CC BY
67
УДК 669.296:553.381
АНАЛИЗ ОРИЕНТАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИФРАКТОМЕТРИИ
© Т.М. Полетика, С.Л. Гирсова, А.Н. Шмаков
Ключевые слова: ГПУ-сплавы; неоднородность деформации; неустойчивость пластического течения; системы скольжения.
Методом рентгеновской дифрактометрии на синхротронном излучении проведено прецизионное исследование эволюции микроструктуры сплава Zr - 1 % ЫЪ, деформированного одноосным растяжением. Обнаружен немонотонный характер зависимости ширины дифракционных линий, флуктуации интенсивности отражений и упругих микроискажений от локальной деформации и действующего напряжения.
Известно, что ГПУ - циркониевые сплавы характеризуются мезоскопической неоднородностью деформации на уровне отдельных зерен, которая вызвана упругопластической анизотропией [1, 2] и может приводить к развитию макронеоднородности деформации и потере ее устойчивости, связанной с ранним возникновением шейки. В настоящей работе на примере деформационного поведения анизотропного поликри-сталлического ГПУ-сплава Zr - 1 % ЫЪ рассмотрены вопросы перераспределения напряжения и передачи деформации между различно ориентированными к оси деформации зернами в условиях неоднородности пластического течения и текстурообразования.
Исследован рекристаллизованный сплав Zr - 1 % ЫЪ после различных степеней деформации растяжением. Синхротронные дифракционные спектры получены на дифрактометре с высоким разрешением в Сибирском центре синхротронного излучения (г. Новосибирск) на канале ускорителя электронов ВЭПП-3 с режимом и = 20 КэВ с использованием монохроматора двукратного отражения в симметричной схеме Si(111) со степенью монохроматизации (3...7)^10-4, длина волны X = 1,5402 А. Съемку проводили по методу Брэгга-Брентано с вращением. Для описания профиля дифракционных линий использовали функцию Фойгта, для анализа физического уширения дифракционных линий использовали метод Вильямсона-Холла.
Использование метода рентгеновской дифракто-метрии на синхротронном излучении, обладающем высокой интенсивностью и высоким пространственным разрешением, позволило получить усредненные характеристики переориентированных зерен и связать их с закономерностями изменения микроструктуры в процессе деформации. Анализ физического профиля дифракционных линий позволил оценить величину упругих искажений, связанных с дефектностью структуры вдоль различных направлений кристаллической решетки и в среднем по материалу. Оказалось, что экспериментальные точки ложатся на предусмотренную в методе аппроксимации Вильямсона-Холла монотонную зависимость полуширины линий от вектора рассеяния рентгеновских лучей на начальном этапе деформации и на ее заключительной стадии. В интервале
неустойчивости деформации 0,05-0,2 линейная зависимость нарушается, что свидетельствует об анизотропии напряжений вдоль различных направлений. В этом случае проводили аппроксимацию для направлений с близкими значениями модуля упругости. Необходимо отметить, что анализ физического профиля дифракционных линий для сплава циркония, полученных с использованием обычного рентгеновского дифрактометра, не дает линейной зависимости Вильямсона-Холла во всем интервале деформаций, поскольку существует значительный разброс значений [3].
Обнаруженные закономерности представлены на зависимостях интенсивности основных линий, их уши-рения и степени искажений решетки вдоль различных направлений от действующего напряжения S (рис. 1). Наблюдается корреляция немонотонного характера изменений полуширины дифракционных линий (рис. 1б) с флуктуациями относительной интенсивности основных рентгеновских максимумов (рис. 1а), а также величины упругих микроискажений, связанных с дефектностью структуры (рис. 1в). Это свидетельствует о том, что осциллирующий характер процесса переориентации кристаллитов взаимосвязан с периодическими изменениями в микроструктуре. Полученные данные позволяют судить о последовательности активизации различных систем скольжения, обеспечивающих рост дефектности в соответствующих плоскостях. Так, в первую очередь нагружаются «мягкие» зерна, благоприятно ориентированные для легкого призматического скольжения в плоскостях {1010} и {1120}. Далее происходит их упрочнение, что способствует перераспределению нагрузки на «твердые» зерна с базисными нормалями, близкими к оси нагружения (неблагоприятная ориентация), которые прежде деформировались упруго. Деформация зерен с «твердой» ориентировкой происходит преимущественно пирамидальным скольжением в плоскостях (1011) и (1122) вдоль направления (1123).
Одновременный рост интенсивности и уменьшение ширины дифракционных линий (10 0)и(11 0), сопровождающийся падением уровня микроискажений в данных направлениях, может свидетельствовать о протекании динамического возврата в «мягких» зернах.
