2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................5
ГЛАВА 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВОЙНИКОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ......................................................14
1.1. Деформация двойникованием и скольжением в процессе разрушения кристаллов..........................................16
1.1.1. Взаимодействие скользящих дислокаций с границами двойников..................................................16
1.1.2. Влияние двойников и состояния их границ на зарождение и рост трещин................................................17
1.1.3. Кинетические и температурные характеристики процесса двойниковаиия..............................................20
1.2. Фазовые переходы и их связь с двойникованием кристаллов......21
1.2.1. Мартенситиые превращения и двойникование.................23
1.2.2. Кристаллизация и рекристаллизация поликристаллов, двойники рекристаллизации..................................24
1.3.Магнито- и электроиластические эффекты при деформации кристаллических тел............................................27
1.3.1. Магнитопластический эффект...............................27
1.3.2. Электропластический эффект...............................29
1.3.3. Влияние облучения на механические свойства кристаллов 31
1.4. Размерные явления и эффекты в микро- и нанокристаллических материалах.....................................................32
1.4.1. Механизмы деформации наноструктурированных материалов в зависимости от размера зерна...............................32
1.4.1.1. Зернограничное и внутризеренное разрушение..........35
1.4.1.2. Локализация пластической деформации наноматериалов 38
1.4.1.3. Ротация и сбросообразование в нанокристаллах........41
1.4.1.4. Деформация двойникованием нанокристаллических материалов...................................................42
1.4.2. Размерные эффекты при мартенситных переходах.............44
1.4.3. Изменение магнитных и оптических свойств с уменьшением размеров зерен.............................................45
з
1.4.4. Моделирование процессов деформации и разрушения
нанокристаллических материалов................................ 46
1.5. Общие заключения по главе...................................48
ГЛАВА 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВОЙНИКОВАНИЯ
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОЦК СПЛАВА Ре-8і ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ НАГРУЖЕНИЯ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 77-500 К.... 50
2.1. Материал и методика эксперимента............................52
2.2. Количественные характеристики сопутствующего двойникования крупнозеренного сплава Ре-8і.....................................55
2.2.1. Влияние температуры и скорости нагружения на
количественные характеристики двойникования
монокристаллических образцов...................................55
2.2.2. Влияние температуры и скорости нагружения на
количественные характеристики двойникования
поликристаллических образцов...................................57
2.2.3. Влияние температуры испытания, двойникования и
скольжения на величину работы разрушения поликристаллических образцов.......................................................64
2.2.4. Влияние температуры, скорости деформирования и размера зерна на двойиикование пол и кристаллического сплава Ре-8і.....66
2.3. Образование зон локализованного скольжения, обусловленных двойникованием поликристаллического сплава Ре-Бі и микротрещин...68
2.4. Выводы......................................................72
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЗЕРЕН ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА Ре-8і НА ПРОЦЕСС МЕХАНИЧЕСКОГО ДВОЙНИКОВАНИЯ. 73
г 3.1. Материал и методика эксперимента............................74
I 3.2. Характеристики механического двойникования в зависимости от
скорости деформирования и температуры испытания..................75
3.3. Влияние размера зерна на процесс двойникования в
поли кристаллическом сплаве Ре-8і.................'..............80
? 3.4. Особенности диапэамм нагрузка-деформация для
I поликристаллического сплава с различными набором зерен...........83
с *
І
3.5. Влияние температуры и скорости нагружения на величину модуля нормальной упругости, предела прочности, работы разрушения и общей деформации мелкокристаллических образцов............87
3.6. Экспериментальное определение кристаллографических параметров механических двойников при двойниковании поликристаллического ОЦК-сплава Бе-Б! ....................89
3.7. Взаимосвязь угла наклона двойников к оси нагружения с величиной фактора Шмида для всех систем двойникования........92
3.8. Выводы....................................................97
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА 11РОЦЕССОВ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ПЕРЕСЕЧЕНИИ ДВОЙНИКОВ В ОЦК СПЛАВЕ Бе-Б!.........................99
4.1. Варианты пересечения двойников в ОЦК решетке.............100
4.2. Определение активных плоскостей скольжения и двойникования ОЦК решетки в сдвойникованном материале.....................103
4.3. Оценка величины зоны рекомбинации взаимодействующих дислокаций..................................................107
4.4. Пространственное распределение величин фактора Шмида.....115
4.5. Выводы...................................................121
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........................................122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................125
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Интенсивное развитие металлоемких отраслей промышленности, таких •как станкостроение, ракетостроение, производство космической и авиационной техники, а также разработка современных технологий потребовали создания новых конструкционных материалов для работы в экстремальных условиях воздействия высоких или низких температур, больших статических и динамических нагрузок, глубокого вакуума, проникающих излучений, воздействия вибраций и т.д.
