Full Text

Введение Разориентированные ДСС в сплавах формируются при повышенных пластических деформациях [1-6]. В ходе активной деформации (растяжения или сжатия) формируются следующие ДСС: ячеистая с разориентировками, разориентированная сетчатая, ячеисто-сетчатая с разориентировками и микрополосы с деформационными контурами. В данных субструктурах параметрами, которые описывают эти разориентировки, могут быть еще и такие, как границы дислокационных ячеек, деформационные оборванные субграницы, дислокационные сгущения, которые сформировались путем накручивания на длинные прямолинейные дислокации других одиночных дислокаций [7]. В разориентированной ячеистой субструктуре границы ячеек [8] содержат избыточную плотность дислокаций, а в ячеисто-сетчатой субструктуре - дислокационные сгущения или дислокационные сплетения [9]. Существует отличие между субграницами и границами ячеек: субграницы образуются посредством дислокаций в виде дислокационной стенки, а границы ячеек формируются при помощи двух или даже нескольких дислокационных стенок, состоящих из дислокаций разных знаков. Формирование разориентированных ДСС в материале и их количественные параметры пока изучены недостаточно. Целями данного исследования являются: выявление типов разориентированных ДСС, которые образуются в процессе деформации поликристаллических ГЦК твердых растворов Cu-Mn, и установление взаимосвязи параметров ДСС между собой при структурно-фазовых изменениях в системе в зависимости от величины легирующего компонента и степени деформации. Методика эксперимента Для исследования были использованы поликристаллические сплавы системы «медь - марганец» после различных степеней деформации с размером зерен 100 мкм. Концентрация второго компонента Mn изменялась от 0,4 до 25 ат. %. Образцы с размером рабочей части 100´12´2 мм3 вырезались на электроискровом станке и подвергались растяжению при комнатной температуре. Для определения размера зерен поверхность пластин травили в ортофосфорной кислоте, съемки с поверхности образцов производили посредством металлографического микроскопа МИМ-7. Для просмотра в электронном микроскопе фольги применяли несколько методов: механический, химический, электролитический в растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте. Толщина фольги для просмотра в электронном микроскопе должна быть не более 1700 Å. Увеличение в колонне микроскопа составляло 40 000. По полученным микроснимкам проведены измерения различных параметров ДСС: размер дислокационных ячеек Д, ширина их стенок h, средняя скалярная плотность дислокаций <ρ>, кривизна-кручение кристаллической решетки χ, плотность разориентированных границ ячеек Рр.г, плотность разориентированных границ микрополос Мр.г, плотность деформационных экстинкционных контуров N, которые наблюдаются на электронно-микроскопических изображениях структуры деформированных материалов, свидетельствуя о возникновении кривизны-кручения кристаллической решетки [10-18]. Скалярная плотность дислокаций, плотность разориентированных границ (ячеек, микрополос) определялись методом секущей [19]. Для определения параметра кривизны-кручения дефектной кристаллической решетки χ использовались параметры экстинкционных деформационных контуров [10]. Подробно методика измерений изложена в источнике [20]. Результаты эксперимента Электронно-микроскопические исследования позволили выявить формирование типов ДСС и определить последовательности их превращений в процессе деформации. С ростом степени деформации от εист = 0,05 в сплавах с небольшим содержанием Mn (0,4-6 ат. %) смена типов ДСС выглядит следующим образом: клубки из дислокаций → ячеистая без разориентировки → ячеистая с разориентировками → микрополосовая. В сплавах с содержанием Mn более 6 ат. % наблюдается другая последовательность превращения ДСС: дислокационный хаос → скопления из отдельных дислокаций → неразориентированная сетчатая → ячеисто-сетчатая без разориентировок → ячеисто-сетчатая с разориентировками → микрополосовая [21-24]. Изображения, полученные в электронном микроскопе после деформации образцов с размером зерна <d> = 100 мкм и разным содержанием второго