СОДЕРЖАНИЕ стр.
ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 5
Глава 1. Деформационные свойства и н гер металл и да Ni3Al.
Литературный обзор..................................... 18
1.1. Интерметалл иды - новые перспективные материалы 18
1.2. Преодоление хруг кости в Ni3Al...................... 22
1.3. Аномалия зависимости предела текучести от температуры в Ni3Al...................................... 24
1.4. Особенности протекания многоступенчатой деформации............................................... 35
1.5. Метод синтеза интерметаллидов при ударно-волновом воздействии.............................................. 41
Глава 2. Многоступенчатая деформация монокристаллов сплавов типа
Ni3Al. Экспериментальные результаты...................... 45
2.1. Введение............................................ 45
2.2. Материал и методика эксперимента.................... 47
2.3. Микроструктура монокристаллов до деформации......... 50
2.4. Механические свойства монокристаллов при двухступенчатой деформации............................... 54
2.4.1. Интерметалл ид Ni3(Al, Nb)........................ 55
2.4.1.1. Ориентация <023>................................ 55
2.4.1.2. Ориентация < 134>............................... 58
2.4.1.3. Ориентации <519>, <417>......................... 59
2.4.2. Интерметаллид Ni3(Al, Ti), ориентация < 125 >..... 60
2.4.3. Сплавы 3, 4, ориентация <001 >.................... 66
2.4.4. Сплав 3, ориентация < 123 >....................... 72
2.5. Механические свойства при многосту пенчатой
деформации........................................... 72
2
2.6. Электронно-микроскопическое исследование дислокационной структуры................................. 77
2.7. Выводы.............................................. 88
Заключение к главе II.................................... 89
Глава 3. Анализ деформационного поведения и дислокационной структуры интерметалл идо в типа Ы13А1 с использованием различных теоретических моделей.................................. 90
3.1. Введение............................................ 90
3.2. Интерпретация деформационных кривых с использованием модели Эзза - Хирша........................ 92
3.3. Модель ‘'прозрачного” дислокационного каркаса........ 99
3.3.1. “Двойной ключ”..................................... 99
3.3.2. “Непрозрачный” дислокационный каркас............. 100
3.3.3. “Прозрачный” дислокационный каркас................ 103
3.4. Модель инициирующего механизма блокировки дислокационного источника................................ 106
3.5. Обсуждение экспериментальных
результатов........................................... НО
3.6. Выводы............................................. 114
Заключение к главе III................................... 115
Глава 4. Исследование гетерофазной структуры образцов состава № - 25 ат.% А1, сохраненных после ударно-волнового воздействия. Эксперт ентальные результаты............... 116
4.1. Введение........................................... 116
4.2. Материал, краткое описание способа и условий нагружения............................................... 117
4.3. Основные результаты................................. 120
4.4. Выводы.............................................. 133
3
Заключение к главе IV...................................... 134
Глава 5. Сравнительное исследование комплекса явлений, наблюдаемых в порошковых образцах стехиометрического состава систем №-А1, ТІ-А1 в условиях взрывного нагружения 135
5.1. Введение.............................................. 135
5.2. Анализ фазовых превращений и структуры различных синтезированных сплавов.................................... 137
5.2.1. Сплав Ті—50 ат.% А1................................. 137
5.2.2. Сплав ТІ-25 ат.% А1................................. 138
5.2.3. Железо в синтезированных образцах................... 140
5.3. Особенности эволюции микроструктуры образцов при ударно-волновом нагружении................................ 145
5.4. Выводы................................................ 149
Заключение к главе V....................................... 150
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................... 152
Публикации по теме исследования............................ 154
Список использованных литературных источников.............. 156
4
ВВЕДЕНИЕ
А кту а л ьиость и сследо ва н н н
В последние десятилетия во всем мире наблюдается тенденция интенсивного вытеснения металлических конструкционных материалов из сферы их традиционного применения. Зачастую, несмотря на довольно высокую прочность и прекрасную обрабатываемость, привычные стали и сплавы уже не могут выдерживать предъявляемых к ним все более жестких эксплуатационных требований. Вместо металлов в качестве конструкционных материалов начинают применять керамики, которые легки, лучше противостоят высоким температурам и агрессивным средам. Вместе с тем, к их недостаткам можно отнести отсутствие пластичности, наличие пустот и плохую обрабатываемость. Керамики разрушаются при ударе, а готовые изделия имеют большой разброс свойств. Эти недостатки затрудняют создание цельных крупногабаритных конструкций.
