Influence of equal-channel angular pressing on grain structure and internal stresses of technically pure nickel.pdf Введение До сих пор большое внимание исследователей привлекают металлические материалы, в которых методами интенсивной пластической деформации (ИПД) получена ультрамелкозернистая (УМЗ) структура, обеспечивающая уникальные свойства - прочностные, пластические, диффузионные и другие [1-5]. В настоящее время разработаны различные способы ИПД [1-8]. Одним из эффективных методов ИПД является равноканальное угловое прессование (РКУП) [1-3, 5, 6]. С помощью этого метода удается получать УМЗ-материалы. Причем объемы получаемых образцов таковы, что позволяют не только исследовать свойства этих материалов, но и изготовлять из них небольшие детали [2, 3]. Известно, что структура УМЗ-материалов может быть стабилизирована наноразмерными частицами вторичных фаз, расположенных на границах и в стыках зерен [3, 4, 9-14]. В однофазных так называемых чистых УМЗ-металлах частицы вторичных фаз нередко возникают в ходе ИПД [10, 13, 14]. В процессе ИПД дислокации активно захватывают примеси замещения и особенно внедрения и выносят их на границы. Большое количество точечных дефектов и общая высокая плотность других дефектов ускоряют диффузионные процессы. Сильно деформированный металл дополнительно захватывает примеси из окружающей атмосферы. Вследствие этого в ходе ИПД в УМЗ-материалах формируются частицы вторичных фаз, как равновесные диаграммные, так и метастабильные. Расположенные на границах и в стыках зерен эти частицы препятствуют перемещению границ и тем самым формируют УМЗ-структуры [9]. Также известно [3], что УМЗ-материалы содержат значительную внутреннюю энергию и структурно мало стабильны. Это обусловлено большой плотностью содержащихся в них границ, которые не являются совершенными и поэтому имеют большую запасенную энергию. А чем больше запасенная энергия, тем больше сила возврата и, следовательно, меньше стабильность структуры [3]. Значительная часть избыточной энергии УМЗ-материала - это упругая энергия искажения кристаллической решетки [3, 13]. Исследование природы внутренних упругих полей напряжений УМЗ-материалов является важной задачей, поскольку запасенная в них упругая энергия приводит к нестабильности структуры этих материалов. Изучение и анализ внутренних упругих напряжений проводится различными методами [15, 16]. Однако при использовании большинства методов удается определить лишь интегральные характеристики, усредненные по всему образцу. Поэтому к настоящему времени информация как об амплитуде внутренних напряжений, так и об их источниках остается незначительной. Эта задача наиболее полно решается методом просвечивающей электронной микроскопии [3, 10, 17, 18]. Настоящая работа посвящена детальному исследованию характеристик внутренних напряжений и идентификации их источников в технически чистом УМЗ-никеле. Материал и методы исследования Исследование проведено на образцах технически чистого никеля, приготовленных методом равноканального углового прессования. Химический состав технически чистого никеля представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав стали технически чистого никеля (ГОСТ 849-2008), вес.% C Mg Si P S Fe Cu Zn As Cd Sn Sb Ni 0.001 0.001 0.002 0.001 0.001 0.01 0.1 0.001 0.001 0.0006 0.0005 0.0005 Остальное При РКУП образцы подвергались сдвиговой деформации путем сжатия по двум пересекающимся под углом 120 каналам равного диаметра при температуре 400 С без промежуточных отжигов. Число проходов соответствовало N = 4. Изучение структуры проводилось методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах в электронных микроскопах ЭМ-125К с использованием гониометрической приставки и ЭМ-I25, обладающим более высокой разрешающей способностью. Фольги готовили методом электрополировки в специальных режимах, позволяющих получить большие площади для просмотра на контролируемом расстоянии от поверхности образца. Толщина фольги при просмотре в электронном микроскопе составляла ~ (170±25) нм. Ее определяли по толщинным экстинкционным контурам [19]. Статистическая обработка результатов проводилась по непрерывным участкам образца площадью ~ 80 мкм2, содержащей 500-1000 зерен. Среднее увеличение в колонне микроскопа было 40000-60000 крат. В результате проведенных исследований определены фазовый состав, число присутствующих фаз и мест их локализации, выявлены источники внутренних напряжений и определена их амплитуда. Размеры зерен и частиц вторичных фаз измеряли по стандартной технологии [20], скалярную плотность дислокаций - методом секущих [19]. Определение амплитуды внутренних напряжений состоит в определении