Пластическое течение в сплавах циркония с гексагонально плотноупакованной решеткой на макрои микроуровнях Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 660.539.382.2

ПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ В СПЛАВАХ ЦИРКОНИЯ С ГЕКСАГОНАЛЬНО ПЛОТНОУПАКОВАННОЙ РЕШЕТКОЙ НА МАКРО- И МИКРОУРОВНЯХ

Т.М. Полетика, Г.Н. Нариманова*, С.В. Колосов

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН. г. Томск *Томский политехнический университет, филиал в г. Юрге E-mail: rin@ftf.tsu.ru

Проведено экспериментальное исследование характера локализации деформации на параболической стадии пластического течения и стадии предразрушения в образцах из промышленных сплавов циркония. Проведены электронно-микроскопические исследования микроструктуры деформированных образцов. Установлена связь между параметрами макродеформации и дислокационной структуры.

Известно, что пластическое деформирование материалов протекает макроскопически неоднородно на всех стадиях нагружения [1, 2]. Существует однозначное соответствие между режимом пластического течения на некотором участке деформационной кривой и типом пространственно-временного распределения компонент тензора дисторсии. Однако, отсутствие прямых экспериментальных данных не позволяет установить связь между макролокализацией пластической деформации и дислокационными характеристиками деформируемой среды.

В данной работе исследуется характер локализации деформации на параболической стадии пластического течения и стадии предразрушения в образцах из промышленных сплавов циркония Э110 и Э635, применяемых для изготовления труб тепловыделяющих элементов ядерных реакторов [3]. Для этих сплавов характерны продолжительная параболическая стадия и долгая деформация на стадии предразрушения. Интерес к сплавам Zr с гексагонально плотноупакованной (ГПУ) решеткой обусловлен также тем, что не существует единого представления о природе пластической деформации и механизмах деформационного упрочнения даже для чистого циркония [4]. Поэтому изучение процессов локализации пластического течения, соответствующих различным стадиям деформационной кривой вплоть до разрушения, и взаимосвязи их с изменением микроструктуры очень актуально. Эти данные необходимы для выяснения закономерностей эволюции микроструктуры, ведущих к локализации деформации на макроуровне и образованию очага разрушения материала, в частности для оценки запаса технологической пластичности сплавов Э110 и Э635.

Плоские образцы с размерами рабочей части 42x5x2 мм растягивались на испытательной машине Instron-1185 при скорости перемещения подвижного захвата 0,1 мм/мин. Одновременно методом спеклинтерферометрии [2, 5] фиксировалось поле векторов смещений точек на поверхности образцов r(x,y). Путем численного дифференцирования этого поля могут быть получены все компоненты тензора пластической дисторсии ßy=Vr. Далее для простоты приводятся данные лишь о компоненте локального удлинения sxx.

Электронно-микроскопические исследования проводились на электронном микроскопе ЭМВ-125К при ускоряющем напряжении, равном 125 кВ, на тонких фольгах, приготовленных электрополировкой в электролите 90 % СТ^^Ю % ЖЮ4 при температуре -50 °С.

Анализ кривых нагружения исследуемых сплавов показал, что они в целом подобны: на них имеется переходная стадия упрочнения, следующая непосредственно за пределом текучести, и выполняется параболический закон упрочнения. Параболическая стадия упрочнения для обоих сплавов начинается при е «2 % и характеризуется постоянно уменьшающимся коэффициентом деформационного упрочнения 0. Начиная с е «5 % коэффициент 0 становится очень малым, а затем близким к нулю, что соответствует четвертой стадии деформационного упрочнения [6].

Далее с использованием величины приложенного напряжения и деформации были введены логарифмические координаты Ь^-Ц-Ье, где 5=ст(1+е), 5=стс(1+е), е=Ь(1+е), а величина ое определена путем экстраполяции зависимости о(е), перестроенной в координатах Б-^ё, на нулевую деформацию [4]. Это позволило разбить каждую параболическую деформационную кривую на ряд прямолинейных участков с постоянно уменьшающимся показателем парабо-личности п (рис. 1). Кривая пластического течения заканчивается участком с п «0, соответствующим стадии развития видимой шейки (на рис. 1 не показан).

Рис. 1. Кривые пластического течения для сплавов: 1) Э635, 2) Э110

е-10

Технические науки

Использование метода лазерной спеклинтерфе-рометрии позволило проследить эволюцию картины макролокализации деформации ахх на всех стадиях деформационной кривой. Так, при е « 2 % в пространстве образца устанавливается стационарная (неподвижная) система максимумов локализации деформации, соответствующая параболической стадии пластического течения [1, 2]. На рис. 2 показано распределение локальной деформации для исследуемых сплавов на параболической стадии деформационного упрочнения при и>0,5 (а) и на стадии предразрушения при п^0 соответственно (б). При и<0,5 начинается движение очагов локализации деформации, которое продолжается на участках с меньшими значениями показателя пара-боличности вплоть до образования шейки.

