CC BY
29
УДК 669. 017. 539. 4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1342-1345
МНОГОМАСШТАБНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ДЕФОРМАЦИИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ С ГЦК РЕШЕТКОЙ ПРИ СЖАТИИ
© Л.А. Теплякова1*, Т.С. Куницына1*, И.В. Беспалова2*
1)1 Томский государственный архитектурно--строительный университет, г. Томск, Российская Федерация,
e-mail: latl68@mail.ru
2) Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, Республика Казахстан,
e-mail: besiv@mail.ru
Представлены результаты количественного исследования деформационного рельефа монокристаллов алюминия с различной ориентацией оси сжатия и боковых граней: [110] -монокристаллы с боковыми гранями (110) и (001), [111]-монокристаллы с боковыми гранями (112) и (110), [001]-монокристаллы с боковыми гранями {001} и [001]-монокристаллы с боковыми гранями {110}; [001]-монокристаллы сплава МзБе с боковыми гранями {001}. Измерен комплекс количественных параметров, характеризующих сдвиговую деформацию. Проведена статистическая обработка результатов исследования и получены значения характеристик локализации сдвиговой деформации на выделенных масштабно-структурных уровнях.
Ключевые слова: монокристалл; деформационный рельеф; масштабно-структурные уровни; количественные характеристики картины следов сдвига.
Настоящая работа посвящена обобщению результатов исследования деформационного рельефа монокристаллов алюминия с различной ориентацией оси сжатия и боковых граней и [001]-монокристаллов сплава Ni3Fe.
Как было установлено в [1-2], начальный этап пластической деформации на макроуровне всех исследованных монокристаллов связан со сдвигом по плоскостям {111} с максимальным фактором Шмида, кроме [ 111 ]-монокристаллов алюминия. В них на макроуровне сдвиг по плотноупакованным плоскостям наблюдается лишь в 20 % объема монокристалла.
Следы и системы следов сдвига. След сдвига является основным элементом деформационного рельефа и составляющей системы следов сдвига. Часто для описания картины деформационного рельефа, в особенности для мезоуровня, используются такие термины, как «след скольжения», «линия скольжения», «полоса скольжения». Применение перечисленных терминов заранее предполагает, что механизм их образования известен - скольжение дислокаций по наиболее плотноупакованным кристаллографическим плоскостям. Между тем, в условиях развитой пластической деформации сдвиг одной части кристалла относительно другой может осуществляться не только по плотно-упакованным плоскостям вследствие скольжения индивидуальных дислокаций, но и по другим плоскостям с участием иных носителей сдвига [3-4]. В этих случаях использование термина «след скольжения» становится некорректным. На наш взгляд, термин «след сдвига» является более общим, а термин «след скольжения» становится его частным случаем при трансляционном скольжении.
Следы сдвига являются основным элементом деформационного рельефа на разных масштабных уров-
нях во всех исследованных монокристаллах алюминия, кроме монокристаллов, ось сжатия которых была параллельна кристаллографическому направлению [ 111 ]. На рис. 1 представлены схемы и фотографии картин следов сдвига на трех масштабных уровнях.
В работе было проведено измерение количественных характеристик картины следов сдвига на трех
Рис. 1. Схемы и фотографии картин следов сдвига в монокристаллах алюминия на трех масштабных уровнях
Таблица 1
Количественные характеристики картины сдвига
Ось нагружения [110] [111] [001] [001]
Ориентация боковых граней (110),(001) (112),(110), {110} {001} Ni3Fe
<АX>мaKро (мкм) 25,0 20,0 25,0 23,0
<АX>макропачка (мкм) 12,0 макропачек нет 10,0 макропачек нет
<АX>Mезо (мкм) 4,9 2,4 7,4 4,0
<АX>микропачка (мкм) 0,08 0,07 0,10 0,10
Доля объема м-ла, занятая системами следов сдвига (%) 100 20 100 100
8макро (%0 20,0 25,0 18,5 30,0
8мезо (%) 10,0 20,0 10,0.15,0 50,0
^микропачки (%) 50. 100
Умакро (%) 1,2 1,0 1,2 1,4
Умезо (%) 3,2 6,4 2,0 4,0
Умикро (%) 12,0 14,0 10,0 10,0
6 макро (%) 0,6 0,5 0,6 0,7
6 мезо (%) 1,6 3,2 1,0 2,0
6 микро (%) 6,0 7,0 5,0 5,0
6 (%) 6,0 5,0 5,0 5,0
масштабных уровнях с использованием методов оптической, растровой и электронной просвечивающей микроскопии (на репликах). Были получены такие характеристики, как расстояние между ближайшими следами в системах сдвига (АХ), толщина следов сдвига, мощность сдвига Р. На всех масштабных уровнях величина Р рассчитывалась по высоте ступеньки (к) с учетом кристаллографии сдвига.
