]. Попытки вычисления доли границ СТ с использованием некоторых предельных значений обратной плотности совпадающих узлов (£), оказываются недостаточно обоснованными, так как границы с большими значениями I могут обладать специальными свойствами, и наоборот, малая величина I не гарантирует наличие у границы специальных свойств [10,43].
1.2. Модели границ зерен Большеугловые границы зерен уже много лет являются объектом пристального внимания ряда исследователей. Тем не мснсс, они остаются единственным дефектом кристалла, где нет общепринятых представлений об атомной структуре. Теоретические модели дают возможность определить структуру границ зерен, разрешить которую можно лишь методом прямого разрешения кристаллической решетки
Структура малоугловых границ зерен с углом разориентации до 15° была описана в рамках дислокационной модели [63]. Современные модели большеугловых (раниц зерен основаны на тол», что граница зерна представляет собой "кристаллическое" образование периодической и упорядоченной структуры, а не аморфную прослойку вещества между кристаллами Разработанная в [64] геометрическая модель решетки совпадающих узлов лежит в основе многих теоретических исследований Согласно этой модели, существует набор взаимных разориентаций соседних зерен, при которых при наложении двух решеток известная доля узлов совпадает и образуется решетка совпадающих узлов (РСУ)
10
(рис. 1,1.). Граница черна является двумерным дефектом. В модели РСУ граница черна должна обладать упорядоченной структурой. Такие границы зерен назвали границами СТ. К настоящему моменту времени нет четкого критерия, какие разориентации считать специальными В одних работах рачориенлацин считают специальными, если им соответствует £<25 [14], в других работах £<50 [10]. Авторы работы [65] показали, что величина не является фиксированной величиной, а зависит от следующих параметров: от плоскости залегания границы и температуры, при которой формируется равновесная атомная структура границы В ряде случаев встречаются границы СТс £ < 100.
Для того, чтобы определить агомную структуры границы СТ необходимо построить РСУ Модель Боллмана (0-решетка) [66] и полная решетка наложения (ПРИ) [67] являются вспомогательными решетками при построении РСУ (рис 1 1 ). 0-решетка представляет собой совокупность всех узлов, при повороте относительно которых узлы одной решетки переходят в узлы другой решетки (рис.1.1.). Отметим, что в отличие от РСУ, 0-решетка существует при любых разориентациях кристалла, тогда как РСУ имеет место только при некоторых специальных При наложении решеток двух специально рачориеитнрованных кристаллов существуют векторы сдвига одного кристалла относительно другого, при которых пространственный узор наложений остается неизменным Совоку пность таких векторов составляет ПРИ Так же смешение одного кристалла относительно другого на вектор ПРИ сохраняет 0-решстку и РСУ.
При описании атомных перестроек на мигрирующей границе применяют решетку зернограничных сдвигов (РЗС) [11]. Эта модель учитывает взаимодействие границы с решеточными дислокациями в процессе проскальзывания. Узлы РЗС представляют собой точки пересечения плоскостей трех семейств. Плоскости одного семейства параллельны плоскости границы» плоскости двух других семейств перпендикулярны границе и взаимно пересекаются вдоль нормалей к границе. Базисные векторы РЗС отвечают элементарным сдвигам в плоскости границы при проскальзывании и по нормали к ней. Если плоскость границы проходит по плотноупакованной плоскости РСУ, то РЗС совпадет с ПНР. Следовательно, ПНР является подрешеткой РЗС.
11
Рис. 1.1. Наложение двух примитивных кубических разметок, разориентированных на 36.86° вокруг оси [011]: светлые и темные кружки - узлы решеток 1 и 2; соответственно двойные кружки - совпадающие узлы, крестиками обозначены другие 0-точки.
12
Для описания структуры границ без использования вспомогательных решеток применяется модель структурных единиц (МСЕ) [68). '>іа модель удобна для описания границ любого типа. В данной модели структурной единицей границы СТ является элемент из нескольких атомов, который периодически повторяется на границе. Этим элементом может быть группа атомов, расположенная между двумя соседними совпадающими узлами. При компьютерном моделировании границ обнаружено, что некоторые границы СТ состоят из атомных групп одного сорта [68, 69). Такие границы были названы "предпочтительными". К ним относятся границы 15 (210), 25 (310) и двойниковая граница 23. Если известны структуры ближайших "предпочтительных” границ, то можно предсказать структуру любой границы. Согласно модели МСЕ. все границы имеют упорядоченное строение: структура границы повторяется через
определенный период, который называется сегментом повторяемости. Самые короткие сегменты имеются у "предпочтительных" границ, протяженность которых несколько межатомных расстояний. Граница ОТ дпиннопериодическая, ее период составляет десятки межатомных расстояний Теория структурных единиц соответствует дислокационным моделям большеугловых границ Отклонение разориентацин г раницы зерна от специальной создастся сеткой зернограничных дислокаций, аналогично тому, как сетка решеточных дислокаций создает малоугловую разориентацию в кристалле. Отметим, что МСЕ успешно применяется для чистых границ наклона и кручения с низкими индексами осей поворота и вращения.