Интерметаллиды занимают промежуточное место между металлами и керамиками как по типу химической связи, так и по свойствам. Это широкий класс соединений исходных металлических элементов. В целом, интерметаллиды имеют лучшую обрабатываемость, чем керамики. Наряду с определенной пластичностью, они сохраняют свою структуру и прочность при высоких температурах, обладают хорошими
антикоррозионными и антифрикционными свойствами, в чем значительно превосходят обычные металлы.
Типичным интерметаллидом, сочетающим в себе свойства металла и керамика, является №3А1. Это один из ярких представителей группы высокотемпературных конструкционных материалов. “Керамичность” придает этому интерметалл иду такие свойства, как жаропрочность, жаро-и износостойкость, а “металличность” - прекрасную обрабатываемость, в частности, способность подвергаться пластической деформации
5
(в монокристалл ическом состоянии очень значительной). Высокая термическая устойчивость этого интерметаллида в значительной мерс обусловлена присущей ему аномалией зависимости предела текучести от температуры Сту(7): - в интервале от нуля до 600-800 °С сплав самоупрочняется. Лишь дальнейшее повышение температуры приводит к постепенному разупрочнению материала. Аналогичное явление термического упрочнения, за которое ответствен 1а термоактивированная блокировка определенных сверхдислокаций, обнаружено у широкого круга интерметаллидов и в настоящее время хорошо изучено.
Уникальный комплекс полезных свойств интерметаллида М13А1 обусловил широкое практическое применение материалов, созданных на его основе:
Роторы для дизельных двигателей. Сложнолегированные алюминиды, например, состава (1\Ч-15.9А1-8.0 Cr-0.8Mo-l.0Zr-0.03B), обладают хорошими литейными качествами и усталостными свойствами.
- Высокотемпературные штампы и формы. Хорошая стойкость к окислению при высоких температурах и высокая прочность при большой скорости деформации делают сплавы №3А1 привлекательными как материалы для горячей штамповки и как формы для выплавки стекла.
- Зажимные приспособления в высокотемпературных печах. Благодаря стойкости к образованию карбидов и оксидов, сплавы №3А1 могут быть использованы в качестве крепления при термообработке деталей автомобилей.
- Роллеры для прокатки стальных слябов. Высокотемпературная прочность, стойкость к окислению и коррозии сплавов МиА1 существенно уменьшают энергетические затраты, (не требуется водяное охлаждение) и затраты на материалы, поскольку значительно увеличивается время эксплуатации.
6
- Гидротурбины. Возможность использования аз юминидов никеля для роторов гидротурбин обусловлена тем, что сплавы Ы13Л1 обладают высоким сопротивлением к вибрационной кавитации в воде.
- Режущий инструмент. Композиты вольфрам-карбид с покрытием из алюминидов никеля обладают большей прочностью (как при низких, так и при высоких температурах) и лучшими режущими свойствами, чем те же композиты с покрытием из кобальта.
- Лопатки турбин и сопла реактивных двигателей. Полученные путем направленной кристаллизации сложнолегированные сплавы, например, состава (Ni-16.3Al-8.2Mo-0.26B), обладают высокой прочностью и сопротивлением крипу при температурах выше Ю00°С в окисляющей атмосфере.
Дальнейшее развитие промышленного производства требует системного подхода и предполагает фундаментальные исследования интерметаллидов типа ЬЧуМ.
Несмотря на многолетнее успешное применение таких материалов в прикладных областях, некоторые закономерности деформационного поведения сплавов типа М3А1 остаются без объяснения. Так, в литературе по этой тематике нет единого мнения относительно природы аномального поведения монокристаллов этого интерметалл и да в условиях многоступенчатой деформации. Па протяжении нескольких десятилетий для монокристаллов ЫцА1 известен эффект резкого падения деформирующего напряжения (макроскачок напряжения) в условиях двухступенчатого нагружения при переходе от высокотемпературной ступени деформации к комнатнотемпературной. Явление наблюдается, если температура первой ступени чуть ниже той, что соответствует пику зависимости ау(Г), а степень предварительной деформации невелика. Однако, систематические экспериментальные данные о влиянии на макроскачок напряжения исходной ориентации и химического состава
7
монокристаллов, а так же степени предварительно й деформации отсутствуют. Остается неизученным поведение в таких условиях монокристаллов сложнолегированных многофазных промышленных сплавов (суперсплавов), в которых ЫцА] является основной упрочняющей фазой.