Расчет мощности сдвига Р в следе скольжения проводился по формуле:
P -
h
sm ф sm у
где h - высота ступеньки; ф - угол между нормалью к поверхности кристалла и плоскостью скольжения и у -угол между направлением сдвига в плоскости скольжения и направлением линии скольжения на поверхности кристалла.
Для определения величины h на макроуровне применялся метод интерференционной микроскопии, на микроуровне - стандартный метод реплик с контролируемым оттенением.
Проведенное исследование картины сдвига позволило выявить иерархию пространственной организации первичного сдвига в рассматриваемых монокристаллах. На микроуровне сдвиг в исследованных монокристаллах кластеризован в виде микропачек. Микропачки состоят из нескольких (2...10) следов сдвига по близкорасположенным параллельным плоскостям {111}, и, в свою очередь, объединены в кластеры более крупного масштаба (мезоуровень), которые и являются элементами картины сдвига на макроуровне. Для макро-
уровня было проведено подробное исследование картины следов сдвига, в т. ч. с определением средних значений расстояний между следами сдвига, которые представлены в табл. 1 для [110]-, [ 111 ]- и [001]-мо-нокристаллов (для [111]-монокристаллов приводится значение <AX>, усредненное по локальному участку грани, где следы сдвига наблюдаются). Как следует из табл. 1, величины <AX> оказались близкими для всех ориентировок монокристаллов. На мезоуровне <AX> в разы меньше, чем на макроуровне. И, наконец, в микропачках сдвига среднее расстояние между следами сдвига меньше, чем <AX> на макроуровне в две-три сотни раз.
Измеряя толщину следов сдвига и учитывая ориентацию плоскостей сдвига относительно поверхностей граней была проведена оценка доли объема монокристалла (5), в котором происходил сдвига на макро-, мезо- и микроуровнях в определенной системе сдвига. Оценка потому, что величины <AX> на мезо- и микроуровнях были определены для локальных участков граней. Для определения более точного значения средних расстояний между следами сдвига на мезо- и микроуровнях необходимо увеличивать число измерений, что требует специальных и прицельных исследований.
Как показали проведенные оценки 5 для алюминия на макроуровне в пластическую деформацию «втянута» пятая часть объема, в сплаве Ni3Fe эта величина составляет 30 %. Аналогичные оценки на микроуровне показывают, что доля объема, в которой прошла сдвиговая деформация (в микропачках), значительно выше и варьирует от 50.100 %. Величина 5 на мезоуровне для алюминия меньше, чем на макроуровне.
Величина сдвига. Величина сдвига (у) может быть оценена из соотношения:
< Р >
У =-,
< АХ >
где <Р> - величина средней мощности сдвига. На макроуровне величина Р определялась по высоте ступеньки, определенной методом интерференционной микроскопии с учетом геометрии сдвига. Среднее значение Р для исследованных монокристаллов алюминия и сплава (БП) оказалось близким друг к другу и равно 0,3 мкм. На мезо- и микроуровне мощность сдвига определялась по картине следов скольжения на репликах с контролируемым оттенением. По результатам этих измерений для исследованных монокристаллов были построены гистограммы для величины Р. На рис. 2 такая гистограмма приведена для [110]-моно-
0 20 40 60 80 100 120 140 160 P, нм
Рис. 2. Гистограмма мощности сдвига Р в следах скольжения для D1-монокристалла при 6 = 0,05
кристалла с боковыми гранями (110) и (001). Наиболее вероятное значение Р для разных монокристаллов алюминия оказалось близким и равным 30 нм, а для монокристаллов сплава Ni3Fe в разупорядоченном состоянии 25 нм. Рассчитанные по приведенным значениям Р и <ДХ> для s = 0,05 величины у на разных масштабных уровнях представлены в табл. 1.
Как следует из табл. 1, величина у во всех монокристаллах нарастает с уменьшением масштаба. По полученным значениям у проведены оценки величины относительной степени деформации 8 = у/2 для трех выделенных масштабных уровней.
