Влияние деформации на эволюцию микродвойникования и кривизну-кручение кристаллической решетки поликристаллических сплавов Cu-Al | Изв. вузов. Физика. 2020. № 11. DOI: 10.17223/00213411/63/11/63

Влияние деформации на эволюцию микродвойникования и кривизну-кручение кристаллической решетки поликристаллических сплавов Cu-Al

Рассмотрена динамика изменения разориентированных дислокационных субструктур, появляющихся на стадии развитой пластической деформации. Проведены качественные исследования типов дефектов, которые являются источниками кривизны-кручения кристаллической решетки χ. Измерены количественные параметры χ в сплавах при разных размерах зерен < d >. Прослежено изменение параметра кривизны-кручения кристаллической решетки в разориентированной ячеисто-сетчатой дислокационной субструктуре и микродвойниковой от степени деформации. Определены значения χ вблизи микродвойников и с удалением от них. Приведены примеры формирования микродвойников с ростом степени деформации для разных размеров зерен.

Effect of deformation on the evolution of microtwinning and on curvature-torsion of the crystal lattice in polycrystalli.pdf Введение Деформация металлических материалов вызывает появление в них разнообразных дефектов. Одним из важных дефектов является кривизна (χ) кристаллической решетки [1-4]. Локальная кривизна развивается с деформацией материала и определяет зарождение дислокаций, дает основной вклад в деформационное упрочнение, способствует образованию микротрещин, а затем приводит к разрушению материала [5]. Величину χ определим как кривизну-кручение кристаллической решетки. Из работ В.Е. Панина с соавт. [4, 6] следует, что локальная кривизна развивается с деформацией материала на всей иерархии масштабных уровней и определяет зарождение дислокаций, дает основной вклад в деформационное упрочнение, способствует образованию трещин, а затем и разрушению. В общем случае χ представляет собой тензор, который содержит компоненты кривизны и кручения. Поэтому величину χ определим здесь как кривизну-кручение кристаллической решетки. Источниками кривизны-кручения в ГЦК-поликристаллических твердых растворах являются границы зерен и уступы на них, стыки границ зерен, избыточные дислокации, распределенные по объему материала, образования дисклинационного типа и микротрещины [7, 8]. На электронно-микроскопических изображениях структуры деформированных материалов изгиб-кручение кристаллической решетки проявляется в возникновении изгибных деформационных экстинкционных контуров. Экспериментально эволюция χ с деформацией и зависимость χ от величины размера зерна пока мало изучены. Цель данной работы - выявить влияние размера зерна и плотности дислокаций в различных типах дислокационных субструктур, таких, как разориентированная ячеисто-сетчатая и микродвойниковая, на величину кривизны-кручения кристаллической решетки (χ) от степени деформации. Показать взаимосвязь χ и плотности дислокаций в разориентированной ячеисто-сетчатой с расстоянием от микродвойников. Материалы и методы исследования Исследование выполнено на поликристаллических ГЦК-сплавах Cu + 10 ат. % Al и Cu + 14 ат. % Al. Плоские образцы с размером рабочей части 100122 мм подвергались растяжению на машине Instron со скоростью 2•10-2 с-1 при температуре испытания 293 К. Структура деформированных образцов изучалась на фольгах в электронных микроскопах ЭМВ-100 АК и «Теsla BS-540», снабженных гониометром с наклоном и прецессией. Для исследования были взяты образцы сплавов в интервале размера зерен () от 10 до 200 мкм. По микрофотографиям проведены измерения параметров кривизны-кручения кристаллической решетки и плотности микродвойников. Величина χ определялась из градиента непрерывной разориентировки [9, 10]: , где φ - угол наклона кристаллографической плоскости по отношению к электронному пучку; ℓ - расстояние на плоскости. Величина dφ/dℓ определялась c использованием параметров изгибных экстинкционных контуров. Контур локализован на участке с одинаковой ориентировкой отражающих плоскостей. Величину χ можно определить из измерений ширины экстинкционного контура Δℓ в его локальных участках при фиксированном угле наклона образца. Плотность микродвойников измерялась методом секущей [11], подробное описание примененных методов представлено в [12]. Результаты исследования и их обсуждение В поликристаллических сплавах с высоким содержанием легирующего элемента на фоне раз¬ориентированной ячеисто-сетчатой субструктуры после деформации εист > 0.10 начинает формироваться микродвойниковая структура. На рис. 1 представлены электронно-микроскопические изображения микродвойниковой субструктуры при разных степенях деформации. Видно, что при деформации εист = 0.10 образуются одиночные микродвойники (рис. 1, а). Дальнейшее увеличение степени деформации до εист = 0.30 приводит к формированию одной системы микродвойников (рис. 1, б), а затем при дальнейшем росте деформации - к двум (рис. 1, в) и более (рис. 1, г). Микродвойники в сплавах могут образовываться как внутри зерна (рис. 1, а-в), так и от границ зерен (рис. 1, г) и являются источниками кривизны-кручения кристаллической решетки. Это подтверждается образованием экстинкционных деформационных контуров, которые формируются от микродвойников. Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение микродвойников в сплаве Cu + 10 ат. % Al после различных степеней деформации: а - одиночные микродвойники (εист = 0.10); б - одна система микродвойников (εист = 0.30); в - две и более систем микродвойников (εист = 0.40); г - микродвойники, формирующиеся от границы зерна (ГЗ) (указана стрелкой) (εист = 0.50); К - экстинкционный деформационный контур На рис. 2 представлены зависимости плотности микродвойников (ρдв) от степени деформации для разных размеров зерен. Анализ зависимостей показывает, что при росте степени деформации происходит интенсивное формирование микродвойников из нескольких систем скольжения и плотность микродвойников увеличивается при всех размерах зерен. С увеличением размера зерна плотность микродвойников также растет. Средняя скалярная плотность дислокаций в разориентированной ячеисто-сетчатой дислокационной субструктуре (ДСС) при этом уменьшается. Следует отметить, что увеличение плотности микродвойников ведет к уменьшению плотности дислокаций. Это говорит о том, что микродвойникование подавляет процесс скольжения в материале. Рис. 2. Зависимости плотности микродвойников ρдв от степени деформации при разных размерах зерен: кр. 1 - d = 10 мкм; кр. 2 - d = 40 мкм; кр. 3 - d = 60 мкм; кр. 4 - d = = 120 мкм; кр. 5 - d = 240 мкм На рис. 3 приведены зависимости плотности дислокаций в разориентированной ячеистой ДСС с расстоянием от микродвойников. Из рисунка видно, что вблизи микродвойников наблюдается низкая плотность дислокаций при двух размерах зерен - 10 и 200 мкм. С удалением от микродвойников плотность дислокаций растет, в дальнейшем выходя на насыщение. При повышенных степенях деформации происходит интенсивное образование экстинкционных деформационных контуров, которые свидетельствуют о наличии разориентировок в структуре, что приводит, в свою очередь, к формированию кривизны-кручения решетки. На рис. 4 представлены зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки от степени деформации для размера зерен 10 и 200 мкм в среднем по образцу, т.е. учитывались значения χ в разориентированной ячеисто-сетчатой ДСС и в микродвойниковой. Анализ зависимостей показывает, что с ростом степени деформации величина χ возрастает. Рис. 3. Зависимости плотности дислокаций в разориентированной ячеисто-сетчатой ДСС с расстоянием Х от микродвойников при разных размерах зерен: кр. 1 - = 10 мкм; кр. 2 - = 200 мкм Рис. 4. Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки χ от степени деформации в сплаве Cu + 10 ат. % Al: кр. 1 - = = 10 мкм; кр. 2 - = 200 мкм Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки χ с расстоянием Х от микродвойников при разных степенях деформации и для двух размеров зерен представлены на рис. 5. Величина χ убывает с расстоянием от микродвойников. Проследим роль микродвойников в формировании кривизны-кручения кристаллической решетки в зависимости от того, как образуется экстинкционный деформационный контур с расстоянием от них: 1) ширина контура не изменяется, 2) ширина контура увеличивается, 3) ширина контура уменьшается. Результаты этих исследований представлены на рис. 6. Видно, что в первом случае величина χ не изменяется (кривая 1), во втором - уменьшается (кривая 2), а в третьем - возрастает (кривая 3). Рис. 5. Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки χ с расстоянием Х от микродвойников при разных степенях деформации: кр. 1, 2 - εист = 0.40; кр. 3, 4 - εист = 0.10. Размер зерна: кр. 1, 3 - 10 мкм; кр. 2, 4 - 200 мкм Рис. 6. Схематическое изменение кривизны-кручения кристаллической решетки χ с расстоянием Х от микродвойников с учетом ширины экстинкционного деформационного контура (кр. 1-3) Величина χ не меняется в случае, если контур формируется между двумя микродвойниками, т.е. когда микродвойники образуют пачку. Величина χ связана с плотностью микродвойников линейной зависимостью (рис. 7). Рис. 7. Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки (χ) от плотности микродвойников (ρдв) в сплавах: кр. 1 - Cu + 10 ат. %A l; кр. 2 - Cu + 14 ат. %A l Заключение Проведено электронно-микроскопическое исследование разориентированной ячеистой дислокационной субструктуры и микродвойниковой при разных степенях деформации и размерах зерен, изучена кривизна-кручение кристаллической решетки, возникающая при деформации поликристаллических сплавов систем Cu-Al. Установлено, что источниками возникновения кривизны-кручения являются разориентированная ДСС и микродвойники и что величина χ связана с плотностью микродвойников линейной зависимостью. Максимальная плотность дислокаций наблюдается вдали от микродвойников.

