CC BY
27
УДК 669.017, 539.4
Влияние кристаллогеометрической установки на развитие макрополос и неоднородность деформации в [111] -монокристаллах никеля
Д.В. Лычагин, Е.А. Алфёрова1, В.А. Старенченко
Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия 1 Юргинский технологический институт Томского политехнического университета, Юрга, 652050, Россия
В работе методами оптической и сканирующей электронной микроскопии изучена картина деформационного рельефа ГЦК-монокристаллов с ориентацией оси сжатия [111] при степенях деформации 0.05-0.15. Исследовано влияние точности ориентации оси сжатия и кристаллографической ориентации боковых граней на развитие макрополос и складок деформации на примере никеля. Методом сетки определена неоднородность деформации и выявлены факторы, определяющие места локализации деформации.
Ключевые слова: неоднородность деформации, монокристалл, метод сетки, деформационные домены, макрополосы
Effect of crystallogeometric states on the development of macrobands and deformation inhomogeneity in [111] nickel single crystals
D.V. Lychagin, E.A. Alfyorova1 and V.A. Starenchenko
Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, 634003, Russia 1 Yurga Technological Institute of Tomsk Polytechnic University, Yurga, 652050, Russia
The deformation relief in fcc single crystals with a [111]- oriented compression axis at a strain of 0.05-0.15 was studied by optical and scanning electron microscopy. Nickel was chosen to be the test material to study the effect of the accuracy of the compression axis orientation and crystallographic orientation of lateral faces on the development of macrobands and folds. The deformation inhomogeneity and the factors responsible for deformation localization are determined by the grid method.
Keywords: deformation inhomogeneity, single crystal, grid method, deformation domains, macrobands
1. Введение
Ранее авторами было показано [1-3], что для монокристаллов с осью сжатия [001] основным структурным элементом деформации при умеренных ее степенях являются следы сдвига, а для [110]-монокристаллов — системы мезополос деформации. Пластическая деформация [1 11]-монокристаллов характеризуется образованием макрополос деформации. В работе [4] на основе изучения деформационного рельефа, формирующегося на боковых гранях [1 11]-монокристаллов алюминия, были выявлены его типичные элементы, их размеры и установлены места их локализации. Отличительной чертой картины деформационного рельефа является наличие систем макрополос деформации и систем дефор-
мационных складок. Открытыми остаются вопросы необходимости для образования макрополосовой структуры шести равнонагруженных систем сдвига, соответствия симметрии образца относительно оси сжатия с симметрией систем сдвига и роли области затрудненной деформации, а также влияния кристаллогеометрической установки на распределение деформации по образцу и величину локальной деформации.
Целью настоящей работы является исследование закономерностей организации деформации на макро- и мезоуровнях в [111]-монокристаллах никеля с различной кристаллографической ориентацией боковых граней и формой образца, определение факторов, влияющих на локализацию деформации.
© Лычагин Д.В., Алфёрова Е.А., Старенченко В.А., 2010
2. Материал и методика исследования
В работе исследовали монокристаллы никеля (примеси менее 0.01 %), выращенные по методу Бриджмена. Ориентировку осуществляли на рентгеновском аппарате ИРИС-3 по эпиграммам с точностью ±1°, с уточнением ориентации на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с точностью ±0.02°. Поверхность образцов готовили механическим шлифованием и заключительной электролитической полировкой в насыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте при напряжении 20 В.
Образцы имели высоту 6 мм с боковой стороной у основания 3 мм. Деформацию проводили при комнатной температуре на машине Instron со скоростью 3 • 10-4 с-1 с использованием графитовой смазки. Картину деформационного рельефа в масштабе образца снимали на металлографическом микроскопе МИМ-8, а структурные элементы — на растровом электронном микроскопе Tesla BS-301.
Для определения величины локальной деформации был использован метод сетки с базой 100 мкм. Угольную сетку на недеформированную полированную поверхность образца наносили напылением через медную сетку с использованием вакуумного поста ВУП-2. Для уменьшения погрешности, связанной с отклонением размеров ячеек медной сетки, их измерение проводили до и после деформации. Определение величин компонент главных деформаций ex, ey, ez осуществляли по методике, изложенной в работе [5].
