CC BY
8
УДК 669.35:539.214
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ЗЕРЕН, ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕФОРМАЦИИ И СОСТАВА СПЛАВОВ Cu - Al НА ПАРАМЕТР МЕЖДИСЛОКАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СООТНОШЕНИИ ТЕЙЛОРА
Н.В. Черкасов, Л.И. Тришкина, Т.В. Черкасова, Н.А. Конева E-mail: cherkasova_tv@mail.ru Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, Россия
Аннотация. Исследовано упрочнение металлических материалов на основе известного соотношения Тейлора: взаимосвязи плотности дислокаций и напряжения течения. Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии изучена структура образцов при различных температурах испытания в деформированных растяжением поликристаллических ГЦК твердых растворах Cu - Al в интервале концентраций алюминия от 0,5 до 14,0 % (атом.) со средним размером зерна 10 - 240 мкм. В соотношении Тейлора параметр а характеризует междислокационное взаимодействие. Величину этого параметра в основном рассчитывают теоретически. На основе экспериментальных данных рассчитаны значения а в целом по образцу и для различных типов субструктур. Приведены количественные значения параметров. Проведен анализ значений параметра в зависимости от концентрации алюминия, температуры испытания для фиксированных значений размера зерна. Исследовано влияние типа субструктуры на значение параметра в конкретной субструктуре.
Ключевые слова: соотношение Тейлора, параметр междислокационного взаимодействия, поликристаллы, температура испытания, тип дислокационной субструктуры.
INFLUENCE OF THE GRAIN SIZE, DEFORMATION TEMPERATURE AND Cu - Al ALLOYS COMPOSITION ON THE PARAMETER OF INTERDISPLACEMENT INTERACTION IN THE TAYLOR RATIO
N. V. Cherkasov, L.I. Trishkina, T.V. Cherkasova, N.A. Konevа E-mail: cherkasova_tv@mail.ru Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russia
Abstract. The hardening of metallic materials was studied on the basis of the well-known Taylor relation: the relationship between dislocation density and flow stress. The method of transmission electron diffraction microscopy was used to study the structure of samples at various test temperatures in tensile-deformed polycrystalline FCC of solid solutions Cu - Al in the range of aluminum concentrations from 0.5 to 14.0 % (atom.) with an average grain size of 10 - 240 цт. In the Taylor relation, the parameter а characterizes the interdislocation interaction. The magnitude of this parameter is mainly calculated theoretically. Based on experimental data, the values of а were calculated for the whole sample and for various types of substructures. The quantitative values of the parameters are given. The analysis of the parameters depending on the concentration of aluminum, the test temperature for fixed values of grain size. The influence of the type of substructure on the parameter value in a particular substructure is investigated.
Keywords: the Taylor ratio, interdislocation interaction parameter, polycrystals, test temperature, type of dislocation substructure.
Введение
Параметр междислокационного взаимодействия а в соотношении Тейлора связан с упрочнением материала, обусловленным накоплением дислокаций и их взаимодействием. Напряжение
течения о прямо пропорционально скалярной плотности дислокаций <р>'2. Для поликристаллов удобно пользоваться величиной та (где т = 3,1 -ориентационный множитель). В основном параметр а рассчитывается теоретически [1, 2].
\ т / дв
0,5 мкм
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение субструктур в сплаве Си + 5 % Al (атом.) (клубковая и неразориентированная ячеистая (а), разориентированная ячеистая (б), фрагментированная (в)) и в сплаве Си + 14 % Al (сетчатая (г), сетчатая с разориентировками (д), микродвойниковая (е)) (Т = 293 К) после деформации с различной степенью деформации:
а, г - еист = 0,05; б, д - еист = 0,20; в, е - еист = 0,40
Экспериментальную оценку проводили чаще всего для чистой меди. Эти значения или близкие к ним часто применяют при оценке дислокационного вклада в упрочнение и для других материалов [3].
Основываясь на большом количестве экспериментальных данных, в настоящей работе были получены значения а и асост для поликристаллических ГЦК сплавов Си - А1. Измерения параметров а и асост при разных температурах испытания Т, концентраций алюминия и различных размерах зерен <&> комплексно были выполнены впервые в этой работе. Значения параметра а определяли из зависимостей о = / (<р> 2) (где <р> - средняя скалярная плотность дислокаций в целом по образцу). Для определения параметра асост использовали зависимости о = У(<Рсост>%), при этом учитывали значения плотности рсост дислокаций в каждом типе дислокационных субструктур (ДСС). Определения типов ДСС представлены в работе [4].