компонента, представлены на рис. 1. Рост степени деформации приводит к увеличению разориентировок дислокационных субструктур, а также изменению величины χ, которая является одной из значимых характеристик при повышенных степенях деформации [18]. Известно, что у границ зерен, уступах на них, у оборванных субграниц и у границ деформационных микрополос возникают дополнительные напряжения, которые способствуют формированию кривизны-кручения решетки. Присутствие одновременно при данной степени деформации двух типов ДСС говорит о наличии двухфазности в материале [25-27]. Каждый тип ДСС характеризуется своими количественными параметрами и распределением дислокаций. Например, на рис. 2 в сплаве с малым содержанием второго компонента приведено электронно-микроскопическое изображение сетчатой и разориентированной ячеисто-сетчатой субструктур. Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения типов ДСС в сплавах с концентрацией марганца от 0,4 до 6 ат. % (а-в), от 6 до 25 ат. % (г-е) при разных степенях деформации: а - неразориентированная ячеистая ДСС; б - разориентированная ячеистая ДСС (εист = 0,25); в - микрополосовая (εист = 0,50); г - хаотическое распределение дислокаций и дислокационные скопления (εист = 0,05); д - сетчатая, е - разориентированная ячеисто-сетчатая ДСС (εист = = 0,30). K - деформационный экстинкционный контур Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения двухфазности в сплаве с концентрацией марганца от 0,4 до 6 ат. %: сетчатая и разориентированная ячеисто-сетчатая ДСС (εист = 0,20) По микроснимкам была измерена средняя плотность ˂ρ˃ по образцу, плотность дислокаций в каждом типе субструктур ρсост, а также определена объемная доля субструктуры, которую она занимает в материале при данной степени деформации. Установлена взаимосвязь между ρсост и ˂ρ˃. Рис. 3 демонстрирует связь плотности дислокаций в каждом типе ДСС с их объемными долями при определенной степени деформации со средней скалярной плотностью дислокаций. Особенностью зависимостей ρсост = f (˂ρ˃) является появление мест, где формируются новые типы субструктур на фоне уже существующей. Эту особенность на кривых зависимостей можно считать точками бифуркации, которые, в свою очередь, могут отвечать кинетическим фазовым переходам. Как правило, в материале при определенной степени могут присутствовать одновременно два, а то и более типов ДСС. Объемная доля, занятая первоначальной структурой, в процессе деформации уменьшается, а следующая структура при росте степени деформации зарождается, а затем в дальнейшем происходит увеличение ее объемной доли. Наступает момент, когда плотность дислокаций в конкретном типе субструктуры увеличилась до своего критического значения ρкр, и тогда в сплаве происходит образование и смена типов субструктур. Формирование и накопление ρсост в образованной ДСС несколько выше, чем в структуре, из которой она зародилась. ρсост ·10-13, м-2 Рис. 3. Характер изменения плотности дислокаций в каждой из составляющих субструктур (ρсост) и их объемных долей Рv ДСС в сплавах Cu+0.4ат.%Mn (а) и Cu+6ат.%Mn (б) от средней скалярной плотности дислокаций <ρ>: 1 - клубки, сформированные из отдельных дислокаций; 2 - ячеистая без разориентировок; 3 - ячеистая с разориентировками (угол разориентировки >0,5°); 4 - разориентированная микрополосовая; I - клубки и ячеистая без разориентировок; II - ячеистая с разориентировками; III - разориентированная микрополосовая. Рv от <ρ> - пунктирные линии. ρсост от <ρ> - сплошные линии На рис. 4 приведены зависимости ряда параметров, которые характеризуют дислокационные субструктуры: размер дислокационных ячеек, ширина стенок ячеек, степень разориентировки между соседними ячейками, плотность разориентированных деформационных границ, избыточная плотность дислокаций, плотность деформационных субграниц, кривизна-кручение кристаллической решетки от средней скалярной плотности дислокаций для сплавов Сu + 0,4 ат. % Mn. Рост степени деформации способствует увеличению плотности дислокаций, что, в свою очередь, приводит к возрастанию величины кривизны-кручения кристаллической решетки, плотности разориентированных деформационных границ, плотности