CC BY
45
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 669.1:539.379.4 А.А. Лукин, В.М. Рощупкин, З.С. Лукина, А.К. Тарханов
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ПОВЫШЕНИЕ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ МЕДИ
Показано, что в зависимости от геометрии скольжения и степени предварительной деформации условный предел текучести при последующем растяжении увеличивается в 1,5-26 раз. Наибольшее относительное увеличение предела текучести наблюдается после предварительной деформации сжатия, когда появляется принципиальная возможность образования барьеров Ломер-Котрелла в двух, а тем более в пяти направлениях <110>.
Ключевые слова:кристаллографические плоскости и направления, деформация, микрокристаллы (МК), предел текучести, система скольжения, геометрия скольжения
A.A. Lukin, V.M. Roschupkin, Z.S. Lukina, A.K. Tarhanov INFLUENCE OF PRELIMINARY DEFORMATION ON THE INCREASE OF THE YIELD LIMIT OF FLUIDITY COPPER
It has been shown that depending on sliding geometry and extent of preliminary deformation the conditional yield limit at the subsequent stretching increases in 1,5-26 times. The greatest relative increase in the yield limit is observed after preliminary deformation of compression when it occurs the basic possibility of formation of Lomer-Kotrell barriers in two, and furthermore in five directions
Keywords: crystallographic planes and directions, deformation, microcrystals (MK), yield limit, sliding system, sliding geometry
Введение. Деформация и последующий отжиг являются решающими средствами изменения структуры и структурно-чувствительных механический свойств металлов и сплавов, не испытывающих фазовой перекристаллизации. Последние годы в технике все шире применяются монокристаллы, но, в отличие от поликристаллов, возможности управления структурой и структурно-чувствительными механическими и физическими свойствами в монокристаллах изучены явно недостаточно.
Теоретическая часть. Металлы с гранецентрированной кубической решеткой пластически деформируются по плотно упакованным октаэдрическим плоскостям {111} в плотноупакованных направлениях <110> (системы скольжения). В зависимости от ориентации кристалла по отношению к действующим силам при деформации может действовать от одной до 12 систем скольжения.
Наиболее совершенными среди металлических кристаллов являются микрокристаллы диаметром до 100 мкм, полученные из паровой фазы. Выращенные по методу Бреннера микрокристаллы (МК) меди, использованные в наших исследованиях, имели одно из трех направлений роста <111>, <110> и <100> и были огранены в зависимости от направления роста гранями {100}, {110}, {111} и реже {112}. Для деформации использовались кристаллы диаметром 30-100 мкм и длиной 20-25 мм. В дланной статье применяли два вида предварительной деформации микрокристаллов - кручение и сжатие. Скорость предварительной деформации составляла 10- . Условный предел текучести ао,2 определялся на
© Лукин А.А., 2013
микромашине при растяжении вдоль оси роста предварительно деформированных при комнатной температуре МК.
Деформация МК сжатием проводилась перпендикулярно одной из боковых граней между поверхностями с шероховатостью Ra 0,02-0,01. Одновременно деформировались два МК одинакового диаметра, удаленные друг от друга на расстояние 8-10 мм. При этих условиях деформирования отклонения осей действующих сил от направлений с выбранными кристаллографическими индексами не превышало 10-15'.
Степень деформации определялась по формуле в = 1п(^/^), где ^ и ^ - толщина образца до и после деформации соответственно. В связи с малой величиной ^ с достаточной степенью надежности возможно было регистрировать деформацию не меньшую 0,05.
При осадке МК с трением по контактной поверхности последнее создает сопротивление течению металла в горизонтальной плоскости, разное по величине в направлении оси МК и в направлении, перпендикулярном оси МК и оси сжатия. Направление течения металла в этом случае определяется на основе закона наименьшего сопротивления: «В случае возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления». В случае МК отношение ширины грани, к которой было приложено сжимающее усилие, к рабочей длине образца составляло 3-5-10" . В связи с этим удлинение наблюдалось только на свободных концах кристалла. Участки, в которых наблюдалось удлинение, составляли не более 3 % общей длины образца, они легко удалялись травлением. Это позволяет утверждать, что при сжатии в вышеуказанных условиях реализуется плоскодеформированное состояние.
Как показано в работах [1-4], геометрия скольжения в МК и массивных монокристаллах меди, деформированных сжатием в условиях ограниченного течения, оказалась одинаковой. В табл. 1 даны теоретически предсказанные и наблюдаемые на практике системы скольжения (СС), действующие при сжатии кристаллов разной ориентации.