3. Кристаллогеометрическая установка исследуемых монокристаллов
Под понятием кристаллогеометрической установки подразумевается определенная кристаллографическая ориентация плоскостей сдвига относительно оси деформации и боковых граней монокристалла, их ориентация относительно базовых концентраторов напряжений. Для осуществления поставленной цели в работе были исследованы образцы с различной кристаллогеометрической установкой, определяемой формой образца и кристаллографической ориентацией боковых граней. Исследовали образцы в форме прямоугольных призм с квадратом и равносторонним треугольником в основании. Прямоугольные призмы имели боковые грани (110) и (1 12), а треугольные — {110}, {112}. Также изучали монокристаллы в форме прямоугольной призмы, имеющие отклонение оси сжатия на 2°-3° от ориентации
[111]. Ось сжатия этих монокристаллов — [33 33 30], а ориентация боковых граней — (110) и (10 10 22). Эксперименты на монокристаллах с отклонением оси сжатия от точной ориентации [111] дают возможность установить необходимость для образования макрополос деформации действия шести равнонагруженных систем
сдвига и влияние количества равнонагруженных систем сдвига на организацию деформации. Исследования монокристаллов в форме правильной треугольной призмы позволяют учесть фактор соответствия кристаллографической симметрии монокристалла и симметрии образца относительно оси сжатия, а также выявить его влияние на макрорельеф и неоднородность пластической деформации монокристаллов.
Для [1 11]-монокристаллов равнонагруженными являются три октаэдрические плоскости (111), (111) и
(111), по два направления сдвига в каждой из них [4].
В этих монокристаллах при соотношении = 2 ^ — высота, d — ширина образца) нельзя выделить объем, в котором плоскости октаэдрического сдвига со всех сторон имеют выход на свободные боковые поверхности. В данном случае равнонагруженные плоскости {111} с двух сторон, причем несимметрично, ограничены пуансонами испытательной машины [4]. Сдвиг в таком объеме затруднен, что приводит к отличающимся, по сравнению с [001]- и [110]-монокристаллами, закономерностям макрофрагментации и макролокализации сдвига [1, 2].
В [111]-монокристаллах в форме правильной треугольной призмы с боковыми гранями {112} и {110} при отношении ширины грани к высоте, равном двум, объем (образец А), в котором плоскости октаэдрического сдвига с двух сторон ограничены пуансонами испытательной машины, становится меньше, чем для образца в форме прямоугольного параллелепипеда, при уменьшении высоты образца рассматриваемый объем будет увеличиваться (образец В).
Картину деформационного рельефа и распределение деформации изучали на двух или всех боковых гранях одного или двух образцов для каждой кристаллогеометрической установки (пп. 5, 6).
4. Классификация элементов деформационного рельефа
Детальное изучение деформационного рельефа, образующегося на боковых гранях ГЦК-монокристаллов с осью сжатия [111], позволило выявить и систематизировать основные структурные элементы деформации и провести их классификацию. Основные структурные элементы деформации, формирующиеся на боковых гранях [1 11]-монокристаллов для разных кристаллогеометрических установок с характерным интервалом размеров отдельных структурных элементов и их систем, представлены в табл. 1. Выделенные элементы деформационного рельефа образуют индивидуальную картину макрорельефа на каждой грани. При этом на локальных участках грани могут наблюдаться как один из элементов рельефа, так и их комбинации. Ранее анализ структурных элементов деформации для рассматриваемой ориентации был проведен на монокристаллах
Таблица 1
Структурные элементы деформации [111]- монокристаллов никеля и их геометрические характеристики (длина/ширина, мм)
Ось деформации
[ііі]
[33 33 30]
[111]
Форма образца
Параллелепипед
Правильная треугольная призма
Боковые грани
(110), (112) или (1010 22)
{110}
{112}
Структурные элементы деформации
Система макрополос деформации
1.0—6.0/0.3—1.2
1.0-6.0/3
1.0-6.0/0.5-0.7
1.0-6.0/0.5-0.7
Макрополосы деформации (МПД) и их внутренняя структура
*
1.0-6.0/0.02-0.20
1.0-6.0/0.02-0.10
1.0-6.0/0.02-0.04
1.0-6.0/0.02-0.04
Изгибные макрополосы ИП1; ИП2 (складки у торцов образца) и их размеры
1.0-3.0/0.06-0.30
Ш'іїШШШіШШ
1.1-3.0/0.06-0.30
0.3-1.2/0.06-0.30
0.9-1.7/0.1-0.10
Центральная часть образца
Приторцевая область
Складки (С) и их размеры:
(1) — образец А,
(2) — образец В
0.3-1.5/0.08-0.16
0.1-2.0/0.02-0.10
0.24/0.13(1)
0.06-0.8/0.06-0.1(2)
0.1-0.2/0.05-0.11
Следы сдвига (СС) и их размеры
' ' »• * V- ■■■.
