CC BY
6МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.9
НЕОДНОРОДНОСТЬ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ ДЕФОРМАЦИИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИКЕЛЯ С ОСЬЮ СЖАТИЯ [001]
Д.В. ЛЫЧАГИН, профессор, доктор физ.-мат. наук,
Е.А. АЛФЁРОВА, аспирант, Т. Н. ГОЛОСОВА, доцент, канд. физ.-мат. наук, А.Д. ЛЫЧАГИН, аспирант, ТГАСУ, г. Томск, ЮрТИ(филиал ТПУ), г. Юрга
Исследуется влияние ориентации боковых граней на неоднородность деформации для монокристаллов никеля. Рекомендуется при изготовлении ответственных деталей из ГЦК-монокристаллов учитывать не только ориентацию кристаллографической оси, но также и ориентацию боковых граней.
The side edges orientation influence on deformity discontinuity for nickel monocrystals is studied. When manufacturing critical parts from GKTS-monocrystals it is recommended to take into consideration not only the crystallographic axis orientation but also the side edges orientation.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МОНОКРИСТАЛЛЫ НИКЕЛЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ, ДЕФОРМАЦИЯ.
Более 50 лет для изготовления лопаток турбин реактивных двигателей используют жаропрочные никелевые сплавы. На сегодняшний день наряду с совершенствованием составов жаропрочных сплавов идут по пути создания монокристаллической структуры лопаток [1]. Для таких ответственных деталей для обеспечения их надежности необходимо знать природу неоднородности пластической деформации и локализации, так как именно области высокой локализации деформации являются потенциально опасными с точки зрения возникновения трещин и последующего разрушения деталей. В случае изготовления лопаток турбин из монокристаллических металлических материалов возникает дополнительная проблема, связанная со сложной поверхностью лопатки. В этом случае в разных областях лопатки ориентация кристаллографической оси монокристалла отличается, что, безусловно, сказывается как на механических свойствах материала, так и на неоднородности пластической деформации, а следовательно, прогнозировать места возможного появления трещин становится труднее. Исследованию неоднородности пластической деформации и эксплуатационных характеристик материалов при высоких температурах должны предшествовать исследования при комнатных температурах.
Материал и методика эксперимента
В данной работе представлены результаты, полученные для [001]-монокристаллов с разными наборами боковых граней {110} и {100}. Для [001]-монокристаллов никеля равнонагруженными являются четыре октаэдрические плоскости по два направления сдвига в каждой. Для обоих наборов боковых граней фактор Шмида равен 0,408. В [001]-монокристаллах с боковыми гранями {110} можно
выделить объём, в котором плоскости октаэдрическо-го сдвига со всех сторон имеют выход на свободные боковые поверхности [2]. В этой области сдвиг осуществляется в направлении наименьшего сопротивления в сторону свободных боковых поверхностей в отсутствии обратных напряжений от пуансонов испытательной машины. В [001]-монокристаллах с боковыми гранями {100} при hid < 2 (h - высота образца, d - его ширина) такой объем выделить нельзя, так как все плоскости с одной стороны ограничены пуансоном испытательной машины. Такая разница в кристаллогеометрической установке для сдвига оказывает влияние на неоднородность протекания пластической деформации.
Ориентировку монокристаллов осуществляли на рентгеновском аппарате ИРИС 3 по эпиграммам с точностью 2°. Деформацию проводили на машине типа «Ин-строн» со скоростью 3-l0-4 с-1. Картину деформационного рельефа в масштабе образца снимали на растровом электронном микроскопе Tesla BS-301 и металлографическом микроскопе МИМ-7. Методика определения локальной деформации изложена в работе [2].
Экспериментальные результаты
Общая деформация исследуемого [001]-монокрис-талла с боковыми гранями {110} составляет е = 0,06, средние значения компонент деформации - <e > = = 0,038, <e > = 0,036, <e > = -0,074 и интенсивности
' ' y ' ' z '
деформации - <Г> = 0,171. Общая деформация монокристалла с боковыми гранями {100} составляет е = = 0,07, средние значения компонент деформации -<e > = -0,053, <e > = 0,103, <e > = -0,050 и интенсив-
x ' ' y ' ' z '
ности деформации - <Г> = 0,240.
