WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 11 Скачки деформации микронного уровня на разных стадиях ползучести кристаллических тел © Н.Н. Песчанская, В.В. Шпейзман, А.Б. Синани, Б.И. Смирнов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: shpeizm.v@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 23 марта 2004 г.) Методом лазерной интерферометрии изучена неравномерность деформации („скачки“) ползучести микронного уровня при сжатии ряда металлов (Ag, Al, Bi, Cu, Pb, Sn, Zn) и кристаллов LiF : Mg.

Установлена периодичность изменения скорости деформации и определены средние значения деформации L в периоде, а также изменения L при разных степенях общей деформации. Обнаружены некоторые корреляции между средним значением L и содержанием Mg в кристаллах LiF, между L и размером зерна в металлах, между величиной мелкомасштабных скачков и вектором Бюргерса металлов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке МОН РФ в рамках программы по твердотельным наноструктурам.

Представления о многоуровневом характере дефор- 1. Материалы и методика мации и ее локализации на различных уровнях были развиты во многих работах [1–4]. Однако традицион- Ползучесть под действием постоянных сжимающих напряжений при 290 K изучалась для Ag, Al, Bi, Cu, Pb, ные способы записи деформации часто нивелируют ее Sn, Zn и LiF. Наиболее подробно исследованы алюминеоднородность на микроуровне, поскольку точность записи не позволяет разрешить мелкомасштабные ло- ний, олово, свинец и фтористый литий. Алюминиевые образцы изготавливались из монокристаллов и микрокальные сдвиги. Одним из проявлений локализации деформации при ползучести является ее неравномер- кристаллического Al. Последний был получен методом многократного равноканального углового прессования ность (скачкообразная ползучесть), обнаруженная при измерении скорости деформации на базе малых из- (РКУП). Размеры зерен после PКУП составляли 1–2 µm.

Размеры зерен в олове (-модификации) 50–70 µm, в менений длины образца в процессе сжатия аморфных свинце 90–110 µm.

и аморфно-кристаллических полимеров [5–7]. Новый метод записи деформации с помощью лазерного ин- Монокристаллы LiF различались концентрацией примеси Mg (c = 0.0024, 0.007 и 0.03 wt.%). Монокритерферометра и прецизионное измеpение скорости и сталлы были выращены методом Киропулоса, термичеее изменений позволяют изучать скачки деформации микронного уровня. Характерной особенностью дефор- ски обработаны путем отжига при 1020 K в течение мации полимеров оказалось чередование участков пол- 48 h и охлаждены со скоростью 5 K/h. Из кристаллов по плоскостям {100} выкалывались образцы размером зучести с относительно высокой и низкой скоростями.

Опыты показали, что периоды нестабильности ползу- 4 4 10 mm. Металлические образцы имели диаметр чести, измеренные в единицах деформации (величины 3 mm и высоту 6 mm.

скачков), коррелируют с размерами неоднородностей Изменение деформации во времени регистрировалось в структуре полимера на микронном уровне [6–9]. с помощью лазерного интерферометра, одно из зерB [10,11] показано, что скачкообразная ползучесть ха- кал которого жестко связано с подвижным захватом рактерна для твердых тел разных классов, но природа и отслеживает деформaцию образца. Интерферограмма неравномерности ползучести металлов и кристаллов не ползучести представляет собой последовательные биизучалась. ения, каждое из которых соответствует приращению В настоящей работе исследовалось влияние различ- деформации на 0.3 µm [5–9]. Скорость относительной ных структурных факторов на неравномерность де- деформации определяется по формуле = 0/2l0, где формации кристаллических тел методами, использовав- 0 = 0.63 µm — длина волны лазера, — частота биешимися ранее в [5–9] для полимеров. Особое вни- ний на интерферограмме, l0 — начальная длина образца.

мание было обращено на зависимость неоднородно- Способ записи позволяет с погрешностью до 1–5% сти деформации от размера зерна на примере оло- измерять скорость деформации при ее приращениях ва, свинца и микрокристаллического алюминия. Изу- от 0.15–0.3 µm, т. е. изучать кинетику деформации на чалось также влияние предварительной деформации, микронном и субмикронном уровнях.

примесей и типа кристаллической решетки на среднее Периодические изменения скорости (скачки дефорзначение величины скачков деформации микронного мации) выявлялись путем ее измерения по интерфеуровня. рограмме на каждом из последовательных биений и 1992 Н.Н. Песчанская, В.В. Шпейзман, А.Б. Синани, Б.И. Смирнов В зависимости от структуры и стадии деформации колебания скорости могут быть разной формы. Будем разделять скачки деформации на малые Lmin (обычно 0.6–1.2 µm), средние Lmed, состоящие из малых простых скачков (несколько µm), и большие Lmax, состоящие из малых и средних скачков (десятки µm).

