CC BY
40
УДК 669.296:553.381
ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ ГРАНИЦ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ГПУ-СПЛАВА Zr
© С.Л. Гирсова, Т.М. Полетика
Ключевые слова: ГПУ-сплавы; анизотропия скольжения; дислокационная структура; деформационные границы; фрагментация.
Методами электронной микроскопии исследована эволюция дислокационной структуры при пластической деформации сплава Zr-Nb. Выявлена роль анизотропии скольжения в формировании деформационных границ и дислокационных превращениях в процессе деформирования.
В отличие от хорошо изученных ГЦК- и ОЦК-материалов, природа пластической деформации металлов с ГПУ-структурой остается до конца не ясной, что связано с резкой неравноправностью систем скольжения. К таким материалам относятся Zr и сплавы на его основе. Отсутствие надежных данных о вторичных системах скольжения в а-7г не позволяет до конца понять роль анизотропии скольжения в дислокационных превращениях в процессе деформации, а также выявить физические механизмы текстурообразования. Ранее [1, 2] была проведена классификация дислокационных субструктур в ГПУ-сплавах циркония различного состава и типа упрочнения установлена взаимосвязь эволюции дефектной структуры со стадийностью деформационных кривых. Показано, что для сплавов Zr-№ с преимущественно дисперсным упрочнением характерно формирование субструктур с деформационными границами. Обнаружено явление атермической коалесценции фрагментов, возникающее по достижении критической фрагментированной структуры и сопровождающееся перестройкой системы границ [3].
В настоящей работе рассмотрены вопросы влияния активности различных систем скольжения на структуру и свойства субграниц, а также их эволюцию в процессе деформации. В качестве материала исследований выбран рекристаллизованный циркониевый сплав Zr - 1 % ИЬ, имеющий простой химический состав и внутреннюю структуру, состоящую из зерен а^г, (средний размер 5 мкм) с включениями Р^г, размером 0,05 мкм. Образцы вырезали параллельно направлению прокатки и подвергали одноосному растяжению на испытательной машине «ЩSTRON 1185» при скорости деформации 4-10-5 c-1. Методом электронной микроскопии исследовали дефектную структуру в продольном и поперечном сечении после различных степеней деформации.
Показано, что доминирует призматическое скольжение, в местах концентраций напряжений около границ зерен и частиц вторых фаз выявлены следы поперечного скольжения <а> дислокаций в плоскости пирамиды I и II рода, а также <с + а> дислокации. Для исследуемого сплава характерен высокий уровень внутренних напряжений (до 400 МПа), обусловленных несовместностью деформации различно ориентирован-
ных зерен [3]. Благодаря деформационному наклепу благоприятно ориентированных к призматическому скольжению «мягких» зерен реализуется широкий спектр дислокационных субструктур с самого начала пластического течения. Несмотря на разнообразную картину субструктур для сплавов Zr-Nb можно выделить центральную последовательность дислокационных превращений, происходящих при их пластической деформации: хаотическое скопление дислокаций ^ неразориентированная сетчатая ^ разориентированная сетчатая ^ ячеистая (ячеисто - сетчатая) ^ полосовая субструктура ^ фрагментированная структура.
