WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 11 05;12 Внутреннее трение в направленно закристаллизованных сплавах (Cu–Sn)–Nb © В.М. Аржавитин, В.Я. Свердлов Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 310108 Харьков, Украина (Поступило в Редакцию 19 февраля 1997 г.) Исследованы высокотемпературные (до 400C) особенности низкочастотного внутреннего трения (ВТ) Q-1(T ) композитов составов (Cu–Sn)–Nb в интервале деформаций 10-5-10-4. Зарегистрированы значительный гистерезис Q-1(T ) в цикле нагрев–охлаждение, а также минимум (175C) при нагреве и два пика P2 (280C) и P1 (100C) ВТ при охлаждении от 400C. Вычислены энергия активации аномального фона ВТ (до 175C), параметры диффузии и концентрация кислорода в ниобиевых волокнах (определяющие пик P2), оценены величина и температурная зависимость предела текучести бронзовой матрицы (определяющие пик P1).

Введение составляла 100 K/s. Столь высокая скорость охлаждения необходима для предотвращения образования В ряде композитов, получаемых направленной кри- хрупкого соединения Nb3Sn в процессе направленной сталлизацией сплавов, существенной деградации проч- кристаллизации и обеспечения пластической деформаностных свойств удается избежать вплоть до предпла- ции слитков. Исходные слитки Cu–Nb–Sn имели типичвильных температур. Столь позитивный результат дости- ную композиционную микроструктуру в виде бронзовой гается за счет относительного совершенства (полукоге- матрицы с распределенными ниобиевыми дендритами, рентности) образующихся межфазных поверхностей. В вытянутыми осью первого порядка вдоль продольной силу своей высокой жаропрочности подобные композиты оси слитка. Поперечные размеры ниобиевых дендритов используются для изготовления сопловых лопаток газо- составляли 2-3 µm (рис. 1). Деформацию слитков в вых турбин, камер сгорания, тепловых экранов и других провод осуществляли волочением с промежуточными оттеплонагруженных деталей. Однако при выборе компо- жигами 350C/h в вакууме через 30–40% деформации. В зитов для работы в нестационарных тепловых режимах процессе деформации ниобиевые дендриты вытягивались необходимо учитывать негативное влияние межфазных в длинные волокна ленточной формы.

термонапряжений на направленную микроструктуру. ВеИзмерения Q-1(T ) образцов выполнены методами личина такого рода напряжений может оказаться достасвободно затухающих крутильных и резонансных източной, чтобы вызвать крайне нежелательные нарушения гибных колебаний в интервале амплитуд деформаций в композитах — фрагментизацию волокон и микропла10-4-10-5 на частотах 1–70 Hz в вакууме 10-1 Pa.

стическую деформацию матрицы [1].

Диапазон термоциклирования ограничен температурами Обширная информация об элементарных актах микро20-400C, чтобы избежать образования станнида ниопластичности в металлах и сплавах была получена с бия (Nb3Sn), область гомогенности которого в системе помощью метода низкочастотного внутреннего трения Nb–Sn требует определенного уточнения [3].

(ВТ), поскольку любые такие измерения являются по существу прямыми опытами по микродеформации [2]. Напротив, в проблеме микропластичности металлических Результаты и их обсуждение композитов на сегодняшний день ощущается дефицит исследований амплитудно зависимого ВТ. Названными В экспериментах по кручению проволок (Cu–13%Sn)– обстоятельствами продиктованы цель и характер данной 30%Nb диаметром 0.5 mm зарегистрированы значительработы, в которой анализируются температурные спекный гистерезис Q-1(T ) в цикле нагрев–охлаждение, а тры низкочастотного ВТ направленно закристаллизовантакже минимум (200C) при нагреве и два пика Pных композиций составов (Cu–Sn)–Nb, полученные в (280C), P1 (100C) ВТ при охлаждении от 400C условиях термоциклирования.

(рис. 2, кривые 1, 2). Причем температурные интервалы (20-175C) снижения ВТ и так называемого ”провала пластичности” оловянных бронз перекрываются [4]. До Образцы и методика измерений 175C падение ВТ аппроксимируется обратной аррениСлитки тройных сплавов (Cu–13%Sn)–30%Nb и усовой зависимостью Q-1 = A exp(U/RT ), где R — (Cu–8%Sn)–30%Nb получали методом направленной газовая постоянная, A = const, энергетический параметр кристаллизации в высоком температурном градиенте U = 0.1 eV сравним с энергией активации гистерезисно( 40 K/mm). Скорость охлаждения при затвердевании го движения дислокаций в металлических материалах [5].

