Физика металлов и металловедение, 2020, T. 121, № 5, стр. 494-500

ВВЕДЕНИЕ

Структурные изменения в меди при больших квазистатических деформациях исследованы во многих работах [1–5]. Деформация меди происходит преимущественно скольжением [1–5]. Хорошо известно, что увеличение скорости деформации, как и уменьшение температуры, приводит к смене механизма деформации меди от скольжения к двойникованию [6, 7]. В частности, при нагружении ударными волнами с амплитудой давления более 20 ГПа в меди образуются двойники [7, 8]. В обстоятельной работе [9] приведены данные о влиянии ударно-волнового нагружения на деформационную структуру меди. Амплитуда давления варьировалась от 12 до 60 ГПа за счет изменения мощности воздействия лазером. При давлении более 20 ГПа наряду с деформационными ячейками образовались микродвойники. В работе [10] при нагружении меди сферически сходящимися ударными волнами также были найдены микродвойники.

Необходимо различать деформацию под действием ударных волн (без изменения размеров образцов) и деформацию, вызванную ударными волнами с последующей большой пластической деформацией. Первая, как принято считать, приближенно соответствует небольшой обычной пластической деформации на ~30% [7]. Вторая включает ударно-волновую деформацию и высокоскоростную деформацию сжатия или сдвига, которая может быть очень большой, интенсивной. Например, при динамическом канально-угловом прессовании [11] или при сварке взрывом [12] на материал действует ударная волна, которая вызывает пластическое течение. Схождение оболочек под действием взрыва также состоит из действия ударной волны и пластической деформации сжатия при инерционном движении оболочки к центру симметрии [13, 14]. В работе [14] были исследованы деформационные и термические процессы, которые происходят в меди при схождении массивной цилиндрической оболочки под действием взрыва. В поперечном сечении полученного при схождении цилиндра образовалась широкая зона пластической деформации. Цель настоящей работы заключается в исследовании структуры, сформировавшейся в этой зоне при высокоскоростной пластической деформации.

МЕТОДИКА

Массивная цилиндрическая оболочка из меди М1 наружным диаметром 130 мм и толщиной стенки 5.9 мм была окружена цилиндрическим слоем взрывчатого вещества (ВВ) толщиной 40 мм. Слой ВВ был окружен корпусом, который задерживал разлет продуктов взрыва и увеличивал время действия высокого давления. Инициирование взрыва осуществляли с торца слоя ВВ с помощью кольцевой системы инициирования. После инициирования ВВ вдоль медной оболочки распространялась скользящая детонационная волна, под действием которой происходило схождение оболочки к оси симметрии. В результате схождения был получен сплошной цилиндр диаметром 58 мм [14]. В поперечном сечении цилиндра образовались три кольцевые зоны, свидетельствующие об осесимметричном характере радиальной деформации. Наружная кольцевая зона (зона деформации) занимает большую часть сечения, распространяясь от поверхности цилиндра до радиуса 8 мм. Далее к центру располагались зоны рекристаллизации и кристаллизации [14]. В зоне деформации истинная деформация изменялась от 0.8 на поверхности до 2.0 на внутренней границе зоны, средняя скорость деформации была порядка 10⁴ с^–1, температура на поверхности была 200°С, на границе зоны – 500°С [14].

Деформация при схождении происходит под действием скользящей ударной волны с амплитудой давления ~10 ГПа и последующей высокоскоростной деформации сжатия при инерционном движении оболочки [13, 14]. Чтобы отделить действие ударной волны от деформации сжатия, выполнили эксперимент по нагружению меди плоской ударной волной. Цилиндр диаметром 14 мм и высотой 15 мм нагружали метаемой пластиной. Ударный импульс на тыльной стороне цилиндра имел треугольную форму с амплитудой давления 36 ГПа и длительностью 2.8 мкс. Остаточная истинная деформация была невелика (е = 0.3) по сравнению с деформацией в кольцевой зоне схлопнутого цилиндра. Так как деформация при схождении оболочки происходила преимущественно в радиальном направлении, структуру исследовали на поперечном сечении схлопнутого цилиндра. Шлифы и фольги были приготовлены из зоны деформации на расстоянии ~9 мм от поверхности цилиндра. На этом расстоянии истинная деформация была 1.2, скорость деформации – 4 × 10⁴ с^–1, температура – 250°С. Металлографические исследования выполняли на микроскопе EPITYP 2, EBSD анализ – на растровом микроскопе Quanta 200, фольги просматривали на микроскопе JEM 200CX, микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.98 Н.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ударно-волновое нагружение малого цилиндра привело к образованию двойников и повысило микротвердость от 600 до 1350 МПа. На рис. 1 приведен металлографический снимок типичных деформационных двойников. Двойники имеют малую толщину (менее 5 мкм); образуются в каждом зерне по нескольким системам, при этом либо пересекаются, либо останавливаются при встрече с двойником другой системы.

Рис. 1.

Деформационные двойники в малом цилиндре, нагруженном плоской ударной волной.

Электронно-микроскопическое исследование показало, что наряду с отдельными двойниками толщиной ~300 нм образуются пакеты, состоящие из более тонких двойников (рис. 2а). На рис. 2в представлен пакет из семи однотипных нанодвойников, каждый толщиной от 50 до 100 нм. Направление следа плоскости двойникования (НСД) соответствует следу плоскости двойникования (111) для данной ориентировки.

Рис. 2.