К особенностям дислокационных превращений следует отнести зависимость структуры и свойств деформационных границ от принадлежности образующих их дислокаций к той или иной плоскости скольжения. При деформации возможны два типа границ. Границы 1 типа формируются внутри сетчатой и ячеисто-сечатой субструктур. Так, в ромбовидной сетке из прямолинейных винтовых дислокаций, скользящих по призматическим плоскостям (рис. 1а), возможно образование дислокационных диполей - связок двух дислокаций противоположного знака на параллельных плоскостях скольжения, что сопровождается образованием при поперечном скольжении ступенек краевого типа [4]. В местах существования порогов краевых дислокаций при аннигиляции дислокационных пар также остаются малые округлые или слегка вытянутые дислокационные петли (рис. 1а). Накопление подобных дефектов в дальнейшем приводит к формированию широких суграниц (<1°), подобных границам ячеек, которые почти перпендикулярны к направлению скольжения, лежат в базисном сечении и состоят преимущественно из сгущений краевых диполей (рис 1б). Внутри ячеисто-сетчатой субструктуры возможно образование еще одного типа субграниц - несовершенных искривленных границ, лежащих в пирамидальных плоскостях (рис. 1в). Формирование таких границ начинается в области действия концентраторов напряжений от границ зерен, их тройных стыков либо вблизи скоплений частиц выделений, т. е. в местах преобладания <с + а> дислокаций и их конфигураций. Таким образом, активизация вторичного пирамидального скольжения приводит к формированию новой системы несовершенных
1807
и неравновесных субграниц, лежащих преимущественно в плоскостях пирамиды I и II рода и образующих субструктуру, подобную ячеистой. Границы 2 типа образуются с участием <а> дислокаций в условиях преобладания призматического скольжения. На начальном этапе деформации это более совершенные малоугловые границы, лежащие в призматических плоскостях. Угол их разориентация не превышает 5°, что связано с тем, что <а> дислокации в силу чисто геометрических условий не могут организовать достаточно широкий набор границ разориентации [4]. Границы 1 типа образуют ячеистоподобную структуру (рис. 1б), 2 типа - полосовую и фрагментированную структуры (рис. 1в, 1г).
Рис. 1. Дислокационные субструктуры в сплаве Zr - 1 % №
Характер границ определяет и их дальнейшую эволюцию в процессе деформирования. Наличие большого количества неравновесных малоуговых границ с низкой плотностью дислокаций в них, способных к разрушению под действием напряжения, обусловило один из возможных путей эволюции - разрушение неустойчивых субграниц и коалесценция субзерен [3]. К наименее устойчивым границам относятся субграницы, образованные с участием дислокаций вторичных систем скольжения с различными векторами Бюргерса. Сложность встраивания в такие границы решеточных дислокаций, их последующей аннигиляции и перестройки из-за ограниченного количества возможных дислокационных реакций между <а> и <с+а> дислокациями и возникновения различного рода нескользящих конфи-
гураций [5] обусловливает накопление дислокаций внутри ячеек (фрагментов) и приводит к дополнительному росту внутренних напряжений, что облегчает разрушение субграниц. Наблюдается рассыпание неустойчивых субграниц [3] и перераспределение дислокаций преимущественно поперечным скольжением винтовых дислокаций из призматических в пирамидальные и базисные плоскости, которому способствует переориентация зерен. При этом наблюдается освобождение субзерен от дислокаций при аннигиляции дислокаций, а также перераспределения в границы области, окаймляющей группу субзерен (рис. 1г). В результате происходит формирование крупных анизотропных фрагментов с поперечным размером до 1,5 мкм (рис. 1г, указано стрелкой), вытянутых вдоль оси деформации и разделенных протяженными равновесными большеугловыми геометрически необходимыми границами (ГНГ) с углом разворота ~15-30°. Деформация освободившихся от дефектов элементов структуры продолжается путем следующего цикла эволюции дислокационных субструктур [3]. При этом четкой взаимосвязи определенного типа субграниц с кристаллографической ориентацией субзерен выявить не удалось.
ЛИТЕРАТУРА
1. Полетит Т.М., Гирсова С.Л., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. // Деформация и разрушение материалов. 2006. № 10. С. 12-15.
2. Гирсова С.Л., Полетика Т.М. // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 5. С. 14-20.
3. Полетика Т.М., Гирсова С.Л., Пшеничников А.П. // Журнал технической физики. 2011. Т. 81. Вып. 5. С. 59-64.
4. Хирт Дж, Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. 600 с.
5. Предводителев А.А., Троицкий О.А. Дислокации и точечные дефекты в гексагональных кристаллах. М.: Энергоатомиздат, 1973. 201 с.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Girsova S.L., Poletika T.M. EVOLUTION OF BOUNDARIES DURING PLASTIC DEFORMATION OF HCP-ZIRCONIUM ALLOY
The evolution of the dislocation structure during plastic deformation of Zr-Nb alloy was studied using electron microscope. The role of the anisotropy of slip deformation in the formation of sub-boundaries and dislocations transformations in the deformation process is shown.
Key words: HCP-alloys; anisotropy of slip; dislocation structure; deformation boundaries; fragmentation.
1808