2. Результаты и обсуждение 2.1. Корреляция между величиной скачка и р а з м е р о м з е р н а. На рис. 1, a, b приведены примеры изменения скорости деформации в процессе ползучести монокристаллов Al и поликристаллов с мелкими (1–2 µm) зернами. Измерения проводились как на начальной стадии ползучести (уровень деформации 3–5%), так и после значительной деформации (26–35%).

Предварительная деформация микрокристаллического алюминия (26%) достигалась на универсальной испытательной машине Instron 1342 с использованием нагрузок, превышающих макроскопический предел текучести y = 440 MPa. Результаты измерений средней величины малых скачков деформации ползучести приведены в Рис. 1. Зависимость скорости ползучести моно- (a) и микротабл. 1.

кристаллического (b) алюминия от приращения деформации.

Образцы из микрокристаллического Al испытывались Предварительная деформация, %: a — 35, b —3. Напряжение, MPa: a — 40, b — 200. Средняя величина периода колебаний в режиме ползучести при напряжениях 30–200 MPa. Скоскорости ползучести L, µm: a —0.8, b —1.7.

рость ползучести при таких напряжениях была низкой (порядка 10-7 s-1). При напряжении 200 MPa начальная деформация была равна 3%, деформация ползуТаблица 1. Величина скачков деформации для материалов с различным размером зерна после разной степени деформации Lmin, Lmed, Lmax, Материал Деформация, % µm µm µm Al 3 1.(моно- 20 0.кристалл) 35 0.Al (после 3 ( =30 MPa) 1.РКУП, зер- 3 ( = 200 MPa) 1.но 1-2 µm) 26 ( = 200 MPa) 1.Рис. 2. Кривая ползучести -Sn с размером зерна 50–70 µm, Pb 3.5 1.напряжение = 10 MPa. Периоды изменения скорости соот(зерно 58 0.9 2.ветствуют величинам Lmax, равным последовательно 30, 60, 80, 90-110 µm) 3.5-5.1 80 µm. max = Lmax/l0 (l0 — начальная длина образца).

Sn 1.0 1.4 4.(зерно 4.50-70 µm) 4.0 1.2 4. построения зависимостей скорости от приращения 2.деформации, кратного 0.3 µm (рис. 1, 2). Измерения 1.относятся к коротким участкам деформации на разных 0.5-4.6 временных стадиях ползучести. Деформационные пери оды колебаний скорости (рис. 1, 2) в µm определялись как L = 0.3n, где n — число биений в данном периоде (число точек), а средние значения L вычислялись, как правило, из нескольких последовательных периодов при Предварительная деформация проводилась при напряжениях, данной предварительной макродеформации. превышающих предел текучести y = 440 MPa.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Скачки деформации микронного уровня на разных стадиях ползучести кристаллических тел чести за 100 min составила 0.1%. Колебания скорости Таблица 2. Сравнение деформации в скачках L со средним расстоянием между атомами примеси в плоскости скольжеползучести соответствуют периоду Lmin = 1.2 µm для ния d для LiF + Mg (средние скачки L измерены при напряжеочень низких напряжений и 1.7 µm для более высоких, ниях, соответствующих пределу текучести каждого кристалла составляющих примерно половину предела текучески.

(7, 12, 42 MPa), и деформациях 2–5%) Если исходная деформация была увеличена до 26%, то средняя величина скачка деформации почти не изКонцентрация Mg, wt.% L, µm d, nm менялась.1 Указанное значение Lmin для больших напряжений (200 MPa) практически совпадает с размером 0.0024 1.0-1.5 зерна в Al. Вероятно, ползучесть начинается в более 0.007 0.9-1.3 крупных зернах, близких по размеру к 2 µm, и пробег 0.03 0.8-1.1 дислокаций равен размеру зерна. В этом случае может наблюдаться корреляция (а при соответствующей расчетной плотности дислокаций даже приближенное 2.2. Влияние примесей на скачкообразную равенство) размера зерна с величиной скачка. Меньшая деформацию кристаллов LiF. B [10] при анализе величина Lmin для совсем малых напряжений может ползучести кристаллов LiF рассматривались отклонения означать, что деформация проходит или в более мелких экспериментальных значений скорости деформации от зернах, или в тех же, что и при больших напряжениях, затухающей по логарифмическому закону кривой. При но действующих напряжений недостаточно для того, этом считалось, что из-за высокой точности измерений чтобы продвинуть дислокацию через все зерно.