Модели, приведенные в настоящем параграфе, хорошо описывают и объясняют дефектную структуру границ зерен. Тем не менее, они не содержат энергетического критерия отбора, позволяющего предсказать дефектную структу ру границ. Машинные эксперименты позволяют исследовать реальную структуру границ [70-73]. В ряде компьютерных экспериментов структура границы моделируется на основе какого-либо энергетического критерия В работе [74) проведены энергетические исследования границ зерен, которые показали неприменимость геометрической модели РСУ для определения устойчивой атомной структуры границ зерен. Границы зерен в модели РСУ обладают
13
повышенной энергией и являются неустойчивыми. Для перехода в устойчивое состояние необходим жесткий сдвиг одного зерна относительно другого.
В настоящее время нет ни одной модели большеугловых границ зерен, которой можно было бы отдать предпочтение но сравнению с другими. Прежде всего, это связано с отсутствием надежных экспериментальных данных об атомной структуре границ. Каждая модель хорошо описывает лишь некоторые свойства и некоторый диапазон разорнентаиий. Выбор в пользу той или иной модели будет определяться дальнейшим изучением атомной структуры границ зерен.
1.3. Сведения о распределениях границ по угла» разоривнтации в различных
материалах
Свойства поликристаллов в значительной степени определяются структурой н свойствами границ зерен. Формирование зереннон структуры и, следовательно, образование границ зерен может протекать в процессе кристаллизации, при рекристаллизационном отжиге и при деформации. С точки зрения термодинамики следует ожидать, что формирование зеренной структуры должно быть направлено в сторону увеличения доли низкоэнергетических границ, то сеть границ СТ. Тем не менее, как показывает статистика, спектры границ зерен существенно отличаются в разных магериалах.
Обзор имеющихся экспериментальных данных по статистике распределения границ зерен в реальных материалах представлен в работах [10, !4, 43, 56, 57]. На основании их анализа можно выделить группу материалов, склонных к образованию 1раннц СТ К ним прежде всего относятся металлы и сплавы с низким значением величины энергии дефекта упаковки (уду) и высокой склонностью к формированию двойников при отжиг е. В спектре зернограничного ансамбля таких материатов содержатся преимущественно границы двойникового типа 13 или 13", которые возникают в результате многократного взаимодействия границ ЕЗ [58. 75]. Управление процессами двойникования в результате снижения уду определяет интерес исследователей к изучению спектров разориентаций в материалах с низкой Уда- и позволяет "конструировать" низкоэнсргстичсскис зернограничные ансамбли в данных материалах.
14
По статистическим данным в материалах с низкой уду доля границ СТ 13" может достигать 0,5-0,6 (75]. Экспериментальные исследования показывают следующее. В работе [39] обнаружено, что в крупнозернистом никеле границы с 13 составляют 41% от общего числа границ, 19-9%, 127-6% и 181-2%. Другие границы совпадения с1<100 занимают 6% в спектре границ. Авторы работ (39, 76] объясняют появление границ S3" (в никеле и аустенитной стали) многократным взаимодействием границ 13 при отжиге. В сплаве Си-6 ат.% Si возможно образование границ S3" вплоть до 1243 (77]. Электронно-микроскопическим методом была исследована статистика разориснтировок в нихроме X20HS0 [48. 49], который прошел первичную рекристаллизацию. Установлено, что преобладание в структуре границ с 13* также связано с множественным двойникованием.