Наконец, в отличие от обнаруженной у многих упорядоченных сплавов аномалии а^Т), интерпретация которой является общепринятой, единого теоретического подхода к описанию многоступенчатой деформации в таких материалах в настоящее время не существует. Интерметаллид 'ПА!, так же как и МзА1, являющийся основой для создания современных “высокотемпературных” материалов и обладающий схожей аномалией сту(Т), в ряде случаев не обнаруживает макроскачка напряжений. Разрозненные объяснения в одних случаях наличия, а в других - отсутствия такого макроскачка не позволяют с единых позиций истолковать весь объем имеющихся в литературе экспериментальных данных.
Между тем, понимание особенностей пластической деформации этих интерметаллидов являются основой для дальнейшего развития программ конструирования новых материалов. Создание целостного теоретического представления об эволюции дислокационной структуры в условиях многоступенчатой деформации интерметаллидов с аномалией сгу(Т) невозможно без проведения систематического исследования механических свойств и дислокационной структуры для каждого из этих материалов.
В свете вышесказанного, экспериментальные результаты исследования деформационного поведения и дислокационной структуры интерметалл и да №3А1 в условиях многоступенчатой деформации, приведенные в главе II настоящей работы, и возможная трактовка этих результатов при помощи различных теоретических моделей, изложенная в главе III диссертации, являются актуальными.
8
При разработке новых сплавов, обнаруживаю! шх высокие прочностные и пластические свойства, большой интерес представляет не только изучение их “интерметаллической” составляющей, но и сами методы создания таких материалов.
Многолетний опыт работы большого коллектива исследователей ИФМ УрО РАН под руководством проф. Б. Л. Гринберг в области деформационного поведения и микроструктуры сплавов систем Т1-А1, N1—А1, в соавторстве с которым выполнена представляемая работа, позволил во второй ее части (главы IV, V) осуществить исследования в новом перспективном направлении синтеза интерметаллидов посредством ударно-волнового нагружения. Работы по получению образцов, сохраненных после взрывного воздействия, были проведены в Российском Федеральном Ядерном Центре РФЯЦ-ВПИИТФ (г. Снежинск) сотрудниками исследовательской группы Е. В. Шорохова под руководством академика РАН Б. В. Литвинова. Метод сочетает сверхвысокие давления и температуры с очень короткими временами воздействия ударной волны. В силу перечисленных факторов, он позволяет создавать из порошков исходных металлов неравновесные структуры, обеспечивая уникальные возможности получения необычных прочностных и пластических свойств. Необходимость такого рода исследований, кроме того, продиктована существованием общей для физики конденсированного состояния проблемы фазовых превращений при экстремальных воздействиях.
С другой стороны, анализ конечных микроструктур, полученных в результате взрывного нагружения образцов, позволяет делать выводы относительно характера ударно-волнового нагружения, процессов взаимодействия ударных волн, реализуемых давлениях и температурах. Таким образом, результаты, полученные в таких исследованиях, приводят к формированию новых представлений о поведении вещества при
9
высокоинтенсивных кратковременных воздействиях и вносят вклад в различные области современной физики конденсированного состояния: физику твердого тела, физику прочности и пластичности и др. С этой точки зрения, нагружаемый образец может рассматриваться не только как объект исследования, но и как зонд, используемый для получения информации о сложных ударно-волновых процессах.
Методом ударно-волнового сжатия исходных порошков чистых металлов, взятых в стехиометрической пропорции N1-25 ат.% А1, в работе наряду с неравновесными структурами впервые синтезирован интерметаллид №3А1. Обсуждение результатов этого исследования проводится в сравнении с литературными данными об эволюции микроструктуры и фазовых превращениях в синтезированных образцах системы 'П-А!, полученных в подобных или аналогичных условиях. В связи с перспективностью и уникальностью метода синтеза иптерметаллидов и необычными свойствами полученных материалов главы IV и V также носят актуальный характер.
Цель работы
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию интерметаллидов типа ]\13А1 в условиях как многоступенчатой деформации, так и интенсивной деформации при ударно-волновом нагружении. Диссертация включает в себя анализ структурных и фазовых превращений исследуемых материалов при различных режимах деформации. Обсуждение экспериментальных результатов работы проводится, при необходимости, с учетом различных теоретических моделей и привлечением данных, заимствованных из литературных источников.
10
Конкретные задачи диссертационной работы состояли в
следу ющем:
1. Изучить влияние ориентации оси сжатия монокристаллов интерметалл и да МцА1, их легирования и степени предварительной высокотемпературной деформации на наличие и величину макроскачка напряжения, наблюдаемого при понижении температуры испытания в условиях двухступенчатой схемы нагружения.
2. В указанных условиях провести исследование возможности возникновения макроскачка напряжения в монокристаллических образцах промышленных, сложнолегированных жаропрочных сплавов с различным содержанием основной упрочняющей фазы М3А1.
