Изучение микропластичности и размерной стабильности различных сортов бериллия Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.725.-415/416:621.771

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ И РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ БЕРИЛЛИЯ

© В.И. Иванцов, А.А. Николаенко, И.И. Папиров, А.И. Пикалов, В.С. Шокуров

Ключевые слова: бериллий; микропластичность; размерная стабильность.

Исследована размерная стабильность промышленных и опытных сортов бериллия методом измерения прецизионных механических свойств в зависимости от технологии и параметров получения материалов.

Для исследования прецизионных характеристик методом механического гистерезиса при статическом растяжении использована машина конструкции ННЦ ХФТИ. Скорость перемещения захвата составляла 5,4-Ю-6 с-1. В качестве силоизмерителя применили цилиндрический упругий элемент с тензорезисторной системой измерения нагрузки.

Для измерения деформации образцов использовали датчики сопротивления с базой 20 мм, равной длине рабочей части образцов.

Погрешность определения нагрузки не превышала ±1 %, деформации є = ± 2-10-7.

Размеры образов: длина рабочей части 20 мм, поперечное сечение 3-3,5 мм2.

В экспериментах определяли следующие величины, в области микродеформаций (10-7-10-3 единиц относительной деформации - е. о. д.) [1]:

- микроскопический предел упругости стЕ - напряжение, при котором обнаруживается отклонение от линейного упругого поведения материала при нагружении;

- микроскопический предел текучести стА - напряжение, при котором наблюдается первая остаточная деформация є = 2-10-7;

- остаточную деформацию є после каждого цикла нагрузки образца;

- модуль Юнга Е в области микропластичности.

Основное внимание в работе было уделено порошковому бериллию, компактированному методом холодного и горячего изостатического прессования (ХИП-ГИП). Его характеристики микропластичности в исходном состоянии приведены в табл. 1. Там же представлены и характеристики некоторых других рассмотренных сортов бериллия.

Установлено, что основными факторами, оказывающими влияние на величины стЕ, стА и напряжение микротечения ст, являются размер частиц и химический состав порошка, а также технологические режимы получения металла.

Из табл. 1 видно, что поведение в области микродеформаций бериллия сортов ХИП-ГИП и ХИП-ГИП Сф практически совпадают. Эти материалы имеют приблизительно равный средний размер зерна (8 и 10 мкм), но различаются химическим составом исходного

порошка. Сорт ХИП-ГИП Сф содержит значительно меньшее количество примесей и должен, следовательно, иметь более низкие значения характеристик микропластичности. С повышением чистоты материала по ВеО, Ее, А1 и другим примесям наблюдается значительное снижение характеристик микропластичности. Исключение составляет литой прокатанный бериллий из дистиллированного металла, характеристики микропластичности которого из-за деформационного упрочнения в процессе выдавливания и прокатки значительно возрастают (табл. 1).

Главными внутренними источниками размерной нестабильности бериллиевых изделий являются релаксация остаточных напряжений различной природы и нестабильность фазового состава [2]. Принимая во внимание металлофизические особенности бериллия [3], в частности сильную анизотропию физикомеханических свойств, можно выделить следующие причины развития размерной нестабильности бериллиевых изделий [4]:

- изменение фазового состава материала в результате старения твердого раствора атомов примеси в бериллии;

- релаксация термических напряжений, возникающих в поликристаллическом материале вследствие анизотропии КТР бериллия;

- релаксация остаточных объемных и поверхностных напряжений, появляющихся в результате механических и тепловых воздействий при изготовлении изделий;

- релаксация остаточных напряжений в покрытии или между покрытием и подложкой вследствие несовпадения КТР последних;

- изменение формы вследствие макроскопической анизотропии КТР материала, обусловленной наличием кристаллографической текстуры.

Влияние длительного хранения при обычных условиях на характеристики микропластичности (стЕ, стА) и закономерности деформационного упрочнения в интервале микродеформаций 10-7-10-4 были изучены на многих сортах бериллия различного состава и способа получения. Продолжительность хранения бериллия составляла от 283 до 647 суток (см. табл. 1).

