CC BY
36
Закономерности организации сдвиговой деформации в [001]-монокристаллах алюминия с боковыми гранями {100} при сжатии
Л.А. Теплякова, И.В. Беспалова, Д.В. Лычагин
Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия
Методом оптической микроскопии изучена картина деформационного рельефа, характерного для степеней деформации е < 0.1 [001]-монокристаллов алюминия с гранями {100}. Идентифицированы основные элементы деформационного рельефа, измерены количественные характеристики, построены их распределения. Установлено, что изменение ориентации свободных граней монокристалла с {110} на {100} при сохранении ориентации оси сжатия [001] принципиально меняет склонность монокристалла к макролокализации сдвиговой деформации.
Laws of shear deformation in aluminum [001] single crystals with {100} lateral faces in compression
L.A. Teplyakova, I.V. Bespalova, and D.V. Lychagin
Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, 634003, Russia
The optical microscopy method is used to study the pattern of the strain-induced relief typical for the strains е < 0.1 of aluminum [001] single crystals with {100} faces. The major elements of the strain-induced relief are determined, quantitative characteristics are measured and their distributions are plotted. It is found that in a single crystal the orientation change of free faces from {110} to {100} with preserved compression axis orientation [001] drastically changes the tendency of the single crystal to shear strain macrolocalization.
1. Введение
Закономерности пространственной организации сдвига на макроуровне в монокристаллах алюминия с симметричными ориентировками ранее изучались и результаты представлены в работах [1-4]. Рассмотренные в [1-4] монокристаллы по их кристаллогеометрии можно разделить на две группы. Первую группу составляют [001]-монокристаллы с боковыми гранями {110} и [110]-монокристаллы с двумя вариантами боковых граней (001), (110) и (1 11), (1 12). Их объединяет возможность выделить в монокристалле объем «облегченного» сдвига для каждого из семейств равнонагруженных плоскостей. Объемом «облегченного» сдвига назовем область монокристалла, в которой равнонагруженные ок-таэдрические плоскости имеют выходы на все его сво-
бодные поверхности (боковые грани параллелепипеда). Вторую группу представляют [111] -монокристаллы с боковыми гранями (110) и (1 12). В последних, напротив, есть объем, в котором семейства равнонагружен-ных плоскостей с двух сторон ограничены торцами образца, т.е. при сжатии контактируют с пуансонами испытательной машины. Такой объем в [4] был назван объемом «стесненного» сдвига. Для этих групп монокристаллов было установлено существенное, если не принципиальное, различие в закономерностях локализации сдвига на макроуровне.
В связи с этим логичным представляется проведение подобного исследования на монокристаллах, имеющих такую кристаллогеометрическую установку, которая ни для одного семейства равнонагруженных плос-
© Теплякова Л.А., Беспалова И.В., Лычагин Д.В., 2006
костей не позволяет выделить ни объема «облегченного», ни объема «стесненного» сдвига. Такая кристал-логеометрия реализуется в [001]-монокристаллах с боковыми гранями {001}, имеющих форму параллелепипеда с отношением высоты образца к ширине, равным двум.
2. Материал и методы исследования
Монокристаллы имели форму параллелепипеда с ребрами 2x2x4 мм3. Деформация осуществлялась сжатием до небольших степеней деформации (е < 0.1) при комнатной температуре со скоростью 3 • 10-4 с-1 вдоль кристаллографического направления [001]. Для воссоздания пространственной организации сдвига в объеме монокристалла картину деформационного рельефа исследовали на всех его свободных гранях. Снимки поверхности граней монокристаллов, предварительно отполированных и продеформированных, были получены с помощью оптического микроскопа МИМ-10 при непосредственном выводе изображения на компьютер. Проводились прицельные измерения ширины следов и расстояний между соседними следами сдвига при увеличении 200 крат.