Основой для создания большинства конструкционных материалов являются металлы и сплавы с ОЦК решеткой. Как правило, эти материалы находятся в поликристаллическом состоянии с определенным распределением зерен по размерам. Состояние границ зерен и собственно размеры зерен влияют на механические свойства. Одной из наиболее значимых задач материаловедения является увеличение низкотемпературной пластичности ОЦК металлов и сплавов, т.к. работа деталей и конструкций в условиях низких температур нередко сопровождается совместным разрушением и двойнико-ванием, в связи с этим выяснение механизмов деформации и разрушения поликристаллических ОЦК материалов является актуальной задачей.
Развитие криогенной техники, внедрение новых технологических процессов обработки металлов (таких, как штамповка взрывом), а также расширение класса конструкционных материалов приводит к необходимости углубления знаний о закономерностях пластической деформации, протекающей в металлах и сплавах с ОЦК решеткой преимущественно двойниковани-ем, в том числе и в поликристаллах.
При: деформации1 материалов двойникованием и пересечении двойников имеет место вторичные деформационные процессы. Анализ процессов микропластичности и разрушения в рамках дислокационных представлений, учет кристаллографических особенностей двойникующихся материалов, ана-
6
литическое рассмотрение дислокационных моделей исследуемых процессов создают предпосылки для проведения1 исследований, направленных на выявление и разделение причин, условий и факторов,- делающих двойники либо1 опасными с точки-зрения зарождения хрупкого'разрушения, либо способствующими проявлению материалом пластичности. Эта задача также актуальна не только в научном плане, но и в практическом аспекте.
Цель работы: Экспериментальное и аналитическое исследование закономерностей двойникования поликристаллического ОЦК сплава Бе-Бі при различных температурах и скоростях деформирования, а также определение влияния размера зерна на исследуемые процессы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Установить количественные характеристики интенсивности двойникования поликристаллического ОЦК сплава Ре-8 і в интервале температур 77 -г-500 К при различных скоростях деформирования.
2. Оценить вклад двойникования в деформацию сплава при низких температурах за счет формирования зон локализованной пластичности.
3. Определить влияние размера зерна поликристаллического сплава Ре-Бі на основные характеристики двойникования.
4. Установить взаимосвязь между скачком напряжения на диаграмме нагружения, скоростью деформирования и количественными характеристиками двойникования:.
5. Предложить метод определения кристаллографических характеристик двойников-в поликристаллическом сплаве на основе взаимосвязи геометрических параметров двойниковых структур с направлением оси; нагружения и плоскостью наблюдения-:
6; Провести в рамках дислокационных представлений^ анализ локализованных зон пластичности, образующихся при пересечении двойников и уста-
7
новить пластифицирующую роль вторичных деформационных процессов.
7. Предложить метод определения вероятности совместного развития двойников различных систем в зерне на основе сопоставления фигур пространственного распределения величин факторов Шмида.
Научная новизна полученных результатов
1. Установлена функциональная зависимость между температурой и размером зерна в поликристаллическом сплаве Бе-Эь по достижении которого процесс двойникования прекращается. Вид зависимости Т = /(<7) аналогичен зависимости закона Холла-Петча, в котором в роли напряжений выступает температура.
2. Определены количественные характеристики двойникования поликри-стаплического сплава Ре-Эи Зависимость числа образующихся при постоянной скорости деформирования двойников имеет максимум при определенной температуре, которая возрастает по мере увеличения размера зерна и скорости деформирования.
3. Оценен вклад двойникования в общую деформацию образца в области низких температур, связанный с формированием зон локализованной пластичности, в частности, при пересечении двойников.
4. Показано, что для поликристаплического сплава существуют “критические” скорости деформирования, зависящие от общего распределения зерен, по размерам, при которых двойникование не наблюдается.
5. Показано, что в поликристаллическом сплаве максимальное количество двойников наблюдается в зернах, средний размер которых превышает среднестатистический, характерный для рассматриваемого распределения зерен по размерам.
6. Установлена связь между видом скачка напряжения-на диаграммах нагружения, скоростью деформирования, размером зерна и числом образовав-
8
шихся двойников в поликристаллическом Ре-81 сплаве.
