Особенности двойникования поликристаллического ОЦК сплава Fe-Si Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 5З9.З

ОСОБЕННОСТИ ДВОЙНИКОВАНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОЦК СПЛАВА Fe-Si

© А.М. Кириллов1*, С.Н. Плужников2), Т.Н. Плужникова1*, Е.В. Зингер1*, В.А. Федоров1

^ Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия 2) Тамбовский государственный музыкально-педагогический институт им. С.В. Рахманинова, г. Тамбов, Россия, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Ключевые слова: двойникование; ОЦК-поликристалл; диаграмма напряжение-деформация; зависимость Холла-Петча.

На диаграммах напряжение-деформация обнаружен спад нагрузки при возникновении двойников. Выявлена зависимость между видом образующихся спадов нагрузки с числом двойников и скоростью деформации. Установлена зависимость числа двойников от размеров зерен поликристалла, а также от температуры и скорости деформирования.

Процесс двойникования в ряде случаев условий деформирования различных материалов выступает как ведущий механизм деформации кристаллической решетки. В поликристаллах этому процессу уделено намного меньше внимания, чем в монокристаллических материалах. Повышенный интерес к поликристалличе-ским материалам вызван изменением их свойств при уменьшении размера зерен С до микро- и нанокристал-лического. Механическое двойникование в таких материалах считается эффективным средством повышения прочности и пластичности, т. к. границы двойников способствуют аккумуляции дислокаций в зернах, повышая тем самым деформационное упрочнение, но в отличие от границ зерен они не являются местами, где дислокации аннигилируют. Сложности изучения образующихся двойников заключается в высоких скоростях роста двойниковых прослоек, а также в условиях получения двойников на различных материалах (высокие скорости деформации и низкие температуры).

В качестве исследуемого материала использовались образцы поликристаллического ОЦК-сплава Ее-Бі с различным набором размеров зерен, предварительно приготовленные как металлографический шлиф и вырезанные в форме двойной лопатки. Выбор материала обусловлен его склонностью к двойникованию в широком интервале условий эксперимента. Растяжение производилось на машине Ішіїоп-5565 со скоростями относительной деформации е =0,002 + 0,66 с-1 в интервале температур: 183 + 393 К. В эксперименте исследовались образцы двух типов, с различным набором зерен, ~80 % всех зерен имели размеры в пределах 1,5 + 9 мм и 0,025^0,225 мкм и среднестатистические размеры зерен Сср1 = 3,55 мм и Сср2 = 0,12 мкм соответственно. После деформации образцов осуществлялся подсчет двойников в рабочей области.

Высокая скорость образования двойниковых прослоек сравнима со скоростью звука в металле, что подтверждается характерным звуковым сигналом, т. н. «треском» при двойниковании [1]. В ходе испытания на растяжение образцов первого типа получены диа-

граммы нагрузка-деформация при разных скоростях и температурах испытаний (рис. 1).

При возникновении двойников в ряде случаев появляются спады и ступени на диаграммах напряжение-деформация при переходе из области упругой деформации в область предела текучести (рис. 1). Такое поведение нагрузки связанно с двойникованием материала, что подтверждается сравнением значений чисел двойников с величиной относительной деформации при спаде (в ступеньке). Характерный вид спада или ступеньки на диаграмме нагружения можно предсказывать, т. к. имеется существенная зависимость между числом двойников и величиной относительной деформации при спаде (в ступеньке) (рис. 2, б), а также между величиной задаваемой скорости относительной деформации и получаемым значением резкого спада (или слабого роста) нагрузки (рис. 2, а).

В.Ф. Моисеевым и В.И. Трефиловым [2] был предложен метод расчета пластичности при двойниковании поликристаллов, основанный на дислокационной модели двойника в ОЦК-решетке. Согласно этой модели:

_ 5Ж

2 л/2”Бш

где N - число двойников толщиной 5 ; Б - размер зерна; ш - усредненный фактор ориентации. При значениях 5 = 4 мкм, Б = dср1 = 3,55 мм и шОцК ~ 2 расчетные данные совпадают с экспериментальными величинами относительной деформации.

Связь напряжений со скоростью относительной деформации является неслучайной. Примером являются зависимости для пластической деформации, обусловленной объемной диффузией вакансий (ползучесть Набарро-Херринга) или обусловленная пограничной диффузией (ползучесть Кобла) [3].

Интересным является и тот факт, что двойникова-ние в большинстве случаев в исследуемом материале происходит на отрезке перехода из упругой области к пластической. Напряжения, при которых происходит

121З

<т, МРа

Е, %

а)

ст, МРа

5 Е, %

б)

Рис. 1. Характерные диаграммы нагружения крупнокристаллического сплава Бе^ 1-го типа с образованием двойников: а) Т = 290 К, 8 = 0,03 с-1, = 570); б) Т = 290 К, 8 = 0,06 с-1, (%в = 1080). Кружком выделено место возникновения двойников

Рис. 2. Графики зависимостей скачка напряжения на диаграмме нагрузка-деформация от скорости деформации образца - а; относительной деформации в данном скачке от общего числа двойников в образце - б

зарождение и движение двойникующих дислокаций по системам (112)<111>, меньше предела пластичности исследуемого сплава.