3. Кристаллогеометрия монокристаллов
Исследованные в настоящей работе монокристаллы нагружались сжатием вдоль оси симметрии четвертого порядка [001]. Боковые грани образцов также имели кубическую ориентацию (рис. 1). ГЦК-монокристаллы в такой установке обладают наиболее высокой симметрией из всех возможных сочетаний ориентаций оси нагружения и граней монокристалла. Равнонагружен-ными в этом случае являются восемь октаэдрических систем скольжения. На рис. 1, а приведена схема, иллюстрирующая ориентацию октаэдрических плоскостей в таких монокристаллах относительно оси нагружения и граней образца. Видно, что все плоскости {111} имеют выходы на две свободные грани монокристалла, за исключением плоскостей, проходящих через вершины образца, которые пересекают все его свободные грани. Другими словами, в рассматриваемых монокристаллах невозможно выделить ни объема «стесненного» сдвига, в котором плоскости {111} контактируют с обоими пуансонами испытательной машины, как в [111] -монокристаллах, ни объема, в котором они пересекают все свободные грани монокристалла, как это, например, имеет место для ГЦК-монокристаллов с осью сжатия [001] и гранями {110} [1].
В исследованных в настоящей работе монокристаллах с осью сжатия [001] и гранями {100} четыре плотно-упакованные плоскости пересекаются с вертикальными гранями по двум взаимно перпендикулярным линиям, совпадающим с плотноупакованными направлениями (рис. 1, а). Тогда на каждой из граней при деформи-
ровании можно ожидать появления двух ортогональных систем следов октаэдрического сдвига. При этом каждая из них образует угол 45° с вертикальными ребрами. Если пересечь исследуемый монокристалл плоскостями {111}, проходящими через все вершины образца (рис. 1, б), то он разбивается на макрообъемы, сечения которых с гранями {001} имеют форму, иллюстрируемую рис. 1, е. Проведенное разбиение является полезным для анализа морфологии макрофрагментов, формирующихся на начальной стадии пластической деформации.
4. Закономерности макрофрагментации сдвига
Прежде всего, отметим, что картины деформационного рельефа, формирующегося на свободных гранях исследованных монокристаллов подобны, как для разных граней одного монокристалла, так и для различных образцов. Анализ совокупной картины сдвига на свободных гранях всех деформированных до е < 0.1 монокристаллов показал, что на каждой из них, как и следовало ожидать, формируются по две системы следов сдвига, близко ориентированных двум выходам четырех равнонагруженных октаэдрических плоскостей. На рис. 2 и 3 для примера представлены снимки двух ортогональных боковых граней монокристалла, продефор-мированного до е = 0.07, а также некоторые из участков граней при большем увеличении. Как видно из этих рисунков, на локальных участках граней чаще наблюдается одна система следов сдвига, чем пересекающиеся. Большинство систем следов сдвига затухают к серединам граней. Все это свидетельствует о развитии в
[001]-монокристаллах алюминия с кубическими гранями первичной макрофрагментации сдвиговой деформации. Аналогичные результаты ранее были получены для монокристаллов алюминия, никеля, сплава NiзFe как с симметричными [1-5], так и с несимметричными [6] ориентациями оси сжатия.
Установление формы фрагментов сдвиговой деформации в общем случае является непростой задачей. В
[2] дано определение фрагмента сдвига как области монокристалла, в которой организация сдвиговой деформации осуществляется способом, отличающимся от соседних областей. Различие может заключаться в числе действующих систем сдвига, их активности, величине локального сдвига и т.д. Поскольку макрофрагмент сдвига представляет собой объемный структурный элемент монокристалла, то на поверхности деформированного монокристалла можно наблюдать сечение макрофрагмента плоскостью грани. Поэтому, исследуя картину деформационного рельефа только на одной грани деформированного монокристалла, мы не можем получить представления о его форме. Это позволяет сделать анализ картины сдвига на всех свободных гранях. Однако в случае [001]-монокристаллов с гранями {100} такой анализ обладает наименьшей однозначностью, так
(100) (100)
Рис. 1. Кристаллогеометрия ГЦК-монокристалла с ориентацией оси сжатия [001] и боковыми гранями {100}: а — кристаллографическая схема расположения плоскостей {111}; б — ориентация одной из равнонагруженных плоскостей, проходящей через вершины монокристалла; в — линии пересечения равнонагруженных октаэдрических плоскостей, проходящих через вершины монокристалла, с его гранями; г — схема картины деформационного рельефа, характерной для монокристалла алюминия при малых степенях деформации
как система следов октаэдрического сдвига может быть образована сдвигом по двум пересекающимся октаэдри-ческим плоскостям. Особенно, если сдвиг, зародившись внутри кристалла, вышел только на одну боковую грань. Сопоставление картины деформационного рельефа на всех вертикальных гранях исследованных в настоящей работе монокристаллов алюминия с картиной разбиения их на макрообъемы октаэдрическими плоскостями, проходящими через вершины образца (рис. 1, г), приводит к заключению, что определенная корреляция между этими картинами имеется. Линейные размеры макрофрагментов находятся в пределах от 0.5 до 1.0 мм, как
и в других исследованных ГЦК-металлах [1-6]. Они являются наиболее крупным по масштабу структурным элементом, создаваемым в ходе пластической деформации.