кривизны-кручения кристаллической решетки по изгибным экстинкционным контурам [10, 21, 22]. Для этой цели измерялась ширина экстинкционного контура. Ранее было установлено, что его ширина в величинах разориентировок в никеле составляет ~ 1 [21]. Амплитуда кривизны-кручения определяется величиной градиента непрерывной разориентировки [19]: , (1) где dl - перемещение контура; d - изменение ориентировки отражающей плоскости фольги. В деформируемом кристалле характеристики, входящие в (1), являются локальными. Если на изучаемом участке отсутствуют дислокации, то имеет место упругий изгиб-кручение кристаллической решетки. Пластический изгиб-кручение обеспечивается локальной избыточной плотностью дислокаций: = + - - ( + и - - плотность дислокаций разного знака). В этом случает имеет место соотношение [22] (2) где b - вектор Бюргерса. В случае пластического изгиба-кручения кристаллической решетки скалярная плотность дислокаций должна быть не меньше избыточной, определенной согласно (2). Если величина скалярной плотности дислокаций, измеренная локально, меньше, чем величина ( < ), то имеет место упруго-пластический изгиб-кручение кристаллической решетки. В этом случае величина условна, поскольку она никогда не может превышать . Тогда амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки рассчитывается, как [22] = пл + упр , (3) где рассчитывается из (1), пл - амплитуда кривизны-кручения при пластическом изгибе-кручении, обеспеченная избыточной плотностью дислокаций = (локальные значения), рассчитывается из (2): . (4) Амплитуда упругой составляющей кривизны-кручения кристаллической решетки определяется из (3): упр = - пл . (5) Использование выражений (1) - (5) позволяет определить компоненты внутренних напряжений при пластическом, упругопластическом и упругом искажениях кристаллической решетки, а также выявить их источники. Подчеркнем, что все количественные данные представлены в работе после проведенной статистической обработки. Результаты и их обсуждение Зеренная структура и фазовый состав технически чистого никеля после РКУП Проведенные ранее исследования показали, что зеренная структура технически чистого никеля, получившаяся в результате РКУП, является весьма сложной [23]. Присутствуют зерна трех типов: 1) бездислокационные зерна - зерна, не обладающие субструктурой (в них практически отсутствуют дислокации); 2) зерна, содержащие хаотически распределенные дислокации или сетчатую субструктуру; 3) зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Типичные ПЭМ-изображения этих зерен приведены на рис. 1. Рис. 1. ПЭМ-изображения бездислокационных зерен (а), зерен с хаотической дислокационной структурой (б) и зерен с дислокационными ячейками (в) Было установлено, что зерна первого типа (бездислокационные зерна), объемная доля которых в материале составляет 22%, являются самыми мелкими зернами - их средний размер 110 190 нм. Зерна второго типа, в которых присутствуют дислокации, расположенные либо хаотически, либо образующие сетчатую субструктуру, обладают средним размером 160 370 нм. Объемная доля зерен этого типа составляет в материале 10%. Зерна третьего типа, зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой, занимают в материале наибольший объем (68%) и являются самыми крупными (180 440 нм). Такая структура зерен обусловлена методом приготовления УМЗ-поликристаллического агрегата [2]. В некоторый момент деформация оказывается прерванной, и поэтому в структуре присутствуют бездислокационные мелкие зерна и зерна средних размеров с развивающейся дислокационной структурой. Самые крупные зерна содержат ячейки, которые постепенно в ходе деформации превращаются во фрагменты, т.е. в субзерна, ограниченные малоугловыми границами. Последние при дальнейшей деформации превращаются в новые УМЗ-зерна. Это означает, что внутри УМЗ-зерен происходит обычный цикл эволюции дислокационной структуры по низкоэнергетической ветви [22, 24]. Ранее на важную роль процесса фрагментации в ходе образования УМЗ-зерен указывалось в [2]. Об этом свидетельствуют и проведенные измерения величины скалярной плотности дислокаций в каждом типе зерен, которые показали, что наибольшей величиной обладают зерна, содержащие хаотически распределенные дислокации или сетчатую субструктуру (зерна второго типа). В этих зернах средняя величина скалярной плотности дислокаций составляет 3.9 1010 см-2. В зернах с ячеистой или фрагментированной субструктурой (зерна третьего типа) величина < > = 1.4 1010 см-2, а в зернах первого типа - только лишь 3 108 см-2. Ранее [23] было также установлено, что РКУП технически чистого никеля приводит к образованию нанометрических частиц вторичных