>Л 4:%
—--1
0.5 мм I----------------1
0.03-1.50/(5-15) • 10-5
Рис. 1. Картина деформационного рельефа, сформировавшаяся на боковых гранях [1 11]-монокристалла никеля в форме прямоугольного параллелепипеда после е = 0.1: а, в — (11 2)-грани а и с соответственно; б, г — (110)-грани Ь и d (металлография, обозначения здесь и далее см. в тексте и табл. 1)
алюминия [4], а их общая классификация для исследованных ориентаций дана в работе [6].
Первоначально при пластической деформации [ 111]-монокристаллов в области наиболее высокой концентрации напряжений (вершины и приторцевые ребра образца) формируются следы сдвига, что свидетельствует о сдвиговом характере деформации. С ростом степени деформации начинается формирование макрополос деформации и нескольких видов макроскладок. Макрополосы деформации и складки развиваются группами и представляют собой системы с определенной ориентацией.
Как следует из анализа экспериментальных данных, основными макроскопическими элементами деформации при е = 0.05-0.10 являются системы макрополос деформации и системы деформационных складок. Деформацией данных структурных элементов осуществляется большая часть деформации всего образца. Дополнительными макроскопическими элементами деформации являются изгибные макрополосы или складки, идущие от вершин образца по границе областей с разной схемой напряженного состояния. Они являются следствием разных условий деформации в этих областях. Формирование рассматриваемых макроскопичес-
Рис. 2. Картина деформационного рельефа, сформировавшаяся на боковых гранях [33 33 30]-монокристалла никеля в форме прямоугольного параллелепипеда после е = 0.09: а, в — (10 10 22)-грани а и с соответственно; б, г — (110)-грани Ь и d
Рис. 3. Картина деформационного рельефа, сформировавшаяся на боковых гранях {110} монокристалла [111] никеля в форме правильной треугольной призмы после е = 0.05
ких структурных элементов происходит на фоне развивающихся следов скольжения.
5. Анализ деформационного рельефа на макроуровне. Влияние кристаллогеометрической установки
Макрополосы деформации как наиболее крупный структурный элемент формируются во всех рассмотренных случаях кристаллогеометрической установки монокристаллов (рис. 1-4). Степень их развития отличается. Для монокристаллов в форме прямоугольного параллелепипеда с точной ориентацией оси сжатия макрополо-
сы проходят через всю грань образца и являются хорошо развитым структурным элементом деформации (рис. 1). Макрополосы деформации для указанной кристаллогеометрической установки в сумме занимают порядка 46 % площади грани (табл. 2). Для образцов в форме правильной треугольной призмы макрополосы деформации также являются наиболее ярким элементом рельефа и занимают от 16 до 37 % грани для случая боковых граней {110} (рис. 3) и от 20 до 30 % для монокристалла с боковыми гранями {112} (рис. 4). Для рассмотренных выше случаев макрополосы деформации четко локализованы и образуют деформационные домены.
