CC BY
33
УДК 539.376:666.24
ПОЛЗУЧЕСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ Ni3Ge. ЭКСПЕРИМЕНТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ © Ю.В. Соловьева, С.В. Старенченко, В.А. Старенченко, О.Д. Пантюхова, Я.Д. Фахрутдинова
Ключевые слова: ползучесть; интерметаллиды; сверхструктура L12; локализация деформации; кривые течения; энергия активации; суперлокализации пластической деформации
Исследованы процессы ползучести в монокристаллах Ni3Ge, ориентированных вдоль осей [001], [ 139 ]. При ориентации [001] наблюдается температурная аномалия ползучести. Обнаружена инверсная ползучесть для обеих ориентаций. Дислокационная модель ползучести описывает наблюдаемые экспериментальные особенности.
Сплавы, подвергаемые ползучести, проявляют особенности поведения в разных температурных интервалах. Особый интерес вызывает явление инверсной ползучести (ползучесть с возрастающей скоростью) [1]. Инверсная ползучесть наблюдалась в сплавах со сверхструктурой Ь12 и на монокристаллах [2], и на поликристаллах [10, 3] №зА1. В других сплавах (№3Оа [4]) также проявляется инверсная ползучесть.
Авторы работы [2] считают, что механизм инверсной ползучести связан с увеличением плотности дислокаций, скользящих в плоскостях куба. Также в этой же работе аномальная температурная зависимость скорости ползучести на первичной стадии объяснялась отсутствием скольжения дислокаций в плоскостях куба, а нормальная температурная зависимость скорости инверсной ползучести связывалась со скольжением дислокаций в кубической плоскости. Следствием этих заключений оказывается то, что в тех случаях, когда кубическое скольжение подавлено, инверсная ползучесть должна отсутствовать, а скорость ползучести должна аномально уменьшаться с температурой. Подобная ситуация должна наблюдаться в кристаллах с ориентацией оси [001].
В данной работе проведено исследование процессов ползучести на монокристаллах №3Ое, обладающих сверхструктурой Ь12 и ориентированных вдоль направлений [001] и [ 139 ]. Для этих ориентаций кривые ползучести монокристаллов получены при сжатии, при различных уровнях внешней нагрузки и разных температурах. На рис. 1 приведены кривые ползучести монокристаллов №3Ое, ориентированных вдоль оси [001], при различных температурах испытания и напряжениях о1 = 1040 МПа и а2 = 370 МПа.
Кривые ползучести для ориентации [ 139 ] представлены на рис. 2.
Экспериментальные результаты (рис. 1 и рис. 2) показывают, что в обоих случаях ([001], [ 139 ]) кривые ползучести обнаруживают две стадии: первичную стадию с непрерывно уменьшающейся скоростью ползучести и стадию стационарной ползучести. В монокристаллах ориентации [001] наблюдается аномальная температурная зависимость на стадии первичной ползучести [5] (рис. 1), а для [ 139 ] таковая не обнаружена
[6], здесь скорость ползучести монотонно увеличивается с ростом температуры на всех стадиях ползучести, т. е. ведет себя нормально.
Рис. 1. Кривые ползучести монокристаллов MзGe при различных температурах испытания; ориентация [001]; величина напряжения (а) о = 1040 МПа; (б) о2 = 370 МПа
Рис. 2. Кривые ползучести монокристаллов №3Ое при различных температурах испытания; ориентация [ 139 ]; величина напряжения (а) о = 320 МПа; (б) о = 850 МПа
Другие закономерности, присущие ползучести монокристаллов ориентации [001], также сохраняются
при ориентации оси деформации [ 139 ] [7].
Превышение температуры от 873 на 150, 200 К приводит к катастрофическому увеличению скорости стационарной ползучести и даже к появлению инверсной ползучести. В отличие от наблюдаемой в №3А1 инверсии, которая происходит при средних температурах, при обеих ориентациях осуществляется высокотемпературная инверсная ползучесть, которая реализуется при температурах 923, 973 К [5, 6].
1854
При ползучести монокристаллов №3Ое, ориентированных вдоль направлений [001] и [ 139 ] при высоких температурах и напряжениях на боковых поверхностях кристалла, появляются полосы суперлокализации пластической деформации (рис. 3а и 3б).