фаз, локализованных на границах и в стыках зерен, а также внутри зерен. Перечень и основные характеристики фаз после РКУП приведены в табл. 2. В этой же таблице представлены средние размеры частиц присутствующих фаз. Таблица 2 Основные характеристики фаз в УМЗ-никеле после РКУП Фаза Тип кристаллической решетки Пространственная группа Параметры кристаллической решетки, нм Размеры частиц вторичных фаз, нм Ni Кубич. (ГЦК) Fm3m а = 0.3524 Ni4N Кубич. Pm3m а = 0.375 5-8 Ni3C Гексагон. R 3c а = 0.4533; с = 1.920 10 80 NiO Кубич. Fm3m а = 0.419 15-25 Ni2O3 Гексагон. а = 0.461; с = 0.561 ~ 8 Частицы фаз Ni4N, обладающие округлой формой, и частицы пластинчатой формы Ni3C присутствуют на границах зерен. В стыках зерен присутствуют частицы фазы NiO. Форма этих частиц близка к округлой. Внутри зерен, преимущественно на дислокациях, находятся частицы фазы Ni2O3. Механизм формирования частиц вторичных фаз связан с интенсивным взаимодействием дефектов с примесями и аномальным массопереносом примесей в условиях высокой плотности подвижных дефектов. Вероятно, частицы этих фаз возникают в УМЗ-никеле вследствие взаимодействия окружающей атмосферы с никелем, который подвергается ИПД. В процессе ИПД такие элементы, как N, O, C, захватываются поверхностью, активированной деформацией, и затем скользящими дислокациями выносятся внутрь материала, где в дальнейшем диффузионным путем образуют частицы. При этом образуются как стабильные (NiO и Ni2O3), так и метастабильные (Ni4N и Ni3C) фазы. Расположенные на границах и в стыках зерен они препятствуют перемещению границ и тем самым стабилизируют УМЗ-структуру. Источники внутренних напряжений и их амплитуда Выше отмечалось, что внутренние поля напряжений методом ПЭМ обнаруживаются по экстинкционным изгибным контурам на ПЭМ-изображениях структуры материала [10, 17, 21, 22]. Кроме того, анализ экстинкционных изгибных контуров позволяет установить источники контуров, а значит, и источники полей внутренних напряжений, а также их амплитуду. Проведенные исследования показали, что в УМЗ-никеле после ИПД присутствуют следующие источники внутренних полей напряжений. Во-первых - это стыки зерен, в которых расположены дисклинации. Чем меньше размер зерна, тем больше мощность дисклинаций [25]. Отметим, что мощность дисклинаций пропорциональна кривизне-кручению кристаллической решетки [25]. В общем случае могут присутствовать два типа полей, источниками которых являются дисклинации: 1) упругопластические и 2) чисто упругие. Первые идентифицируются по присутствию дислокационных изгибных экстинкционных контуров (рис. 2, а), вторые - бездислокационных (рис. 2, б). В первом случае амплитуда поля максимальна, во втором - поле экранировано дислокационной структурой и амплитуда оказывается существенно меньше. Рис. 2. Примеры ПЭМ-изображений дислокационных (а) и бездислокационных (б) изгибных экстинкционных контуров в зернах УМЗ-никеля после РКУП Проведенные исследования показали, что после РКУП в стыках зерен УМЗ-никеля наблюдаются только бездислокационные изгибные экстинкционные контуры (рис. 2, б). Это означает, что присутствует только упругий изгиб-кручение кристаллической решетки, а амплитуда кривизны-кручения = упр. Полученные данные о величине приведены в табл. 3. Отметим, что измерение ширины изгибного экстинкционного контура для расчета амплитуды проводится максимально близко к источнику внутренних полей напряжений. Таблица 3 Амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки от различных источников Амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки Виды источников внутренних полей напряжений Стыки зерен Стыки зерен с частицами NiO Граница зерна Граница зерна с частицами Ni4N и Ni3C Частицы окислов Ni2O3 внутри зерен Дислокационная структура пл, см-1 0 0 0.4 104 0 0.02 104 0.06 104 упр, см-1 2.6 104 1.0 104 0.8 104 2.0 104 1.8 104 0 Во-вторых - это стыки зерен, в которых присутствуют частицы NiO (в ядрах стыковых дисклинаций). Как оказалось, в стыках зерен с частицами, как и в чистых стыках, наблюдаются только бездислокационные изгибные экстинкционные контуры, что означает только наличие упругого изгиба-кручения кристаллической решетки. Полученные данные о величине также приведены в табл. 3. В-третьих - это чистые границы зерен, т.е. границы, на которых отсутствуют частицы вторичных фаз. Как видно из табл. 3, амплитуда кривизны-кручения от чистых границ зерен ниже, чем от стыков зерен. Кроме того, из табл. 3 видно, что присутствует как упругий изгиб-кручение ( упр), так и изгиб-кручение, экранированный дислокациями ( пл), т.