Рис. 4. Картина деформационного рельефа, сформировавшаяся на боковых гранях {112} монокристалла [111] никеля в форме правильной треугольной призмы после е = 0.05
Таблица 2
Процент площади грани, занятой основными структурными элементами, и деформация в них
Ось деформации [ііі] [33 33 30] [111]
Форма образца Параллелепипед Правильная треугольная призма
Боковые грани (110), (112) или (1010 22) {110} {112}
Деформация образца 0.08 (образец А) 0.10 (образец В) 0.07 (образец А) 0.09 (образец В) 0.05 (образец А) 0.15 (образец В) 0.05
Боковые грани
Характеристика структурных элементов деформации (110)(1) (11 2)(1) (110)(1) (1010 22)(1) а ь с а ь с
Количество систем 3 1 1 0 2 4 3 3 4 2
макрополос деформации 3 1 1 0 2 2 2
Процент грани, занятой макрополосами деформации 34 46 9 24 86 90 0 0 31 4 37 68 16 3 24 20 30
ех = 0.01(2) ех = -0.02(2) ех = -0.04(2) ех = -0.04(2) ех = -0.07(3) ех = 0.12
Средняя деформация еу = 0.09 еу = 0.12 еу = 0.06 еу = 0.07 еу = 0.06 (4) (4) еу = 0.05 (4) (4)
в макрополосах е2 = -0.10 е2 = -0.10 е2 = -0.13 е2 = -0.03 е, = -0.07 е, = -0.17
Г = 0.27 Г = 0.27 Г = 0.17 Г = 0.17 Г = 0.20 Г = 0.25
Процент грани, заня- 3 32 0 95 0 3 0 0 14 23
той складками 3 32 0 80 78 3 37
ех = -0.02(2) Єх = 0(2) ех = 0.01(2) ех = -0.08(2)
Средняя деформация еу = 0.09 еу = 0.09 (4) еу = 0.06 еу = -0.07 (4) (4) (4) (4) (4)
в складках е, = -0.07 Г = 0.26 е2 = -0.09 Г = 0.31 е, = -0.07 Г = 0.21 е, = -0.07 Г = 0.30
(1) — процент площади грани, занятой структурными элементами на противоположной грани, близок по значениям; (2) — образец А; (3) — образец В; (4) — определение локальной деформации не проводилось
Для монокристаллов в форме параллелепипеда с осью сжатия [30 33 33] на боковой грани (110) определяющим становится развитие системы макрополос деформации (до 86 и 90 % для образцов А и В соответственно), располагающейся приблизительно параллельно выходам плоскости (1 1 1) (рис. 2, б, г). Монопольная деформация на грани (110) по системе макрополос деформации приводит к искривлению плоскости грани (1010 22), на которой в месте максимальной кривизны интенсивно образуются деформационные складки С (рис. 2, а, в). Для описанного выше случая складки занимают до 80 и 95 % (образцы А и В соответственно). Процент площади грани, занятой определенным типом структурных элементов, а также среднее значение деформации в структурных элементах приведены в табл. 2.
Изгибные макрополосы типа ИП1 располагаются по границе областей с разными схемами напряженного состояния, фактически очерчивая участок, в пределах которого реализуется схема неравномерного всестороннего сжатия. Указанные выше макрополосы формируются под воздействием результирующей силы, образующейся при действии сил нормального давления и трения. Их образование является результатом релаксации
поля внутренних напряжений, имеющего сложный характер. Изгибные макрополосы типа ИП1 формируются для всех случаев кристаллогеометрической установки монокристаллов за исключением образца в форме правильной треугольной призмы с боковыми гранями {112}, где образуются изгибные макрополосы типа ИП2 (рис. 4). Ориентация изгибных макрополос ИП2 обусловлена кристаллогеометрией систем следов сдвига, их расположением в объеме образца и сменой схемы напряженного состояния. Таким образом, на формирование, геометрические размеры и ориентацию изгибных макрополос в образце влияют геометрическая форма образца и ориентация боковых граней (табл. 1).
Для монокристаллов в форме параллелепипеда с точной ориентацией оси сжатия складки формируются преимущественно на боковых гранях (1 1 2) (в сумме складки занимают 32 % площади грани) (рис. 1, а, в). На боковой грани (112) наблюдаются две системы складок. Одна система формируется в области образования макрополос деформации, вторая — в области, не занятой макрополосами деформации. На боковых гранях (110) область, занятая складками, незначительна (около 3 %). Складки являются менее выраженными, по сравнению со складками, образующимися на грани
(112) (рис. 1, б, в). Наблюдаются также складки вблизи торцов образца (рис. 1).
Складки на боковых гранях монокристаллов в форме правильной треугольной призмы при е = 0.05 слабо развиты (рис. 3). Так, для образцов с боковыми гранями {110} (образец А) на гранях а и Ь складки не формируются совсем, а на грани с они занимают лишь 3 % от площади грани и не являются ярко выраженным элементом рельефа. Для образца В при е = 0.15 (табл. 2) картина разительно отличается: на грани а складки занимают 78 % поверхности, на грани Ь — 3 %, с — 37 %. Причинами такого отличия в картине рельефа могут быть более высокая степень деформации, уменьшение высоты образца, отклонение оси сжатия и влияние свободного объема.
Для образцов с боковыми гранями {112} при е = = 0.05 складки также не являются основным элементом деформационного рельефа (рис. 4). На грани а складки не формируются. На грани Ь они образуются, наклады-ваясь на макрополосы деформации, и занимают в общей сложности около 14 % площади грани. На грани с складки формируются только в приторцевой области, ограниченной изгибными макрополосами типа ИП2, и занимают 23 % грани (табл. 2). Интересен тот факт, что морфология этих складок отличается от складок, формирующихся в центральной части образцов, где реализуется схема одноосного сжатия.
