CC BY
40
УДК 539.25:669.1
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-726-729
КРИВИЗНА-КРУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ В ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ Си-Al
© Н.А. Конева Л.И. Тришкина Т.В. Черкасова 12), Э.В. Козлов 4
1) Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
2) Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Российская Федерация
Изучено развитие разориентированных дислокационных субструктур (ДСС), формирующихся на стадии развитой пластической деформации поликристаллических ГЦК сплавов. Исследования проводились на поликристаллических медно-алюминиевых сплавах. Приведены качественные и количественные результаты исследований параметров разориентированных ДСС, которые характеризуют структуру сплавов при повышенных степенях деформации. Важной характеристикой разориентированных субструктур является величина кривизны -кручения (X) кристаллической решетки. Были проведены ее измерения в зависимости от типа источника ее происхождения. Детально изучено изменение х с деформацией.
Ключевые слова: деформация; поликристалл; сплавы; ПЭМ; кривизна-кручение.
Деформация способствует возникновению в материале кривизны-кручения кристаллической решетки (х) [1-4]. Источниками кривизны-кручения в ГЦК поликристаллических твердых растворах являются границы зерен и уступы на них, стыки границ зерен, избыточные дислокации, распределенные по объему материала, образования дисклинационного типа и микротрещины [5]. На электронно-микроскопических изображениях структуры деформированных материалов изгиб-кручение кристаллической решетки проявляется в возникновении изгибных деформационных экстинкцион-ных контуров [6]. Изгибный контур локализован на участке кристалла с одинаковой ориентировкой отражающих плоскостей. Величину х можно определить из градиента разориентировки дф / д! :
8ф ~81
(1)
где ф - угол наклона кристаллографической плоскости; l - расстояние на плоскости. Для этого можно использовать ширину изгибного экстинкционного деформационного контура или его смещение при наклоне фольги с помощью гониометра [1]. Экспериментально кривизна-кручение кристаллической решетки, возникающей при деформации металлических материалов, пока мало изучена.
Цель настоящего исследования заключается в установлении взаимосвязи величины х со степенью деформации и изменение величины х с расстоянием от различных источников поликристаллических ГЦК сплавов.
Материалами исследования являлись поликристаллические ГЦК твердые растворы системы Cu-Al в интервале концентраций Al от 0,5 до 14 ат.%. Средний размер зерен в сплавах был 100 мкм. Образцы деформировались растяжением при комнатной температуре
со скоростью 2-10-2 с-1. Структура деформированных образцов на фольгах изучалась методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ПЭМ) в интервале деформаций еист = 0,02...0,90. Использовались электронные микроскопы с ускоряющим напряжением 125 кВ, снабженные гониометрами. Увеличение в колонне микроскопа было х30000. По микрофотографиям известным методом секущей измерялись следующие параметры ДСС: средняя скалярная плотность дислокаций от различных источников, плотности микротрещин, микрополос, микродвойников, субграниц. Величина х измерялась из градиента разориенти-ровок.
а ГЗ Стык ГЗ б
ffiJL
-1 ИГЛ ШШV к г
Em / И11 W а г- ' j «а .
Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения экстинк-ционных деформационных контуров (К), формирующихся от разных источников, которые указаны стрелками: а - ГЗ; б -стык границ зерен; в - микродвойники; г - микрополосы
г
24
0.2 0.4 0.6 0.8
Рис. 2. Зависимости средней кривизны-кручения кристаллической решетки х от степени деформации £„„ в сплавах: 1 -Си + 0,5 ат.% А1; 2 - Си + 5 ат.% А1; 3 - Си + 10 ат.% А1; 4 -Си + 14 ат.% А1
12
4м 8
^ 4
а Еист=0.70 Еист=0.40 б
■ В стыке зерен - У еист=0.30
- 020
/4___ »
' ¿О-«--°
Вдали от ГЗ вдали от
0.20
0.40 еИСГ0
2
4 Х,мкм
Рис. 3. Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки х от степени деформации еист (а) и расстояния X (б) от стыков границ зерен для сплава Си + 5ат.% А1
„ 16 " 'г
-Г " 12 ■
с> ^ 8
4 -
Еист=0.90
0.8
£ист
12 3 4
X, мкм
Рис. 4. Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки х от степени деформации еист (а) и расстояния X (б) от границ зерен для сплава Си + 14 ат.% А1
ны х с увеличением содержания А1 в сплаве х возрастает.
