CC BY
68
154
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
Т Э Х Н І Ч Н Ы Я Н А В У К І
УДК 534.8:535.5
В. С. Савенко
ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧНОСТЬ ДВОЙНИКУЮЩИХСЯ МЕТАЛЛОВ
Установлены и проанализированы физические модели новых каналов реализации двойникования. Показано, что возбуждение двойникования в области двойниковых границ приводит к интенсивному размножению двойникующих дислокаций и коллективному взаимодействию винтовых составляющих двойникующих дислокаций с препятствием, что открывает новые каналы реализации двойникования.
Введение
Основными видами пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Несмотря на то, что двойникование относится к основным видам деформирования кристаллов, в отличие от скольжения, данный вид пластической деформации изучен недостаточно полно, в то же время экспериментальные результаты по изучению двойникования подтверждаются открытием все новых явлений, протекающих при данном виде деформации [1]-[4].
В настоящее время внимание многих исследователей обращено на рассмотрение дислокационных механизмов при модификации физических свойств кристаллов. Это вызвано тем, что у подавляющего большинства материалов пластические свойства реализуются путем эволюции в них совокупностей дислокаций. В то же время имеется ряд материалов, таких, как, например, альфа-железо, кремнистое железо, цинк, бериллий и т. д., пластическая деформация в которых протекает путем реализации процесса двойникования.
Результаты исследования и их обсуждение
Реализация двойникования осуществляется в случае ориентационного запрета для обычного дислокационного скольжения, а также при больших скоростях нагружения и при низких температурах. Источниками генерирования двойникующих дислокаций являются концентраторы напряжений, а развитие двойников осуществляется с большими скоростями, и последующие деформационные процессы на границах двойников часто приводят к разрушению материала. В связи с этим управление кинетикой контролируемого двойникования, для создания равномерной дислокационной структуры на границах двойников с целью снижения концентрации напряжений, предоставляет реальную возможность использовать двойникование как резерв повышения пластичности материала. С другой стороны, системы тонких двойников при последующей деформации будут создавать естественные препятствия для полных дислокаций, в связи с этим созданием в материале двойниковой структуры возможно эффективное упрочнение материала, что является самостоятельным способом и каналом упрочнения двойникующихся металлов.
Электропластический эффект (ЭПЭ) обнаружен при действии одиночных импульсов тока плотностью ~ 105 А/см2 и длительностью ~ 10-4 сек. на деформацию кристаллов цинка растяжением и сжатием [5]. Он проявлялся в осцилляциях деформирующего усилия скачкообразных удлинений образцов при прохождении по ним каждого импульса тока без какого -либо существенного теплового эффекта и тепловой дилатации образцов.
Эффект не был связан с пондеромоторным пинч-действием импульсного тока, хотя следует отметить, что при определенных режимах плотности тока j = 106 А/см2 и длительностью ~ 10-4 сек. в образце генерируются упругие колебания кристаллической решетки по типу ультразвуковых за счет пинч-эффекта.
Электропластический эффект может действовать наряду с джоулевым эффектом в ставших уже традиционными способах обработки металлов давлением с участием электрического тока, таких как ЭКН (электроконтактный нагрев) и индукционный нагрев токами Фуко, где используется джоулевый эффект.
В работах [5]-[7] впервые наблюдались пики электропластического эффекта в виде резкого снижения сопротивления металлических кристаллов деформированию под влиянием тока высокой плотности в импульсном режиме. Эффект проявлялся в виде характерных сбросов деформирующего усилия на диаграммах растяжения или сжатия монокристаллов цинка или скачков деформации (рисунок 1). Обнаруженное явление было первоначально объяснено влиянием электрон-дислокационного взаимодействия на пластическую деформацию металла.
ТЭХНІЧНЫЯ НАВУКІ
155
Однако в последующем при постановке ряда уточняющих экспериментов было показано, что изменение механических свойств кристаллов при пропускании по ним импульсов тока происходит с участием пинч-эффекта и, в меньшей мере, под влиянием теплового действия тока.
а) 6)
Рисунок 1 - Запись деформации кристаллов цинка с разверткой во времени изменения деформирующего усилия
Авторами [5]-[7] было установлено, что за один импульс тока величиной 1200 А/мм2 кристаллы длиной в 15-16 мм увеличивались в длину на 3 ^ 10 мкм. Максимальная остаточная деформация, возникающая при прохождении одной дислокации через кристалл, равна, как известно, параметру решетки а = 2,66 х 10-8 см, а деформация на 3 ^ 10 мкм в пересчете
на действующий элемент скольжения кристаллов цинка <1120) (0001) соответствует выходу на поверхность кристаллов 104 ^ 105 дислокаций. Следовательно, каждый скачок деформирующего усилия был обусловлен выходом на поверхность кристалла десятков и сотен тысяч дислокаций, которые, как показали непосредственные микроскопические наблюдения, формировали свежие полосы скольжения. Таким образом, деформация кристаллов становилась в известной мере управляемой и дискретной.
