Микроструктура циркониевых сплавов в очагах локализации деформации и предразрушения Текст научной статьи по специальности «Физика»

Микроструктура циркониевых сплавов в очагах локализации деформации и предразрушения

Т.М. Полетика, С.В. Колосов, С.Л. Гирсова

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Исследована дислокационная структура в стационарных зонах локализации пластической деформации, наблюдаемых методом спекл-интерферометрии в циркониевых сплавах. Установлено, что дефектная структура в областях минимумов и максимумов локализации деформации различна. Большая скорость накопления дефектов в очагах локализации деформации приводит к трансформации одного из них в шейку при увеличении степени общей деформации.

Microstructure of Zr-based alloys in deformation localization and prefracture zones

T.M. Poletika, S.V. Kolosov, and S.L. Girsova

Using speckle interferometry the dislocation structure in stationary zones of plastic deformation localization in zirconium-based alloys was studied. The defect structure in the regions of minima and maxima of localized deformation was established to differ. The high rate of defect accumulation in localized deformation zones results in transformation of one of such zones into a neck as the degree of total deformation increases.

1. Введение

Предпринятые в последнее время исследования процесса деформации циркониевых сплавов [1] методом спекл-интерферометрии позволили установить, что он развивается макроскопически неоднородно, при этом тип локализации деформации определяется режимом пластического течения. Для понимания природы макроскопических особенностей пластической деформации необходима информация о соответствующих изменениях в микроструктуре материала. Такую информацию содержат данные о дефектной структуре в зонах образца, соответствующих максимумам и минимумам локальных удлинений е хх.

Согласно известным экспериментальным данным по изучению эволюции дефектной подсистемы нагруженных материалов [2], стадийность деформационной кривой упрочнения обусловлена возникновением, развитием и закономерной сменой дислокационных субструктур. При этом отмечается, что этот процесс не протекает однородно. На каждой стадии упрочнения локально наблюдаются субструктуры, соответствующие более высоким степеням общей деформации. Однако взаимосвязь

процессов локализации деформации на микро- и макроуровнях не обсуждается.

В данной работе делается попытка исследования дислокационной структуры в очагах локализации деформации, возникающих при нагружении ГПУ циркониевых сплавов, используемых в ядерной энергетике. Это позволит выявить закономерности эволюции дислокационной структуры, сопровождающие локализацию деформации на макроуровне, приводящие к образованию очага предразрушения и последующему разрушению материала.

2. Методы исследования

Исследовались сплавы Zr-1%Nb (Э110) и Zr-1 %Nb-1.3%Sn-0.4%Fe (Э635) в рекристаллизован-ном состоянии. Плоские образцы с размерами рабочей части 42x5x2 мм растягивались на испытательной машине 1ш^оп-1185. Одновременно методом спекл-интерферометрии фиксировалось поле векторов смещений точек на поверхности образцов г(х, у). Путем численного дифференцирования этого поля могут быть получены все компоненты тензора пластической дистор-

© Полетика Т.М., Колосов С.В., Гирсова С.Л., 2004

сии Рг- j = Vr. Далее для простоты приводятся данные лишь о компоненте локального удлинения £ xx.

Электронно-микроскопические исследования микроструктуры деформированных сплавов проводились на электронном микроскопе Tesla BS-500 на тонких фольгах, вырезанных перпендикулярно оси растяжения из участков деформированного материала, соответствующих максимумам и минимумам локальных удлинений £ xx.

3. Результаты и их обсуждение

Установлено [3, 4], что кривые пластического течения исследуемых сплавов являются многостадийными, причем на параболической стадии выделяется до пяти участков с уменьшающимся показателем параболичнос-ти. Методом лазерной спекл-интерферометрии получены распределения фронтов локальных удлинений £ xx на каждой стадии кривой нагружения вплоть до образования шейки.