В работе [53] исследованы спектры разориснтировок границ зерен в никеле в образцах с различной термообработкой. Размер зерна до дополнительной термообработки составлял менее Юмкм. Термообработка включала два режима: 1) «fast» термообработка - нагрев в вакууме до 1000 С в течение 1ч, отжиг при этой температуре в течение 1ч и затем охлаждение в воду, 2) «slow» термообработка -нагрев до 1000 С в Зч, выдержка при t=1000 С в течение Ічаса и затем последующее охлаждение до комнатной температуры в течение 3 часов Установлено, что применение второго режима термообработки приводит к тому, что доля границ ОТ составляет 25%, границ 13 - 50%. Быстрое охлаждение в воду приводит к тому, что доля двойниковых іраниц составляет 25%, границ ОТ - 65%
В самое последнее время изучение спектра разориеитировок границ зерен и его эволюции в процессе отжига проведено в работах (44, 45] для рскристаллнзованного нихрома (80%Ni-20%Cr), который характеризуется средней энергией дефекта упаковки (по сравнению с другими сплавами) (рис.1.2.). Исследование проводилось на крупнозернистых образцах и субмикрокрнсталлических, полученных интенсивной пластической деформацией. Сплав был подвергнуг различным термомеханическим обработкам, в результате которых получены три разных состояния: 1) исходную полосу, после горячей прокатки, прокатали еще раз со степенью обжатия 70% при комнатной температуре, затем отожгли в соляной ванне при 993К в течении 2ч. В результате
15
Рис. 1.2. Распределение границ зерен в зависимости от угла р&зориентации в нихроме ( 3=6 мкм) [441.
16
была получена однородная структура со средним размером зерна 6 мкм; 2) нихром, прошедший первичную рекристаллизацию, отжигали 0,5 ч при І273К При этом произошла собирательная рекристаллизация и получена структура со средним размером зерна 13 мкм, 3) сплав, прошедший первичную рекристаллизацию, деформировали сдвигом под высоким квазигидростатическим давлением до истинных логарифмических деформаций с=7 и провели отжиг при 923К в течение ) ч В результате получили структуру со средним размером зерна 0,7 мкм В процессе исследования было установлено, что доля границ СТ в нихроме в указанных состояниях составляет:
1) 13 -34,5%. 19 - 7,5%; 127 - 5%: 15 - 0,8%;
2) 13 -34,6%; 19 - 7,4%; 127 - 3,1%; II1 - 1,2%;
3) 13 -29,7%, 19 - 3,1%: 127 - 2,3%; 121 - 1,6%.
Из этих результатов видно, что доли границ СТ в состояниях 1) и 2) со значениями 13" практически одинаковы, а спектр состояния 3) мало от них отличается. Следовательно, указанный спектр границ зерен сохраняется независимо от химического состава и предварительной обработки исследованного сплава (со средним значением энергии дефекта упаковки) Формирование спектра границ СТ в нихроме также происходит путем множественного двойникования.
В работах [46. 50] была проведена аттестация границ зерен аустенитных
нержавеющих сталей Х16Н15 МЗБ и 04Х17Н14 МЗГ2. Использовались стали в
двух исходных состояниях: 1) монокристаллы и 2) поликристаллы. Осуществляли прокатку в несколько проходов до суммарной деформации с=98%, рскристаллизационный отжиг проводили при Т=1373 К в течение 10 мин. После рекристаллизации средний размер зерна составил в первом случае 17 мкм, во втором 48 мкм. Анализ распределений границ зерен по величине I показал следующее:
1) 13-34 8%; 19-3.6%; 127-2.7%;
2) 13-37.5%; 19-3.6%. 127-2.7%.
Видно, что доля границ 13 в спектре границ зерен этих сталей достаточно велика.
Изучение спектра разориентировок границ зерен по I для кованой, прокатанной и рекристаллизованной мели выполнено авторши [37] В работе предлагается метод увеличения доли границ СТ путем 2х ступенчатого отжига с
17
предварительной деформацией 6-7%. Сначала используется низкотемпературный (0,38-0,4 Т„) длительный отжиг (14ч). Затем отжиг при 1=0,44-0.481,,., в течение 6-7 часов приводит к тому, что углы разориентацин стремятся к точной ориентировке РСУ. Установлено, что средние температуры обработки (225-275°С) приводят к увеличению доли границ с 19 и 27 по сравнению с более высокими температурами (325-344°С).
По мнению авторов [43]. увеличение доли границ СТ в зернограничном ансамбле происходит вследствие снижения уду. Так. в процессе длительных отжигов, проведенных на алюминии (Уду=120 мДж/м2), доля границ СТ достигает 25%. в меди (Уду=40 мДж/м2) - до 85% и в сплаве Си-10 ат% А1 (уду=15 мДж/м2) -до 95%. Можно полагать, что уменьшение уду является основным фактором, определяющим долю границ СТ в формировании зернограничного ансамбля.
