CC BY
54
УДК 539.21:548.24
МИКРОМЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО ДВОЙНИКОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ
© T.C. HirKOBa
Chikova T.S. Micromcchanisms of dcfonnalion twinning of metal crystals. The effect of an increase in an external static load on the changes in the shape and dimensions of wcdgclikc twins formed in bismuth, antimony and zinc crystals has been studied. At elementary dislocation processes of mechanical twinning in metals is suggested.
Упругий деформационный двойник всегда имеет вид тонкого равностороннего клина, который с увеличением внешней нагрузки растет, сохраняя подобие формы, при ослаблении усилия - пропорционально убывает, а после разгрузки - полностью исчезает.
На этапе роста прослойки пластическая деформация реализуется дислокационными процессами генерирования двойникующих дислокаций и их пробега в плоскости двойникования в направлении двойникова-ння. На этапе самопроизвольного раздвойникования происходит возвратное движение двойникующих дислокаций и их выход из кристалла [1]. Перемещение двойникующих дислокаций в ансамбле, образующем упругий двойник, осуществляется согласованно, о чем свидетельствует неизменность плотности двойникующих дислокаций на границах раздела на всех этапах развития упругого двойника [2]. Последовательность протекания элементарных дислокационных процессов, обеспечивающих упругое двойникование и раздвойни-кование, неизменна и обусловлена физической природой явления.
Дислокационная модель двойниковой прослойки отражает экспериментальные факты, полученные путем прямого наблюдения дислокационного строения границы двойника: а) макроскопический двойник реализуется набором двойникующих дислокаций, расположенных вдоль двойниковых границ по контуру прослойки; б) в каждой атомной плоскости кристалла перемещается только одна двойникующая дислокация.
В дислокационной теории упругого двойникования клиновидный двойник рассматривается как совокупность кристаллографических плоскостей, в которых начато, но не окончено двойникование.
Дислокационная теория дает хорошее количественное совпадение с экспериментом для упругого двойникования ионных кристаллов. Однако она неприменима для описания последующих стадий пластической деформации двойннкованием. В тоже время очевидно, что предложенный дислокационный подход к анализу процессов деформационного двойникования, основанный на экспериментальном изучении закономерностей изменения формы и размеров двойниковой прослойки под нагрузкой, может быть с успехом использован для анализа физических процессов, протекающих на стадии остаточного двойникования, то есть
для случая, когда клиновидный двойник после разгрузки образца остается в кристалле, а при дальнейшем нагружении продолжает развиваться.
Дислокационные представления о кинетике остаточного механического двойникования в реальных кристаллах к настоящему времени не развиты. Одним из важных этапов в решении этой проблемы является проведение систематических экспериментальных исследований двойникования металлов, которое всегда протекает в условиях предшествующего и сопутствующего скольжения.
Для выявления микропроцессов, обеспечивающих формирование границ двойниковых прослоек в металлах, было проведено изучение закономерностей изменения формы и размеров остаточных клиновидных двойников в монокристаллах с ромбоэдрической структурой (висмут, сурьма) и гексагональной плотно-упакованной структурой (цинк) с ростом нагрузки при различных температурах, временах деформирования и режимах нагружения. В работе приведены лишь отдельные результаты, иллюстрирующие обобщающие выводы.
Остаточные клиновидные двойники получались путем индентирования плоскости спайности монокристаллов (плоскости (111) - в висмуте и сурьме и плоскости (0001) в цинке). При таком действии сосредоточенной нагрузки в окрестности отпечатка индентора протекают оба вида пластической деформации одновременно. В висмуте и сурьме - двойникование по системам {110} <001 >, скольжение по двум системам -легкое базисное в системе {111}<1 1 0> и вторичное скольжение с более высоким пределом текучести в системе {111 }<110>. В цинке - двойникование по шести ориентационно равноправным по отношению к действующей нагрузке плоскостям {10 12|<1011> и скольжение по плоскостям призмы {10 10}<1120> и пирамиды (11 22}< I 1 23>.
Возникающие у отпечатков двойники имеют форму клиньев со сторонами, как правило, не совпадающими с плоскостью двойникования. Измеряя максимальную толщину клина в устье Л, в направлении перпендикулярном плоскости сдвига атомов при двойниковании и длину двойника L, легко вычислить количество двой-инкующих дислокаций, участвующих в формировании данной двойниковой прослойки.