Внутреннее трение в направленно закристаллизованных сплавах (Cu–Sn)–Nb тов (Cu–8%Sn)–30%Nb и (Cu–13%Sn)–30%Nb соответственно 0.013 (%wt) и 0.035 (%wt). Согласно сертификату, на исходные компоненты в ниобиевом листе вакуумной плавки и ниобия в штабиках растворено кислорода 0.01 и 0.02 (%wt) соответственно, т. е. оценочные и сертификатные значения содержания кислорода в Nb достаточно близки между собой.

Одной из возможных причин гистерезисного поведения Q-1(T ) в композиционных материалах могут служить потери при термопластической деформации, которая обусловлена возникающими в процессе охлаждения термическими напряжениями вследствие разницы коэффициентов термического расширения компонент [7,8].

Оценка внутренних напряжений в композитах в неравновесных термических условиях может быть проведена согласна формулам [1] |m| = Vf Ef EmT/VmEm + Vf Ef, |f | = VmEmEf T/VmEm + Vf Ef, где m и f — напряжения в матрице и волокнах соответственно, Vm и Vf — объемные доли материалов Рис. 1. Микроструктура направленно закристаллизованного сплава (Cu–13%Sn)–30%Nb (продольный шлиф).

Пик P2 не наблюдается в чистой меди, но выявляется при кручении проволоки диаметром 0.5 mm композита Cu–25%Nb (рис. 2, кривая 3) уже в цикле ее нагрева, что позволяет отнести его (пик) к волокнам Nb. Вычисления термоактивационных параметров сложного пика Pпроводились по данным резонансных измерений образца (вставка рис. 2) (Cu–8%Sn)–30%Nb по температурному положению соответствующего пика ВТ. Полученные величины энергии активации процесса U = 1.07 eV и предэкспоненты времени релаксации 0 = 2.4·10-14 s типичны для явлений, обусловленных миграцией точечных дефектов. Коэффициент диффузии точечных дефектов оценивался по формуле Эйнштейна D = · a2/, где время релаксации = 0 exp(U/RT), для Nb межплоскостное расстояние a = 3 · 10-10 m, геометрический коэффициент для ОЦК решеток = 1/24 [5]. Вычисленная температурная зависимость коэффициента диффузии точечных дефектов D(T ) =2·10-7 exp(1.07 eV/RT ) m2/s удовлетворительно совпадает с уравнением диффузии кислорода в ниобии, рассчитанным посредством компьютерной оптимизации кривых упругого последействия [6].

Как известно, в случае ”диффузии под напряжением” растворенных атомов в ОЦК решетке (релаксации Снука) можно оценить их концентрацию c по простой формуле Рис. 2. Температурные зависимости ВТ проволок диамеc(%wt) =K· Q-1, p тром 0.5 mm составов (Cu–13%Sn)–30%Nb и Cu–25%Nb:

1 — линия нагрева (Cu–13%Sn)–30%Nb, 2 — линия охлаждев которой Q-1 — высота пика ВТ за вычетом фоp ния (Cu–13%Sn)–30%Nb, 3 — линия нагрева 25%Nb–Cu. На на; K — коэффициент пропорциональности, принимавставке помещены кривые ВТ и квадрата частоты изгибных емый обычно 1. Такой пересчет дает значение конрезонансных колебаний охлаждаемого от 550C композита центрации кислорода O (%wt) в волокнах компози- (Cu–8%Sn)–30%Nb.

8 Журнал технической физики, 1998, том 68, № 116 В.М. Аржавитин, В.Я. Свердлов Наиболее существенный вклад в уровень ВТ статистический механизм возникновения микропластичности может внести в композиционных материалах, компоненты которых значительно различаются механическими свойствами [11].

В первом приближении примем средние av,m и термические напряжения в матрицы совпадающими по порядку величины av,m Vf Ef EmT/VmEm + Vf Ef.

Отсюда, зная параметры термоцикла и пользуясь предыдущей формулой для Q-1, получим искомый нормироРис. 3. Температурная зависимость нормированного предела ванный предел текучести t,m(T )/t,m(20C). Результаты текучести t,m(T )/t,m(20C) оловянных бронз, сопоставимых соответствующих расчетов представлены на рис. 3. Из по концентрации Sn: 1 — расчетный предел текучести бронзы кривых данного графика следует, что зарегистрирован(Cu–13%Sn)–30%Nb, 2 — экспериментальный предел текученому уровню ВТ в диапазоне температур 20-140C сости бронзы БР 014 [4].

