Поведение количественных характеристик двойникования поликристаллического ОЦК сплава Fe-Si в зависимости от температуры и скорости нагружения Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ПОВЕДЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВОЙНИКОВАНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОЦК СПЛАВА Fe-Si В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ

© В.А. Федоров, А.М. Кириллов, Т.Н. Плужникова, Е.В. Зингер

Ключевые слова: двойникование; ОЦК-поликристалл; диаграмма напряжение-деформация; размер зерна; температура; скорость деформации.

Рассмотрены закономерности двойникования поликристаллического ОЦК сплава Fe-Si с различным набором размеров зерен. Установлена связь между числом двойников, видом скачка напряжения на диаграммах деформации и скоростью деформирования. Показано, что число двойников в отдельном зерне зависит от температуры испытания и скорости деформирования. Определена критическая температура деформирования, при которой число двойников в зерне не зависит от скорости деформирования.

Процесс двойникования различных материалов при определенных условиях деформирования выступает как ведущий механизм деформации кристаллической решетки. В поликристаллах этому процессу уделено значительно меньше внимания, чем монокристаллическим материалам. Повышенный интерес к поликристаллическим материалам связан с изменением их свойств при уменьшении размера зерен до микро- и нанокристаллического. Сложность исследования образующихся двойников заключается в высоких скоростях роста, а также в создании условий их получения (высокие скорости деформации и низкие температуры).

Целью работы было исследование закономерностей двойникования поликристаллического ОЦК сплава с различным набором зерен в зависимости от температуры и скорости деформирования.

В качестве исследуемого материала использовали поликристаллический сплав Fe-Si с содержанием Si ~ 3,63 %. Образцы, вырезанные в форме двойной лопатки с размером рабочей зоны 40x9,5x0,35, готовили как металлографический шлиф. Выбор материала обусловлен его склонностью к двойникованию в широком интервале температур и скоростей нагружения. Образцы подвергали растяжению на машине Instron-5565 со скоростями относительной деформации s ~ 0,002 0,66 с-1 при температурах 183 ^ 393 К. В эксперименте исследовались образ-

цы двух типов, в которых около 80 % зерен имели размеры в пределах 1,5 ^ 9 мм и 0,025

0,225 мм. Среднестатистические размеры dcp1 = 3,55 мм и dcp2 = 0,12 мм соответственно. После деформации образцов осуществлялся подсчет двойников в рабочей области. Для этого образцы химически травили в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты и определяли количество двойников в зернах различного размера.

В ходе испытания на растяжение образцов первого типа dcp1 = 3,55 мм на диаграммах нагрузка-деформация при разных скоростях и температурах испытаний отмечалось наличие скачка напряжений (рис 1а, 1б) как на стадии упругой деформации, так и в области упругопластического перехода. Образование скачка напряжений на стадии пластического течения наблюдали крайне редко.

Появление скачка напряжений на диаграмме ст (s) связанно с двойникованием материала. Характерная ширина скачка на диаграмме нагружения не превышает ~ 0,5 %. Сопоставляли число образовавшихся двойников с величиной относительной деформации в скачке. Связь ме-

1811

жду числом двойников и величиной относительной деформации представлена экспериментальными точками на рис. 2а.

а) б)

Рис. 1. Характерные диаграммы нагружения сплава Fe-Si 1-го типа с образованием двойников при температуре Т = 293 К и скоростях: а) S = 0,03 с-1; б) S = 0,06 с-1. Выделен момент образования двойников

В.Ф. Моисеевым и В.И. Трефиловым [1] был предложен метод расчета пластичности при двойниковании поликристаллов, основанный на дислокационной модели двойника в ОЦК-решетке. Согласно этой модели:

8 =

Ж

2л/2D.

m

где N - число двойников толщиной 5 ; Б - размер зерна; т - усредненный фактор ориентации. При значениях, взятых из эксперимента: 5 ~ 4 мкм, Б = ^ср1 = 3,55 мм и тОцК ~ 2 [2], расчетные данные (прямая линия на рис. 2а) совпадают с экспериментальными величинами относительной деформации.