Легко видеть, что с величиной степени деформации образца 8 коррелируют только значения 8* для микроуровня. Это позволяет сделать вывод о том, что на начальной стадии пластической деформации основной вклад в ее развитие вносит микромасштабный уровень.
Заключение. Выполненное на трех масштабных уровнях (макро-, мезо- и микро) статистическое исследование картины следов сдвига в монокристаллах алюминия и сплава №^е с различными кристаллогео-метрическими характеристиками позволило установить, что основной вклад в сдвиговую деформацию вносит микромасштабный уровень.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Куницына Т.С., Теплякова Л.А., Конева Н.А. Закономерности формирования деформационного рельефа в монокристаллах сплава Ni3Fe с дальним атомным порядком // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 3. С. 70-74.
2. Теплякова Л.А., Беспалова И.В. Закономерности макрофрагментации сдвиговой деформации и формирование областей переориентации в монокристаллах алюминия при сжатии // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 4. С. 33-38.
3. Владимиров В.И., Романов А.Е. Дисклинации в кристаллах. Л.: Наука, 1986. 223 с.
4. Кащенко М.П., Теплякова Л.А., Соколова О.А., Коновалов С.В. Формирование плоских полос сдвига с границами {123} в ГЦК монокристаллах // ФММ. 1998. Т. 86. Вып. 1. С. 43-47.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 669. 017. 539. 4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1342-1345
MULTISCALE LOCALIZATION OF DEFORMATION IN SINGLE CRYSTALS FCC WITH COMPRESSION
© L.A. Teplyakova1), T.S. Kunitsyna1), I.V. Bespalova2)
1) Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation,
e-mail: lat168@mail.ru 2) Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpaev, Almaty, Republic of Kazakhstan, e-mail: besiv@mail.ru
The results of the quantitative study of strain relief aluminum single crystals with different orientations of the compression axis, and the lateral faces are presented. The strain relief [110]-single crystal with the lateral faces (110) and (001), [lll]-single crystal with side faces (112) and (110), [001] with the side-single crystal faces {001} and [001] with the side-single crystal faces {110}; [001] Ni3Fe-single crystal alloy with side faces {001} has been investigated. Complex quantitative parameters characterizing the shear deformation are
measured. Statistical analysis of results was carried out, and the obtained values of shear strain localization characteristics on the selected scale-structural levels.
Key words: single crystal; deformation relief; scaleand structurallevels; quantitative characteristics of thede-formation relief.
REFERENCES
1. Kunitsyna T.S., Teplyakova L.A., Koneva N.A. Zakonomernosti formirovaniya deformatsionnogo rel'efa v monokristallakh splava Ni3Fe s dal'nim atomnym poryadkom. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika - Russian Physics Journal, 2015, vol. 58, no. 3, pp. 70-74.
2. Teplyakova L.A., Bespalova I.V. Zakonomernosti makrofragmentatsii sdvigovoy deformatsii i formirovanie oblastey pereorientatsii v monokristallakh alyuminiya pri szhatii. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika - Russian Physics Journal, 2015, vol. 58, no. 4, pp. 33-38.
3. Vladimirov V.I., Romanov A.E. Disklinatsii v kristallakh. Leningrad, Nauka Publ., 1986. 223 p.
4. Kashchenko M.P., Teplyakova L.A., Sokolova O.A., Konovalov S.V. Formirovanie ploskikh polos sdviga s granitsami {123} v GTsK monokristallakh. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 1998, vol. 86, no. 1, pp. 43-47.
Received 10 April 2016
Теплякова Людмила Алексеевна, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики, e-mail: lat168@mail.ru
Teplyakova Lyudmila Alekseevna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor of Physics Department, e-mail: lat168@mail.ru
Куницына Татьяна Семеновна, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики, e-mail: lat168@mail.ru
Kunitsyna Tatyana Semenovna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor of Higher Mathematics Department, e-mail: lat168@mail.ru
Беспалова Ирина Валерьевна, Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, Республика Казахстан, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры общей и теоретической физики, e-mail: besiv@mail.ru
Bespalova Irina Valerevna, Kazakh National Research Technical University named after K.I. Satpayeva, Almaty, Republic of Kazakhstan, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Lecturer of General and Theoretical Physics Department, e-mail: besiv@mail.ru