В завершение этого раздела следует обратить внимание на интересный и важный факт. Отсутствие объема «облегченного» сдвига для каждого из равнонагруженных семейств плоскостей {111} в [001]-монокристаллах с кубическими гранями предопределило невозможность макролокализации сдвиговой деформации путем сдвига по макропачкам сдвига, пересекающим монокристалл насквозь, как это происходит в монокристаллах с той
Рис. 2. Деформационный рельеф на грани (010) монокристалла алюминия при е = 0.07: а — на всей поверхности грани; б-з — на выделенных участках при большем увеличении; и, к — диаграммы АХ-Х, построенные для систем сдвига вдоль реперов CD и АВ соответственно
же ориентацией оси сжатия, но с боковыми гранями {110} [1, 2]. Вышеназванный факт свидетельствует о том, что для пространственной организации сдвига и локализации деформации на макроуровне при активном нагружении сжатием важной является не только кристаллографическая ориентация оси нагружения, но и ориентация граней монокристалла. Аналогичный вывод был сделан в работе [3] для [110]-монокристаллов алюминия с двумя вариантами ориентаций боковых граней.
5. Системы следов сдвига
Как отмечалось в п. 4, на каждой из граней монокристалла обнаруживаются две ортогональные системы следов сдвига. На локальных участках, как правило, наблюдается одна из них (рис. 2, 3). При высокой симметрии исследованных монокристаллов — все грани кубические — каждая система следов может быть образована сдвигом по двум пересекающимся октаэдрам. Детальный анализ участков граней с одной системой сле-
Щ}
■йц^^нцр lllllilliilllll
¡¡lllllllllllll
шшщшшшшшшшшшш^^шш
50 мкм
1-1
illl
ШШшШШШШШй ■¡И мм
50 мкм 1-1
шЛШ
Рис. 3. Деформационный рельеф на грани (100) монокристалла алюминия при 8 = 0.07: а — на всей поверхности грани; б-ж — на выделенных участках при большем увеличении
дов, проведенный для четырех граней монокристалла по оптическим снимкам с увеличением не менее 200 крат, показывает, что большинство следов не прямолинейны, не параллельны друг другу и выходам ближайших октаэдрических плоскостей. Хотя, в общем, тенденция к параллельности выходам плоскостей {111} проявляется.
В работе были измерены расстояния АХ между ближайшими следами в системах. Измерения АХ проводились вдоль случайным образом выбранных реперных линий, перпендикулярных выходам плоскостей {111}. На рис. 2, и, к, в качестве примера приведены диаграммы АХ-Х, где Х — координата следа вдоль реперов AB и CD (изображенных на снимке грани). Видно, что большинство расстояний между следами сдвига вдоль
репера АВ попадают в интервал значений 10...40 мкм (рис. 2, к), а вдоль репера СБ (рис. 2, и) разброс величин АХ выше. С учетом всех измеренных значений АХ для каждой из граней и в целом для монокристалла были построены распределения АХ, которые представлены на рис. 4 и 5 соответственно. На этих же рисунках приведено среднее значение (АХ^ и среднее квадратичное отклонение а. Из рис. 4 видно, что распределения АХ для каждой из граней подобны друг другу и отличаются лишь количественными характеристиками. Средние значения^ АХ^ при исследованной степени деформации (8 = 0.07) для четырех граней составляют 24, 26, 27, 39 мкм, а для всего монокристалла (АХ) = = 27.5 мкм. Величина среднего квадратичного отклонения всех рассматриваемых распределений не превыша-
0.50.4 0.3 " 0.2 0.1 ■
о.о-(
0.5 0.4 0.3
>
> 0.2 0.1 0.0
(ДХ)= 27 мкм ^
а = 26 мкм
0 20 40 60 80 100 120 140 160 АХ, мкм
(ДХ)= 24 мкм Iе а = 18 мкм
О 20 40 60 80 100 120 140 160 АХ, мкм
0.5" 0.4"
о.з-
>
>0.2" 0.1" о.о-
0.5
(АХ)= 39 мкм &
а = 30 мкм
од
О 20 40 60 80 100 120 140 160 АХ, мкм
0.4 -0.3 -" 0.2 " 0.1 " 0.0
(АХ)= 26 мкм И. а = 25 мкм
О 20 40 60 80 100 120 140 160 АХ, мкм
Рис. 4. Гистограмма расстояний между ближайшими следами в системах сдвига для четырех свободных граней [001]-монокристалла алюминия, продеформированного до е = 0.07
ет среднего значения АХ. Распределение АХ для всего монокристалла имеет тот же вид (рис. 5), что и для отдельных его граней (рис. 4).
