CC BY
48
Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 24 (205). Физика. Вып. 8. С. 31-34.
металлофизика
О. А. Столбоушкина, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, В. Е. Громов
градиент дислокационной субструктуры, формирующийся при ползучести алюминия при действии слабых потенциалов1
Методами просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования градиента дислокационной субструктуры (ДСС) алюминия, разрушенного в условиях ползучести. Показано, что ползучесть при наложении потенциала +1В приводит к формированию градиентной ДСС, выражающейся в закономерном изменении количественных характеристик структуры по мере удаления от поверхности разрушения образца
Ключевые слова: алюминий, ползучесть, дислокационная субструктура, электрический потенциал.
Систематические исследования ползучести металлов и сплавов относятся к середине ХХ в . , когда в связи с бурным развитием техники потребовались фундаментальные исследования для решения практических задач, например, ползучести дисков и лопаток паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, в которых значительный нагрев сочетается с высокими механическими нагрузками [1-4] . Кривые ползучести имеют одинаковый вид для широкого круга материалов, структурный же механизм ползучести, т. е . элементарные процессы, приводящие к ползучести, зависит как от вида материала, так и от условий, в которых происходит ползучесть . Все многообразие элементарных актов пластической деформации, приводящих к ползучести металлов и сплавов при температурах, близких к комнатной, определяется процессами, связанными с движением дислокаций .
Обширный круг экспериментальных данных по ползучести кристаллических материалов свидетельствует о сложном характере процесса [5] . Вместе с тем такие важные аспекты ползучести, как закономерности эволюции дислокационных субструктур при ползучести, ее связь с закономерностями деформации, физическая природа контролирующих стационарную ползучесть энергетических барьеров изучены недостаточно .
Известно, что воздействие электрических полей при ползучести может заметно менять де-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. » (гос . контракт № П411) .
формационные характеристики металлов и сплавов [6-8] . Ранее нами [9] установлено, что наложение слабых потенциалов до 1В приводит к увеличению скорости ползучести А1 на установившейся стадии на 70 % . Такое поведение связывалось с изменением поверхностного натяжения, которое, в свою очередь, может изменять характер зарождения дислокаций в поверхностных слоях [10] . Воздействие электрическим потенциалом должно приводить к нарушению равновесного обмена электронами между поверхностью и объемом и сдвигу равновесия между дефектами кристаллического строения [11] . Последнее должно найти отражение в изменении дислокационной структуры
Целью настоящей работы является анализ градиента дислокационной субструктуры (ДСС) образцов алюминия, разрушенных в условиях ползучести
В качестве материала исследования был использован технически чистый алюминий марки А85 . Образцы деформировали прокаткой при комнатной температуре (степень деформации составляла 83 %) и отжигали 2 часа при 500 0С (охлаждение в печи) . Образцы подвергались ползучести до разрушения при приложении потенциала +1В .
Исследования дислокационной субструктуры осуществляли методами электронной дифракционной микроскопии тонких фольг на просвет (прибор ЭМ-125) . Фольги изготавливали из объемов материала, расположенных на расстоянии 3, 8 и 20 мм от поверхности разрушения и непосредственно примыкающих к поверхности раз-
рушения . Схема препарирования разрушенных образцов приведена на рис . 1 .
В качестве параметров структуры алюминия использовали величину скалярной плотности дислокаций, объемную долю и средние размеры субзерен и дислокационных субструктур, которые определяли, используя методы стереологии [12] .
В результате деформации прокаткой при комнатной температуре и последующего отжига в образцах алюминия была сформирована зерен-ная структура . Зерна имеют преимущественно анизотропную форму, заданную деформацией
прокаткой. Вдоль границ и в стыках границ зерен располагаются субзерна . Размеры субзерен
изменяются в пределах 0,8__1,0 мкм . В объеме
зерен выявляются хаотически распределенные дислокации, скалярная плотность дислокаций ~5,5 • 109 см-2 .
Образцы технически чистого алюминия, испытанные в условиях ползучести при действии потенциала +1В, были разрушены после деформации е ~20 % . Исследования деформированных образцов выявили зеренно-субзеренную структуру (рис . 2, а) . Относительное содержание субзерен и их средние размеры зависят от расстоя-
5 мм
0,46 мм
10 мм
Рис. 1. Схема препарирования алюминия, разрушенного в условиях ползучести.