На ГЦК-сплавах с низкой уду были сделаны попытки "конструирования' зернограничного ансамбля с высокой долей низкоэнергетических границ СТ [7, 13, 14, 32-35, 78]. Существует два основных подхода к этой проблеме. Первый заключается в применении специальных режимов термообработки, с помощью которых создастся повышенное содержание двойников отжига Проводится идея об увеличении числа двойниковых границ в материалах, склонных к двойникованию, в процессе отжига. Это было предложено Г Д. Сухомлиным [40, 41, 75], Л К Фионовой [43, 60], В Ю. Герцманом [46. 48-50] и рядом других авторов Другой подход к формированию низкоэнергетического зернограничного ансамбля на аустенитных нержавеющих сталях был использован в Сибирском физико-техническом институте А Д Коротаевым и Н В Никитиной с сотрудниками [47]. Основой для "конструирования" послужила склонность ГЦК-материалов к механическому двойникованию при деформации Увеличение доли низкоэнсргстичсских границ СТ проводится за счет создания высокой плотности мнкродвойников деформации в дорекристаллизационной структуре.
В настоящее время, практически отсутствуют работы, посвященные исследованию спектра границ зерен в зависимости от состояния твердого раствора в сплавах. Поэтому работа [51] представляет в этом плане несомненный интерес. Авторами [51] электронно-микроскопически была исследована доля фасстированных границ, или физически выделенных границ, в сплаве Ы^Ре в
18
состояниях с ближним и дальним атомным порядком. Установлено, что в сплаве №зРе доля физически выделенных границ составляет 0.3 и 0.4 для состояний с ближним и дальним порядком соответственно. В сплаве с ближним порядком границы СТ имеют значения I в интервале от 3 до 11, а в сплаве с дальним порядком в интервале от 3 до 81.
Обзор имеющихся данных о распределении границ зерен по углам разориетации в интерметаллиде №зА1 представлен в работе [52]. Анализ спектров границ зерен в интерметаллиде Мі;?АІ, проведенный в этой работе показал, что его характеристики пластичности связаны с разной долей низкоэнергетнческих границ в зернограничном ансамбле. Для сплава с высокой пластичностью доля малоугловых границ и границ СТ (13-129) больше, чем для хрупкого сплава, и равна 26% и 25% в пластичных сплавах против 8.7% и 5.8% в хрупких сплавах. Как видно, доля границ ОТ преобладает в хрупких сплавах.
Одной из основных характеристик упорядоченных сплавов и интермсталлидов является энергия антифазных границ. К сожалению, в литературе практически отсутствуют сведения о роли энергии антифазных границ в формировании доли границ СТ в поликристаллах.
Интересно проследить как влияет средний размер зерен на формирование спектра границ СТ. Из термодинамических соображений следует ожидать, что при рекристаллизации среднестатистическая направленность процесса должна быть в сторону увеличения доли границ СТ. Литературные данные, посвященные этому вопросу, немногочисленны и противоречивы [10, 14, 43]. Так исследования, проведенные на высокочисгом алюминии показали, что при увеличении длительности рскристатлизационного отжига и, соответственно, увеличении среднего размера зерна доля границ ОТ уменьшается. Это связано с возрастанием доли двойниковых границ 13 и 19, число других границ СТ уменьшается. Однако в алюминии технической чисто™ доля всех сисциатьных границ убывает с ростом среднего размера зерна В сплаве Ре+3всс.% Бі спектр границ также необычно изменяется с температурой отжига (и, соответственно, с увеличением среднего размера зерна): при повышении температуры с 1330 К до 1640 К средний размер зерен возрастает с 0,6 до 1,8 мм, в тоже время доля границ СТ (3<1<29)уменьшается с 0,15 до 0,10 В литературе имеется ряд работ [37, 53].
19
посвящеиньгх исследованию статистики границ зерен в материалах, обработанных при разных режимах термообработки В них отмечается, что рекристаллнзационные отжиги приводят к увеличению доли границ СТ, однако, не указывается как при этом изменяется средний размер зерна.
Таким образом, экспериментальные данные показывают, что границы СТ оставляют существенную долю в зернограничном ансамбле Возможно, эта доля еще больше, если учесть, что границы ОТ на микроуровне могут состоять из фасеток специального типа [52, 79]. Сведения о влиянии различных факторов, определяющих долю границ СТ в материале, тем не менее имеют пока фрагментарный характер и не позволяют пока создать обшей картины этого важного для поликристаллов явления.
1.4. Энергия границ зерен. Зависимости энергии границ зерен от фундаментальных характеристик (энергии дефекта упаковки и энергии антифазных границ)
Энергия является одним из основных критериев стабильности границы зерна. Энергия межзеренной границы определяется как свободная энергия, приходящаяся на единицу площади г раничной поверхности [801 К настоящему времени не разработаны методы определения абсолютных значений энергий границ зерен с достаточно высокой точностью. Существуют лишь методы, позволяющие получить зависимость относительной энергии границы от угла разориентаиии.
