CC BY
20
УДК 539.376:666.24
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1325-1329
ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛОСЫ СУПЕРЛОКАЛИЗАЦИИ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ СПЛАВА Ni3Ge ОРИЕНТАЦИИ [139]
© Ю.В. Соловьева1*, СВ. Старенченко1*, В.А. Старенченко1*, А.Н. Соловьев1*, Я.Д. Липатникова1'2*
1) Томский государственный архитектурно--строительный университет, г. Томск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected] 2) Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Исследована ползучесть монокристаллов Ni3Ge с ориентацией оси деформации [ 139]. Получены кривые ползучести при разных температурах. Изучен рельеф боковых граней деформированных монокристаллов. Обнаружено явление суперлокализации пластической деформации при температурах выше 0,6 Гпл. Пластическая деформация осуществляется в локальной полосе шириной 250^300 мкм, достигая величин, равных сотням процентов. Полоса суперлокализации образуется при напряжениях, в три раза меньших значения предела текучести, в виде макровыпуклости на боковой грани кристалла. Полоса изогнута, состоит из фрагментов со средним размером 10^50 мкм. Ключевые слова: Ni3Ge; монокристаллы; интерметаллиды; сверхструктура Ll2; никелевые сплавы; ползучесть; монокристаллы; суперлокализация; фрагментация.
Упорядочивающиеся сплавы, обладающие сверхструктурой Ы2, характеризуются тем, что в них проявляется аномальная температурная зависимость механических свойств, когда возрастание температуры вызывает увеличение предела текучести и других механических характеристик. Отдельной группой выделяются интерметаллиды (М^, Ni3Ga, Ni3Ge, сохра-
няющие упорядоченное состояние вплоть до температуры плавления. В этих сплавах аномалия проявляется наиболее ярко. Возрастание температуры вызывает увеличение почти на порядок предела текучести и коэффициентов упрочнения перечисленных сплавов.
Необычное поведение механических свойств этих сплавов с повышением температуры является причиной большого числа экспериментальных и теоретических исследований [ 1 -8].
В представленной работе изложены результаты исследования состояния монокристаллов Ni3Ge с ориен-тациями оси деформации вдоль направления [139] в процессе ползучести при сжатии.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Сплав, состоящий из 75 ат.% № и 25 ат.% Ge, был выплавлен в печи сопротивления под вакуумом 1-2-10-6 мм рт. ст. из никеля марки Н-0 и Ge высокой чистоты (99,999). Из полученного сплава по методу Чохральского в атмосфере очищенного аргона выращивались монокристаллы в печи СКБ-8093. Электроискровым методом из монокристаллического слитка вырезались образцы, имеющие форму параллелепипеда, размером 3,0x3,0x6,0 мм3, ориентированные таким образом, чтобы сжатие осуществлялось вдоль оси [139]. Ориентация оси кристаллов определялась ди-фрактометрическим методом. Точность определения
ориентации составляла +2°. После электроискровой резки поверхность образцов очищалась химическим травлением, затем образцы гомогенизировались при Т = 953 °С в течение 48 ч с последующим охлаждением с печью до комнатной температуры. Деформация образцов осуществлялась сжатием.
При механических испытаниях по ползучести образец сначала нагружали сжатием до заданного значения нагрузки. Автоматическое управление электроприводом с помощью компьютера поддерживало постоянную внешнюю нагрузку с точностью +3 Н. Высокотемпературные испытания проводились в вакууме 1—2-10-3 мм рт. ст. Нагрев осуществлялся в печи сопротивления. Поддержание заданной температуры осуществлялось регулирующим устройством ВРТ-2. Точность поддержания температуры ±2 °С.
КРИВЫЕ ПОЛЗУЧЕСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ ОРИЕНТАЦИИ [ 139]
Кроме исследования ползучести при сжатии монокристаллов с ориентацией оси деформации вдоль направления [100] [9—11], проведено изучение монокристаллов NiзGe с ориентацией оси деформации вдоль направления [139] [12]. Эта ориентация интересна тем, что в отличие от направления [100] здесь большую роль начинает играть кубическое скольжение.