Следовательно, для монокристаллов в форме правильной треугольной призмы складкообразование при е = 0.05 играет заметно меньшую роль в формировании деформационного рельефа, чем в образцах в форме параллелепипеда.
Крупные складки вблизи торцов образца, свидетельствующие о сильном влиянии торцов на пластическую деформацию, наблюдаются при определенных кристаллогеометрических установках. Наиболее крупные складки образуются в монокристаллах с осью сжатия [33 33 30] (рис. 2, а). Можно полагать, что интенсивность их образования обусловлена невозможностью аккомодации деформации вблизи пуансонов другими механизмами.
Таким образом, геометрические размеры и расположение складок зависят от кристаллогеометрической установки (табл. 1). Длина складок и доля площади грани, занятая складками, в первую очередь, зависят от формы образца, ширина складок от кристаллогеометрической установки практически не зависит.
Следы сдвига формируются с самого начала пластической деформации во всех исследуемых монокристаллах. Для монокристаллов в форме параллелепипеда с точной ориентацией оси сжатия системы следов сдвига отмечаются у вершин образцов. В этих местах при дальнейшей деформации образуются макрополосы. Для образцов с осью сжатия [33 33 30] следы сдвига на боко-
вых гранях (1010 22) наблюдаются в верхней приторцевой области образца, а на гранях (110) они быстро превращаются в макрополосы деформации. Для монокристаллов в форме правильной треугольной призмы системы следов сдвига первоначально также образуются вблизи вершин образца и в дальнейшем развиваются в макрополосы.
Таким образом, в [1 11]-монокристаллах для всех исследованных случаев кристаллогеометрической установки наблюдаются приведенные выше (табл. 1) структурные элементы деформации. Степень их развития различна и может быть оценена долей площади, занимаемой каждым структурным элементом на грани. Для сравнения они представлены в табл. 2. В [111]-моно-кристаллах в форме прямоугольного параллелепипеда деформация осуществляется путем формирования нескольких систем макрополос деформации и последующего складкообразования, что проявляется в деформационном рельефе на всех гранях. Общей закономерностью при этом является то, что при формировании на боковой грани хорошо развитых макроскладок макрополосы не развиваются или развиваются совсем слабо.
Для [ 1 11]-монокристаллов в форме правильной треугольной призмы деформация до е = 0.05 реализуется преимущественно с помощью образования макрополос деформации. Следовательно, при совпадении симметрии образца и симметрии систем сдвига интенсивного образования складок при небольших степенях деформации не происходит. Можно полагать, что активного образования макрополос на всех боковых гранях достаточно для обеспечения равномерной деформации образца при сжатии без привлечения механизма складкообразования в рассматриваемом интервале степеней деформации. Если на образование складок оказывают влияние форма образца и способ организации деформации, то на формирование макрополос влияют кристаллографическая ориентация оси деформации.
6. Неоднородность деформации в связи со структурными элементами рельефа
6.1. Монокристаллы [111] с боковыми гранями (110) и (112) в форме прямоугольного параллелепипеда
Общая деформация образца составляет е = 0.08. На рис. 5, 6 показаны схемы выхода следов сдвига на боковые грани, картины деформационного рельефа, карты распределения интенсивности деформации Г и компонент деформации ex, ey, ez на боковых гранях образца. Для грани (110) местами локализации деформации являются места образования систем макрополос деформации, где величины компонент деформации достигают значений ez = -0.15...- 0.25, ey = 0.10...0.20, ex = = —0.10...0.10 (здесь и далее знак «—» — деформация
Г
500 1500 2500 У, МКМ
7.. мкм
500
1500
2500
3500
4500
500 1500 2500 У, МКМ
1500 2500 У МКМ
500 1500 2500 У, МКМ
500 1500 2500 У, МКМ
г'мш ^
500
1500
2500
3500
4500
Z: мкм 500
1500
2500
3500
4500
5500
500 1500 2500 У, МКМ
0.22
0.10
0.00
-0.10
-0.30
■ 0.05
- 0-15
■- 0.26
500 1500 2500 У, мкм
Ъ, мкм 500
1500
2500
3500
4500
5500
Г
500 1500 2500 У мкм
Т, мкм 500
1500
2500
3500
Г
л й
о
| 0.80
0-60
- 0.40
- 0.20
500 1500 2500 У, МКМ
500 1500 2500 У, МКМ
Е*
500 1500 2500 У МКМ
Е,
500 1500 2500 У, МКМ 500 1500 2500 У, МКМ
500 1500 2500 У МКМ 500 1500 2500 У. МКМ
Е2
сжатия, «+» — растяжения), а также места стыка систем макрополос, где наблюдаются более высокие значения локальной деформации е2 = -0.35...- 0.30, еу = = 0.20...0.30, ех = -0.20...0.10 (рис. 5, а-в, к-м). Также по значениям выделяется область, где совместно действуют макрополосы деформации, идущие из вершины образца, и система складок, здесь компоненты деформации достигают значений е2 = -0.03, еу = 0.25...0.30, ех = -0.50. В области между макрополосами величина деформации снижается: е2 = -0.15, еу = 0.01, ех = 0.1.