При пропускании через металлические монокристаллы импульсов электрического тока с плотностью от 50-1000 А/мм2 и длительностью 10-4 с наблюдается перераспределение деформации двойникованием в окрестностях концентраторов механических напряжений [4], [8]—10].
Сравнение картин деформации с импульсом тока и без импульса показывает, что при совместном действии электрических и механических напряжений происходит стимулирование пластической деформации двойникованием. Увеличивается длина отдельных двойников, возникают новые двойники (рисунок 2). При сравнении были исключены все побочные факторы, которые могли бы повлиять на условия деформирования.
а — без импульса тока; б — с импульсом тока плотностью 600 А/мм2 ;
(Нагрузка на индентор 10 г; х 530)
Рисунок 2 - Деформирование кристаллов висмута сосредоточенной нагрузкой в одно и то же место
Одной из особенностей развития двойников, зарождающихся «в точке», является последовательность элементарных актов развития: при кратковременном действии нагрузки возникает тонкий двойник конечной длины, при увеличении времени действия индентора на кристалл наблюдается генерирование двойникующих дислокаций и их трансляция по границам раздела без увеличения длины двойникового клина. Естественно, что перемещающиеся от устья к вершине двойникующие дислокации могут встретить препятствие и образовать скопление.
156
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
При этом резко возрастет некогерентность двойниковых границ в плоскости (III) и внутренние напряжения могут привести к раскрытию трещин во вторичной плоскости спайности.
При пропускании импульса тока через кристалл во время деформации наблюдается новый вид взаимодействия винтовых двойникующих дислокаций с препятствием. Возбуждение электронной подсистемы образца приводит к интенсивному размножению двойникующих дислокаций на границах раздела и коллективному взаимодействию винтовых составляющих двойникующих дислокаций с препятствием. В результате возникает не наблюдавшееся ранее явление ветвления двойников [11]—[12].
В отсутствие внешних энергетических воздействий «ветвящиеся» двойники чаще зарождаются на двойниковых границах с малой степенью когерентности (рисунок 3). Искривление двойниковых границ вызвано избыточной концентрацией на них двойникующих дислокаций. Повышенная плотность дислокаций на двойниковой границе ведет к локализации на ней внутренних напряжений, источниками которых являются двойникующие дислокации. При этом в местах скопления дислокаций могут возникать напряжения, сравнимые по величине с порогом возникновения клиновидного двойника. Релаксация данных напряжений происходит через зарождение на двойниковой границе нового двойника, который развивается в новом энергетически выгодном направлении (рисунок 3).
Рисунок 3 - Зарождение двойника на двойниковой границе с малой степенью когерентности
Отметим, что в монокристалле висмута при деформировании плоскости спайности (111) сосредоточенной нагрузкой двойники могут развиваться в трех направлениях [101], [ 101], [ 101 ] (фактор Шмидта 0.48). Поэтому если «материнский» двойник развивался в направлении [101], то «дочерний» двойник может развиваться только в направлении [ 101] или [ 10І ].
Причиной избыточной концентрации частичных двойникующих дислокаций на определенных участках двойниковых границ могут служить стопоры в виде неоднородностей структуры кристаллической решетки либо в виде скопления полных дислокаций (рисунок 4). В последнем случае «дочерний» двойник может возникать в результате расщепления полных дислокаций на частичные двойникующие.
Рисунок 4 - Ветвление двойника у стопора
ТЭХНІЧНЫЯ НАВУКІ
157
На рисунке 5 показан случай, когда ветвление двойника произошло в результате наличия препятствия на пути трансляции двойникующих дислокаций. Об этом свидетельствует закругленная вершина двойника. Для объяснения данного случая воспользуемся картиной полей напряжений у клиновидного двойника (рисунок 6), которая получена в предположении того, что двойниковая граница состоит из полных, а не из частичных дислокаций. Поля напряжений вокруг скопления таких дислокаций, имеющего вид клина, можно рассчитать по формуле
_ Gb [y> {х + nd)[{x + nd)2 - (y + nh)2}
Gxy 27г(1 — if) [(Jf + nd)2 + (y + nh)2]2
*{x + nmx+nd)2_(y^nh)2]^
er l(x+ndy + (y-nhW Г
где - скалывающие напряжения,
b - модуль вектора Бюргерса,
G - модуль сдвига, v - коэффициент Пуассона, п - индекс суммирования,
N] и N2 - число дислокаций на двойниковых границах.