Кривые ползучести монокристаллов NiзGe ориентации [139], полученные при сжатии, при различных уровнях внешней нагрузки приведены на рис. 1. Проводимые испытания показали, что ползучесть при температурах ниже 873 К характеризуется очень низкой скоростью и практически не фиксируется экспериментально. Анализ зависимостей е(Г) (рис. 1а, 1б) показывает, что также, как в случае ориентации [001] [9—11],
Рис. 1. Кривые ползучести монокристаллов №3Ое при различных температурах испытания; ориентация [139]; величина напряжения (а) а = 320 МПа; (б) а = 850 МПа
Рис. 2. Полоса суперлокализации деформации (Т а = 320 МПа, [139])
923 К,
большинство кривых ползучести монокристаллов с осью деформации [139] обнаруживают две обычные стадии: первичную стадию ползучести с непрерывно уменьшающейся скоростью ползучести и стадию стационарной ползучести. В отличие от монокристаллов ориентации [001] [9-11] аномальная температурная зависимость на стадии первичной ползучести не обнаружена. Скорость ползучести на всех стадиях увеличивается монотонно с ростом температуры, т. е. ведет себя нормально. Другие закономерности, присущие ползучести монокристаллов ориентации [001], также сохраняются при отклонении ориентации оси деформации к направлению [139] [12].
При увеличении температуры от 873 на 150 К, 200 К наблюдается катастрофическое увеличение скорости стационарной ползучести (рис. 1), а при напряжении а = 850 МПа происходит изменение характера поведения кривых ползучести, т. е. для этого напряжения обнаружена высокотемпературная инверсная ползучесть, которая реализуется при температурах 923, 973 К [9-11].
Обнаружено, что при а = 320 МПа все кривые ползучести для разных температур подобны, они отличаются только скоростью ползучести, а при а = 850 МПа кривые ползучести, соответствующие повышенным температурам 923 и 973 К, характеризуются отсутствием первичной стадии и имеют форму, близкую к прямолинейной с достаточно высокой скоростью деформации (3,9'10-5-1,2'10-4 с-1), сравнимой со скоростями активной деформации.
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ РЕЛЬЕФ
Наряду с кривыми течения для исследуемого сплава был изучен деформационный рельеф, структура полос суперлокализации пластической деформации монокристаллов ориентаций [139], возникающие в процессе ползучести. Анализ деформационного рельефа боковых поверхностей образцов также показал, что как при Т = 923 - 1023 К, а = 320 МПа, так и при Т = 923 - 1023 К, а = 850 МПа на поверхности кристалла образуются полосы суперлокализации пластической деформации. Установлено, что при наличии суперлокализации наблюдаются высокие скорости ползучести, сравнимые со скоростями активной деформации (10-5-10-4 %/с).
Для ориентации [139] картина наблюдаемых полос при ползучести становится многообразной. Для моно-
Рис. 3. Тонкая структура полосы суперлокализации деформации (Т = 923 К, а = 320 МПа, [139])
Рис. 4. Тонкая структура полосы суперлокализации деформации. (Т = 923 К, а = 320 МПа, [139])
кристаллов этой ориентации после ползучести обнаружены полосы локализации при напряжениях, в три раза меньших предела текучести (а = 320 МПа), которые образуются без ювенильной поверхности в виде четко очерченной макровыпуклости на боковой грани кристалла (рис. 2).
Изучение тонкой структуры полосы локализации, выявленной с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 3 и 4), показало, что поверхность полосы суперлокализации является неровной и представляет собой совокупность волнистых микроступеней. Металлографическое изучение внутренней структуры полосы (рис. 5) показало, что полоса изогнута, состоит из фрагментов размером приблизительно 10^50 мкм, ширина полосы 250^300 мкм. Хорошо видно, что полоса локализации в 5-6 раз шире полосы, наблюдаемой при активной деформации, и размеры фрагментов в полосе локализации оказываются в более чем на порядок больше фрагментов, сформированных при активной деформации в полосе локализации.