Были определены значения х у границ зерен и их стыков при разных степенях деформации. Результаты представлены в виде зависимостей х = / (еист) на рис. 3а. В начале деформации величина кривизны-кручения кристаллической решетки в стыках зерен и в объеме материала практически одинакова. При больших пластических деформациях (еист > 0,40) значения амплитуды кривизны-кручения в стыке зерен и в объеме материала во всех исследованных сплавах значительно отличаются примерно в 2,5 раза. На рис. 3б представлено изменение х в зависимости от расстояния от стыков зерен при разных степенях деформации.
Анализ зависимостей показывает, что амплитуда кривизны-кручения кристаллической решетки х с расстоянием от стыков зерен убывает. До расстояний 1,5 мкм наблюдается резкое уменьшение величины параметра х, а затем при дальнейшем удалении величина х изменяется незначительно. Это различие увеличивается с ростом степени деформации.
На рис. 4а представлено изменение величины х в зависимости от степени деформации у ГЗ и вдали от них. Анализ зависимостей показывает, что при повышенных степенях деформации величина х у ГЗ в 2 раза больше, чем вдали от них. Изменение величины кривизны-кручения кристаллической решетки х с расстоянием от ГЗ представлено на рис. 4б. Видно, что величина кривизны-кручения кристаллической решетки при всех степенях деформации х резко убывает до расстояния примерно 2 мкм, а затем остается практически неизменной при различных еист. При этом чем больше еист, тем выше значение х.
Была проанализирована взаимосвязь между накоплением средней скалярной плотности дислокаций и величиной х при разных степенях деформации. Кривизна-кручение кристаллической решетки изменяется с ростом средней скалярной плотности дислокаций по 5-образной кривой (рис. 5). Этот же рисунок иллюстрирует тот факт, что на стадии разориентированных субструктур разные источники, такие как границы зерен, стыки зерен, микродвойники, границы микрополосовой субструктуры и микротрещины дают соизмеримые вклады в величину х.
6
2
0
е
0
0
На рис. 1 представлены электронно-микроскопические изображения деформационных экстинкционных контуров, возникающих от стыков границ зерен, микродвойников и микрополос. Для определения х измерялась ширина контура (Д/). Эти данные использовались для определения х Установлено [1; 7], что ширина контура в величинах разориентировок для ГЦК сплавов на основе никеля, меди и железа составляет 1 °.
На рис. 2 приведены зависимости средней величины кривизны-кручения кристаллической решетки от степени деформации для медно-алюминиевых сплавов с разной концентрацией А1. Из рис. 2 видно, что при увеличении степени деформации до еист = 0,35 величина х во всех сплавах резко возрастает, а затем при дальнейшем увеличении еист, практически не изменяется. Это свидетельствует о том, что при еист > 0,35 увеличивается число компонент тензора изгиба-кручения кристаллической решетки, отличных от нуля [1]. Из рис. 2 следует концентрационная зависимость величи-
6
, м 4
0
* 2
0
1 6 т
О
о 4
а Распределенные избыточные -Л* дислокации 1 1 11.. ■б От границ зерен ¿у* и II
г От ур. микротрещи^г 'г?.2
10 15 <р>10-13
20 0
10 15 <р>10-1
20
Рис. 5. Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки х от средней скалярной плотности дислокаций <р> в сплавах: 1 - Си + 10 ат.% А1; 2 - Си + 14 ат.% А1
2
0
м
Рис. 6. Зависимости кривизны-кручения кристаллической решетки х от плотности субграниц <М> (а) и плотности микродвойников рдв (б) в сплавах: 1 - Си + 0,5 ат.% А1; 2 - Си + 5 ат.% А1; 3 - Си + 10 ат.% А1; 4 - Си + 14 ат.% А1. Гдеф = 293 К