На рис. 3 приведена зависимость положения максимумов локализации (х - абсцисса очага локализованной деформации на оси образца) от общей деформации образца е, типичная для этих сплавов. Между параболическими участками деформационной кривой с показателями п « 0,4 и п « 0,3 наблюдается почти горизонтальный участок, на котором деформация увеличивается на 0,002е. Этот участок соответствует моменту образования первичной шейки (рис. 2, б). На участке параболической стадии деформационного упрочнения с п ~ 0,2 практически завершается формирование очага предразрушения, и далее при п^0 происходит образование шейки, которая к этому моменту уже наблюдается визуально.

У, мм

0.006 0.005 0.005 0.004 0.004 0.004 0.003 0.002

000 -0.001 -0.001 -0.002

335 X, ММ У -0.002 -0.002

Рис. 2. Пространственное распределение очагов локализованной деформации

Х,мм

На рис. 4 представлены зависимости скорости движения фронтов Глокализованной деформации на параболической стадии упрочнения от показателя параболичности п.

Следует отметить, что с увеличением предела прочности о„ исследованных сплавов скорости движения очагов локализованной деформации увеличиваются. Это свидетельствует о том, что скорость движения фронтов локализации деформации к шейке, т.е. скорость формирования шейки, определяется уровнем напряжений в образце при пластическом течении.

Таким образом, при п<0,5 очаги локализованного течения объединяются, что приводит к формированию шейки и переходу пластического течения в пластическое разрушение. При этом очаги локализованной деформации движутся, но движение не является согласованным, аналогично наблюдаемому на стадии линейного упрочнения [1, 2].

У>105м/с

□ 1 «2 • 3

5 8 е,% 11

Рис. 3. Положение максимумов очагов локализации деформации

1 1 I \п

0,2 0,4 0,6 0,8

Рис. 4. Зависимости скорости движения фронтов V локализованной деформации от показателя параболичности п: 1) для сплава Э635; для сплавов Э110:2) в рекрис-таллизованном состоянии, 3) в закаленном состоянии

В результате электронно-микроскопических исследований микроструктуры деформированных образцов была установлена следующая последовательность превращений дислокационных субструктур: хаотическое распределение дислокаций ^ скопления дислокаций ^ сетчатая субструктура ^ ячеисто-сетчатая субструктура ^ полосовая субструктура ^ субструктура с непрерывными и дискретными разориентировка-ми ^ фрагментированная структура. Причем последние две из них характерны для параболической стадии (п<4), а четвертая стадия пластического течения (п^0) обусловлена зарождением очага предразрушения и формированием шейки в материале [6, 7].

Далее была проанализирована связь длины волны локализованной деформации X, представляющей собой расстояние между активными очагами пластической деформации на стадии параболического упрочнения, и среднего размера элементов дислокаци-

а

0

онной структуры й при тех же степенях общей деформации. При этом средний характерный размер элементов дислокационной субструктуры й для яче-исто-сетчатой дислокационной субструктуры определялся как расстояние между сгущениями дислокаций, для полосовой структуры (рис. 5, а) - как расстояние между субграницами, для фрагментирован-ной (рис. 5, б) - как размер самих фрагментов.

0,9 мкм

| 0,9 мкм |

Рис. 5. Эволюция дислокационной структуры

Было установлено, что между величинами Я и й существует простая линейная зависимость типа

Я=Я0+аЗ (рис. 6), где безразмерный коэффициент пропорциональности а=1,3.104, а Я=4,2 мм, что указывает на взаимосвязь дислокационной структуры деформированного сплава и периодичности локализации пластической деформации в нем.

К , мм 16 —

14 —

12 —

8 —

d-103

Рис. 6. Зависимость длины волны локализованной деформации Я от характерного -размера элементов дислокационной субструктуры в

Таким образом, развитие пластической деформации представляет собой сложный процесс самосогласованного зарождения и движения локализованных очагов пластического течения. В результате направленного движения деформационных фронтов к одному очагу локализации и слияния с ним происходит периодическое накопление в нем деформации, что проявляется в более быстрой смене дислокационных субструктур вплоть до образования фрагментированной структуры, наблюдаемой при формировании шейки. Картина и динамика движения очагов локализованной деформации существенно зависят от вида закона деформационного упрочнения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Зуев Л.Б., Данилов В.И. О природе крупномасштабных корреляций при пластическом течении // Физика твердого тела. — 1997. — Т. 39. — № 8. — С. 1399—1403. Zuev L.B., Danilov V.I. A self-excited wave model of plastic deformation // Philos. Mag. Ser. A. —1999. —V. 79. — № 1. — P. 43—57. Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в ядерной энергетике. — М.: Энергоатомиздат, 1994. —256 с.

Папиров И.И., Тихинский Г.Ф. Природа пластической деформации циркония: Харьков, 1976 // Препринт АН УССР. Харьков. физ.-техн. ин-т; № 76-23. — 36 с.

Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спеклинтерферомет-рия. - М.: Мир, 1986. -321 с.

Козлов Э.В., Старенченко В.А., Конева Н.А. Эволюция дислокационной субструктуры и термодинамика пластической деформации металлических материалов // Металлы. — 1993. — № 5. —С. 152—161.

Рыбин В.В. Физическая модель явления потери механической устойчивости и образования шейки // Физика металлов и металловедение. —1977. — Т. 44. — № 3. — С. 623—632.

а

6