В условии нагрузки, близкой по величине к пределу текучести (а = 850 МПа), при высокотемпературной ползучести монокристаллов ориентации [139] на боковых поверхностях кристалла образуются полосы макро-
Рис. 5. Структура полосы суперлокализации, выявленная травлением после удаления с поверхности слоя около 0,1 мм. Ползучесть при Т = 923 К; о = 320 МПа; е = 3,5 %; [139]; l = 250^300 мкм
I а)
б)
Рис. 6. а) форма образца после ползучести; б) макрополосы локализации деформации на поверхности монокристалла после ползучести. Т = 973 К, о = 850 МПа [139]
локализации (рис. 6). Как правило, наблюдаются две по-разному расположенные макрополосы пластического сдвига, близкие (особенно в начале формирования) к расположению октаэдрических плоскостей, но имеющие также некристаллографический характер. Эти полосы локализации довольно широки, они оказываются в 5^6 раз шире полос, наблюдаемых после активной деформации [9—11]. На рис. 6 продемонстрировано развитие двух полос суперлокализации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе исследовалось влияние отклонения оси деформации от точного кристаллографического направления [001] на суперлокализацию и структуру полос макросдвига. С этой целью в качестве объекта исследования были выбраны монокристаллы, ось сжатия которых была отклонена от точного направления [001] на 20° и соответствовала направлению [139]. Впервые показано, что явление суперлокализации наблюдается в условиях высокотемпературной ползучести не только на монокристаллах NiзGe, имеющих точную высокосимметричную ориентировку [001], но и в
кристаллах других ориентаций, близких к [001]. Было выяснено, что отклонение от точной ориентации [001] оказывает влияние на структуру и ширину полосы. Полоса суперлокализации становится более размытой: в пять раз шире полос, наблюдаемых у монокристаллов с ориентацией оси деформации [001]. Структура полосы усложняется, характеризуется волнистым скольжением. Появляются полосы, которые образуются без ювенильной поверхности в виде четко очерченной макровыпуклости на боковой грани кристалла. Связано это с включением в процесс деформации скольжения в кубических системах, которое реализуется в монокристаллах ориентации [139]. Так же как и при активной деформации, в полосе макролокализации формируется фрагментированная структура с размерами фрагментов 10^50 мкм, которые на порядок больше фрагментов, сформированных при активной деформации монокристаллов ориентации [001].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nabarro F.R.N., Villiers H.L. de. The Physics of Creep. Creep and Creep-resistant Alloys. L.: Taylor & Francis Ltd, 1995. P. 413.
2. Veyssiere P., Saada G. Dislocations in Solids / ed. by F.R.N. Nabarro, M.S. Duesbery. Amsterdam: Elsevier Sci. Publ., 1996. Chapter 53. P. 255.
3. Гринберг Б.А., Иванов М.А. Интерметаллиды Ni3Al и TiAl: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 360 c.
4. Старенченко В.А., Соловьева Ю.В., Старенченко С.В., Ковалевская Т.А. Термическое и деформационное упрочнение монокристаллов сплавов сверхструктурой L12. Томск: Изд-во НТЛ, 2006. 292 с.
5. Гринберг Б.А., Иванов М.А., Антонова О.В. и др. Автоблокировка дислокаций в интерметаллиде NißGe: кубическое скольжение // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 111. № 4. С. 402-412.
6. Гринберг Б.А., Иванов М.А., Антонова О.В. и др. Автоблокировка дислокаций в интерметаллиде NißGe: реконструкция двухдолин-ного потенциального рельефа // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 112. № 2. С. 215-224.
7. StoloffN.S. Ordered alloys - physical metallurgy and structural applications // International Metals Reviews. 1984. V. 29. № 3. P. 123-134.
8. Cohen J.B. A Brief Review of the Properties of Ordered Alloys // Journal of Matrials Science. 1969. V. 4. P. 1012-1022.
9. Соловьева Ю.В., Старенченко С.В., Пантюхова О.Д., Старенченко В.А. Ползучесть монокристаллов сплава NißGe ориентации [001]. Эксперимент и моделирование // Известия РАН. Серия физическая. 2015. Т. 79. № 11. С. 1553-1556.
10. Соловьева Ю.В., Никоненко Е.Л., Старенченко С.В., Старенчен-ко В.А. Исследование ползучести и особенностей дислокационной структуры в монокристаллах сплава NißGe // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 5. С. 716-719.
11. Старенченко С.В., Соловьева Ю.В. Ползучесть интерметаллида NißGe // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 2. С. 30-37.
12. Соловьева Ю.В., Старенченко С.В., Старенченко В.А. Влияние ориентации оси деформации на ползучесть монокристаллов сплава NißGe // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 2. С. 218-222.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 16-03-00182-а и 16-32-00139 мол_а.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.376:666.24
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1325-1329
SUPERLOCALIZATION BAND FORMATION UNDER HIGH TEMPERATURE CREEP OF [139] Ni3Ge SINGLE CRYSTALS
© Y.V. Soloveva1), V.A. Starenchenko1), S.V. Starenchenko1), A.N. Solovev1), Y.D. Lipatnikova1,2
1)1 Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
2) Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Creep deformation of Ni3Ge single crystals with the [139] deformation axis was studied. Creep curves at different temperatures were obtained. The deformation relief of side faces deformed single crystals was studied. The phenomenon of superlocalization plastic deformation at temperatures above 0,6Tm was revealed. Plastic deformation was carried out in the local band with a width 250^300 ^m, reaching a value equal to hundreds of percent. Superlocalization band at stresses less than three times of the yield stress was bent, consisted of fragments with a mean size 10^50 ^m.