Таблица 1
Системы скольжения в микрокристаллах меди, действующие при деформации сжатием
Ориентация и тип Система скольжения Распределение систем скольжения
кристалла первичная вторичная в объеме кристалла
[100] (001) А 1,4,7,10 - В объеме всего кристалла
[100] (001) Д 1,4,7,10 2,3,5,6 8,9,11,12 В объеме всего кристалла
[110] (001) А 1,2 - То же
[110] (001) Д 1, 2 6, 9 То же
1,2 6, 9 В четных областях с
[110] (001) В конечной ориентацией [11 0] (112) В нечетных областях с конечной
10, 11 6,9 ориентацией [11 0] (1 12)
[110] (001) А Го ,11 - В объеме всего кристалла
[11 0] (001) Д Го ,11 1,2 В объеме всего кристалла
1о ,11 1,2 В четных областях с
[11 0] (001) В конечной ориентацией [11 0] (110) В нечетных областях с конечной
6, 9 1,2 ориентацией [11 0] (112)
Вблизи контактных
[ 111 ] (110) 2, ГО 2, 1о 1 ,4, 5 7, 8,11 поверхностей образца В центре образца
Здесь [иу’^ - кристаллографические индексы направления продольной оси МК (ось у); (Ькі) - кристаллографические индексы плоскости боковой грани, перпендикулярно которой (ось х) прикладывалось сжимающее усилие. Ось z перпендикулярна плоскости XOY. Системы скольжения занумерованы цифрами. Кристаллографические индексы плоскости и направление скольжения каждой СС расшифрованы в табл. 2. Черта над номером системы означает, что направление скольжения противоположно указанному в табл. 2.
Таблица 2
Системы скольжения. Расшифровка систем скольжения, приведенных в табл. 1
Плоскость скольжения (111) (і 11) (1 і 1) (і і 1)
Направлени скольжения [O1 і ][ і Ol] [1 і O] [O1 і ][1O1] [ і і O] [Oі і][іO1] [11O] [Oі і][1O1] [ і 1O]
Индекс системы 1, 2, 3 6 і/"Т 4, 9 осТ 7, 1O, 11, 12
Геометрия скольжения при деформации кручением МК дана в работах [5, 6].
Итак, благодаря использованию кристаллов трех ориентаций осей роста и различных видов деформации, удалось получить 19 вариантов скольжения. Среди этих вариантов есть такие, когда деформация осуществляется по одной, двум, трем, четырем или шести первичным и по одной.двум, четырем или шести второичным системам скольжения. При одинаковых условиях деформации геометрия скольжения в МК меди диаметром более 30 мкм не отличается от геометрии скольжения в массивных монокристаллах.
Определенная для каждого монокристалла геометрия скольжения при предварительной деформации приводит к накоплению в них дислокаций с заданными векторами Бюргерса в определенных плоскостях скольжения. Это определяет дислокационные реакции и возможность образования дислокационных барьеров. Известно шесть типов дислокационных барьеров, два из них являются асимметричными и находятся на грани устойчивости, образуя вершинные дислокации 1/6 <130> с высокой энергией, поэтому их существование крайне проблематично. Два из оставшихся барьеров - прямой и обратный барьер Ломер-Коттрелла, другие два - барьеры Хирта. Последние также не обладают достаточной стабильностью. Дислокационные барьеры Ломер - Коттрелла (барьеры Л-К) или «сидячие» дислокации Ломер-Коттрелла характерны тем, что их вектор Бюргерса не лежит ни в одной из возможных плоскостей скольжения {111}. Перед барьерами Л-К скапливаются дислокации. Упругие поля напряжений от таких скоплений обусловливают сильное упрочнение ГЦК - монокристаллов.
После малых (1-2 %) степеней предварительной деформации кручения (в) условный предел текучести (а0,2) МК меди повышается в 1,5-2 раза. При таких степенях кручения в МК[111] действуют только три первичные системы скольжения в плоскости (111), перпендикулярной продольной оси кристалла. В МК [110] плоскости скольжения двух первичных систем и направления сдвига параллельны оси роста. Следовательно, накопившиеся в процессе предварительной деформации кручения дислокации леса не могут принимать участия в деформации растяжения и сильно повышают напряжение течения в кристаллах данной ориентации.
В МК [110] при в = 0,8-1,0 % включаются две вторичные системы скольжения в плоскостях, наклонных к оси кристалла, с направлением скольжения, перпендикулярным оси роста.
В МК [100] все четыре плоскости скольжения составляют острый угол с осью кристалла, а направление скольжения первичных систем перпендикулярно оси роста. Следовательно, в двух последних случаях при кручении действуют системы, для которых фактор Шмида при последующем растяжении равен нулю, что значительно повышает
напряжение течения. В условиях такой геометрии скольжения в МК [110] и [100] из известных дислокационных барьеров могли формироваться только барьеры Хирта.