Для определения энергии границ зерен часто используется метод Херринга [ВО], основанный на исследовании равновесия системы трех границ раздела. При этом равновесие в стыке описывается уравнением:
1
где 5=1]Х12 - вектор, направленный вдоль линии пересечения трех границ, I,-единкчные векторы, лежащие в плоскостях соответствующих границ перпендикулярно вектору *; у,- поверхностное натяжение границ зерен, 0,- углы разориентации. 6,- члены, связанные с наличием вращающего момента,
20
обусловленного зависимостью энергии границы от ее ориентации. Если они малы, равновесные значения углов связаны с поверхностными натяжениями границ известным соотношением [80]:
У1/8та1=у2/5та2=уз/5таз, (1.3.2.)
где у - энергия границы, а* - соответствующий противолежащий угол.
Эта зависимость соблюдается, если влиянием границ на образующие их зерна можно пренебречь, а поверхностное натяжение зависит только от разориентации зерен. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что вращающие моменты во многих случаях действительно малы [80], за исключением тех случаев, когда ориентационное соотношение между зернами близко к специальному.
В работе [81] методом Херринга экспериментально определялась энергия границ СТ в алюминии. Были рассмотрены тройные стыки из границ СТ, которые были получены путем расщепления границы 19 на две границы 13. Решение уравнения Херринга дало сильно завышенные значения зернограничной энергии. На основе этих результатов был сделан вывод о том, что уравнение (1.3.1.) применимо лишь к границам ОТ.
Наиболее часто исследователями используется метод термического травления границ зерен. Суть этого метода заключается в нагреве микрошлифов из поли кристаллических материалов в вакууме или защитной атмосфере [80]. Под воздействием поверхностного натяжения образуются канавки вдоль линии пересечения границ зерен со свободной поверхностью. Стабилизированный профиль канавки термического травления устанавливается в результате равновесия трех сил, действующих в каждой точке дна канавки. Условие равновесия в общем виде записывается:
aik=aicos9i+akcos0k^-(5ai/99i)sin0i-(5alc/56k)siп0k, (1.3.3.)
где и 0^- поверхностные энергии ьго и к-го зерен с собственным паром; коэффициенты дст/дО, и до^/двь учитывают анизотропию поверхностной энергии; 0; и Эк - углы, образованные касательными к поверхности 1-го или к-го зерна и к межзеренной границе в вершине канавки. Если канавка симметричная, то есть
21
0,=6к=0, и граница зерна располагается нормально к поверхности, приведенное уравнение преобразуется к виду:
СТ1к=2аПСО$0, (13 4 )
где Оп" поверхностная энергия.
Исследования, выполненные при помоши растрового микроскопа, выявили некоторые ограничения этого метода (821. Наблюдения показали, что форма канавок термического траатения после полной стабилизации очень разнообразна. Образование гребня у края канавки и асимметричная форма канавок затрудняли определение угла у дна канавки. Кроме того, формировались неоднородные по длине канавки, что сильно затрудняло выбор участка границы для измерения угла
В работе [83] методом вакуумного термического травления получены распределения относительной энергии г раниц аустснитных зерен конструкционной стали при дополнительном легировании (рис.1.3.). Исследовалась углеродистая, хромомарганцевая и хромомарганцевомолибденовая сталь. Легирование проводилось следующими элементами: Мп, Сг, N1, Мо, V, Т1, А!, \V.Si, Си, Се. N6, В в интервале температур 1000°С-1300°С. Установлено, что максимальное увеличение относительной энергии границ аустенитных зерен наблюдается при легировании бором При введении таких элементов как Мп, N1, V. Се, Си, Мо и \У энергия границ понижается. К элементам, повышающим зернограничную энергию, относятся Сг, 'П, А1 и Бг
Многочисленные экспернментачьные данные, приведенные в [80], свидетельствуют о том, что энергия границ зерен зависит от ориентационного соотношения между зернами и ориентации самой границы. Зависимости зернограничной энергии от угла наклона характеризуются быстрым возрастанием энергии в области малых углов [63, 84). Экспериментальные исследования симметричных границ с осями поворота [100], 1110] и [111] выявили, что границам СТ соответствуют острые минимумы на зависимостях энергии от угла разориентации [10, 11, 80]. Компьютерное моделирование границ зерен в различных металлах показало, что границы наклона со специальной разориеитацией обладают наименьшей энергией, за ними в порядке возрастания
- Київ+380960830922