Материалы и методика исследования
Материалами исследования являлись поликристаллические ГЦК твердые растворы Си - А1 в интервале концентраций алюминия от 0,5 до 14,0 % (атом.). Средние размеры зерен <а?> в сплавах варьировали от 10 до 240 мкм. Образцы деформировали растяжением на машине со скоростью 210-2 с-1 при температуре 293 К. Структуру деформированных образцов изучали методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ПЭМ) на электронных
микроскопах с ускоряющим напряжением 125 кВ, снабженных гониометром. Плотность дислокаций определяли методом секущей [5].
Результаты
В слабоконцентрированных сплавах системы Си - А1 с ростом степени деформации и разных температурах испытания наблюдается следующая последовательность формирования ДСС: клубки из дислокаций, неразориентированная ячеистая ДСС, разориентированная ячеистая и фрагментированная ДСС. В высококонцентрированных сплавах системы Си - А1 с ростом степени деформации и разных температурах (Т) испытания реализуется другая цепочка превращений типов ДСС: дислокационные скопления, сетчатая ДСС, неразориентированная ячеисто-сетчатая, разориентированная ячеисто-сетчатая, микрополосовая и микродвойниковая ДСС. Электронно-микроскопические изображения типов субструктур при разных степенях деформации (е) при комнатной температуре представлены на рис. 1.
Экспериментальные значения параметров а и асОст для сплавов системы Си - А1 с размером зерен 10 и 200 мкм и разных температурах деформации представлены в табл. 1 и 2. Степень деформации, при которой формируется данный тип ДСС, и плотность дислокаций также указаны в табл. 1, 2. Проведем анализ зависимостей параметра а и асост от температуры испытания, концентрации алюминия и размера зерен.
Значения параметров а и асост для сплавов 0,5 и
Т а б л и ц а 1
Значения параметров а и асост для слабоконцентрированных сплавов ^ - А1
Тип субструктуры £ист Т, К ^ - 0,5 % А1 ^ - 5 % А1
<р>1013, м-2 асост (разный тип ДСС) а <р> 1013, м-2 асост (разный тип ДСС) а
ё = 10 мкм
Хаос, неразориентиро-ванная ячеистая, разори-ентированная ячеистая, фрагментированная 0,05 - 0,10 0,10 - 0,30 0,30 - 0,60 293 9 10 - 12 13 0,66 0,33 0,18 0,39 8 10 - 13 14 0,65 0,33 0,20 0,39
Неразориентированная ячеистая, разориентиро-ванная ячеистая, фраг-ментированная 0,05 - 0,10 0,10 - 0,30 0,30 - 0,60 473 9 11 - 12 13 0,69 0,35 0,23 0,42 9 11 - 12 14 0,66 0,33 0,28 0,42
Неразориентированная ячеистая, разориентиро-ванная ячеистая, фраг-ментированная 0,05 - 0,10 0,10 - 0,30 0,30 - 0,60 573 10 11 - 13 14 0,65 0,39 0,26 0,43 10 11 - 13 15 0,65 0,39 0,26 0,43
ё = 200 мкм
Неразориентированная ячеистая, разориентиро-ванная ячеистая, фраг-ментированная 0,05 - 0,10 0,10 - 0,30 0,30 - 0,60 293 3,5 4 - 6 7 0,79 0,59 0,40 0,59 3 4 - 6 7 0,85 0,50 0,26 0,59
Неразориентированная ячеистая, разориентиро-ванная ячеистая, фраг-ментированная 0,05 - 0,10 0,10 - 0,30 0,30 - 0,60 523 2,5 3 - 6 7 0,88 0,61 0,34 0,61 4 5 - 7 9 0,78 0,57 0,47 0,61
Неразориентированная ячеистая, разориентиро-ванная ячеистая, фраг-ментированная 0,05 - 0,10 0,10 - 0,30 0,30 - 0,60 573 4 5 - 6 9 0,71 0,59 0,53 0,61 5 6 - 7 8 0,75 0,62 0,45 0,61
5,0 % А1 (атом.) представлены в табл. 1. Для рассматриваемых сплавов при комнатной температуре испытания и фиксированном (10 мкм) значении размера зерен параметр а^ст изменяется в три раза, а для <ё> = 200 мкм - в два раза. Рост разориентировок в субструктуре сопровождается уменьшением значения а^ст при всех температурах испытания и размерах зерен. В слаболегированных сплавах при фиксированных значениях размера зерен и температуры деформации изменения величины параметра а с увеличением концентрации не наблюдается. Увеличение температуры испытания приводит к незначительному росту параметров а и а^ст при размерах зерен 10 и 200 мкм.
