Цикличность эволюции микроструктуры в гпу-сплаве Zr-Nb Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ЦИКЛИЧНОСТЬ ЭВОЛЮЦИИ МИКРОСТРУКТУРЫ В ГПУ-СПЛАВЕ Zr-Nb

© С. Л. Гирсова, Т.М. Полетика

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Россия, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: ГПУ-сплавы циркония, дислокационная структура, неустойчивость пластического течения. Обнаружена цикличность дислокационных превращений при растяжении сплава Zr-1%Nb, которая сопровождается периодической релаксацией внутренних напряжений в результате распада субграниц и перераспределения дислокаций.

Неустойчивость пластического течения, в частности немонотонное деформационное поведение материалов, вызывает большой интерес как с научной, так и с практический точки зрения [1]. В работах [2, 3] обнаружено явление колебательной неустойчивости локализации деформации, которое проявляется на макроуровне на параболической стадии деформационной кривой ГПУ-сплавов циркония и сопровождается периодическим накоплением деформации и изменением её скорости в ряде очагов макролокализации пластического течения. В настоящей работе представлены результаты исследования взаимосвязи наблюдаемого явления с закономерностями дислокационных превращений, происходящих в очаге макролокализации в процессе его трансформации в шейку.

Методами ПЭМ исследованы дислокационная структура, её количественные параметры и распределение полей внутренних напряжений в деформированных образцах сплава 7г-1%КЪ. Изображение деформационного рельефа получено при помощи РЭМ. Образцы в виде двусторонней лопатки с размерами рабочей части 42x5x2 мм3 растягивали при комнатной температуре на испытательной машине «1ш1хоп-1185» со скоростью деформации 4-10-5 с-1. Анализ эволюции микроструктуры в очаге макролокализации при различных степенях деформации проводили на образцах, вырезанных из области минимального поперечного сечения растягиваемого образца как поперек, так и вдоль оси растяжения.

С самого начала пластического течения (є = 0,02 ^ 0,03) в материале возникает высокая локальная неоднородность эволюции дефектной структуры в результате деформационного наклепа благоприятно ориентированных к оси нагружения зерен. Наблюдается быстрый рост средней плотности дислокаций и массовое образование малоугловых границ, что приводит к формированию критической дефектной структуры, характеризующейся высоким уровнем внутренних напряжений [4]. Далее реализуется циклический режим взаимных дислокационных превращений, который сопровождается колебательным изменением количественных параметров дислокационной структуры: объемов, занимаемых различными дислокационными суб-

структурами Ру, средней скалярной плотности дислокаций р, средней амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки х, характеризующей дальнодей-ствующие внутренние поля напряжений, а также плотности субграниц М (рис. 1).

Так, с ростом деформации внутри разориентиро-ванной сетчатой субструктуры формируется полосовая субструктура, затем полосы в результате интенсивного формирования малоугловых границ разбиваются на анизотропные фрагменты. Далее внутри фрагментов образуется мелкая ячеисто-сетчатая субструктура с высокими непрерывными разориентировками, а после достижения критического уровня напряжений фрагментированная структура оказывается неустойчивой и разрушается путем распада малоугловых субграниц. Рис. 1, в показывает, что цикличность процесса определяется превращениями внутри субструктур с дискретными разориентировками. Так, одновременный быстрый рост плотности дислокаций р и плотности субграниц М в объеме полосовой и фрагментированной субструктур сопровождается увеличением локального градиента кривизны кристаллической решетки х (рис. 1, в). Уменьшение энергии в дальнейшем происходит в результате рассыпания ряда субграниц (снижение М), развития процессов возврата с уменьшением общей плотности р дислокаций и градиента кривизны кристаллической решетки х что сопровождается групповой коалесценцией субзерен. Динамическая перестройка микроструктуры приводит к удлинению и укрупнению структурных элементов, формированию объемов материала с устойчивой деформационной ориентацией, соответствующей основной текстурной компоненте, а также делает возможным протекание ранее подавленного деформационного двойникования. Деформация освободившихся от дефектов элементов структуры, в том числе внутри двойников, продолжается путем следующего цикла эволюции дислокационных субструктур от сетчатой до фрагментированной, что приводит к повторному росту средних значений р, М и X (рис. 1, а, б). Наблюдаемая корреляция между значениями р, х и плотности границ М во всем интервале деформаций свидетельствует о том - что периодическая релаксация внутренних напряжений происходит в ре-

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

е

Рис. 1. Изменение количественных характеристик дислокационных субструктур с деформацией: а) - объемная доля сетчатых (1), полосовых (2) и фрагментированных (3) структур; б) - средние по материалу р, х; в) - р, х внутри полосовых и фрагментированных структур, плотность границ М

зультате разрушения малоугловых субграниц и перераспределения дислокаций.

Таким образом, установлена взаимосвязь неустойчивости пластического течения в режиме «упрочнение-разупрочнение» с цикличностью смены дислокационных субструктур в очаге макролокализации в процессе его трансформации в шейку. Так, упрочнение обеспечивается накоплением дислокаций и формированием субструктуры, а разупрочнение связано с разрушением субграниц и перераспределением дислокаций с уменьшением их плотности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глезер А.М., Поздняков В.А. // ФТТ. 2010. Т. 52. Вып. 6. С. 10901097.

2. Полетика Т.М., Нариманова Г.Н., Колосов С.В. // ЖТФ. 2006. Т. 76. Вып. 3. С. 44-49.

3. Полетика Т.М., Пшеничников А.П. // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 3. C. 54-58.

4. Полетика Т.М., Гирсова С.Л., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. // Деформация и разрушение материалов. 2006. № 10. С. 12-15.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Poletika T.M., Girsova S.L. Dislocation evolution cyclicity of h.c.p. Zr-1%Nb alloy during necking formation.

Dislocation evolution cyclicity of Zr-1%Nb alloy during tensile test was founded. It accompanies by periodical relaxation of internal stress by subgrain breakup and re-allocation of dislocation.

Key words: zirconium alloys; dislocation structure; plastic flow instability.