На взаимно перпендикулярной грани (112) местом наибольшей локализации деформации является область интенсивного образования складок. В этой области деформация по компонентам достигает максимальных значений и составляет е2 = -0.45...0.05, еу = -0.20...0.25, ех = -0.55...0.35 (рис. 5, г-е, н-п). Из анализа величин компонент видно, что в области макроскладки деформация резко меняется от деформации сжатия к деформации растяжения, достигая и в том, и в другом случае существенных величин.
Далее по значениям компонент деформации выделяются области пересечения макроскладки и криволинейных макрополос деформации в приторцевой области у правого бокового ребра и область пересечения системы складок и слаборазвитой полосы деформации у левого ребра образца. В первом случае максимальная величина компонент деформации составляет е2 = -0.30, еу = 0.10, ех = -0.20...0.10, а во втором — е2 = -0.20, еу = 0.10...0.20, ех = -0.05...0.01. Верхняя часть образца деформируется более однородно и величина компонент деформации здесь значительно ниже, чем в случаях рассмотренных выше. Максимальные значения деформации по компонентам в этой части грани составляют е2 = = -0.15, еу = 0.05...0.20, ех = -0.10...0.05. Однако размеры этих областей малы. В основном же значения компонент в верхней части образца составляют е2 = -0.05, еу = 0.02...0.05, ех = -0.01...0.05 (рис. 5, н-п). Какие-либо структурные элементы деформации в этой области при используемом увеличении не разрешаются.
6.2. Монокристаллы с боковыми гранями (110),
(1010 22) в форме прямоугольного параллелепипеда с осью сжатия [33 33 30]
В работе также были проведены исследования образцов с отклонением оси от направления [111] на 2°. Общая деформация образца е = 0.07. Эксперименты показали, что в данном случае на грани (110) образуется лишь одна система макрополос деформации (рис. 5, з). На грани (1010 22) формируется область складчатости, которая занимает центральную часть грани. У верхнего и нижнего торцевого ребра образца формируются следы сдвига (рис. 6, б). При этом наблюдается более однородная и меньшая по величине локальная деформация
(рис. 6, к-м). На грани (110) величины компонент ex и ey максимальны в нижней приторцевой области и составляют ex = -0.15, ey = -0.05. Компонента ez максимальна в верхней приторцевой области и достигает значения -0.26...0.20 (рис. 5, и,р-т). На грани (10 10 22) деформация распределена достаточно однородно, явных областей локализации не наблюдается (рис. 6, в, к-м). Компонента ex достигает максимального значения -0.30 у нижнего приторцевого ребра. В верхней части грани, где наблюдается небольшая складчатость и следы сдвига, реализуется деформация растяжения ex = 0.01, а в нижней части грани, где складки более развиты и также присутствуют следы сдвига, реализуется деформация сжатия ex = -0.10. По компоненте ez ситуация противоположная: в верхней части грани реализуется деформация сжатия ez = -0.10...- 0.05, а в нижней — растяжения ez = 0.01. По компоненте ey наблюдается деформация растяжения ey = 0.01__0.05.
Следовательно, при одной схеме напряженного состояния в зависимости от организации структурных элементов деформации может достигаться разная локальная степень деформации, для снижения величины которой необходимо избегать условий несовместности деформации в соседних структурных элементах.