разориентированных микрополос, которая называется микрополосовой ДСС [22]. Формирование микрополосовой субструктуры в сплавах с разной концентрацией легирующего элемента происходит по-разному: в сплавах с концентрацией Mn от 0,4 до 6 ат. % - по границам разориентированных ячеек, в сплавах с содержанием Mn более 6 ат. % - по границам дислокационных сгущений [20]. Рис. 4. Изменение и связь параметров ДСС: Д - размер дислокационных ячеек; h - ширина стенок ячеек; f - степень разориентировки между соседними ячейками; Ргр - плотность разориентированных границ; ρ± - избыточная плотность дислокаций; М - плотность оборванных субграниц; c - кривизна-кручение кристаллической решетки со средней скалярной плотностью дислокаций <ρ>. Сплав Cu + 0,4 ат. % Mn Кривизна-кручение кристаллической решетки является неотъемлемой частью разориентировок в субструктуре [10-17]. Проведем анализ поведения величины кривизны-кручения кристаллической решетки с ростом плотности дефектной структуры, в частности от средней скалярной плотности дислокаций для слаболегированных сплавов. На рис. 5 показана взаимосвязь величины χ от <ρ> в ячеистой субструктуре от оборванных деформационных субграниц, деформационных микрополос и вдали от распределенных избыточных дислокаций. При увеличении плотности дислокаций сначала происходит рост величины χ, который в дальнейшем выходит на насыщение. Анализируя рис. 5, можно обратить внимание на то, что все зависимости на данном рисунке имеют вид S-образного характера. Низкие значения ρкр соответствуют первому фазовому переходу. Данный переход можно охарактеризовать как переход от неразориентированных к разориентированным ДСС. Превращение разориенитрованной ячеистой субструктуры в микрополосовую (или фрагментированную) соответствует второму фазовому переходу. Подтверждением того, что кривизна-кручение кристаллической решетки является очередным параметром в дислокационных превращениях, является характер зависимостей на рис. 5. Подобная картина наблюдается в сплавах с небольшим содержанием второго компонента, что может свидетельствовать о возрастании числа отличных от нуля компонент тензора кривизны-кручения кристаллической решетки. Об этом свидетельствует тип субструктуры, в котором присутствуют как дискретные, так и непрерывные разориентировки. а б Рис. 5. Связь кривизны-кручения кристаллической решетки χ от средней скалярной плотности дислокаций <ρ>: 1 - вдали от распределенных избыточных дислокаций; 2 - от оборванных деформационных субграниц; 3 - деформационных микрополос в сплавах: а - Cu + 0,4 ат. % Mn; б - Cu + 6 ат. % Mn Выводы Разные типы ДСС образуются в сплавах при определенных степенях деформации и содержании величины второго компонента. Во всех типах ДСС были измерены характеризующие их параметры, такие как размер дислокационных ячеек, ширина дислокационных стенок, плотность деформационных оборванных субграниц, деформационных контуров, кривизна-кручение кристаллической решетки, степень разориентировки между соседними ячейками и так далее от средней скалярной плотности дислокаций. Из полученных экспериментальных данных выявлен интересный факт, что большая часть количественных параметров ДСС являются участниками фазовых превращений дислокационных ДСС. При этом под понятием «фаза» следует понимать определенную организацию дислокаций в дислокационном ансамбле. Обнаружено, что все полученные зависимости имеют вид, который характеризует превращения в дислокационном ансамбле как порядок-беспорядок в атомной кристаллической структуре. Получено подтверждение того, что смена типов ДСС после определенных степеней деформации соответствует характеру кинетических фазовых переходов, обусловленных и процессами самоорганизации в дислокационной структуре.

About the authors

L. I Trishkina

Tomsk State University of Architecture and Building

T. V Cherkasova

Tomsk State University of Architecture and Building

A. N Solov’ev

Tomsk State University of Architecture and Building

N. V Cherkasov

Tomsk State University of Architecture and Building

References

Statistics

Views

Abstract - 19

PDF (Russian) - 17

Refbacks

• There are currently no refbacks.