Была установлена также взаимосвязь величины х с другими параметрами, которые характеризуют разори-ентированные ДСС. На рис. 6а приведен пример изменения величины кривизны-кручения кристаллической решетки с увеличением плотности микрополос для сплавов с разной концентрацией А1. Видно, что увеличение плотности микрополос приводит к линейному росту величины х. Отметим, что увеличение содержания А1 от 0,5 до 5 ат.% приводит к увеличению х, а при росте содержания А1 от 10 до 14 ат.% х уменьшается. Рис. 6б иллюстрирует взаимосвязь плотности микродвойников с величиной х. Зависимости х = / (рдв) являются также линейными. Следует отметить, что плотность микродвойников меньше в сплаве Си + 10 ат.% А1, чем в сплаве Си + 14 ат.% А1.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что активная пластическая деформация вызывает в локальных местах поликристаллических сплавов Си-А1 появление изгиба-кручения кристаллической решетки в ранее недеформированном материале. Значение величины х уменьшается в зависимости от типа источника в следующей последовательности: стык границ зерен, ГЗ, микротрещины и микродвойники. Величина кривизны-кручения кри-
сталлической решетки уменьшается по мере удаления от источников. Существование области с высоким значением х находится в интервале значений 0,3...2 мкм для размера зерна 100 мкм. Величина кривизны-кручения кристаллической решетки х оказывается пропорциональной плотности разориентированных границ деформационного происхождения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Конева Н.А., Тришкина Л.И., Лычагин Д.В., Козлов Э.В. Дально-действующие поля напряжений, кривизна-кручение кристаллической решетки и стадии пластической деформации. Методы измерений и результаты // Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела. Ч. 1. Труды Международной конференции 26-31 мая 1990 г. Терскол (СССР), 1990. С. 83-93.
2. Тюменцев А.Н., Дитенберг И.А., Коротаев А.Д., Денисов К.И. Эволюция кривизны кристаллической решетки в металлических материалах на мезо- и наноструктурном уровнях пластической деформации // Физическая мезомеханика. 2013. Т. 16. № 3. С. 6379.
3. Тюменцев А.Н., Коротаев А.Д., Пинжин Ю.П. Высокодеформиро-ванные структурные состояния, поля локальных внутренних напряжений и кооперативные механизмы мезоуровня деформации кристалла в наноструктурных металлических материалах // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. № 4. С. 35-53.
4. Панин В.Е., Панин А.В., Елсукова Т.Ф., Попкова Ю.Ф. Фундаментальная роль кривизны кристаллической структуры в пластичности и прочности твердых тел // Физическая мезомеханика. 2014. Т. 17. № 6. С. 7-18.
5. Конева Н.А., Тришкина Л.И., Козлов Э.В. Спектр и источники полей внутренних напряжений в деформированных металлах и сплавах // Изв. АН. Серия физическая. 1998. Т. 62. № 7. С. 13521358.
6. Хирш П. Электронно-микроскопическое наблюдение дислокаций в металлах // Новые электронно-микроскопические исследования. М.: Металлургиздат, 1961. С. 63-100.
7. Конева Н.А., Лычагин Д.В, Тришкина Л.И., Козлов Э.В. Полосовая субструктура в ГЦК-однофазных сплавах // Дисклинации и ротационная деформация твердых тел. Л.: ФТИ, 1988. С. 103-113.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках государственных заданий Минобрнауки России № З.295.2014/к и № 461.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.25:669.1
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-726-729
BENDING-TORSION OF CRYSTAL LATTICE IN DEFORMED POLYCRYSTALLINE Cu-Al ALLOYS
© N.A. Koneva1), L.I. Trishkina1), T.V. Cherkasova1,2), E.V. Kozlov1)
1)1 Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation
Development of disordered dislocation substructures (DSS), formed at the stage of plastic deformation of polycrystal FCC alloys is studied. The research was made at polycrystal copper-aluminium alloys. Qualitative and quantitative results of research of disoriented parameters DSS which characterize the structure of alloys at high stages of deformation. The important characteristics of disoriented substructures is depth of arch torsion (x) of crystalline grid. Its measurements were taken depending on the type of its origin. The change of X with deformation is studied in detail.