экспериментальная погрешность не вносит вклада в По сравнению с микрокристаллическим Al в монорассчитанную величину отклонения скорости и, слекристаллах скорость ползучести выше на два порядка, довательно, она (т. е. среднее отклонение от истинной а средний размер скачков Lmin меньше, чем в микрокристалле и с ростом деформации величина Lmin скорости деформации в разные моменты времени, или пересчитанное по известному закону среднее отклонеуменьшается (табл. 1). Исходя из связи Lmin с пробегом ние деформации) может являться характеристикой вредислокаций можно предположить, что в этом случае менной неоднородности ползучести. При этом в [10] не барьеры для движения дислокаций создаются самой учитывалось, что простой логарифмический закон полдеформацией (например, при пересечении дислокаций, зучести является приближенным, а использование более принадлежащих разным системам скольжения), причем сложного закона приведет к изменению характеристики расстояние между ними уменьшается с ростом дефорнеоднородности деформации. Расчет неоднородности, мации.

примененный к настоящей работе, не привязан к какомуНа рис. 2 приведена кривая ползучести для полилибо определенному закону ползучести. Кроме того, он кристаллического олова с размером зерна 50–70 µm.

фиксирует не временную, а деформационную неоднород В данном случае построение в координатах скорость–деность (высоту ступеньки на кривой деформации).

формация не применялось, поскольку малые скачки В табл. 2 сравниваются результаты измерения демогут помешать наблюдению больших периодов. Как формации в скачках со средним расстоянием d между видно из рис. 2, большие периоды изменения скорости атомами примеси Mg в плоскости скольжения, которое деформации хорошо видны на обычной кривой ползуопределяется концентрацией примеси. Видно, что обе чести деформация–время. Отсюда следует, что дефорхарактеристики уменьшаются с увеличением концентрамация развивается с периодическими ускорениями и ции примеси. Если бы мы рассматривали временную замедлениями и периоды изменения скорости равны неоднородность деформации (см. [10]), то соотношение десяткам µm (30–60–80–80 µm — четыре последовательмежду ее величиной и концентрацией примеси было но измеренных скачка деформации), что соответствует бы обратным, что связывается главным образом с размерам крупных зерен в Sn (табл. 1).

увеличением предела текучести и напряжений течения Аналогичные данные получены для крупнозернистого с ростом концентрации Mg [12]. Следовательно, вресвинца с размером зерен около 100 µm. Из табл. менная и деформационная неоднородности деформации видно, что Lmax для Pb соответствует размеру больших при легировании ведут себя по-разному. Это можно зерен. Построения в координатах скорость–деформация интерпретировать следующим образом: при малой конна последовательных приращениях деформации 0.3µm центрации Mg, который играет роль стопоров, пробеги показали, что скачки микронного уровня типичны для дислокаций большие, поэтому скачки деформации L ползучести Sn и Pb, так же как и для других металлов, большие, а изменения скорости в скачках [10] малы.

при этом малые скачки организуются в более крупные.

Данные рис. 1, 2 и табл. 1 доказывают соответствие вели- Наоборот, при более высокой концентрации Mg изменения скорости в скачках больше по величине и чины скачков размеру типичных для данного материала повторяются чаще, что приводит к большей величине структурных неоднородностей.

разброса данных [10] и меньшему периоду L (табл. 2).

Возможно, причиной отсутствия влияния предварительной дефорТаким образом, временная неоднородность деформации мации на величину скачка является то, что дополнительные 26% деформации несравнимо малы по отношению к полученной при РКУП. на мезоуровне коррелирует с силовой характеристикой Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1994 Н.Н. Песчанская, В.В. Шпейзман, А.Б. Синани, Б.И. Смирнов (пределом текучести или напряжением течения), а деформационная — с геометрической, или структурной (расстоянием между атомами примеси d).

Если полагать, что основным механизмом деформации на этой стадии является расширение полос скольжения [12], то можно оценить, какое число расширяющихся полос скольжения образует ступеньку на кривой ползучести. Выразим осевую деформацию в скачке L с помощью формулы L = ms/ 2, где m — число полос, — сдвиг в полосе, s — среднее смещение края полосы в направлении, перпендикулярном плоскости скольжения, которое для LiF можно принять равным d.

Подставляя значения, приведенные в табл. 2, и учитывая, что полоса скольжения может расширяться с обеих Рис. 4. Связь между средним значением Lmin для простых сторон, получим m = 150-250. Это соответствует расскачков и величиной вектора Бюргерса для разных материалов стоянию между ними 40–70 µm, что вполне допустимо при близких условиях деформации.

для данного уровня деформации.

Следовательно, величина L, как и в подразделе 2.1, позволяет выделить основную структурную характериРассмотрим соотношения между значениями мелкостику деформации кристалла на мезоуровне — величину масштабных скачков начальной стадии деформации Lmin перемещения активного элемента деформации. Разброс и характерными расстояниями в структуре материаи появление достаточно больших колебаний этой велилов. Поскольку все испытанные металлы находились чины в процессе деформации (табл. 2) связаны, очевидв отожженном состоянии, можно предположить, что но, со случайным характером распределения примеси в плотность дислокаций в рассматриваемой области декристалле.

формаций у них примерно одинакова. Следовательно, 2.3. Скачкообразная ползучесть металлов.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.