1844
0,0020
200 300 400 500 600 700
S, МПа а)
2-г яю -i::j :,no іг.;:й -ж б)
?т з г: о ¿no ñon ы?, -т в)
Рис. 1. Зависимость относительной интенсивности Iomu (а) и полуширины в (б) дифракционных линий, среднеквадратичных значений микроискажений кристаллической решетки <є2>1/2 (в) от действующего напряжения S
Впоследствии аналогичный процесс развивается также в «твердых» зернах. Очевидно, что немонотонный характер пластического течения в сплаве циркония обнаруживается в условиях значительной неоднородности деформации, при которой локальные области деформируемого материала (различно ориентированные зерна/группы зерен) находятся на различных этапах своей эволюции. В результате возврат деформационной структуры в зернах, принадлежащих различным текстурным компонентам, происходит не одновременно, а начинается при различных уровнях действующего напряжения. Так, деформация легким скольжением в ориентированных для него зернах начинается на пределе текучести при S и 180 МПа. Максимальное упрочнение в таких зернах достигается при S и 400 МПа, что соответствует значению е и 0,05. Действующие напряжения достаточны для активизации как пирамидального, так и базисного скольжения [4]. Дальнейший деформационный возврат в «мягких» зернах облегчает перераспределение нагрузки на «твердые» зерна, как это имеет место в структурно-неоднородных материалах. Активизация вторичных систем скольжения обеспечивает вовлечение в самосогласованную деформацию ранее неблагоприятно ориентированных зерен (групп зерен), что сопровождается ростом в соответствующих отражений и искаженности кристаллической решетки (е и 0,1). Из рис. 1 следует, что совместное пластическое течение всех зерен (субзерен), включая наименее ориентированные, достигается при S и 500 МПа
(е ~ 0,1), т. е. в уже сформировавшейся шейке. Таким образом, кривые изменения параметров дифракционных линий при значениях напряжений меньших, чем 500 МПа отражают процесс деформирования отдельных групп (конгломератов) зерен с различной сдвиговой устойчивостью.
Таким образом, в области неустойчивости пластического течения анизотропный поликристалл ведет себя подобно композиту, совместная пластическая деформация компонентов которого протекает, согласно постулату Тейлора, в условиях сохранения непрерывности напряжений, что необходимо для сохранения целостности материала. При этом непрерывность деформации по Тейлору, которая обеспечивается наличием в зерне нескольких активных систем скольжения, достигается не сразу, поскольку «твердые» зерна деформируются слабо либо не деформируются вовсе. Недостающая деформация добирается за счет более «мягких» зерен, которые эффективно пластически аккомодируют внутренние напряжения, а возможность их быстрого упрочнения за счет формирования фрагментированной структуры обеспечивает эффективную передачу нагрузки на «твердые» элементы структуры. Стадия колебательного неустойчивого пластического течения, по сути, является растянутой во времени переходной стадией, в процессе которой осуществляется закономерная эстафетная передача деформации между различно ориентированными структурными составляющими (зернами, фрагментами).
В условиях продолжающегося нагружения дополнительным каналом диссипации энергии в критической фрагментированной структуре, образование которой достигается в «мягких» зернах при е и 0,05, является ее разрушение, снижение локальных напряжений, а затем повторное формирование субграниц: реализуется цикличность дислокационных перестроек [2]. В том случае, если превращения в дефектной структуре имеют корреляции на мезоскопическом и более высоком макроскопическом уровне, соизмеримом с поперечным сечением образца, то возможен колебательный режим пластического течения [2, 5], что и реализуется при деформации ГПУ-сплава циркония - материала с выраженной анизотропией упругих и пластических свойств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Xu F., Holt R.A., Daymond M.R. // Acta Materialia. 2008. V. 56.
Р. 3672-3687.
2. Полетика Т.М., Гирсова С.Л., Пшеничников А.П. // Деформация и
разрушение материалов. 2010. № 9. С. 6-12.
3. Mukherjee P., Sarkar A., Barat P. и др. // Acta Materialia. 2001. V. 52.
P. 5687-5696.
4. TenckhoffE. // Journal of ASTM International 2005. V. 2. № 4. P. 25-49.
5. Полетика Т.М., Пшеничников А.П. // Журнал технической физики.
2009. Т. 79. Вып. 3. С. 54-58.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Poletika T.M., Girsova S.L., Shmakov A.N. ANALYSIS OF ORIENTATION INSTABILITY OF PLASTIC DEFORMATION USING X-RAY DIFFRACTION
Synchrotron radiation X-ray diffraction is applied for the precision study of the microstructure evolution of Zr - 1 % Nb alloy deformed by uniaxial tension. A non-monotonic pattern of the integral width of X-ray lines, intensity fluctuations of reflections and elastic micro-distortions as a function of in situ deformation and acting stress is revealed.
Key words: HCP-alloys; strain heterogeneity; instability of plastic flow; slip systems.
1845