Экспериментальные данные а и а^ст для концентрированных сплавов, содержащих 10 и 14 % Al (атом.), представлены в табл. 2.
Проведен анализ влияния температуры испытания на величину параметров а и а^ст при фиксированных размерах зерен в сплавах с алюминием. Значения а и а^ст увеличиваются с ростом
температуры испытания для обоих сплавов. С ростом размера зерен при фиксированных температурах испытания значения параметров а и а^ст увеличиваются (табл. 2). Различие в содержании алюминия в этих двух высококонцентрированных сплавах практически не влияет на значения а
и ^ост.
На основании данных, полученных в работе, были построены зависимости а = ДСА1) и асост = =У(СА1). На рис. 2 представлены зависимости параметра а от концентрации алюминия СА1 для размеров зерен 10 и 200 мкм. С увеличением концентрации алюминия до 6 % (атом.) параметр а практически остается постоянным (рис. 2), а затем его значение возрастает, но незначительно. Напомним [4], что при СА1 ~ 8 % (атом.) в сплавах с алюминием происходит переход от ячеистой ДСС к ячеисто-сетчатой. На рис. 3 представлены зависимости асост = / (СА1) при тех же размерах зерен, что и на рис. 2. Анализ зависимостей показывает, что в малоконцентриро ванных сплавах в условиях формирования ячеистой ДСС без
Т а б л и ц а 2
Значения параметров а и асост для высококонцентрированных сплавов Си - А1
Тип субструктуры ^ист Т, К Си - 10 % А Си - 14 % А
<р>1013, м-2 ^сост (разный тип ДСС) а <р>1013 м-2 асост (разный тип ДСС) а
ё = 10 мкм
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,05 - 0,10 0,10 - 0,20 0,50 - 0,60 293 14 16 20 0,36 0,46 0,67 0.50 14 16 20 0,46 0,49 0,68 0,54
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,10 - 0,20 0,30 - 0,40 0,50 - 0,60 473 15 19 21 0,55 0,75 0,85 0,60 15 19 21 0,58 0,80 0,85 0,65
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,10 - 0,20 0,30 - 0,40 0,50 - 0,60 573 17 19 20 0,60 0,75 0,83 0,72 17 19 20 0,65 0,78 0,88 0,72
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,10 - 0,20 0,30 - 0,40 0,50 - 0,60 673 17 19 21 0,65 0,84 0,90 0,80 18 10 21 0,68 0,80 0,90 0,80
ё = 200 мкм
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,05 - 0,10 0,30 - 0,40 0,50 - 0,60 293 5 7 11 0,48 0,67 0,80 0,65 5 7 11 0,54 0,67 0,82 0,68
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,10 - 0.20 0,30 - 0.40 0,50 - 0.60 473 6 8 12 0,55 0,70 0,85 0,70 6 8 12 0,58 0,79 0,89 0,75
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,10 - 0,20 0,30 - 0,40 0,50 - 0,60 573 7 9 13 0,65 0,80 0,98 0,85 7 9 13 0,66 0,83 0,90 0,85
Ячеисто-сетчатая без разо-риентировок, ячеисто-сетчатая с разориентиров-ками, микрополосовая и микродвойниковая 0,10 - 0,20 0,30 - 0,40 0,50 - 0,60 673 1 2 3 1,18 0,92 0,67 0,92 7 10 14 0,69 0,88 0,98 0,93
а
0,6
0,4
__^2
__
1 1 1 1 I 1 1 1
0 2 4 6 8 10 12 14 Сдъ %
Рис. 2. Изменение параметра а в зависимости от концентрации СА легирующего элемента при размерах зерен <Л> (Т = 293 К): 1 - 10 мкм; 2 - 200 мкм
разориентировок (небольшие пластические деформации) параметр асост выше, чем в ячеистой ДСС с разориентировками (развитая пластическая деформация). При дальнейшем увеличении концентрации легирующего элемента параметр асост становится ниже в субструктурах с разориентировками для фиксированного размера зерен.
Увеличение размера зерна сопровождается увеличением значений этого параметра.
Рассмотрено влияние температуры испытания на параметр асост. На рис. 4 и 5 представлены зависимости асост от температуры испытания для слабоконцентрированных и высококонцентрированных твердых растворов Си - А1 с размерами зерен 10 и 200 мкм для разных типов ДСС.