Характер скачка напряжений на диаграммах нагружения зависит от скорости деформирования (рис. 2б). При малых скоростях нагружения за счет высокой скорости роста двойников образование скачка сопровождается заметным снижением нагрузки (область I на рис. 2б). По мере увеличения скорости нагружения величина спада нагрузки уменьшается, и при скорости выше ~0,04 с-1 снижения нагрузки нет (область II на рис. 2б). Таким образом, при скорости є ~ 0,04 с-і скорость роста нагрузки и скорость релаксации за счет двойникования совпадают, и на диаграмме а ( є ) наблюдается горизонтальная площадка.

а) б)

Рис. 2. Зависимости: а) относительной деформации в скачке напряжения от общего числа двойников в образце; б) величины и знака скачка напряжения на диаграмме нагрузка-деформация от скорости

деформации образца

1812

Отличительной чертой мелкокристаллических материалов (<^ср2 = 0,12 мм) от крупнозерен-ных является отсутствие видимых скачков напряжения при возникновении двойников. В мелкокристаллическом материале мало время роста двойников в зерне за счет высокой скорости их развития, при этом на диаграммах а(в) скачков не образуется.

Ранее [3] на образцах моно- и поликристаллических сплавов Бе + 3,2 % 81 было показано, что зависимость интенсивности двойникования (общее число двойников в рабочей зоне) от температуры, а также скорости деформирования имеет характерный максимум. В поликристаллах [4] с увеличением температуры от 293 до 393 К интенсивность двойникования снижается, а положение максимума количества двойников смещается в область более высоких температур при увеличении скорости деформирования.

В интервале температур 293 393 К [4] аск < адв и пластическая деформация облегчает-

ся по всему образцу. Поскольку растяжение вдоль [001] в ОЦК-решетке практически равноценно для нескольких плоскостей {110} и {112} и благоприятно для поперечного перемещения и размножения дислокаций, при динамическом нагружении с самого его начала возможно появление большого количества участков локальных перенапряжений. Одним из дислокационных механизмов возникновения двойников, который основывается на предшествующем множественном скольжении по пересекающимся системам {110} и {112}, является механизм При-

стнера-Лесли [5]. При появлении линий скольжения в плоскостях (112), (1 1 2) в объеме образца и их пересечении с линиями скольжения в плоскостях {110} возникают барьерные дислокации [001]. Распад последних может привести к созданию трехслойных зародышевых двойников:

Дальнейшее развитие скольжения по плоскости {112} с повышением температуры способно обеспечить быстрое увеличение количества очагов двойникования, возникающих не только при встрече {110} и {112}, но и {112} полос друг с другом, когда диссоциация барьера по схеме:

дает сразу два зародыша микродвойника в обеих взаимодействующих плоскостях. При малых скоростях деформирования зародыши диссоциируют на скользящие дислокации, тогда как при больших скоростях деформирования релаксация напряженного состояния происходит преимущественно двойникованием, т. к. длительность деформирования меньше инкубационного периода активации диссоциации зародыша двойника. По-видимому, этим и объясняется возрастание Ыдв в области 293 ^ 393 К с увеличением скорости нагружения.

Эксперименты на образцах с размером зерна ёср2 = 0,12 мм показали, что общее число двойников в рабочей области не имеет явно выраженной зависимости от скорости деформирования. В этом случае количественной характеристикой двойникования считали среднее число двойников в зерне в зависимости от размера зерна поликристаллического сплава, а также скорости деформирования и температуры. В эксперименте определялись размеры, число сдвойни-кованных зерен и число образовавшихся в них двойников. Построены гистограммы распределения сдвойникованных зерен от размера зерна для различных температур и скоростей нагружения (рис. 3а).

Выявлено, что максимум распределения сдвойникованных зерен по размеру смещается в сторону более крупного зерна относительно общего распределения зерен поликристалла по

а [001] ^ а/6 [1 15] + а/6 [1 1 1] а/6 [1 15] ^ а/3 [1 12] + а/6 [1 1 1] а/3 [1 12] ^ а/2 [1 11] + а/6 [1 1 1].

(1)

а[001] ^ а/3 [002] + а/6 [1 11] + а/6 [1 1 1] а/3 [002] ^ а/3 [001] + а/6 [1 11] + а/6 [1 1 1] а/3 [001] ^ а/6 [1 11] + а/6 [1 1 1]

(2)

1813

размерам (рис. 3а). Среднестатистический размер сдвойникованных зерен ( d р = 0,15 мм) также смещен в сторону более крупных размеров относительно среднестатистического размера зерна поликристалла (dср2 = 0,12 мм). Таким образом, показано, что существует некоторый оптимальный размер зерна, предпочтительный для развития двойникования, который, как правило, больше среднестатистического размера зерен, определенного в исходном распределении зерен по размерам.