Отличительной чертой мелкокристаллических материалов (й?ср2 = 0,12 мм) от крупнозеренных является отсутствие каких-либо видимых регистрируемых скачков нагрузки при возникновении двойников, что свидетельствует о снижении роли двойникования на процесс деформации материала с уменьшением размера зерна поликристалла [4].

Ранее на образцах монокристаллического сплава Fe+3,25%Si было показано, что зависимость интенсивности двойникования (общее число двойников в рабочей зоне) от температуры [5], а также скорости деформирования [6] имеет характерный максимум. Установлено, что в выбранном интервале испытаний с увеличением температуры интенсивность двойникования снижается, а положение максимума смещается в область более высоких скоростей деформирования.

Эксперименты на образцах с размером зерна dq,2 = 0,12 мм показали, что общее число двойников в рабочей области не имеет явно выраженной зависимости от скорости деформирования. В этом случае количественной характеристикой двойникования считали среднее число двойников в зерне в зависимости от размера зерна поликристаллического сплава, а также скорости деформирования и температуры. В эксперименте определялись размеры, число сдвойникованных зерен и число образовавшихся в них двойников. Построены

гистограммы распределения сдвойникованных зерен от размера зерна для различных температур и скоростей нагружения.

Выявлено, что максимум распределения сдвойни-кованных зерен смещается в сторону более крупного зерна относительно общего распределения зерен поликристалла но размерам (рис. З, а). Среднестатистический размер сдвойникованных зерен смещен в сторону более крупных размеров относительно среднестатистического размера зерна поликристалла. Это позволило сделать вывод о том, что крупное зерно в отличие от мелкого больше подвержено не только деформации скольжением, но и двойникованием.

Установлено, что зависимость среднего числа двойников в зерне от квадратного корня из размера зерна для одной и той же температуры хорошо описывается линейной зависимостью (рис. З, б). Показано, что для всех скоростей можно выделить «характерный» минимальный размер зерна, двойникование в котором отсутствует. В этом случае, в соответствии с законом Холла-Петча, следует ожидать затрудненности проявления двойникования при уменьшении размера зерна.

Дальнейшие исследования показали (рис. 4, а, б), что среднее число двойников в зерне при температурах выше -270 К с ростом скорости деформирования возрастает, а нри температурах ниже -270 К снижается. Данное изменение можно объяснить сменами механизмов деформации, в определенном смысле конкури-

а)

б)

Рис. 3. а) Г истограммы распределения частоты зерен по размерам: 1 - общего числа зерен в рабочей зоне образца, 2 - числа сдвой-никованных зерен; б) Зависимость среднего числа двойников в зерне от размера зерна при 8 =0,211 с-1 и различных температурах: 1 - 183 К; 2 - 243 К; 3 - 293 К; 4 - 343 К

а)

б)

Рис. 4. Зависимости среднего числа двойников в сдвойникованном зерне среднего размера от температуры (а) и скорости деформирования (б)

рующих между собой: при повышении температуры переход от двойникования к скольжению, а при снижении температуры - обратный переход. Можно заключить, что для данного сплава температура ~270 К является «характерной» температурой, при которой число двойников в зерне является постоянной величиной при любых скоростях деформирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Классен-Неклюдова М.В. Механическое двойникование кристаллов. М.: АН СССР, 1961. 260 с.

2. Моисеев В.Ф., Трефилов В.И. Пластичность при двойниковании // Физическая природа пластической деформации и разрушения металлов. Киев: Наук. думка, 1969. С. 7-15.

3. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Предел текучести и пластическая деформация нанокристаллических материалов // Успехи механики. 2003. № 1. С. 68-125.

4. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Кириллов А.М., Долгих Д.Е. Влияние размера зерна поликристаллического Бе+3,25%81 на двойникование в широком температурно-скоростном интервале нагружения // Известия вузов. Серия Черная металлургия. 2009. № 6. С. 60-63.

5. Финкель В.М., Савельев А.М., Королев А.П. // Физика металлов и металловедение. 1979. Т. 47. Вып. 2. С. 411-419.

6. Федоров В.А., Плужников С.Н., Плужникова Т.Н., Дудаков С.П., Кириллов А.М. // Деформация и разрушение материалов. 2007. № 7. С. 13-16.

БЛАГОДАРНОСТИ. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 09-01-97514р_центр_а).

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Kirillov A.M., Pluzhnikov S.N., Pluzhnikova T.N., Zinger E.V., Feodorov V.A. Features of twinning of polycrystalline bcc alloy Fe-Si. On stress-strain diagrams the recession loading out at occurrence of twins is found. The dependence between type recessions loading with number of twins and rate deformation is found. Dependence number of twins on the sizes grains of a polycrystal, and also on temperature and rate of deformation is established.

Key words: twinning; bcc-polycrystal; stress-strain diagram; Hall-Patch dependence.