е. в материале присутствуют как бездислокационные изгибные экстинкционные контуры, так и дислокационные. Причем изгиб-кручение, экранированный дислокациями, в 2 раза меньше. В-четвертых - это частицы вторичных фаз Ni4N и расположенные на границах зерен. Это самостоятельные источники кривизны-кручения кристаллической решетки с амплитудой, более чем в 2 раза превосходящей ту, что дают чистые границы зерен и при этом приводят только к упругому изгибу-кручению кристаллической решетки (табл. 3). Как отмечалось выше, на границах зерен присутствуют частицы округлой (Ni4N) и пластинчатой (Ni3C) формы. Выполненные измерения показали, что размер округлых частиц Ni4N, расположенных на границах зерен, существенно меньше размера округлых частиц NiO, находящихся в стыках зерен (см. табл. 2). И, как оказалось, величина от частиц Ni4N практически в 2-2.5 раза больше, чем от NiO, при этом поля внутренних напряжений чисто упругие как от тех, так и от других частиц. Частицы пластинчатой формы Ni3C, также присутствующие на границах зерен, обладают существенно большим размером по сравнению с частицами округлой формы Ni4N (см. табл. 2). Величина от этих частиц практически в 2 раза меньше, чем от частиц Ni4N. При этом поля внутренних напряжений от пластинчатых частиц остаются чисто упругими. В табл. 3 приведено усредненное значение амплитуды от всех частиц, присутствующих на границах зерен. Таким образом, это свидетельствует о том, что чем меньше размер частицы, расположенной на границе и в стыке зерен, тем больше величина . В-пятых, еще одним источником внутренних напряжений являются частицы окислов Ni2O3, находящиеся в объеме зерен на дислокациях. Ввиду их малого размера (см. табл. 2) величина от этих источников довольно велика, и поля от таких источников практически чисто упругие (см. табл. 3). И, наконец, шестым источником полей внутренних напряжений является дислокационная структура в зернах или части зерен, в которых отсутствуют частицы вторичных фаз. Величина от этих источников относительно мала, а поля от них носят чисто пластический характер (табл. 3). Кроме описанных источников полей внутренних напряжений встречаются также случаи упругого изгиба зерна, обусловленного полями напряжений из-за несовместной деформации соседних зерен. Необходимо отметить, что различные источники полей внутренних напряжений, в том случае, когда они расположены сравнительно недалеко друг от друга, взаимодействуют между собой и их поля перекрываются. Это хорошо видно по замыканию бездислокационных изгибных экстинкционных контуров различными концами на несколько источников (см. рис. 2, б). Как показали проведенные исследования, внутренние поля от всех видов источников охватывают все типы зерен. Амплитуда упругого поля от этих источников во всех типах зерен, как правило, возрастает с измельчением размера зерна. Зависимость от типа зерна величины значительно слабее: она максимальна в бездислокационных зернах ( = 1.4 104 см-1) и слабо убывает при переходе к зернам, содержащим дислокации и ячейки ( = 1.1 104 см-1). Заключение В работе методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии исследованы структура и поля внутренних напряжений образцов технически чистого УМЗ-никеля, изготовленных методом РКУП. Установлено, что в соответствии с характером дислокационной структуры зерна классифицируются на три типа: 1) самые мелкие зерна, не обладающие субструктурой (бездислокационные зерна); 2) более крупные, содержащие хаотически распределенные дислокации или сетчатую субструктуру; 3) самые крупные, с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Все зерна анизотропны. После проведенной РКУП зеренная структура УМЗ-никеля - это в основном зерна с ячеистой или фрагментированной субструктурой. Внутри, на границах и в стыках зерен присутствуют нанометрические частицы вторичных фаз, а именно Ni4N, Ni3C, NiO и Ni2O3. Все частицы обладают нанометрическим размером и локализуются внутри (Ni2O3), на границах (Ni4N, Ni3C) зерен, а также в их стыках (NiO). Наличие этих фаз определенным образом стабилизирует УМЗ-структуру материала. Установлены следующие источники внутренних напряжений в УМЗ-никеле: 1) стыки зерен; 2) частицы NiO, расположенные в стыках зерен; 3) границы зерен; 4) частицы фаз Ni4N и Ni3C, находящиеся на границах зерен; 5) частицы Ni2O3, находящиеся в объеме зерен на дислокациях и 6) дислокационная структура в зернах или части зерен, в которых отсутствуют частицы вторичных фаз. Установлено, что внутренние поля от всех видов источников охватывают все типы зерен. Амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки упругого поля от этих источников во всех типах зерен, как правило, возрастает с измельчением размера зерна.

Скачать электронную версию публикации