3. Для установления механизмов деформации, ответственных за возникновение макроскачка напряжения, поставить специальные эксперименты по многоступенчатому нагружению указанных материалов в условиях изменения температуры испытания на каждой последующей ступени деформирования.
4. Выявить зависимость между дислокационной структурой интерметаллидов типа №3А1 и их аномальным поведением в условиях многоступенчатой деформации.
5. При помощи различных теоретических моделей деформационного поведения интерметаллидов в условиях многоступенчатой деформации провести анализ экспериментальных данных по этому вопросу, предпринять попытку выбора наиболее адекватной модели.
6. Исследовать структуру образцов стехиометрического состава N4-25 ат.% А1, полученных методом сферического ударно-
11
волнового воздействия из порошка чистых исходных металлов. На основании проведенного исследования выяснить последовательность протекания процессов структурообр иования.
Научная новизна
1. Показано, что в монокристаллах интермсталлида №3А1, легированного N1) или П, макроскачок деформирующего напряжения при переходе с 1-ой высокотемпературной ступени нагружения ко П-ой, проводимой при комнатной температуре, наблюдается при всех исследованных ориентациях оси сжатия.
2. Установлено, что величина макроскачка напряжения в этом интерметаллиде зависит как от легирующего элемента замещения в подрешетке алюминия и степени предварительной высокотемпературной деформации, так и от кристаллографической ориентации исследуемого монокристалла. Влияние перечисленных параметров на макроскачок описано в качественной и количественной форме.
3. Впервые в указанных условиях макроскачок напряжения зафиксирован для различных ориентаций многофазных псевдомонокристаллов жаропрочных промышленных сплавов, в которых интерметаллид М3А1 является основной упрочняющей фазой.
4. Методами просвечивающей электронной микроскопии выявлена характерная дислокационная структура монокристаллов, деформированных с использованием многоступенчатой схемы нагружения. В сопоставлении с данными механических испытаний, полученные результаты позволяют предположить, что при
12
изменении температуры деформации происходит смена действующей системы скольжения дислокаций.
5. Полученные в работе экспериментальные результаты относительно деформационного поведения интер металл идов типа N і 3 АI хорошо описываются в рамках модели “прозрачного дислокационного каркаса”, которая предусматривает возможность смены действующей системы скольжения в условиях многоступенчатого нагружения.
6. Впервые интерметаллид Ы13А1 синтезирован методом сферического ударно-волнового сжатия из порошка чистых исходных металлов стехиометрического состава Иі-25 ат.% А1. Установлено, что в ходе интенсивного деформационного воздействия при давлении 50 ГПа происходит полное расплавление нагружаемого материала и его последующее высокоскоростное охлаждение с образованием набора разупорядоченных фаз. Процессы частичного упорядочения развиваются лишь во время медленного охлаждения при остаточных температурах и, таким образом, материнской фазой при появлении в сплаве интерметаллической составляющей у является неупорядоченная у-фаза состава МІА1, а не Ь, как это имеет место в случае стабильной фазовой диаграммы.
7. На базе проведенного исследования, а так же литературных данных по взрывному нагружению порошков различных композиций системы Ті-АІ, предпринята попытка реконструкции временной последовательности комплекса явлений, сопровождающих процессы высокоинтенсивной ударно-волновой деформации пористых материалов.
13
Научная н практическая ценность
Научная ценность диссертационной работы в первую очередь состоит в углублении понимания сложной природы деформационного поведения большого числа интерметалл идо в, обладающих аномальной зависимостью оу(Т). В настоящее время нет единого общепризнанного теоретического подхода к описанию эволюции дислокационной структуры таких упорядоченных еллавов, в частности, в вопросе объяснения их аномального поведения в условиях многоступенчатой деформации. Предпринятое исследование отчасти восполняет пробел в систематических экспериментальных данных, имеющийся в этой области. Вместе с тем, сам объект исследования - интерметаллид №зА1 - является основой при создании многих современных жаропрочных конструкционных материалов и это обстоятельство вносит в работу выраженную “прикладную” компоненту.
Структурные состояния после сильной деформации, как часть общей проблемы экстремальных воздействий на вещество, являются, как уже отмечалось выше, богатым источником новой информации для целого ряда направлений современной физики конденсированного состояния. Ударно-волновое воздействие на порошковые системы, с этой точки зрения, может рассматриваться не только как метод, позволяющий получать новые материалы на основе интсрмсталлидов типа Ьп3А1 и Т1А1. Наряду с этим, сохраненный после нагружения образец может выполнять роль свидетеля сложных процессов, развивающихся в ходе ударно-волнового сжатия.
14
- Київ+380960830922