В кристаллах [100] и [111] в отличие от МК [110] после деформации кручения на два и менее процента разориентировка кристаллической решетки вокруг любых направлений, перпендикулярных оси кристалла (8а), не превышает 3', поэтому можно точно вычислить приведенное напряжение сдвига (тт).
В МК [100] при факторе Шмида 0,4 с ростом степени деформации кручения от 0 до 2% тт увеличивается с 11 до 16 МПа, а в МК [111] (фактор Шмида - 0,27) - с 14 до 19 МПа. Отсюда видно, что принципиальная возможность формирования при кручении в МК барьеров Хирта не приводит к существенному повышению тт.
Если степени деформации кручения превышают 2 , 3 и 6 % для МК [111], [110] и [100] соответственно, то включаются вторичные системы с направлением скольжения, составляющим острый угол с осью кристаллов. В МК [111] при в> 12% в любом сечении МК действуют 12 систем скольжения, и может образовываться полная пространственная совокупность барьеров Ломер-Котрелла. Из девяти вторичных систем скольжения шесть систем с направлениями сдвига, составляющими острые углы с осью кристалла, активны при последующем растяжении, три системы с направлениями скольжения, перпендикулярными оси роста МК, пассивны при растяжении.
В МК [110] при кручении (в>18 %) действуют 3 группы вторичных систем скольжения, различающихся значением скалывающих напряжений в плоскостях {111} и направлениях <110> тетраэдра Томпсона, из них только одна группа (две системы скольжения) активна при последующем растяжении. В этом случае при кручении в одном сечении МК скольжение реализуется обычно в одной из двух плоскостей скольжения, составляющих острый угол с осью кристалла, Значит, действует максимум девять систем, а накапливающиеся при кручении дислокации образуют не более трех типов (т.е. в трех разных направлениях <110>) барьеров Ломер-Котрелла.
В МК <100> при кручении (в> 6 %) включаются восемь вторичных систем, активных при последующем растяжении. При этом в одном сечении кристалла, перпендикулярном его оси, скольжение при кручении (в>9%) реализуется только в двух смежных плоскостях (4 вторичные системы скольжения), что создает принципиальную возможность образования двух типов барьеров Ломер-Котрелла.
Итак, после малых деформаций кручения (в>3 %) увеличение предела текучести, очевидно, обусловлено накоплением в кристаллах дислокаций, связанных с системами, у которых фактор Шмида при последующем растяжении равен нулю. Включение вторичных систем с направлениями сдвига, составляющими острые углы с осью кристаллов.приводит к дальнейшему повышению предела текучести.
В табл. 3 приведены значения: а0,2; относительное превышение предела текучести после больших степеней предварительной деформации ^в>°-а“>уа»“ по сравнению с
исходными, т.е не подвергнутыми предварительной деформации образцами (а0,2исх); доля (п) от общего числа систем скольжения, действующих при предварительной деформации с нулевым коэффициентом Шмида при последующем растяжении (пассивные системы скольжения); общее число N различных, т.е. по-разному ориентированных в пространстве типов барьеров Ломер-Котрелла £№ = N + К'); число барьеров Ломер-Котрелла типа N и К". Барьеры типа N могут образовываться в процессе предварительной деформации кручения или сжатия при взаимодействии дислокаций, накапливающихся в МК только при действии пассивных при последующем растяжении систем скольжения. Барьеры типа N могут образовываться при взаимодействии дислокаций, накапливающихся в МК при действии пассивных (при растяжении) систем скольжения с дислокациями, накапливающимися в МК при действии систем активных при последующем растяжении.
Как видно из таблицы, при одной и той же степени деформации относительное увеличение предела текучести тем больше, чем больше величина п. Относительное увеличение предела текучести в МК [110](001) - А после деформации сжатием на 50 % при п = 1 равно 14,4, а после деформации кручением МК с той же осью роста даже на 200 % (п < 1) не удается достигнуть этого значения. При этом деформация сжатием в МК [110](001) - А протекает в одной плоскости и в двух направлениях, т.е. действуют всего две системы скольжения. Таким образом, значение п является решающим фактором, определяющим относительное увеличение предела текучести после предварительной деформации.