1556

Таблица 1

Характеристики микропластической деформации различных сортов бериллия в исходном состоянии и после длительного хранения при обычных условиях

Материал Способ получения Продолжительность Е, СТе, Ста, Ста , МПа при 8

хранения, тыс. ч ГПа МПа МПа 1-10-6 2-10-6 5-10-6

ХИП-ГИП ХИП-ГИП порошка техниче- исходное состояние 359 11,6 35,3 73 117 258

ской чистоты 14,8 - 11,9 29,9 - 53 150

ХИП-ГИП Сф ХИП-ГИП измельченного сфе- исходное состояние 348 11,4 34,0 68 158 229

рического порошка 15,5 - 8,1 12,1 - 27 120

ГИП Сф ГИП сферического порошка исходное состояние 340 17,2 41,0 49 56 80

технической чистоты 11,8 - 16,4 44,6 - 79 112

ГИП Сф Д ГИП сферического порошка из исходное состояние 335 - 8,4 6,3 8,8 13

дистиллированного металла 11,8 - - 9,1 - 18 23

Из табл. 1 видно, что длительное хранение материалов с высокими значениями сопротивления микропластичности деформации (ХИП-ГИП Сф, ХИП-ГИП) практически не изменяет значения предела упругости стЕ. В то же время наблюдается заметное снижение предела микротекучести стА и напряжения микротечения ст, по сравнению с исходным состоянием, в изученном интервале микродеформаций (рис. 1). Так, при хранении материалов в течение —1,5-104 ч величина ст при остаточной деформации 8 = 2-10-6 уменьшается более чем в 2-5 раз, а при 8 = 5-10-6 - приблизительно в 2 раза. В случае материалов с меньшей величиной сопротивления микропластическим деформациям (ГИП Сф, ГИП Сф Д), отличающихся от бериллия ХИП-ГИП, ХИП-ГИП Сф более низким содержанием примесей, длительное хранение при обычных условиях не приводит к снижению напряжения микротечения, а наоборот, сопровождается даже некоторым повышением ст по сравнению с исходным состоянием.

Рис. 1. Влияние длительного хранения на микропластичность бериллия ХИП-ГИП: 1 - исходное состояние; 2 - после хранения при обычных условиях в течение 1,5-104 ч

При этом наблюдается небольшое повышение параметра стА и интенсивности деформационного упрочнения в исследуемом интервале деформаций. Степень наблюдаемого упрочнения тем значительнее, чем выше суммарная концентрация примесей в материале. Металл ГИП Сф Д как наиболее чистый из рассматриваемых обладает низкими значениями стЕ и стА и минимальным сопротивлением текучести в области микродеформаций (табл. 1) и сравнительно высокой пластичностью, слабо изменяющейся во времени.

Наблюдаемое повышение интенсивности деформационного упрочнения данных сортов бериллия (рис. 2) связано с протекающими процессами старения бериллия при длительных выдержках [5].

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

Е, 10-6

Рис. 2. Влияние длительного хранения на микропластичность бериллия сорта ГИП Сф и ГИП Сф Д: 1 - ГИП Сф после хранения 1,1104 ч; 2 - ГИП Сф исходное состояние; 3 - ГИП Сф Д после хранения 1,1-104 ч; 4 - ГИП Сф Д исходное состояние

ВЫВОДЫ

1. Характеристики микропластической деформации изостатически прессованного бериллия снижаются с увеличением размеров частиц порошка, увеличением температуры прессования, повышением чистоты металла по ВеО, А1, Ее и другим примесям.

2. Высокие начальные значения пределов микроупругости и микротекучести в ряде случаев обусловлены повышением уровня внутренних микронапряжений термического происхождения и с течением времени возможна их медленная релаксация.

3. В процессе длительного хранения бериллиевых материалов с высокими начальными значениями сопротивления микропластическим деформациям предел микротекучести и напряжение микротечения заметно снижаются, что связано, главным образом, с релаксацией термических микронапряжений.

4. Длительное хранение бериллия со сравнительно низкой величиной сопротивления микропластическим деформациям сопровождается некоторым повышением предела микротекучести и интенсивности деформационного упрочнения. Наблюдаемый эффект тем значительнее, чем выше суммарная концентрация примесей в металле и преимущественно связан с протекающими при длительном хранении процессами старения Ве.

ЛИТЕРАТУРА

1. Браун Н. Наблюдения микропластичности // Микропластичность / пер. с англ. М.: Металлургия, 1972. С. 37-61.