Проведен анализ зависимостей асост = / (Т) для слабоконцентрированных сплавов (рис. 4). В основном, значения параметра асост несколько увеличиваются с ростом температуры испытания. Отметим также, что значение параметра асост выше в неразориентированной ДСС, чем в разориентированной.
Зависимости асост = / (Т) для высококонцентрированных сплавов системы Си - А1 представлены на рис. 5. Анализ зависимостей показывает, что значения параметра асост увеличиваются с ростом температуры во всех исследованных типах ДСС при размере зерен 10 и 200 мкм. Отметим также, что в разориентированных ДСС в сплавах с повышенным содержанием легирующего элемента величина параметра асост выше, чем в неразориенти-рованных ДСС для обоих размеров зерен.
Выводы
Установлены зависимости параметра междислокационного взаимодействия а в соотношении Тейлора от содержания алюминия, температуры испытания и размера зерен для поликристаллических сплавов системы Си - А1. В сплавах при содержании алюминия до 6 % (атом.) значения а не изменяются при увеличении содержания легирующего элемента. При более высоком содержании алюминия значения а увеличиваются. Значения а в сплавах Си - А1 находятся в интервале 0,3 - 0,7. С ростом размера зерен при фиксированной температуре испытания параметр а также возрастает. Увеличение температуры испытания приводит к возрастанию значений а.
Установлено, что параметр асост зависит от ряда факторов: размера зерен, температуры испытания и типа ДСС. Повышение температуры испытания приводит к росту асост при фиксированных размерах зерен и концентрациях алюминия. Рост размера зерен во всех исследованных сплавах приводит к увеличению асост. В высококонцентрированных сплавах при переходе от нера-зориентированных к разориентированным ДСС происходит увеличение параметра асост, а в слабоконцентрированных сплавах - уменьшение.
асост 0,8
0,6
0,4
0,2
0 2 4 6 8 10 12 14 СА1, %
Рис. 3. Изменение параметра асост в зависимости от концентрации легирующего элемента СА (Т = 293 К) при <а> = 10 мкм (1, 2) и <Л> = 200 мкм (5, 4): 1, 3 - неразориентированная ячеистая ДСС (СА1 < 8 %) + неразориентированная ячеисто-сетчатая ДСС (СА1 > 8 %); 2, 4 - разориентированная ячеистая ДСС (СА1 < 8 %) + разориентированная ячеисто-сетчатая ДСС (СА1 > 8 %)
| Ячеисто-сетчатая
-ж- *"" \ ДСС 1 __-4 -Р*-"'— 3
-о- — — — —о__.
---□----- ^ —--а-2 --^^ o-J 1 о— — 1
" Ячеистая ДСС 1 1 1 | I 1111
асост 0,8
0,6
0,4
0,2
273 373 4 73 5 73 2 73 3 73 4 73 5 73 Т, К
Рис. 4. Изменение параметра асост в зависимости от температуры испытания для слабоконцентрированного сплава Си - 5 % А1 при <ё> = 10 мкм (а) и <ё> = 200 мкм (б): 1, 4 - неразориентированная ячеистая ДСС; 2, 5 - разориентированная ячеистая ДСС; 3, 6 - фрагментированная ДСС
Рис. 5. Изменение параметра асост в зависимости от температуры испытания для высоконцентрированного сплава Си - 14 % А1 при <ё> = 10 мкм (а) и <ё> = 200 мкм (б): 1, 4 - неразориентированная ячеисто-сетчатой ДСС; 2, 5 - разориентированная ячеисто-сетчатая ДСС; 3, 6 - микрополосовая и микродвойниковая ДСС
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Набарро Ф.Р.Н., Базинский В.С., Холт Д.Б. Пластичность чистых монокристаллов. - М.: Металлургия, 1967. - 214 с.
2. Попов В.Е., Конева Н.А., Терешко И.В. Деформационное упрочнение упорядоченных сплавов. - М.: Металлургия, 1976. - 256 с.
3. Структурно-фазовые состояния и механизмы упрочнения деформированной стали / Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов, Н.А. Попова и др. -Новокузнецк: Полиграфист, 2016. - 510 с.
4. Структурно-фазовые превращения в слабоустойчивых состояниях металлических систем при термосиловом воздействии / Н.А. Конева, Л.И. Тришкина, А.И. Потекаев, Э.В. Козлов. -Томск: Изд-во НТЛ, 2015. - 342 с.
5. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.
© 2020 г. Н.В. Черкасов, Л.И. Тришкина, Т.В. Черкасова, Н.А. Конева Поступила 3 февраля 2020 г.