Установлено, что зависимость среднего числа двойников в зерне от квадратного корня из размера зерна для одной и той же температуры хорошо описывается линейной функцией (рис. 3б). Показано, что для всех скоростей деформации можно выделить «характерный» минимальный размер зерна, двойникование в котором при данных условиях эксперимента отсутствует, что может быть объяснено законом Холла-Петча (на рис. 3б минимальные размеры зерен отмечены стрелками).

а) б)

Рис. 3. а) Гистограммы распределения частоты появления зерен в рабочей зоне образца по размерам:

1 - исходное состояние, 2 - распределение сдвойникованных зерен. б) Зависимость среднего числа двойников в зерне от размера зерна при є = 0,211 с-1 и различных температурах: 1 - 183 К; 2 - 243 К;

3 - 293 К; 4 - 343 К

а) б)

Рис. 4. Зависимости среднего числа двойников в сдвойникованном зерне среднестатистического размера микрокристаллических образцов от температуры (а) и скорости деформирования (б)

1814

Дальнейшие исследования показали (рис. 4а, 4б), что среднее число двойников в зерне с максимальным количеством двойников ( d ^ ) при температурах выше ~273 К с ростом скорости деформирования возрастает, а при температурах менее ~273 К снижается. Данное изменение можно объяснить сменами механизмов деформации, конкурирующих между собой: при повышении температуры переход от двойникования к скольжению, а при снижении температуры - обратный переход. Можно заключить, что для данного сплава температура ~273 К является «характерной» температурой, при которой число двойников в максимально сдвойникован-ном зерне является постоянной величиной при любых скоростях деформирования.

Таким образом, исследования показали, что характер скачка напряжений на диаграммах a(s) при двойниковании зависит от скорости приложения нагрузки. Величина Ла изменяет знак при скорости деформации S « 0,04 с-1. Число образовавшихся двойников и величина вызванной ими деформации связаны линейной зависимостью для любых скоростей нагружения. Показано, что в распределении сдвойникованных зерен по размерам максимум смещен в сторону большего размера зерна по сравнению с исходным распределением зерен по размерам. Интенсивность двойникования в максимально сдвойникованном образце зависит от температуры и скорости деформирования. Температура T « 272 К - некоторая критическая, при которой число двойников постоянно при любых скоростях нагружения. При T < 272 К число двойников с увеличением скорости деформирования снижается, а при T > 272 К - растет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Моисеев В.Ф., Трефилов В. И. Пластичность при двойниковании // Физическая природа пластической деформации и разрушения металлов. Киев: Наук. думка, 1969. C. 7-15.

2. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов М.: Металлургия, 1983. 352 с.

3. Финкель В.М., Савельев А.М., Королев А.П. О температурной зависимости интенсивности и кинетики развития двойникования при динамическом растяжении кремнистого железа // Физика металлов и металловедение. 1979. Т. 47. Вып. 2. С. 411-419.

4. Федоров В.А., Плужников С.Н., Плужникова Т.Н., Дудаков С.П., Кириллов А.М. Влияние температуры и скорости нагружения на количественные характеристики сопутствующего двойникования в поликристалле Fe + 3,25 % Si // Деформация и разрушение материалов. 2007. № 7. С. 13-16.

5. Priestner R., Leslie W.C. Nucleation of Deformation Twin at Slip Plane Intersections in Ь.с.с. Metals // Phil. Mag. 1965. V. 11. № 113. Р. 895-916.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 09-01-97514р_центр_а.

Поступила в редакцию 3 сентября 2010 г.

Fedorov V.A., Kirillov A.M., Pluzhnikova T.N., Zinger E.V. Behavior of quantitative characteristics of twinning of polycrystalline bcc alloy Fe-Si in relation to temperature and loading rate

The twinning patterns of polycrystalline bcc alloy Fe-Si with a different set of grain sizes are considered. The relationship between the number of twins, the kind of shock loading on the diagrams of deformation and deformation rate is established. It is shown that the number of twins in an individual grain depends on the test temperature and strain rate. The critical temperature of deformation where the number of twins in the grain does not depend on the rate of deformation is determined.

Key words: twinning; bcc-polycrystal; stress-strain diagram; grain size; temperature; strain rate.

1815