Стрелкой указана поверхность разрушения образца; цифрами 1, 2, 3 — объемы образца, расположенные у поверхности и на расстоянии 3 и 8 мм от поверхности разрушения соответственно
3
2
1
В
' Ш, А
Рис. 2. Структура, формирующаяся в процессе ползучести при действии потенциала: а — субзерна; б — дислокационный хаос; в — дислокационные сетки; г — дислокационные петли
ния до поверхности разрушения . Из анализа результатов, приведенных на рис . 3, следует, что
Рис. 3. Зависимость объемной доли (кривая 2) и средних размеров субзерен (кривая 1) от расстояния до поверхности разрушения
по мере приближения к поверхности разрушения относительное содержание и средние разме -ры субзерен, образовавшихся в процессе ползучести, увеличиваются .
Ползучесть технически чистого алюминия при комнатной температуре осуществляется путем скольжения дислокаций, что приводит к формированию разнообразной дислокационной субструктуры: хаос, сетки, ячейки, оборванные субграницы, а также дислокационные петли (рис . 2) . Хаотически распределенные дислокации, дислокационные петли и дислокационные сетки присутствуют как в зернах, так и в субзернах; ячейки и оборванные субграницы наблюдаются преимущественно в зернах . Из анализа приведенных на рис . 4 результатов следует,
X, мм
Рис. 4. Зависимость объемной доли материала, занятого структурой дислокационного хаоса (кривая 1), сетчатой (кривая 2) и ячеистой (кривая 3) дислокационными субструктурами, от расстояния до поверхности разрушения
что объемные доли материала, занятые структурой дислокационного хаоса (кривая 1), сетчатой (кривая 2) и ячеистой (кривая 3) дислокационными субструктурами, изменяются немонотонным
образом, достигая максимума на удалении от поверхности разрушения
Знание объемной доли материала, занятого каждой дислокационной субструктурой, и плотности дислокаций в субструктурах позволило оценить величину скалярной плотности дислокаций в среднем по материалу. На рис . 5 приведены зависимости, демонстрирующие формирующийся при ползучести алюминия градиент скалярной плотности дислокаций
Х, мм
Рис. 5. Зависимость скалярной плотности дислокаций (кривая 1) и плотности дислокационных петель (кривая 2) от расстояния до поверхности
Таким образом, выполненные исследования технически чистого алюминия, подвергнутого ползучести при наложении электрического потенциала +1В, выявили формирование в образце градиентной структуры, заключающейся в закономерном изменении скалярной плотности дислокаций и дислокационных петель, относительного содержания различных типов дислокационной субструктуры (хаос, сетки и ячейки), относительного содержания и средних размеров субзерен в зависимости от расстояния от поверхности разрушения
Список литературы
1 . Качанов, Л . М . Теория ползучести : монография / Л . М . Качанов . М . : Физматгиз, 1960. 455 с .
2 . Работнов, Ю. Н . Ползучесть элементов конструкций : монография / Ю. Н . Работнов . М . : Наука, 1966. 752 с.
3 . Фридман, Я . Б. Механические свойства металлов : монография . Ч . 1: Деформация и разрушение / Я . Б. Фридман. М . : Машиностроение, 1974. 472 с.
4 . Чадек, Й . Ползучесть металлических материалов : монография / Й. Чадек. М . : Мир, 1987. 304 с.
5 . Kassner, M . E . Fundamentals of Creep in Metals and Alloys / M . E . Kassner. L . : Elsevier Science, 2009. 320 p .
6 . Громов, В . Е . Электростимулированная пластичность металлов и сплавов : монография / В . Е. Громов [и др .] . М . : Недра, 1996. 291 с.
7. Громов, В . Е . Эффективность действия различными видами тока на ползучесть монокристаллов Zn / В . Е . Громов, В . И . Сташенко, О. А . Троицкий // Изв . АН СССР. Сер . Металлы . 1991 . № 2 . С 154-158 .
8 . Клыпин, А . А . О влиянии магнитного и электрических полей на ползучесть / А . А . Клыпин // Металловедение и терм . обработка металлов . 1973. № 8 . С 2-8 .
9. Коновалов, С. В . О влиянии электрического потенциала на скорость ползучести алюминия / С . В . Коновалов [и др .] // Физика тверд . тела . 2007. Т. 49, № 8 .С . 1389-1391 .
10 . Гохштейн, А . Я . Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция : монография / А . Я . Гохштейн. М . : Наука, 1976. 400 с.
11 Клыпин, А А Связь электронной эмиссии с ползучестью металлических материалов / А . А . Клыпин, Е. С. Соловьев // Проблемы прочности . 1976. № 11 .С . 45-49.
12 Чернявский, К С Стереология в металловедении : монография / К С Чернявский М : Металлургия, 1977 208 с