Согласно электронно-микроскопическому анализу пластическое течение циркониевых сплавов осуществляется главным образом призматическим и базисным скольжением. Анализ дефектной структуры циркониевых сплавов на различных стадиях деформационной кривой показал, что для исследуемых материалов характерна следующая последовательность превращений дислокационных субструктур: хаотическое распределение дислокаций ^ сетчатая субструктура ^ ячеистосетчатая субструктура ^ полосовая субструктура ^ субструктура с непрерывными и дискретными разори-ентировками ^ фрагментированная структура. Так, на переходной и линейной стадиях деформационной кривой формируется сетчатая субструктура. На параболической подстадиии с n ~ 0.5 сетчатая субструктура преобразуется в ячеисто-сетчатую, а затем в полосовую.

Для параболических подстадий с п < 0.4 характерно постепенное преобразование полосовой субструктуры в субструктуру с непрерывными и дискретными раз-ориентировками, а при п < 0.2 в очаге предразрушения формируется фрагментированная структура.

В данной работе приведены результаты сравнения микроструктурных характеристик материала в очагах локализации деформации и между ними. Для этого исследование структуры деформированных образцов проводилось на тех стадиях кривой нагружения, где возможно выделение стационарных очагов локализации деформации, в которых происходит накопление деформации [3, 4]. Это наблюдается при достижении общей деформации е = 1.8 % (область предела текучести), е = = 7-9 % (п - 0.2).

3.1. Сплав Э635

Согласно спекл-интерферометрическим исследованиям пластическая деформация образца сплава Э635 от предела текучести до начала параболической стадии (е =2 %) осуществляется движением главного максимума локализации деформации и следующих за ним менее интенсивных максимумов (рис. 1). После прекращения растяжения при деформации е = 1.8 % были просуммированы значения приращений и определено положение деформационного фронта. Фольги для электронно-микроскопических исследований вырезались перед фронтом локализации деформации, где £ хх = 0 (область 1), и внутри очага локализации деформации, где £ хх = 10-2 (область 2).

Установлено, что дислокационные структуры в указанных зонах одного и того же образца в целом различны. В области 1 наблюдается хаотическое распределение почти не взаимодействующих дислокаций — длинные одиночные дислокации, сгущения и переплетения

Рис. 1. Эволюция картин локализации деформации в области предела текучести (сплав Э635)

Рис. 2. Микроструктура сплава Э635 перед фронтом локализации (а) и внутри фронта локализации деформации (б) при Е = 1.8 %

дислокаций (рис. 2, а). Такая микроструктура характерна для переходной стадии, следующей за пределом текучести в поликристаллах, на которой коэффициент деформационного упрочнения уменьшается [2]. В области 2 при той же степени общей деформации уже наблюдается преимущественно сетчатая дислокационная структура, формирование которой начинается вблизи границ зерен сплава (рис. 2, б). Узлы дислокационной сетки закреплены частицами второй фазы; кроме того, на отдельных участках сетчатой структуры дислокации заблокированы связанными с ними частицами. Образование сетчатой структуры соответствует переходной стадии, характеризующейся увеличением коэффициента деформационного упрочнения.

На параболической стадии с п < 0.5 наблюдается движение фронтов локализации деформации по направлению к месту образования шейки. Первый интенсивный максимум локализации деформации на месте будущей шейки появляется в обоих сплавах в конце параболической подстадии с п ~ 0.5. На участке параболической стадии с п ~ 0.2 практически завершается формирование очага предразрушения. Образцы разрезались после достижения общей деформации є = 7.7 % в месте расположения максимума локализации, соответствующего очагу предразрушения, и в его окрестности, в которой значение деформации много меньше. На рис. 3, а представлена типичная для участка с п ~ 0.2 полосовая структура; между границами полос наблюдается ячеисто-сетчатая дислокационная субструктура с высокой

Рис. 3. Микроструктура сплава Э635 на параболической стадии при общей деформации 7.7 %: в окрестности очага предразрушения (а); в очаге предразрушения (б)

плотностью дислокаций. Микроструктура сплава в области очага предразрушения приведена на рис. 3, б. Дальнейшее развитие полосовой структуры приводит к нарушению кристаллографической ориентации полосовой субструктуры, и микрополосы разделяются на участки с частично фрагментированной структурой и субструктурой с многомерными дискретными и непрерывными разориентациями. Азимутальные разориен-тировки на электронограммах таких областей достигают 20°; электронограммы содержат дуги точечных рефлексов, что свидетельствует о высокой дисперсности структуры.