7. Выполнен кристаллографический и дислокационный анализ вторичных деформационных процессов при-пересечении двойников в ОЦК решетке. С энергетических позиций определены и систематизированы возможные дислокационные взаимодействия, отвечающие критерию Франка и максимальным значениям фактора Шмида. Оценена пластифицирующая эффективность вторичных деформационных процессов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Закономерности двойникования поликристаллического ОЦК-сплава Ре-
в интервале температур 77 -н 500 К при различных скоростях деформирования.
2. Закономерности влияния размера зерна на интенсивность двойникования, критические скорости деформирования для зарождения двойников и температуру максимального проявления двойникования.
3. Механизмы образования локализованных зон микропластичности, дающих вклад в общую деформацию образца при низких температурах, сопоставимый с вкладом двойникования.
4. Закономерности изменения вида скачка напряжения на диаграммах нагружения, обусловленные скоростью деформации, количеством образующихся двойников и размером зерна.
5. Метод определения кристаллографических характеристик двойникования, основанный на измерении геометрических параметров двойниковых структур и. их связи с направлением приложения нагрузки и поверхностью наблюдения.
6. Кристаллографический и дислокационный анализ зон локализованной микропластичности в участках пересечения двойников-и метод энергетического обоснования дислокационных реакций, обеспечивающих пластифицирующее действие двойникования при низких температурах.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе экспериментальных данных подтверждается их воспроизводимостью при стандартных условиях эксперимента. Все научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, аргументированы собственными теоретическими рассуждениями, логикой научного анализа диссертанта, тщательно проиллюстрированы значительным по объему экспериментальным материалом, не противоречащим физическим теориям и результатам других исследователей.
Практическая значимость работы
Внедрение результатов в металлоемкие отрасли промышленности (станкостроение, производство нефтепроводов, газопроводов, судостроение и т.д.) позволит повысить надежность и долговечность деталей и конструкций, работающих при низких температурах, сложном напряженном состоянии и высоких скоростях нагружения.
Полученные в ходе выполнения работы результаты могут быть использованы в учебном процессе при изучении курсов “Механические свойства материалов”, “Нанотехнологии и наноматериалы” и “Металловедение”, а также, внести определенный вклад в развитие теории прочности и пластичности твердых тел.
Личный вклад автора состоит в планировании, разработке и проведении эксперимента: подготовке образцов для исследования, разработке экспериментального комплекса для проведения опытов и методов определения закономерностей двойникования, участии в обсуждении полученных результатов, написании статей, а также в формулировании основных результатов и выводов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены на региональных, российских и международных конференциях: 1 Международном форуме (6 Международной конференции) «Актуальные проблемы современ-
10
ной науки», 2005, Самара; 44, 45, 47, 48 Международных конференциях «Актуальные проблемы прочности», 2005, 2006, 2008, 2009, Вологда, Белгород, Нижний Новгород, Тольятти; III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», 2005, Екатеринбург; XVIII и XIX Уральских школах металловедов-термистов “Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов”, 2006, 2008, Тольятти, Екатеринбург; ХУ1-Х1Х Петербургских чтениях по проблемам прочности, 2006-2010, Санкт-Петербург; III-V Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур», 2006-2010, Москва; IV, V Международных конференциях «Фазовые превращения и прочность кристаллов», 2006, 2008, Черноголовка; I, III Международных конференциях «Деформация и разрушение материалов», 2006, 2009, Москва; IV, V Международных школах-конференциях «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», 2007, 2010, Тамбов; VIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых, 2007, Екатеринбург; XIV, XV Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-14» и «ВНКСФ-15», 2008, 2009, Уфа, Кемерово-Томск; Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и преподавателей «Функциональные и конструкционные наноматериалы», 2008, Белгород; Международном семинаре МН'Г-Х «Структурные основы модифицирования материалов методами нетрадиционных технологий», 2009, Обнинск; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», 2009, Самара; Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», 2009, Витебск, Беларусь; Берн-штейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, 2009, Москва; Первых Московских чтениях по проблемам прочности материалов, 2009, Москва; Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, 2010, Владивосток; научных конференциях преподавателей и сотрудников ТГУ им. Г.Р. Державина «Державинские чте-
ния», 2006-2010, Тамбов.
Публикации.