2. Хенкин М.Л., Локшин ИХ Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974.

1557

Папиров И.И., Тихинский Г.Ф. Физическое металловедение бериллия. М.: Атомиздат, 1968, С. 303-362.

Cartness W., Fullerton-Batten R.C., Paqwin R.A. // Beryllium 1977: International Conference. L., 1977. Р. 53.

Локшин И.Х., Хенкин М.Л., Левина И.К. Изменение сопротивления микропластическим деформациям бериллия при старении // МиТОМ. 1972. № 3. С. 54-55.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Ivantsov V.I., Nikolayenko A.A., Papirov I.I., Pikalov A.I., Shokurov V.S. INVESTIGATION OF MICROPLASTICITY AND SIZE STABILITY OF DIFFERENT GRADES OF BERYLLIUM

Size stability of industrial and experimental grades of beryllium is investigated by method of measurement of precision mechanical properties in dependence on technology and production methods of beryllium.

Key words: beryllium; micro-plasticity; size stability.

УДК 539.37

ДИНАМИКА И СТАТИСТИКА ДИСЛОКАЦИОННЫХ СКОПЛЕНИЙ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ КРИСТАЛЛАХ ЛЬДА

© М.А. Желтов, А.А. Шибков, А.Е. Золотов, А.А. Денисов, М.Ф. Гасанов, В.В. Ломакин

Ключевые слова: пластическая деформация; разрушение; лед; электромагнитная эмиссия; самоорганизующаяся критичность.

На основе анализа сигналов электромагнитной эмиссии при сжатии поликристаллического льда показано, что ансамбль подвижных скоплений заряженных дислокаций приближается к состоянию самоорганизующейся критичности, которое отражает определенную степень неравновесности деформируемого поликристалла, а также наличие дальнодействующих корреляций в динамике дислокационных скоплений.

Известно, что процессы структурной релаксации, связанные с кристаллизацией, пластической деформацией и разрушением ионных кристаллов и льда, сопровождаются дискретной электромагнитной эмиссией (ЭМЭ) [1-6]. В работах [6, 7] установлено, что при одноосном сжатии поликристаллического льда наблюдаются сигналы ЭМЭ (импульсы потенциала нестационарного электрического поля ф(^ вблизи поверхности образца) двух типов: сигналы I типа с длительностью фронта tf ~ 10-100 мс, обусловленные динамикой скоплений заряженных дислокаций, и сигналы II типа, связанные с развитием микро- и макротрещин во льде [8]. Таким образом, сигналы I типа содержат информацию о неустойчивой динамике формирования дислокационной структуры льда на мезоскопическом уровне и могут быть полезным инструментом статистической обработки дислокационной мезодинамики.

На рис. 1 представлены типичные гистограммы амплитуд импульсов I типа на различных стадиях деформирования с постоянной начальной скоростью роста напряжения і0 = const (5 кПа/с). При сравнительно

небольших степенях деформации ( є < 2 %) наблюдается обычно колоколообразная гистограмма в форме, близкой к гауссовой (рис. 1а), а с ростом деформации (є > 3 %) наблюдается тенденция изменения формы гистограммы к гиперболической.

Из рис. 1 б видно, что в области больших степеней деформации 6 < є < 9 % = Sp (где Sp - предельная деформация), функция распределения D(s) нормированных амплитуд электрических сигналов I типа в двойных логарифмических координатах имеет вид линейной зависимости с тангенсом угла наклона, равным 1,16. Это означает, что функция распределения подчи-

няется степенному закону Б(я)~ я ’ с показателем степени т = 1,16. Степенная статистика с показателем т ~ 1 является, как известно, признаком состояния

Рис. 1. Плотность распределения Б(я) нормированных амплитуд импульсов ЭМЭ I типа на разных стадиях деформирования при 250 К поликристаллического льда: а - е < 2 %; б -

6 < е < 9 %. Здесь Б(я) = , я =фт/фт - нормиро-

ванная амплитуда. Скорость нагружения с& о = 5 кПа/с. Штриховой линией отмечена чувствительность измерения сигнала (20 мкВ). т = 1,16 - показатель степени зависимости

Б(я) ~ я~х при е > 6 %

1558