Ключевые слова

металлы, сплавы, деформация, размер зерна, кривизна-кручение кристаллической решетки, микродвойникование

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Конева Нина АлександровнаТомский государственный архитектурно-строительный университетд.ф.-м.н., профессор, профессор каф. физики, химии и теоретической механики ТГАСУkoneva@tsuab.ru
Тришкина Людмила ИльиничнаТомский государственный архитектурно-строительный университетд.ф.-м.н., профессор, профессор каф. физики, химии и теоретической механики ТГАСУtrishkina.53@mail.ru
Черкасова Татьяна ВикторовнаТомский государственный архитектурно-строительный университет; Национальный исследовательский Томский политехнический университетк.ф.-м.н., доцент, доцент каф. физики, химии и теоретической механики ТГАСУ, ст. преподаватель ОРЯ НИ ТПУcherkasova_tv@mail.ru
Соловьев Артем НиколаевичТомский государственный архитектурно-строительный университетмл. науч. сотр. ТГАСУtsk_san@mail.ru
Черкасов Никита ВладиславовичТомский государственный архитектурно-строительный университетстудент ТГАСУcherkasov_2000@outlook.com
Всего: 5

Ссылки

Конева Н.А., Тришкина Л.И., Лычагин Д.В., Козлов Э.В. // Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела. Ч. 1 / под ред. акад. В.Е. Панина. - Томск: ТГУ, 1990. - С. 83-93.
Тюменцев А.Н., Дитенберг И.А., Коротаев А.Д., Денисов К.И. // Физич. мезомех. - 2013. - Т. 16. - № 3. - С. 63-79.
Тюменцев А.Н., Коротаев А.Д., Пинжин Ю.П. // Физич. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 4. - С. 35-53.
Панин В.Е., Панин А.В., Елсукова Т.Ф., Попкова Ю.Ф. // Физич. мезомех. - 2014. - Т. 17. - № 6. - С. 7-18.
Koneva N.A., Trishkina L.I., Cherkasova T.V., and Kozlov E.V. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Physics. - 2017. - V. 81. - No. 3. - P. 391-393.
Панин В.Е., Егорушкин В.Е. // Физич. мезомех. - 2015. - Т. 18. - № 3. - С. 100-113.
Конева Н.А., Тришкина Л.И., Козлов Э.В. // Известия АН. Сер. физич. - 1998. - Т. 62. - № 7. - С. 1352-1358.
Конева Н.А., Тришкина Л.И., Черкасова Т.В. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 4. - С. 14-19.
Козлов Э.В., Лычагин Д.В., Конева Н.А. и др. // Физика прочности гетерогенных материалов / под ред. А.Е. Романова. - Л.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 1988. - С. 3-13.
Koneva N.A., Trishkina L.I., and Cherkasova T.V. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Physics. - 2019. -V. 83. - No. 10. - Р. 1362-1367.
Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.
Конева Н.А., Черкасова Т.В., Тришкина Л.И. и др. Дислокационная структура и дислокационные субструктуры. Электронно-микроскопические методы измерения их параметров: учеб.-метод. пособие. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2019. - 136 с.
 Влияние деформации на эволюцию микродвойникования и кривизну-кручение кристаллической решетки поликристаллических сплавов Cu-Al | Изв. вузов. Физика. 2020. № 11. DOI: 10.17223/00213411/63/11/63

Влияние деформации на эволюцию микродвойникования и кривизну-кручение кристаллической решетки поликристаллических сплавов Cu-Al | Изв. вузов. Физика. 2020. № 11. DOI: 10.17223/00213411/63/11/63