6.3. Монокристаллы [111] с боковыми гранями
(112) в форме правильной треугольной призмы
Для монокристаллов в форме правильной треугольной призмы с боковыми гранями {112} общая деформация составляет 0.05. Распределение компонент деформации по боковой грани представлено на рис. 6,р-т. Анализ компонент деформации показал, что в целом по компоненте ex реализуется деформация растяжения, а по компонентам ey, ez — сжатие.
В целом распределение деформации по грани однородно. Местами локализации деформации является верхняя приторцевая область, где формируется изгибная макрополоса ИЩ, компоненты деформации которой достигают здесь следующих величин: ex = -0.15...0.20, ey = -0.10...0.05, ez = -0.20. У бокового ребра образца в месте выхода макрополос деформации ex = -0.20...0.20, ey = 0.30, ez = -0.15...- 0.20. Высокое значение компонент отмечено в нижней приторцевой области, где совместно действуют макрополосы деформации и изгиб-ная макрополоса типа ИП2: ex = -0.15...0.15, ey = = -0.05...0.05, ez = -0.10. С противоположной стороны образца в области формирования изгибной полосы ИП2 деформация достигает значений ex = 0.35, ey = = -0.14, ez = -0.20...- 0.25. Местами наибольшей локализации деформации по компоненте ez являются макрополосы деформации, занимающие центральную часть грани. Внутри макрополос деформации величина компоненты ez достигает значения -0.20. В областях,
где структурные элементы деформации не разрешаются, величина е2 = -0.10.
6.4. Монокристаллы [111] с боковыми гранями (110) в форме правильной треугольной призмы
Для монокристаллов в форме правильной треугольной призмы с боковыми гранями {110} деформационный рельеф исследован для различных степеней деформации. Для монокристалла с деформацией 0.05 (образец А) наиболее развитыми структурными элементами деформации являются макрополосы. Проведя исследования деформационного рельефа монокристалла, деформированного на 0.15 (образец В), можно отметить тот факт, что, наряду с формированием макрополос деформации на боковых гранях образца, формируются области, занятые складками. Если для монокристаллов, деформированных на 0.05, такие области занимали лишь 3 % грани Ь, а на других гранях их не было выявлено вовсе, то для монокристалла, деформированного на 0.15, складки занимают до 37 % грани с и до 78 % грани а.
На боковой грани а образца В наблюдается однородное распределение компонент деформации. Значение компоненты ех в целом по грани равно -0.10...
- 0.05. В верхней приторцевой области, в месте стыка макроскладки и макрополосы, ех = 0.10, а в нижней приторцевой области, в области формирования изгиб-ной макрополосы типа ИП1, деформация составляет ех = -0.35...0.20, т.е. она резко меняется от растяжения к сжатию. Максимального значения компонента еу = = -0.05...0.30 достигает в нижней приторцевой области, где формируется ИП1. По компоненте е2 = -0.05...
- 0.10 реализуется деформация сжатия. В нижней при-торцевой области, в месте формирования изгибной макрополосы, е2 = -0.30. Следовательно, для рассмотренного случая кристаллогеометрической установки местами локализации деформации являются изгибные макрополосы типа ИП1, которые повышают неоднородность деформации в 3...5 раз по сравнению со средней деформацией по грани. Область, занятая складками, деформируется значительно более однородно, средняя деформация здесь по всем компонентам не превышает 0.07...0.08 (ех, е2 — сжатие, еу — растяжение) (рис. 6, е, н-п).
В табл. 2 приведены средние значения компонент деформации для рассматриваемых структурных элементов. Из таблицы видно, что макрополосы деформации и области, занятые складками, не являются местами наибольшей локализации деформации. Здесь величины компонент деформации или ниже общей деформации образца, или превышают ее незначительно. Анализ карт деформации (рис. 5, 6) позволяет сделать вывод, что местами наибольшей локализации деформации являются базовые концентраторы напряжений, изгибные макрополосы в приторцевых областях и места стыка деформационных доменов.
7. Заключение
Проведенные в работе исследования показали, что формирование макрополос деформации характерно для всех случаев кристаллогеометрической установки [ 1 11]-монокристаллов. В монокристаллах в форме прямоугольного параллелепипеда деформация осуществляется путем формирования нескольких систем макрополос и последующего складкообразования, что наиболее сильно проявляется на гранях (112). В образцах с отклонением оси на 2° формируется одна система макрополос сдвига, происходит потеря устойчивости образца и более интенсивно, чем в образцах с точной ориентацией оси сжатия, идет складкообразование. Формирование одной системы макрополос, вероятно, связано с тем, что при отклонении оси от точной ориентации из шести систем сдвига более выигрышной становится одна. Сравнение развития макрополос в этих образцах позволяет считать, что наличие шести равнонагружен-ных систем сдвига не является обязательным условием для образования макрополос деформации.