Key words: Ni3Ge; single crystals; intermetallics; L12 structure; nickel alloys; creep; superlocalization; fragmentation.
REFERENCES
1. Nabarro F.R.N., Villiers H.L. de. The Physics of Creep. Creep and Creep-resistant Alloys. London, Taylor & Francis Ltd, 1995, p. 413.
2. Veyssiere P., Saada G. Dislocations in Solids. Amsterdam, Elsevier Sci. Publ., 1996, Chapter 53, p. 255.
3. Grinberg B.A., Ivanov M.A. Intermetallidy Ni3Al i TiAl: mikrostruktura, deformacionnoepovedenie. Yekaterinburg, Russian Academy of Sciences Ural Branch Publ., 2002. 360 p.
4. Starenchenko V.A., Solov'eva Ju.V., Starenchenko S.V., Kovalevskaja T.A. Termicheskoe i deformacionnoe uprochnenie monokristallov splavov sverhstrukturoj L12. Tomsk, Scientific & Technical Literature Publishing House, 2006. 292 p.
5. Grinberg B.A., Ivanov M.A., Antonova O.V. et al. Avtoblokirovka dislokacij v intermetallide Ni3Ge: kubicheskoe skol'zhenie. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 2011, vol. 111, no. 4, pp. 402-412.
6. Grinberg B.A., Ivanov M.A., Antonova O.V. et al. Avtoblokirovka dislokacij v intermetallide Ni3Ge: rekonstrukcija dvuhdolinnogo potencial'nogo rel'efa. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 2011, vol. 112, no. 2, pp. 215-224.
7. Stoloff N.S. Ordered alloys - physical metallurgy and structural applications. International Metals Reviews, 1984, vol. 29, no. 3, pp. 123-134.
8. Cohen J.B. A Brief Review of the Properties of Ordered Alloys. Journal of Matrials Science, 1969, vol. 4, pp. 1012-1022.
9. Solov'eva Ju.V., Starenchenko S.V., Pantjuhova O.D., Starenchenko V.A. Polzuchest' monokristallov splava Ni3Ge orientacii [001]. Jeksperiment i modelirovanie. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russ ian Academy of Sciences: Physics, 2015, vol. 79, no. 11, pp. 1553-1556.
10. Solov'eva Ju.V., Nikonenko E.L., Starenchenko S.V., Starenchenko V.A. Issledovanie polzuchesti i osobennostej dislokacionnoj struk-tury v monokristallah splava Ni3Ge. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2011, vol. 75, no. 5, pp. 716-719.
11. Starenchenko S.V., Solov'eva Ju.V. Polzuchest' intermetallida Ni3Ge. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika — Russian Physics Journal, 2014, vol. 57, no. 2, pp. 30-37.
12. Solov'eva Ju.V., Starenchenko S.V., Starenchenko V.A. Vlijanie orientacii osi deformacii na polzuchest' monokristallov splava Ni3Ge. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2011, vol. 75, no. 2, pp. 218-222.
GRATITUDE: The research is carried out under financial support of Russian Fund of Fundamental Research within a framework of scientific projects no. 16-03-00182-a and 16-32-00139 Mon_a.
Received 10 April 2016
Соловьева Юлия Владимировна, Томский государственный архитектурно--строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры физики, e-mail: [email protected] Soloveva Yuliya Vladimirovna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Associate Professor, Professor of Physics Department, e-mail: [email protected]
Старенченко Владимир Александрович, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры высшей математики, e-mail: [email protected]
Starenchenko Vladimir Aleksandrovich, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of High Mathematics Department, e-mail: [email protected]
Старенченко Светлана Васильевна, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры физики, e-mail: [email protected]
Starenchenko Svetlana Vasilevna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Physics Department, e-mail: [email protected]
Соловьев Артем Николаевич, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической механики, e-mail: [email protected]
Solovev Artem Nikolaevich, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical Mechanics Department, e-mail: [email protected]
Липатникова Яна Данияровна, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры высшей математики, e-mail: [email protected]
Lipatnikova Yana Daniyarovna, Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Lecturer of High Mathematics Department, e-mail: [email protected]
