WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 9 05;12 Реализация двойникования при термоциклировании монокристаллов висмута © О.М. Остриков Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого, 246746 Гомель, Белоруссия (Поступило в Редакцию 1 ноября 1999 г. В окончательной редакции 5 мая 2000 г.) Изучена роль двойникования в реализации пластической деформации монокристаллов висмута при термоциклировании, заключающемся в периодическом охлаждении кристаллов до 77 K и их нагреве до 373 K.

Установлена стадийность развития двойников при термоциклировании монокристаллов висмута.

Эксплуатация технических материалов часто проис- одинаковы и, являясь частичными дислокациями Шокли, ходит в режиме термоциклирования. Например, при отличаются друг от друга лишь величиной и направлепуске двигателя внутреннего сгорания трущиеся ме- нием вектора Бюргерса.

таллические детали нагреваются, а при его остановке Монокристаллы висмута выращивались методом охлаждаются. Термические напряжения, возникающие Бриджмена из сырья частотой 99.999 %. Образцы внутри материала при таких условиях его эксплуатации, размером 4 5 10 mm получались путем раскола приводят к изменению его дислокационной структуры, монокристалла вдоль плоскости спайности (111).

что порой является причиной разрушения. Поэтому Благодаря слоистой структуре монокристаллов висмута изучение влияния термоциклирования, заключающегося и хорошо выраженной в нем спайности поверхность в периодическом нагреве и охлаждении кристалла, на раскола не требовала дополнительной обработки для помеханические свойства твердых тел является важной следующего ведения металлографических исследований.

технической задачей. С физической точки зрения пред- Образцы подвергались действию термических напряставляет интерес изучение процессов, протекающих в жений в результате термоциклирования, заключавшемся кристалле при указанных условиях воздействия на него в охлаждении образцов до 77 K в жидком азоте и послетепловых потоков. дующем нагреве до 373 K в кипящей воде. Один цикл Релаксация внутренних напряжений в кристалле, об- нагрева и охлаждения длился 40 s.

условленных изменением температуры, не всегда про- В ходе исследования с помощью оптического микроисходит путем реализации скольжения. В ряде техни- скопа прибора ПМТ-3 измерялись размеры двойников, фиксировалось время начала их зарождения.

чески важных материалов, таких как, например, -Fe, Fe+3.5% Si, Ti, AlTi и т. д., релаксация термических напряжений может происходить и за счет двойникования.

Результаты эксперимента А так как двойникование часто связывают с появлением и их обсуждение в кристалле микротрещин [1–3], то изучение процессов зарождения двойников при термоциклировании может На рис. 1 представлена зависимость плотности позволить решить задачу о повышении срока эксплуадвойников типа {110} 001 на поверхности (111) монотации технических материалов.

кристалла висмута от числа n термоциклов. Причем Целью данной работы явилось построение физической картины релаксации термических напряжений в моноN =, (1) кристаллах висмута и установление роли двойникования S в данном процессе.

где N — число двойников на площадке S поверхности (111) монокристалла висмута.

Выбор материала и методика Как видно из рис. 1, для кривой зависимости = (n) эксперимента характерны три стадии: ”инкубационный” период (n1), который длится от нуля до 25 циклов; рост числа двойВ качестве объекта исследования был выбран висмут ников (n2), длительность этой стадии 25–200 циклов;

как модельный материал [4–6], удобный для достижения насыщение (n3) при n > 200.

поставленной цели (данный материал подвержен двойни- Для ”инкубационного” периода характерно накопле кованию и не требует большого перепада температур для ние дислокаций, соответствующих плоскостям {111}.