Результаты экспериментального определения локальной деформации монокристаллов представлены
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ
500 1000 1500' 2000 2500 3000
т ''ШшЬаШ
Y, мкм
500 1000 1500 2000 2500 3000
а б в г
Картина деформационного рельефа (а, в), карта распределения компоненты деформации ег (б, г). Ось сжатия [001], а, б - грань (110), в, г - грань (100). На рисунках а, в - грани показаны с нанесенной сеткой
деформационными картами в сравнении с картиной деформационного рельефа на рисунке. При анализе деформационного рельефа на боковых гранях [001]-монокристаллов видно, что грань (110) заполнена следами сдвига, и также наблюдается хорошо различимая полоса аккомодации [3], на грани (100) яркими элементами деформационного рельефа являются полосы.
При анализе компоненты деформации е (см. рисунок) для грани (110) видно, что реализуется в основном деформация сжатием, и наибольших значений (-0,55) компонента достигает в приторцевых областях монокристалла. У базовых концентраторов напряжений образуются отдельные деформационные макрополосы (рисунок), как было отмечено выше, эти макрополосы играют роль аккомодационных прослоек между доменами, компенсируя несовместность их деформации. Наличие таких компенсаторов позволяет избежать высокой неоднородности деформации и разрушения образцов.
Для [001]-монокристаллов с боковой гранью (100) местами наибольшей локализации деформации являются полосы, здесь величина компоненты едостигает -0,45 (деформация сжатием), в то же время в областях между полосами реализуется деформация растяжением (е = 0,15), а также отмечаются места, где деформация по компоненте еравна нулю.
Таким образом, сравнивая монокристаллы с одинаковой осью деформации [001], но с разными боковыми гранями, можно сделать вывод, что для боковых граней {100} в целом наблюдается большая неоднородность деформации по сравнению с боковыми гранями {110}.
Следовательно, ориентация боковых граней влияет на неоднородность деформации. Неоднородность зависит от кристаллографической ориентации, это связано с организацией сдвига в макромасштабе образца, обусловленного осуществлением деформации по плотноупакованным направлениям и реализацией сдвига согласно обобщенному закону Шмида (в
области, где все три главные компоненты тензора напряжений отличны от нуля). Наиболее оптимальным для формоизменения материала является равнозначность относительного выхода на боковые грани плотноупакованных направлений, что реализуется в [001]-монокристаллах с боковыми гранями {110}.
Таким образом, данное обстоятельство позволяет рекомендовать при изготовлении ответственных деталей из ГЦК-монокристаллов учитывать не только ориентацию кристаллографической оси, но также и ориентацию боковых граней. Следует отметить, что ранее авторами была проведена работа, в которой исследовалось влияние отклонения оси от направления [111] на неоднородность деформации [4]. Полученные в работе результаты показали, что для монокристаллов с осью [111] небольшое, в несколько градусов, отклонение оси приводит к формированию одной системы макрополос сдвига, что, в свою очередь, исключает образование областей высоких локальных деформаций.
Список литературы
1. Качанов Е.Б. Состояние и перспективы развития работ по жаропрочным сплавам для лопаток турбин // Технология легких сплавов. - 2005. - № 1-4. -С. 10-18.
2. Лычагин Д.В., Алферова Е.А., Шаехов Р.В., Лыча-гин А.Д., Старенченко В.А. Неоднородность деформации в монокристаллах никеля с разной иерархией структурных элементов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2007. - Т.4. - № 2. - С. 26-35.
3. Лычагин Д.В. Фрагментация пластической деформации в металлических материалах с ГЦК-решеткой // Физическая мезомеханика. - 2006. - Т. 9. - № 3., - С. 103-113.
4. Лычагин Д.В., Алферова Е.А., Шаехов Р.В., Старенченко В.А. Влияние отклонения оси сжатия от направления [111] на неоднородность и локализацию деформации в монокристаллах никеля // VII Конференция молодых ученых «КОМУ-2008». - Ижевск: ФТИ УрО РАН, УдГУ, ИжГТУ, 2008. - С. 10-11.
Контактная информация для переписки:
Лычагин Д.В. - 634000, Томск, Томский государственный архитектурно-строительный университет,
пл. Соляная, 2; e-mail: katerina525@mail.ru