Содержание диссертации опубликовано в 40 работах. Из них 8 статей опубликовано в журналах из списка рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 3 глав, общих выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц машинописного текста, включающих 49 рисунков, 7 таблиц и библиографический список, содержащий 217 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Первая глава носит обзорный характер. В ней приведены литературные данные, отражающие современные представления о двойниковании в физике деформации и разрушения. В первой части обзора выделено три направления исследований по двойникованию: 1) исследования направленные на установление роли двойникования и скольжения в процессе разрушения; 2) изучение фазовых переходов, в частности, мартенситного превращения и его взаимосвязи с двойникованием; 3) исследования влияния магнито- и электропластического эффектов на механические свойства деформируемых материалов.
Вторая часть обзорной главы посвящена проблеме исследования разрушения поликристаллов, в большей части которой рассматриваются нано-размерные кристаллические материалы, являющиеся новыми и востребованными. Рассмотрены работы, посвященные размерным эффектам поликристаллов и основным видам их разрушения.
Вторая глава посвящена исследованию влияния температуры и скорости нагружения на количественные характеристики двойникования, развивающегося при деформировании моно- и поли кристаллических материалов.
Установлено, что в интервале температур 77 -ь 473 К при рассмотренных скоростях нагружения зависимости числа двойников от температуры
12
имеют максимум. Проводится сравнительный анализ напряжений скольжения и двойникования во всем исследуемом интервале температур.
Выявлены функциональные зависимости «критического» размера зерна d (от температуры Т) по достижении которого в поликристалле двойникова-ние начинает исчезать при данной скорости нагружения. Показано, что вид зависимостей d =flT) аналогичен зависимости закона Холла-Петча, в кото-
I/O
ром роль напряжений играет температура: T = 7'0+Kd' . Установлено,
что исчезновение двойников при высоких температурах связано с полиморфным превращением исследуемого сплава.
Предложены механизмы образования трещин и образования зон локализации скольжения при взаимодействии двойников с различного рода препятствиями и друг с другом.
В третьей главе проводится более подробное исследование двойнико-вания в зависимости от размера зерна поликристалла. Установлены зависимости числа двойников от температуры и скорости нагружения поликристал-лических ОЦК-сплавов Fe-Si, с различным набором зерен. Обсуждается характер образующихся в результате деформации при постоянной температуре спадов нагрузки на диаграммах нагрузка-деформация с количеством двойников и скоростью деформации образцов.
Обнаружено, что мелкокристаллический сплав деформируется двойни-кованием уже при матых скоростях нагружения. Проведено сравнение работы разрушения, модулей нормальной упругости и предела прочности поликристаллов при уменьшении размеров зерен. Установлено, что при уменьшении размера зерна поликристалла число двойников в зерне является более универсальной количественной характеристикой двойникования, в отличие от общего числа двойников в образце.
На основе анализа величин фактора Шмида установлена зависимость наклона двойников к оси деформирования.
13
В четвертой главе на основе дислокационного и кристаллографического анализов рассмотрены вторичные процессы микропластичности и разрушения в зонах пересечения двойников в кристаллах с ОЦК решеткой и определены системы вторичного двойниковаяия и скольжения1. Установлены пять неэквивалентных вариантов пересечения двойников. В' качестве критерия активности систем использовались величины факторов Шмида.
На основе полученных значений факторов Шмида для каждого варианта пересечения двойников были составлены дислокационные реакции взаимодействия трех типов дислокаций: 1) полных с полными; 2) полных с двой-никующими; 3) двойникующих с двойникующими. Возможность протекания дислокационных реакций ставили в зависимость от выполнения критерия Франка и от образования зоны рекомбинации реагирующих дислокаций. Величину зоны рекомбинации оценивали, воспользовавшись энергетическим критерием: энергия системы двух дислокаций должна уменьшаться в процессе их объединения.
При сопоставлении фигур пространственного распределения величин фактора Шмида для различных систем двойникования установлено, что из 12-ти систем двойникования {112}<111> в кристалле активными одновременно являются только четыре. Пересечение данных систем двойникования происходит по двум из пяти возможных вариантов пересечения двойников. Для обоих наиболее активных вариантов пересечения двойников рассмотрены реакции взаимодействия вторичных систем скольжения и двойникования.
На основании определения размера зон рекомбинации показано, что пересечение вторичных плоскостей скольжения и двойникования в двойниковой прослойке носит в большей степени пластифицирующий характер, чем охрупчивающий:
В заключении даны основные выводы- и результаты диссертационной работы.
- Київ+380960830922