В нашем случае при компьютерном построении кривых, представленных на рисунке 6, было принято NI = N2 = 10.
Рисунок 5 - Ветвление двойника
в результате наличия препятствия на пути трансляции двойникующих дислокаций
Рисунок 6 - Поля напряжений у клиновидного двойника
158
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
На рисунке 6 видно, что напряжения увеличиваются с приближением к двойниковой границе, более того у вершины двойника они имеют такой же порядок, что и у непосредственной близости двойниковой границы, но на расстоянии в два-три раза большем. В результате при наличии стопоров на пути движения клиновидного двойника происходит перераспределение напряжений у его вершины таким образом, что величина их проекций на новое направление двойникования становится сравнимой с пороговым значением возникновения двойника.
Описанные явления свидетельствуют о дополнительной возможности пластификации механически двойникующихся материалов при создании в процессе деформирования условий, благоприятных для размножения двойникующих дислокаций. Такие условия можно создать, пропуская через материал импульсы тока большой плотности во время деформирования. При этом релаксация внутренних напряжений, возникающих у дислокационных скоплений на границах раздела, может происходить не только за счет образования новых двойников, в результате чего увеличивается резерв пластичности и уменьшается вероятность хрупкого разрушения, но и в результате частичного раздвойникования.
Литература
1. Троицкий, О. А. Электропластическая деформация металлов / О. А. Троицкий // Письма в ЖТФ. - 1969. - № 10. - С. 18-22.
2. Okazaki, К. Электромеханический эффект в металлах / K. Okazaki, M. Kagawa, H. Conrad // Ser. Met. - 1978. - № 12. - С. 1063.
3. Okazaki, K. Электромеханический эффект в металлах / K. Okazaki, M. Kagawa, H. Conrad // Ser. Met. - 1978. - № 13. - С. 1063.
4. Савенко, В. С. Новые каналы реализации механического двойникования / В. С. Савенко // Письма в ЖТФ - 1998. - Т. 24. - № 9. - С. 43-49.
5. Савенко, В. С. Двойникование монокристаллов висмута, облученных ионами бора / В. С. Савенко // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24. - № 8. - С. 1-9.
6. Savenko, V. Electroplastic effect under the simultaneous superposition of electric and magnetic fields / V. Savenko // Journal of applied physics. - 1999. - № 5. - Р. 1-4.
7. Савенко, В. С. Двойникование монокристаллов висмута, облученных ионами углерода / В. С. Савенко, О. М. Остриков // Весщ НАН Беларусі. Сер. физико-математических наук. - 1998. -№ 2 (деп. № 35 В98).
8. Савенко, В. С. Распределение примесей у двойниковой границы / В. С. Савенко, О. М. Остриков, В. В. Углов // Весщ НАН Беларусі. Сер. физико-математических наук. - 1998. - № 2 (деп № 33 В98).
9. Savenko, V. Plastificaition of Bismuth Crustal under Simultaneous Superposition of Electric and Magnetic Fields / V. Savenko // Zeitschrift fur METALLKUNDE. - Munchen. - 1998. - № 7. - Р. 498-500.
10. Савенко, В. С. К вопросу о двойниковании монокристаллов висмута, облученных ионами циркония / В. С. Савенко, О. М. Остриков, В. В. Углов // Металлы. - 1999. - № 4. - С. 115-118.
11. Савенко, В. С. Эволюция ансамблей клиновидных двойников в монокристаллах висмута, облученных ионами углерода и циркония / В. С. Савенко, О. М. Остриков, В. В. Углов // Кристаллография. -1999. - Т. 44. - № 6. - С. 1-6.
12. Савенко, В. С. Механическое двойникование металлов в условиях внешних энергетических воздействий / В. С. Савенко. - Минск : «Технопринт», 2000. - 218 с.
13. Савенко, В. С. Электропластичность двойникующихся материалов / В. С. Савенко // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2007. - Т. 4. - № 1. - С. 114-118.
14. Савенко, В. С. Упрочнение при электропластической деформации кристалла висмута / В. С. Савенко// Металловедение и термическая обработка металлов. - 2007. - № 3. - С. 54-56.
Summary
Processing of metals by pressure has wide application in the industry and is based on use of characteristic for metals of plasticity property. Plasticity of a material is one of the major characteristics in manufacturing wires from copper, aluminum, tungsten.
Поступила в редакцию 04.02.09.