начала зарождения двойников). При этом закономерно- С течением времени процесс генерации дислокаций сти двойникования, установленные на данном материале, типа {111} существенным образом затрудняется из-за могут быть перенесены и на другие металлы, так как по возникновения со стороны образовавшихся дислокаций существу двойникующие дислокации во всех кристаллах напряжений ”запирающих” источники дислокаций. Это 138 О.М. Остриков (рис. 2) происходило не только в результате возрастания количества двойников, но и увеличения их длины и ширины. Следует отметить, что изменение размеров двойников в этом случае происходило под действием знакопеременных термических напряжений, в результате периодического нагрева и охлаждения образцов. Изучению влияния знакопеременных напряжений на кинетику двойникования монокристаллов висмута посвящен цикл работ В.И. Башмикова и сотрудников [7–11]. В этих работах были изучены такие явления, как эффект Баушингера и упрочнение двойниковых границ. Согласно Рис. 1. Зависимость плотности двойников на поверхности результатам работ [10,11], после определенного числа (111) монокристаллов висмута от числа и циклов нагрева и циклов нагружения и разгрузки кристалла двойнковые охлаждения.

границы перестают перемещаться в нормальном к ним направлении. То же происходит и при термоциклировании. Достигнув 20 µm (порой и до 40 µm) длины и 5 µm ширины, двойники перестают развиваться. Это происходит после 200 термоциклов.

Таким образом, в стации роста двойников при термоциклировании монокристаллов висмута можно выделить три этапа (рис. 2) с характерными для них процессами двойникования.

1. Зарождение двойников. Для этого этапа характерно расщепление полных дислокаций систе мы {111} на частичные двойникующие с сопутствующим образованием границ раздела двойник–материнский кристалл. Этот процесс, как правило, имеет место благодаря образовавшимся в ходе ”инкубационного” периода Рис. 2. Зависимость относительной площади, занимаемой двойниками на поверхности (111) монокристалла висмута, от скоплений дислокаций {111}. На фоне наличия терми числа термоциклов. 1–3 — этапы развития двойникования.

ческих напряжений и затруднения скольжения в {111}, напряжения в таких скоплениях дислокаций могут релаксировать либо за счет реализации базисного скольжения в (111), либо в результате генерации двойникующих дисприводит к энергетической выгоде процесса двойниковалокаций типа {110} 001. Последний процесс энергетиния, фактор Шмида которого, как это было указано выше, чески более выгоден благодаря более высокой величине близок к этому же фактору для скольжения в {111}.

фактора Шмида и суперпозиции термических напряжеИнтересно заметить, что двойникование в большин ний и напряжений, обусловленных дислокациями {111}.

стве случаев проявляется при затруднении скольжения 2. Рост числа двойников и их развитие. Увеили запрете на него. В качестве таких запретов общеизличение количества двойников на этом этапе обусловлевестны такие, как ориентационный, затруднение скольно не только термическими и дислокационными напряжения при низких температурах или при наличии в крижениями, но и напряжениями, создаваемыми в кристалсталле примесей. В данной случае двойникование инициле некогерентными двойниковыми границами. Развитие ировано энергетически выгодным скольжением в {111}.

двойников при этом происходит преимущественно за На рис. 2 приведена зависимость относительной плосчет трансляции двойникующих дислокаций вдоль гощади двойников S1/S, занимаемой на площадке S потовых двойнковых границ, что способствует не только верхности (111), от числа термоциклов n. Величина S1 смещению вершин двойников, но и росту двойников в определялась как сумма произведений длины и ширины нормальном направлении.

отдельных двойников. Измерение данных параметров 3. Н а с ы щ е н и е д в о й н и к о в а н и я. Стабилизация производилось на поверхности (111) монокристалла вис- двойниковой картины на поверхности (111) монокримута. Вид зависимости S1/S = f (n) такой же, как и сталла висмута и выход кривой S1/S = f (n) на насыще = (n), однако трактовка результата, представленного ние обусловлено упрочнением двойниковых границ изна рис. 2, несколько иная. Во время ”инкубационно- за образования возле них сидячих дислокаций, которые го” периода двойников на поверхности не наблюдалось. согласно [12], появляются в результате реакции Процесс роста S1 на начальном этапе после 25 циклов [101]0.92 +[011]3.08 [110]3.08, (2) осуществлялся преимущественно за счет увеличения числа двойников, длина которых составляла до 10 µm, где около индексов векторов Бюргерса (справа внизу) шириной до 2–3 µm. Дальнейшее возрастание S1/S дано отношение квадрата величины вектора Бюргерса к Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Реализация двойникования при термоциклировании монокристаллов висмута Заключение Таким образом, в результате исследования влияния термоциклирования на двойникование монокристаллов висмута установлена стадийность как в развитии двойников, так и в реализации пластической деформации.