а)
б)
в)
Рис. 3. Зоны локализации деформации: а) Т = 73 К, о = 1040 МПа, [001]; б) Т = 923 К, о = 850 МПа, [139]; в) формирование зеренной структуры в исходно монокристалличе-ском агрегате. Сплав №3Ое. Т = 923 К, о = 1000 МПа
Рис. 4. Кривые ползучести (а-в), зависимости скорости ползучести от времени (г-е) для сплавов со сверхструктурой L12 при различных температурах деформирования, различных значениях энергии активации термоактивируемого движения сверхдислокаций и постоянном внешнем напряжении о = 370 МПа
0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 ^ час
Рис. 5. Кривые ползучести для сплавов со сверхструктурой L12 при различных температурах деформирования, энергии активации термоактивируемого движения сверхдислокаций ] = 3,4 эВ с учетом локализации деформации: а-в - сжатие, г-е - растяжение. Величина нагрузки о = 1000 МПа
Исследование дислокационной структуры в зоне суперлокализации показало, что в сплаве наблюдается нарушение начального монокристаллического состояния. Изменение дислокационной структуры сопровождается появлением малоугловых границ, а также возникают большеугловые границы, которые ограничивают сформированные в процессе деформации зерна. В локальных местах формируется поликристаллическая субструктура, состоящая из фрагментов, с малой плотностью дислокаций внутри них (рис. 3в).
Полученные результаты показывают, что высокотемпературная инверсная ползучесть в сплаве Ni3Ge существенно отличается от инверсной ползучести в монокристаллах Ni3Al. Действительно, инверсная ползучесть в Ni3Ge наблюдается при повышенных температурах и обеспечивается скольжением дислокаций не в плоскостях куба, а в плоскостях октаэдра, поскольку при ориентации оси деформации вдоль [001] движение по плоскостям куба заблокировано, при ориентации [ 1З9 ] также скольжение происходит по плоскостям октаэдра. Следовательно, необходимо отметить, что отсутствует единый механизм, реализующий инверсную ползучесть. Инверсная ползучесть при средних температурах, характерная для сплава Ni3Al, не обнаружена при сжатии сплава Ni3Ge ни для одной исследованной ориентации оси деформации [7].
В работе [8] сформулирована математическая модель ползучести монокристаллов сплавов со сверхструктурой L12, в основу которой положена концепция упрочнения и отдыха. На основе этой модели с учетом локализации деформации [9], проведены расчеты ползучести в сплавах со сверхструктурой L12. Результаты моделирования для монокристаллов, ориентированных вдоль оси [001] показаны па рис. 4 и 5.
В рамках модели получены и аномальная температурная зависимость кривых ползучести, и стадии инверсной ползучести, что хорошо согласуется с результатами эксперимента. Таким образом, модель [9] показывает, что конкуренция механизмов самоторможения и термоактивируемой подвижности сверхдислокаций приводит к аномалии скорости ползучести, а локализация деформации при ползучести может являться причиной возникновения стадии инверсной ползучести.
ЛИТЕРАТУРА
1. Schneibel J.H., Horton J.A. // J. Mater. Rev. 1988. V. 3. P. 651-656.
2. Hemker KJ., Nix W.D., Mills MJ. // Acta meta. Mater. 1991. V. 39. P. 1901-1908.
3. Schneibel J.H., Hazzeldine P.M. Ordered Intermetallics - Physical Metallurgy and Mechanical Behaviour // NATO ASI series / ed. by C.T. Liu, R.W. Chan, G. Sauthoff Dordecht, 1992. Р. 565-571.
4. LuntM.J., Sun Y.Q. // Mater. Sci. Eng. A. 1997. V. 445. Р. 239-240.
5. Соловьева Ю.В., Геттингер М.В., Старенченко В.А., Старенчен-ко С. В. Исследование ползучести монокристаллов сплава Ni3Ge // Изв. вузов. Физика. 2009. № 4. С. 53-59.
6. Соловьева Ю.В., Старенченко В.А., Старенченко С.В., Геттингер М.В., Шалыгина Т.А. Изучение процессов деформации монокристаллов сплава Ni3Ge, ориентированных вдоль направления [139] // Изв. вузов. Черная мет. 2009. № 12. С. 28-32.
7. Соловьева Ю.В., Старенченко С.В., Старенченко В.А. Ползучесть интерметаллидов со сверхструктурой L12 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2009. Т. 6. № 3. С. 41-54.
8. Соловьева Ю.В., Бурцев Б.И., Старенченко В.А. Дислокационная ползучесть монокристаллов интерметаллических соединений со сверхструктурой Ы2 // Изв. вузов. Физика. 2005. № 9. С. 28-35.
9. Старенченко В.А., Пантюхова О.Д., Соловьева Ю.В., Старенчен-ко С.В. Модель дислокационной ползучести монокристаллов сплавов со сверхструктурой Ы2 // Изв. вузов. Физика. 2009. № 9/2. С. 118-124.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Soloyeva Y.V., Starenchenko S.V., Starenchenko V.A., Pan-tyukhova O.D., Fakhrutdinova Y.D. CREEP OF Ni3Ge SINGLE CRYSTAL. EXPERIMENT AND MODELING
Creep of Ni3Ge single crystals orientated along [001], [ 1З9 ] is studied. Inverse creep is observed at both orientations. The dislocation model describes observed phenomena.
Key words: creep; intermetallics; superstructure L12; deformation localization; creep curves; activation energy; superlocalization of deformation.
1855