Пересекающиеся системы следов сдвига наблюдаются на участках стыков первичных макрофрагментов (рис. 2, 3 и схема на рис. 1, г). На рис. 2, е, д и 3, е, е некоторые из участков с пересекающимися системами следов сдвига приведены при большем увеличении. Видно, что большая часть следов пересекают друг друга без заметного на макроуровне «сноса» и «торможения», т.е. сдвиги в таких локальных объемах монокристалла происходят независимо друг от друга. Иную ситуацию иллюстрируют рис. 2, г, ж, з и 3, г, где в местах пересечения систем значительная часть следов имеют ступеньки поперечного сдвига. В ряде случаев можно точно идентифицировать плоскости, по которым поперечный сдвиг мог происходить. Так, на рис. 2, ж и 3, г стрелками отмечены ступеньки, которые могли быть образованы сдвигом по кубической плоскости (вблизи К) и по окта-эдрической плоскости (вблизи П). Однако в большинстве случаев при исследованном увеличении (х200) ступеньки практически неразличимы, а следы сдвига выглядят изогнутыми полосами (рис. 2, з и 3, г). При этом изгиб следов на одном и том же локальном участке может происходить в противоположные стороны. Сравнительно редко наблюдаются участки рельефа, который можно интерпретировать как полученный в результате
взаимного многократного поперечного скольжения. Такой рельеф представлен на рис. 3, б, д. Основным элементом его являются мелкие деформационные складки (отмечены стрелками на рис. 3, б) и «бугорки» (рис 3, д). Линейные размеры последних составляют 10.. .15 мкм.
6. Следы сдвига
След сдвига является основным элементом деформационного рельефа, формирующегося на гранях [001]-монокристаллов алюминия при небольших степенях деформации, составляющей системы следов сдвига.
Рис. 5. Гистограмма расстояний между ближайшими следами в системах сдвига для всей боковой поверхности монокристалла
Рис. 6. Увеличенное изображение рис. 2, д. Стрелками отмечены прямолинейные а, слабо изогнутые в следы сдвига и тонкие деформационные складки у. На вклейке указаны линии пересечения октаэдрических плоскостей с гранью (010)
(010)
Часто для описания картины деформационного рельефа, в особенности для мезоуровня, используются такие термины, как «след скольжения», «линия скольжения», «полоса скольжения» [7]. Применение перечисленных терминов заранее предполагает, что механизм их образования известен — скольжение дислокаций по наиболее плотноупакованным кристаллографическим плоскостям. Известно, что в условиях развитой пластической деформации (стадия III) формирование элементов кар-
0.4 -
0.3
§ 02
0.1
0 4 8 12 16 20 с1, мкм
Рис. 7. Распределение ширины следов сдвига, = 4.6 мкм, о = 1.1 мкм
тины деформационного рельефа обязано не только трансляционным, но и ротационным модам деформации. В этих случаях использование термина «след скольжения» становится некорректным. На наш взгляд, термин «след сдвига» является более общим. Тогда термин «след скольжения» становится частным случаем термина «след сдвига». Безусловно использование тех или иных терминов для описания картины деформационного рельефа в широком интервале степеней деформации и материалов с различным исходным структурно-фазовым состоянием требует отдельного обсуждения и выходит за рамки настоящей статьи.