3.2. Сплав Э110

Пластическая деформация рекристаллизованного сплава Э110 на участках параболической кривой с п < 0.5 развивается с образованием ячеисто-сетчатой и полосовой субструктур, а также с образованием субструктуры с многомерными разориентациями. В окрестности очага предразрушения возможно образование фрагментированной структуры.

Исследование дефектной структуры материала при общей степени деформации е = 7 % (п = 0.2) позволило выявить различия в микроструктуре сплава в очаге локализации, где в дальнейшем образуется шейка, и вблизи минимума локальных удлинений. В последнем случае (рис. 4, а) наблюдается полосовая субструктура, причем

Рис. 4. Микроструктура сплава Э110 на параболической стадии при общей деформации 7 %: в окрестности очага предразрушения (а); в очаге предразрушения (б)

внутри отдельных полос можно различить элементы характерной для предыдущей стадии деформирования ячеисто-сетчатой дислокационной субструктуры с азимутальными разориентировками на субграницах, равными 1°-3°. В области пика локализации деформации наряду с субструктурой с многомерными разориенти-ровками появляются фрагменты с азимутальной раз-ориентировками, составляющей 5° (рис. 4, б).

Полученные данные соответствуют предложенной в работе [5] модели, согласно которой деформация в шейке развивается вследствие постепенного роста раз-ориентации соседних элементов субструктуры. Из проведенных авторами данной работы экспериментов следует, что к моменту разрушения в обоих сплавах обра-

зуется фрагментированная субструктура с большеугловыми границами.

Сопоставление результатов проведенных электронно-микроскопических исследований с данными об эволюции макролокализации деформации на параболической стадии (n < 0.4) [2] позволяет сделать вывод о том, что четвертая стадия пластического течения, на которой n ^ 0, обусловлена зарождением очага предразрушения и формированием шейки в материале.

4. Выводы

Полученные в настоящей работе данные показывают, что тип дислокационной структуры, наблюдаемый при исследовании процесса пластической деформации на параболической стадии кривой нагружения, зависит от места вырезки фольги, так как может характеризовать различное деформированное состояние.

Это обусловлено тем, что развитие локализации пластической деформации сплавов циркония протекает взаимосвязанно с эволюцией дислокационной структуры в очагах локализации деформации. При этом в очагах пластической макродеформации наблюдается более быстрая смена дислокационных субструктур, чем в окружающем объеме материала. В результате, уже на параболической стадии при n < 0.5 в одном из максимумов локализации деформации начинается образование очага предразрушения, а затем и формирование шейки.

Литература

1. Zuev L.B., Danilov VI. A self-excited wave model of plastic deformation

// Philos. Mag. Ser. A. - 1999. - V. 79. - No. 1. - P. 43-57.

2. Конева H.A., Козлов Э.В. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - С. 123186.

3. Полемика Т.М., Данилов В.И., Нариманова Г.Н., Гимранова О.В., Зуев Л.Б. Локализация пластического течения при растяжениии сплава Zr-1 %Nb // ЖТФ. - 2002. - Т. 72. - № 9. - С. 57-62.

4. Полемика Т.М., Нариманова Г.Н., Колосов С.В., Зуев Л.Б. Локализация пластического течения в технических сплавах циркония // ПМТФ. - 2003. - Т. 44. - № 2. - С. 132-142.

5. Рыгбин В.В. Физическая модель явления потери механической устойчивости и образования шейки // ФММ. - 1977. - Т. 44. - № 3. -С. 623-632.