ответствует расчетное и экспериментально наблюдаемое изменение предела текучести матрицы приблизительно на 20%.

матрицы и волокон, Em и Ef — их модули Юнга, =(m - f ) — разность коэффициентов термичеЗаключение ского расширения матрицы и волокон, T —разность температур.

В проведенных исследованиях температурно зависиВ случае волокнистых композиций предполагаетмого ВТ направленно закристаллизованных сплавов сися, что напряжения возникают только вдоль оси востемы (Cu–Sn)–Nb выявлены минимум ВТ (175C), локон и постоянны по сечению компонентов. Для скоррелированный по температурному положению с интервала охлаждения 400-100C применительно к ”провалом пластичности” оловянных бронз, а также (Cu–13%Sn)–30%Nb композиту оценка дает значения релаксация Снука в ниобиевых волокнах, связанная с примерно 9 kg/mm2 для бронзовой матрицы и 21 kg/mm2 растворенным в ниобии кислородом. Использованный для ниобиевых волокон. В сумме с напряжениями здесь прием расчета остаточных термических напряже(0.1-1 kg/mm2), при которых производились измерения ний указывает на важную возможность метода ВТ — ВТ, развивающиеся термонапряжения способны вызвать достоверную оценку величины предела текучести матепластическое течение обоих компонент композитов [9] риала матрицы. При условии же существования развипри охлаждении образцов от 400 до температуры 100C той теории акустических потерь на микропластичность, пика P1.

адаптированной к структурам направленного строения, Поскольку объемная доля материала матрицы соста- открывается возможность для количественных расчетов вляет Vm · 100% = 70%, то естественно предположить, температурной зависимости пределов текучести компочто ниже 140C вклад микропластических деформаций нент ”составных” материалов.

матрицы в суммарное ВТ охлаждаемых композитов является доминирующим. В таком приближении можСписок литературы но оценить температурную зависимость относительного предела текучести t,m(T )/t,m(20C) матрицы в интер[1] Портной К.И., Бабич Б.Н., Светлов И.А. Композицивале температур существования пика пластичности P1.

онные материалы на никелевой основе. М.: Металлургия, В теоретической модели, рассматривающей диссипацию 1979.

упругой энергии как функцию вероятности возникнове- [2] Головин С.А., Пушкар А. Микропластичность и усталость ния пластических деформаций в микрообъемах [10], ВТ металлов. М.: Металлургия, 1980.

[3] Suenaga M., Jansen W. // Appl. Phys. Lett. 1983. Vol. 43.

пропорционально отношению степенных зависимостей N 8. P. 791–793.

напряжения в материале к его пределу текучести [4] Никольская И.М., Шпичинецкий Е.С. Металловедение и n-2 обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, Q-1 av,m /tn,,m 1968. С. 7–10.

[5] Кришталл М.А., Головин С.А. Внутреннее трение и где n — константа, зависящая от дисперсии функции структура металлов. М.: Металлургия, 1976. 475 с.

распределения напряжений по микрообъемам, выбран[6] Baratto F.J.M., Reed-Hill R.E. // Scripta Metall. 1977. Vol. 11.

ная для оценочных расчетов равной 3; av,m — среднее N 8. P. 709–712.

напряжение в матрице на поверхности измеряемого [7] Постников В.С., Аммер С.А., Качевский А.Н. // Письма образца; t,m — предел текучести матрицы. в ЖТФ. 1979. Т. 5. Вып. 9. С. 560–563.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Внутреннее трение в направленно закристаллизованных сплавах (Cu–Sn)–Nb [8] Аржавитин В.М., Шаповал Б.И., Свердлов В.Я., Тортика А.С. // ВАНТ. Сер. ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). 1989. Вып. 3(3). С. 66–68.

[9] Тихонов Л.В., Кононенко В.А. и др. Структура и свойства металлов и сплавов (Механические свойства металлов и сплавов). Киев: Наукова думка, 1986. 568 с.

[10] Трощенко В.Т. // ФТТ. 1960. Т. 2. Вып. 6. С. 1060–1063.

[11] Ренне И.И., Юркин И.Н. Внутреннее трение и дислокационная структура металлов. Тула, 1990. С. 79–82.

Журнал технической физики, 1998, том 68, №




© 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.