В картине деформационного рельефа исследованных монокристаллов алюминия наблюдается несколько вариантов следов сдвига (рис. 6). Прежде всего, это прямолинейные следы сдвига с границами, параллельными выходам октаэдрических плоскостей (рис. 6, вблизи а). Отметим, что длина их варьирует в интервале от 0.5 до 1.0 мкм. Ширина таких следов на всех гранях монокристалла визуально мало меняется. Этот факт количественно отражает гистограмма ширины следов й (рис. 7). Видно, что ширина следов попадает в интервал 3.8 мкм. Среднее значение (<й) оказалось равным 4.6 мкм, а среднеквадратичное отклонение составляет 1.1 мкм. Как отмечалось выше, значительно чаще следы слабо изогнуты по всей своей длине и не параллельны
выходам плоскостей {111} (рис. 6, вблизи в). Их ширина того же порядка, как и прямолинейных следов. Кроме того, в системах следов сдвига выделяются узкие деформационные складки (рис. 6, вблизи у). Их ширина на поверхности граней примерно в два раза больше, чем ширина следов сдвига. Длина составляет 50.500 мкм. Чаще всего складки имеют вид тонких выпуклых линз (рис. 6, вблизи у) и полулинз (рис. 2, б).
7. Заключение
При сжатии [001]-монокристаллов алюминия с боковыми гранями {100} с начала пластической деформации происходит первичная макрофрагментация сдвига. Также как и в [110]- и [001]-монокристаллах алюминия с ориентацией боковых граней {110}, морфология первичных макрофрагментов связана с кристаллогеомет-рией октаэдрического сдвига в монокристаллах.
На основе анализа распределений расстояний между соседними следами сдвига в системах на макроуровне для [001]-монокристаллов алюминия установлено, что на разных гранях распределения подобны и среднее значение (АХ) составляет 27±1 мкм. Из анализа гистограмм ширины следов сдвига следует, что 65 % следов имеют ширину 3.5 мкм.
Изменение ориентации граней с {110} на {100} при той же ориентации оси нагружения принципиально меняет склонность к макролокализации сдвига. Если в первом случае при осадке происходила ярко выражен-
ная макролокализация сдвига, то во втором локализация деформации на макроуровне отсутствует. Таким образом, для образцов в форме прямоугольного параллелепипеда для пространственной организации сдвига и локализации деформации на макроуровне (в масштабе образца) важна не только кристаллографическая ориентация оси нагружения, но и ориентация боковых граней.
Литература
1. Теплякова Л.А., Лычагин Д.В., Козлов Э.В. Локализация сдвига при деформации монокристаллов алюминия с ориентацией оси сжатия [001] // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 6. - С. 34-44.
2. Лычагин Д.В., Теплякова Л.А. Первичная макрофрагментация в монокристаллах алюминия при сжатии // Письма в ЖТФ. - 2003.Т. 29. - Вып. 12. - С. 68-73.
3. Теплякова Л.А., Лычагин Д.В., Беспалова И.В. Закономерности макролокализации деформации в монокристаллах алюминия с ориентацией оси сжатия [110] // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. -№ 6. - С. 63-78.
4. Теплякова Л.А., Лычагин Д.В., Беспалова И.В. Особенности пространственной организации сдвига на макроуровне в [111] -монокристаллах алюминия // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 2. -С. 63-71.
5. Лычагин Д.В., Старенченко В.А., Шаехов Р.В., Конева Н.А., Козлов Э.В. Организация деформации в монокристаллах никеля с ориентацией оси сжатия [001] и боковыми гранями {110} // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 2. - С. 39-48.
6. Теплякова Л.А., Куницина Т.С., Конева Н.А., Старенченко В.А., Козлов Э.В. Макрофрагментация сдвига в монокристаллах сплава Ni3Fe при активной пластической деформации // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - № 5. - С. 77-82.
7. Хоникомб Р.В. Пластическая деформация металлов. - М.: Мир, 1972. - 480 с.