Рис. I. Формы остаточных клиновидных двойников в металлах
Статистическое изучение нескольких тысяч двойников в монокристаллах Ві, БЬ и 7.п показало, что формы остаточных клиновидных двойниковых прослоек в металлах отличаются большим разнообразием. Так, например, в цинке при температуре жидкого азота наблюдаются более четырех десятков различных конфигураций границ раздела. Анализ развития двойников при ступенчатом повышении нагрузки свидетельствует о том, что эволюция формы их границ происходит неоднозначно. Отсутствует прямое соответствие между величиной внешней нагрузки и формой прослоек.
I. - уменьшилось її увеличилась
Ь - нс изменилась И - увеличилась
Рис. 2. Дислокационные модели изменения размеров клиновидных двойников в металлах
Кроме традиционного клина с прямолинейными границами, двойники в металле могут иметь форму с одной или двумя искривленными границами, двумя вершинами, несдвойникованными участками и ветвлением двойниковой структуры (рис. I).
Очевидно, что формирование границ остаточных двойниковых прослоек сложных форм невозможно объяснить в рамках только тех микромеханизмов, которые предложены в [2].
Дополнительные сведения о процессах, протекающих на границах остаточных клиновидных двойников
с ростом действующих механических напряжений в кристалле, дают эксперименты по изучению закономерностей изменения размеров прослоек. Оказалось, что при деформировании монокристаллов В1, БЬ и 7.п методом повторного индентнрования с возрастающей нагрузкой длины двойниковых клиньев /„ и толщины у устья й при различных режимах нагружения - статическом, импульсном и термомеханическом - изменяются не только не пропорционально нагрузке, но и неоднозначно. Наряду с увеличением размеров /, и Л, наблюдались многочисленные случаи уменьшения длин и толщин клиновидных двойников, а также самопроизвольное исчезновение сдвойннкованных областей с ростом эффективных напряжений в кристалле. Выявлены следующие варианты одновременного изменения размеров двойникового клина: а) £ - увеличилась, Л - увеличилась; б) Ь- увеличилась, И - не изменилась; в) £ - уменьшилась, Л - не изменилась; г) /. - не изменилась, Л - увеличилась; д) Л - уменьшилась, // - увеличилась; е) - увеличилась, Л - уменьшилась; ж) £ -не изменилась, Л - уменьшилась; з) I - не изменилась, Л - не изменилась; и) Л - уменьшилась, И - уменьшилась; к) двойник исчез.
Случай «а» реализуется теми же дислокационными процессами, что и рост упругого двойника, случаи «и» и «к» - микропроцессамн, ответственными за раздвой-никование. Изменения размеров двойниковой прослойки в случаях «б» - «ж», кроме уже перечисленных, обусловлены некоторыми дополнительными механизмами.
Двойникование и раздвойникование на границах остаточных клиновидных двойников в металлах для
вариантов «б» - «ж» демонстрируют дислокационные модели, приведенные на рис. 2.
Анализ эволюции формы и размеров остаточных клиновидных двойников в рамках дислокационных представлений позволяет сделать выводы о том, что если двойникование протекает одновременно со скольжением, то расширяется диапазон элементарных дислокационных процессов двойникования и нарушается согласованность в их протекании.
Развитие деформационных двойников в металлах под нагрузкой реализуется следующими элементарными процессами: возбуждение источников и генерирование двойникующих дислокаций; движение двойни-кующих дислокаций в плоскости двойникования с образованием поверхности раздела; генерирование двойникующих дислокаций на готовых границах раздела; трансляция двойникующих дислокаций вдоль двойниковых границ; возбуждение источников двойникую-щих дислокаций на границах двойников и их движение в другой плоскости двойникования; возвратное движение двойникующих дислокаций; выход двойникующих дислокаций из кристалла.
Эти микромеханизмы позволяют объяснить как многообразие форм остаточных двойниковых прослоек в металлах, так и сложный характер эволюции геометрии клиновидных двойников под нагрузкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бспгус В.З.. Компик С.Н.. Старцев НИ. Движение двойникующих дислокаций в калмиггс // ДАН СССР. 1961. Т. 141. Js'v 3. С. 607-610.
2. Косев и ч А.М., Бойко в.С. Дислокационная теория упругого двой-никования кристаллов// УФЫ. 1971. Т. 104. Вып. 2. С. 201-254.