Таблица 3
Влияние геометрии скольжения при предварительной деформации на величину предела
текучести микрокристаллов меди
Ориентация и тип кристалла Степень предварительной деформации в, % Число систем скольжения &0^ МПа п N № В>0 исх & 0,2 & 0,2 N
кручение сжатие первичные вторичные
& 0,2
[100] 50 - 4 8 148 0,33 2 - 4,3 2
[110] 50 - 2 7 204 0,78 3 1 9,2 2
[111] 50 - 3 9 380 0,5 6 - 6,3 6
[100](001) типа Д - 50 4 8 241 0,33 6 - 7,6 6
[11 0](001)типа А - 50 2 - 308 1,0 - - 14,4 -
[11 0](111)типа А - 50 2 - 308 1,0 - - 14,4 -
[11 0](001)типа Д - 50 2 2 343 1,0 2 2 16,1 -
[11 0](111)типа В - 50 4 2 401 1,0 5 5 19,5 -
[110](001)типа В - 50 4 2 435 1,0 5 5 20,8 -
[110] 200 - 2 7 270 0,78 3 1 13,5 2
[111] 200 - 3 9 596 0,5 6 - 10,5 6
[11 0](001)типа В - 80 4 2 540 1,0 5 5 26,0 -
[11 0](111)типа В - 80 4 2 506 1,0 5 5 24,3 -
[ 111 ](110) - 80 2 6 380 0,5 2 - 6,3 2
поликристалл отожженный - - - - 75 - - - - -
поликристалл волоченный 80 - - - 350- - - - 3,7 -
Принципиальная возможность образования при сжатии барьеров Ломер-Котрелла типа № в МК [110](001) - Д и В и [110](111) - В приводит к дополнительному относительному увеличению предела текучести.
Из данных табл. 3 видно, что в поликристаллической проволоке, деформированной волочением на 80 %, относительное увеличение предела текучести по сравнению с исходным отожженным образцом существенно меньше, чем в деформированных сжатием микрокристаллах с контролируемой геометрии скольжения.
Заключение. Таким образом, в зависимости от геометрии скольжения и степени предварительной деформации условный предел текучести при последующем растяжении увеличивается в 1,5-26 раз. После одной и той же степени предварительной деформации относительное увеличение предела текучести будет тем меньше, чем меньше будет доля (п) от общего числа систем скольжения, действующих при предварительной деформации, у которых коэффициент Шмида равен нулю при последующем растяжении. Принципиальная возможность образования барьеров Ломер-Котрелла типа N приводит к малому относительному увеличению предела текучести. Наибольшее относительное увеличение предела текучести наблюдается после предварительной деформации сжатия при п = 1, особенно когда появляется принципиальная возможность образования барьеров Ломер-Котрелла типа N в двух, а тем более в пяти направлениях <110>.
Список литературы
1. Беликов А.М., Постников В.С., Жигунов В.В., Лукин А.А.. Дислокационный возврат в нитевидных кристаллах меди, деформированных сжатием // Изв. АН СССР. Сер. Металлы. - 1973. - № 4. - С. 185.
2. Беликов А.М., Постников В.С., Косилов А.Т., Жигунов В.В., Кузмищев В.А. Влияние геометрии скольжения на протекание дислокационного возврата в деформированных нитевидных кристаллах меди // АН СССР. Физика металлов и металловедение. - 1974. - Т. 37, № 4. - С. 857
3. Беликов А.М., Горелик С.С., Жигунов В.В., Макаров В.В. Влияние геометрии скольжения на критическую степень деформации монокристаллов меди // АН СССР. Физика металлов и металловедение. - 1975. - Т. 39, № 2. - С. 390.
4. Беликов А.М., Лукин А.А.. Особенности геометрии скольжения в микрокристаллах железа при деформации сжатием // АН СССР. Физика металлов и металловедение. - 1986. -Т. 62, № 2. - С.273.
5. Постников В.С., Беликов А.М., Косилов А.Т., Кузмищев В.А. Влияние геометрии скольжения на развитие процесса полигонизации в НК меди // АН СССР. Физика металлов и металловедение. - 1974. - № 2. - С.94.
6. Косилов А.Т., Беликов А.М., Кузмищев В.А. Ориентационная зависимость дислокационного возврата в НК меди // Кристаллография. - 1974. - Т.19. - № 3. - С. 603.
Лукин Анатолий Александрович - к.ф.-м.н., доцент кафедры физики металлов Воронежского
государственного технического университета. E-mail: vax_serg@mail.ru.
Рощупкин Валерий Михайлович - к.т.н., доцент кафедры физики металлов Воронежского государственного технического университета. E-mail: vax_serg@mail.ru.
Лукина Зоя Семеновна - к.п.н., доцент кафедры физики металлов Воронежского государственного технического университета. E-mail: vax_serg@mail.ru.
Тарханов Андрей Константинович - к.ф.-м.н., доцент кафедры физики и химии Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета. E-mail:anvetkin@yandex.ru. Тел.(473)2715004.
