Деформационное поведение и разрушение субмикрокристаллического сплава Zr-1Nb Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.382 539.375

ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА Zr-1Nb

© И.П. Мишин, Г.П. Грабовецкая, И.П. Чернов, Е.Н. Степанова, К.А. Просолов, Д.Ю. Булынко

Ключевые слова: субмикрокристаллическая структура; упрочнение; локализация деформации; разрушение. Изучено деформационное поведение и характер разрушения сплава 2г-ШЪ в мелко- и субмикрокристалличе-ском состояниях в условиях растяжения при температуре 293 К. Установлено, что формирование субмикрокри-сталлической структуры приводит к повышению склонности сплава к локализации пластической деформации и изменению вида зависимости коэффициента деформационного упрочнения от деформации.

Эффективным способом повышения прочностных свойств металлических поликристаллов при невысоких гомологических температурах является измельчение зерна до субмикронных размеров (размер зерна менее 1 мкм). Большая протяженность и часто неравновесное состояние границ зерен, которые являются не только дополнительным сопротивлением сдвигу, но и играют определяющую роль в процессах образования концентраторов напряжения и зарождения различных видов деформационных дефектов, могут вносить существенные коррективы в развитие процессов деформации и разрушения в таких материалах. В работе проведены сравнительные исследования развития деформационных процессов и разрушения в сплаве 7г-1КЪ в мелкозернистом и субмикрокристаллическом состояниях при температуре 293 К.

Исследуемый циркониевый сплав Zr-1NЪ (марка Э110) в состоянии поставки имеет мелкозернистую неравноосную структуру с размером зерен 3-5 мкм в поперечном и 6-10 мкм в продольном сечениях. Методами рентгеноструктурного анализа было установлено, что в сплаве кроме основной фазы Zr0 присутствует некоторое количество фаз №^г), Zrp и твердого раствора на основе фазы Zr0. Вторичные фазы в виде частиц наблюдаются в объеме и на границах зерен. Размеры этих частиц изменяются от нескольких десятков нанометров до нескольких микрон. Субмикрокристал-лическая структура в сплаве была получена методом прессования со сменой оси деформации с постепенным понижением температуры в интервале 873-573 К. Методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа установлено, что указанный метод позволяет сформировать в сплаве 7г-1ЫЪ однофазную (твердый раствор на основе фазы Zr0 с ГПУ решеткой) суб-микрокристаллическую структуру (рис. 1). На электрон-нограммах такой структуры, снятой с площади 1,2 мкм2, наблюдается значительное количество рефлексов, равномерно расположенных по окружности, что свидетельствует о наличии в структуре большого числа элементов зеренно-субзеренной структуры в единице объема и существенной разориентации между ними. Основная масса элементов такой структуры имеет размеры (0,2-0,6) мкм, а средний размер элементов, опреде-

ленный по темнопольному изображению, составляет 0,42 ± 0,12 мкм.

м "V л ф 1_б_

V

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение структура субмикрокристаллического сплава 2г-1Мз: а - светлое поле; б - темное поле

Типичные кривые течения при растяжении сплава 7г-1№ в мелкозернистом и субмикрокристаллическом состоянии при температуре 293 К, в координатах «истинное напряжение - истинная деформация» представлены на рис. 2а. Видно, что на кривой течения сплава 7г-1№ в мелкозернистом состоянии длинная стадия деформационного упрочнения сменяется короткой стадией падающего напряжения. Для кривой течения сплава Zr-1NЪ в субмикрокристаллическом состоянии характерно наличие короткой стадии деформационного

1649

упрочнения, за которой следует длинная стадия падающего напряжения. Расчет зависимости коэффициента деформационного упрочнения (0 = da/dg^.) от истинной деформации для исследуемого сплава в обоих состояниях показал, что формирование субмикрок-ристаллической структуры в сплаве приводит не только к уменьшению длительности стадии деформационного упрочнения, но и изменяет ее характер (рис. 2б). На стадии деформационного упрочнения сплава в мелкозернистом состоянии наблюдаются четыре участка с различными коэффициентами деформационного упрочнения. В то же время на стадии деформационного упрочнения сплава в субмикрокристаллическом состоянии таких участков только два.

Рис. 2. Кривые растяжения (а) и зависимость коэффициента деформационного упрочнения от истинной деформации (б) сплава Zr-lNb в мелкозернистом (1) и субмикрокристалличе-ском (2) состояниях

Таблица 1

Механические свойства мелкозернистого (МЗ) и субмикрокристаллического (СМК) сплава Zr-lNb при комнатной температуре

Материал Микро- твердость, ГПа Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Деформация до разрушения, %

МЗ Zr-lNb 1,3 300 450 34

СМК Zr-lNb 2,2 650 700 17

В табл. 1 представлены результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре сплава Zr-lNb в обоих состояниях. Из табл. 1 видно, что формирование субмикрокристаллической структуры приводит к существенному в 1,5-2 раза повышению прочностных характеристик сплава Zr-lNb. При этом деформация до разрушения снижается в 2 раза.

При изучении распределения деформации по длине рабочей части образцов было установлено, что сплав в обоих состояниях в той или иной степени проявляет склонность к локализации деформации на макроуровне. В субмикрокристаллическом сплаве Zr-lNb локализация деформации на макроуровне при комнатной температуре проявляется в развитии одной полосы локализованной деформации шириной ~0,5 мм, которая располагается под углом, близким к 600, к оси растяжения. Появление макрополосы локализованной деформации на кривой течения соответствует началу стадии падающего напряжения. Развитие одной или двух макрополосы локализованной деформации является типичным для субмикрокристаллических металлических материалов, полученных с использованием методов интенсивной пластической деформации. Разрушение образцов субмикрокристаллического сплава происходит отрывом вдоль макрополосы локализованной деформации. В мелкозернистом сплаве Zr-lNb локализация деформации на макроуровне происходит путем образования шейки, а разрушение - отрывом вдоль плоскости практически перпендикулярной направлению нагрузки.

Исследование фрактограмм разрушения показало, что поверхность разрушения сплава Zr-1Nb в мелкозернистом и субмикрокристаллическом состояниях имеет вид вязкого чашечного излома. Однако размер чашек сплава Zr-1Nb в мелкозернистом состоянии существенно больше по сравнению с субмикрокристал-лическим состоянием. Общей характерной особенностью поверхностей разрушения мелкозернистого и субмикрокристаллического сплава Zr-1Nb является наличие пор. Плотность пор на поверхности разрушения сплава увеличивается, а их размер уменьшается с уменьшением среднего размера элементов зеренно-субзеренной структуры.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-02-31027_мол_а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Mishin I.P., Grabovetskaya G.P., Chernov I.P., Stepanova E.N., Prosolov К.А., Bulynko D.Y. DEFORMATION BEHAVIOR AND DESTRUCTION OF SUBMICROCRYSTALLINE ALLOY Zr-lNb

Deformation behavior and character of destruction in tension at the temperature 293 K of small and submicrocrystalline alloy Zr-lNb are studied. It is established that the formation of a submicrocrystalline structure increases the localization of plastic deformation of the alloy and change the form of the dependence of the strain hardening on the stress-strain dependence.

Key words: submicrocrystalline structure; strengthening; localization of deformation; fracture.

l650