Список литературы [1] Финкель В.М., Королев А.П., Савельев А.М., Федоров В.А. // ФММ. 1979. Т. 48. № 2. С. 415–423.

[2] Федоров В.А., Финкель В.М., Плотников В.П. // Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов. Тула: Тульский политехнический институт, 1979.

С. 143–148.

Рис. 3. Схема направления действия упругих сил g границы [3] Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970.

двойника по отношению к двойниковой границе и плоскости [4] Остриков О.М. // ФММ. 1998. Т. 86. № 6. С. 106–109.

спайности (111). 1 — двойник, 2 — материнский кристалл, [5] Остриков О.М. // ФММ. 1999. Т. 87. № 1. С. 94–96.

L — длина двойника, h — его ширина.

[6] Остриков О.М. // ИФЖ. 1999. Т. 72. № 3. С. 592–594.

[7] Башмаков В.И., Солдатов В.П. // ФММ. 1963. Т. 16. № 5.

С. 768–775.

[8] Башмаков В.И., Яковенко Н.Г. // ФММ. 1968. Т. 26. № 4.

квадрату параметра решетки кристалла, т. е. относительС. 606–609.

ная энергия дислокации. При этом взаимодействующие [9] Башмаков В.И., Яковенко Н.Г. // Изв. вузов. Физика. 1969.

дислокации располагаются в плоскостях (111) и (111), а № 1. С. 48–51.

результирующая дислокация — в (001). [10] Башмаков В.И., Босин М.Е., Лаврентьев Ф.Ф., Папи ров И.И. // Проблемы прочности. 1974. № 1. С. 80–84.

Таким образом, как и скольжение по {111}, двойни[11] Bashmakov V.I., Bosin M.E., Pachomov P.L. // Phys. St. Sol.

кование также насыщается (рис. 1). На смену двой1972(a). Vol. 9. P. 69–77.

никования приходит базисное скольжение в (111), ко[12] Лаврентьев Ф.Ф. // ФММ. 1964. Т. 18. № 3. С. 428–436.

торое характерно также и для третьего этапа развития двойникования. Роль термических напряжений в этом случае косвенная ввиду ориентационного запрета на рассматриваемый сейчас способ реализации пластической деформации. Инициаторами базисного скольжения в данном случае (как и в случае последнего этапа двойникования) выступают напряжения скоплений дис локаций системы {111} и двойниковые границы. На рис. 3 показано направление действия упругих сил g двойниковой границы по отношению границе двойника и плоскости спайности (111). Угол на рис. 3 в зависимости от длины L и ширины h двойника имеет величину порядка 10, т. е. фактор Шмида для базисного скольжения, инициируемого двойниковой границей, имеет порядок 0.2.

Очевидно, что базисное скольжение спустя определенное количество циклов также насыщается. Интенсификации этого процесса способствуют двойниковые границы, которые для базисного скольжения выступают стопорами. Это приводит к созданию благоприятных условий для зарождения микротрещин.

Следует отметить, что у недвойникующихся материалов процессы образования трещин при термоциклировании могут реализовываться раньше, чем у двойникующихся, за счет отсутствия затрат энергии на зарождение и развитие двойников. В этом случае двойникование можно рассмаривать как резерв пластичности материала, увеличивающий время начала зарождения трещин.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 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.