Key words: deformation; polycrystalline; alloys; TEM; arch-torsion.
REFERENCES
1. Koneva N.A., Trishkina L.I., Lychagin D.V., Kozlov E.V. Dal'nodeystvuyushchie polya napryazheniy, krivizna-kruchenie kristallicheskoy reshetki i stadii plasticheskoy deformatsii. Metody izmereniy i rezul'taty. Trudy Mezhdunarodnoy konferentsii "Novye metody v fizike i mekhanike deformiruemogo tverdogo tela". Terskol (SSSR), 1990, pt. 1, pp. 83-93.
2. Tyumentsev A.N., Ditenberg I.A., Korotaev A.D., Denisov K.I. Evolyutsiya krivizny kristallicheskoy reshetki v metallicheskikh materi-alakh na mezo- i nanostrukturnom urovnyakh plasticheskoy deformatsii. Fizicheskaya mezomekhanika — Physical Mesomechanics, 2013, vol. 16, no. 3, pp. 63-79.
3. Tyumentsev A.N., Korotaev A.D., Pinzhin Yu.P. Vysokodeformirovannye strukturnye sostoyaniya, polya lo-kal'nykh vnutrennikh napryazheniy i kooperativnye mekhanizmy mezourovnya deformatsii kristalla v nanostrukturnykh metallicheskikh materialakh. Fizicheskaya mezomekhanika — Physical Mesomechanics, 2004, vol. 7, no. 4, pp. 35-53.
4. Panin V.E., Panin A.V., Elsukova T.F., Popkova Yu.F. Fundamental'naya rol' krivizny kristallicheskoy struktury v plastichnosti i prochnosti tverdykh tel. Fizicheskaya mezomekhanika — Physical Mesomechanics, 2014, vol. 17, no. 6, pp. 7-18.
5. Koneva N.A., Trishkina L.I., Kozlov E.V. Spektr i istochniki poley vnutrennikh napryazheniy v deformiro-vannykh metallakh i splavakh. Izvestiya akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Academy of Sciences: Physics, 1998, vol. 62, no. 7, pp. 13521358.
6. Khirsh P. Elektronno-mikroskopicheskoe nablyudenie dislokatsiy v metallakh. Novye elektronno-mikroskopicheskie issledovaniya. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1961, pp. 63-100.
7. Koneva N.A., Lychagin D.V, Trishkina L.I., Kozlov E.V. Polosovaya substruktura v GTsK-odnofaznykh splavakh. Disklinatsii i ro-tatsionnaya deformatsiya tverdykh tel. Leningrad, Ioffe Institute Publ., 1988, pp. 103-113.
GRATITUDE: The work is fulfilled within the framework of state assign og Ministry of Education and Science no. 3.295.2014/k and no. 461.
Received 10 April 2016
Конева Нина Александровна, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры физики, e-mail: [email protected]
Koneva Nina Aleksandrovna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Physics Department, e-mail: [email protected]
Тришкина Людмила Ильинична, Томский государственный архитектурно--строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры физики, e-mail: [email protected]
Trishkina Lyudmila Ilinichna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor, Professor of Physics Department, e-mail: [email protected]
Черкасова Татьяна Викторовна, Томский государственный архитектурно--строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, старший преподаватель кафедры физики; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Российская Федерация, старший преподаватель междисциплинарной кафедры, e-mail: [email protected]
Cherkasova Tatyana Viktorovna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Senior Lecturer of Physics Department; National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation, Senior Lecturer of Interdisciplinary Department, e-mail: [email protected]
Козлов Эдуард Викторович, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики, e-mail: [email protected]
Kozlov Eduard Viktorovich, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of Physics Department, e-mail: [email protected]