В монокристаллах в форме правильной треугольной призмы с разным набором боковых граней {112} и {110} при е = 0.05 деформация реализуется преимущественно с помощью образования макрополос, что, как отмечалось выше, может быть достаточно для обеспечения деформации образца без привлечения механизма складкообразования.
Структура макрополос деформации состоит из следов сдвига и мезополос, идущих под углом 10° к границе макрополосы. Степень их развития и количество на единицу длины макрополосы различается для разных кристаллогеометрических установок. Наиболее крупные макрополосы с хорошо развитой внутренней структурой наблюдаются в образцах в форме прямоугольного параллелепипеда. Данное обстоятельство, по-видимому, связано со сложностью реализации изменения формы образца с помощью макрополос деформации. Подстройка происходит как на макроуровне, путем характерной фрагментации монокристаллов системами макроскладок и макрополос, так и на мезоуровне подстройкой внутренней структуры макрополосы к развитию деформации образца.
Различие в характере фрагментации и развитии структурных элементов деформации на макроуровне нашло свое отражение в распределении локальной деформации на гранях монокристаллов с разной кристаллогеометрической установкой.
Места локализации деформации на макроуровне для [111]-монокристаллов с точной осью связаны с фрагментацией монокристалла с системами макрополос и складок. Наиболее высокая деформация наблюдается в местах стыка систем макрополос и обусловлена несовместностью деформации в этих системах. В образцах с отклонением оси на 2°, где формируется одна система макрополос, не образуется областей высоких локальных
деформаций. Следовательно, при одинаковой схеме напряженного состояния в зависимости от организации структурных элементов деформации может достигаться разная локальная степень деформации. Поэтому для снижения локальной величины деформации необходимо избегать условий несовместности деформации в соседних структурных элементах.
Более однородной деформации монокристаллов способствует совпадение симметрии образца с кристаллографической симметрией оси сжатия. Такой случай был реализован при использовании образцов в форме правильной треугольной призмы, где также формируются макрополосы деформации.
Авторы выражают глубокую благодарность главному редактору журнала «Физическая мезомеханика» академику В.Е. Панину за большое внимание и постоянную поддержку исследований по монокристаллам, результаты которых отражены в статье.
Литература
1. ЛычагинД.В. Фрагментация пластической деформации в металли-
ческих материалах с ГЦК-решеткой // Физ. мезомех. - 2006. -Т. 9. - № 3. - С. 103-113.
2. Лычагин Д.В., Старенченко В.А., Шаехов Р.В., Конева Н.А., Козлов Э.В. Организация деформации в монокристаллах никеля с ориентацией оси сжатия [001] и боковыми гранями {110} // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 2. - С. 39-48.
3. Лычагин Д.В., Шаехов Р.В., Алфёрова Е.А. Влияние кристаллогеометрической установки на неоднородность сдвиговой деформации ГЦК-монокристаллов при сжатии // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2008. - Т. 5. - №2 2. -С. 101-108.
4. Теплякова Л.А., Лычагин Д.В., Беспалова ИВ. Особенности пространственной организации сдвига на макроуровне в [111] - монокристаллах алюминия // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 2. -С. 63-71.
5. Кукса Л.В., Ковальчук Б.И., Лебедев А.А. и др. Влияние вида напряженного состояния на характер распределения микродеформаций в металлах // Проблемы прочности. - 1976. - №2 3. - С. 55-59.
6. Лычагин Д.В., Старенченко В.А., Соловьева Ю.В. Классификация
и масштабная иерархия структурных элементов деформации ГЦК-монокристаллов // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 6. - С. 67-77.
Поступила в редакцию 26.02.2010 г., после переработки 04.05.2010 г.
Сведения об авторах
Лычагин Дмитрий Васильевич, д.ф.-м.н., проф., проф. ТГАСУ, [email protected]
Алфёрова Екатерина Александровна, ст. преп. ЮТИ ТПУ, [email protected]
Старенченко Владимир Александрович, д.ф.-м.н., проф., зав. каф. ТГАСУ, [email protected]