Пакет нанодвойников и отдельный двойник в малом цилиндре. Структура (а), микродифракция: оси зон [332], $[\bar {5}{\kern 1pt} \bar {2}{\kern 1pt} \bar {1}]$ (б), темное поле в рефлексе $(1\bar {1}{\kern 1pt} \bar {3})$, стрелка “в” (в). НСД – направление следа плоскости двойникования.

В схлопнутом цилиндре в зоне деформации микротвердость повысилась до 1250 МПа [14]. Металлографическое исследование показало, что действие ударной волны на оболочку и последующая высокоскоростная деформация при схождении оболочки создали сложную деформационную структуру с образованием многочисленных двойников. Толщина двойников больше, чем в малом цилиндре.

На рис. 3 представлены примеры двойников, образовавшихся по нескольким системам. Двойники бывают как прямолинейными (рис. 3а), так и искривленными (рис. 3б). Очевидно, что искажение двойников происходит при деформации скольжением, когда разные участки двойника смещаются один относительно другого.

Рис. 3.

Прямолинейные (а) и искривленные (б) деформационные двойники в схлопнутом цилиндре. Искривленные двойники указаны стрелками.

Отсюда следует, что деформация двойникованием в данных участках опережает деформацию скольжением. Подчеркнем, что в малом цилиндре искривленные двойники отсутствуют, все двойники прямолинейные. В зернах, ориентировка которых неблагоприятна для деформации двойникованием, происходит скольжение. Пример участка структуры, в котором отсутствуют двойники, но видны многочисленные следы скольжения, представлен на рис. 4.

Рис. 4.

Деформация скольжением, двойники отсутствуют.

Снимки структуры, полученные на растровом электронном микроскопе, показали (рис. 5а), что наблюдается чередование светлых и темных вытянутых в радиальном направлении областей (мезополос) шириной ~50 мкм. В цветном изображении светлые области на рис. 5а выглядят одноцветными, темные состоят из мелких разноцветных зерен. Распределение зерен и ячеек по размерам приведено на рис. 5в. Условимся, что зерна имеют разориентацию более 15 градусов, ячейки – менее 15 градусов. На рис. 5б представлена карта распределения границ таких зерен и ячеек в структуре. Малоугловые границы (менее 15 градусов) показаны серым цветом, большеугловые – черным. Сравнение рис. 5а и 5б показывает, что темные области состоят из зерен с большой разориентацией, а светлые области из ячеек с малой разориентацией. На рис. 5г приведена гистограмма распределения границ зерен и ячеек по углам разориентировки. Видно, что доля зерен и ячеек примерно одинакова. Естественно считать, что области с двойниками и пакетами двойников, испытавшие дальнейшую деформацию, содержат зерна с большими углами разориентировки.

Рис. 5.

Ориентационная EBSD-карта (а), карта распределения границ в структуре, границы ячеек с разориентировкой до 15° обозначены серым цветом, большеугловые границы зерен – черным (б), гистограммы распределения зерен (ячеек) по размеру (в) и границ по углам разориентировки (г).

Электронно-микроскопическое исследование дало дополнительную информацию о структуре двойников. Неискаженные прямолинейные двойники толщиной 50–100 нм располагаются отдельно друг от друга (рис. 6). Более тонкие двойники, имеющие толщину 15–40 нм, образуют пакеты (рис. 7). Матрица между двойниками содержит высокую плотность дислокаций (рис. 6). Направление следа плоскости двойникования в пакете, как и в случае малого цилиндра, соответствует следу плоскости двойникования (111) для данной ориентировки (рис. 7).

Рис. 6.

Отдельные прямолинейные двойники в схлопнутом цилиндре. Темнопольное изображение в рефлексе матрицы.

Рис. 7.

Пакеты нанодвойников в схлопнутом цилиндре. Светлопольное изображение (а), темнопольное изображение в рефлексе двойника (б), микродифракция (в). НСД – направление следа плоскости двойникования.

Наблюдение искаженных двойников усложнено из-за их кривизны. На рис.8 приведено темнопольное изображение искаженных двойников. Границы двойников не прямолинейные, тем не менее можно провести направление следа плоскости двойникования. Оно отклонено от следа плоскости двойникования неискаженного двойника на 12 градусов (рис. 8б, 8в). Согласно критерию Брендона [15] отклонение не может быть более 8 градусов. Значит, при деформации вначале образовался двойник, а затем произошло изменение его положения по отношению к матрице и отклонение от “правильной” ориентировки. В результате граница двойника превратилась в большеугловую границу произвольной ориентации.

Рис. 8.

Искаженные деформационные двойники. Темнопольное изображение в рефлексе двойника (а), микродифракция: оси зон матрицы [221] и двойника [121], НСД – направление следа плоскости двойникования (б), стандартная схема электронограммы, толстая линия – НСД (в).

В тех участках, где отсутствуют двойники, образовалась слабо разориентированная ячеистая дислокационная структура. Ячейки могут быть равноосными (рис. 9а) или удлиненными (рис. 9б). Размер ячеек варьирует в широких пределах от 0.3 до 1 мкм. Размер ячеек несколько меньше, чем на рис. 5, так как ячейки с разориентацией меньше двух градусов не различаются при нашем исследовании на растровом электронном микроскопе. Ячейки имеют широкие размытые границы с малыми углами разориентации. Таким образом, в зоне деформации можно выделить два типа структуры: области с двойниками, содержащими зерна с разориентацией более 15 градусов, и области с деформационными ячейками, имеющими малоугловые границы.

Рис. 9.

Ячеистая дислокационная структура. Равноосные (а) и удлиненные (б) ячейки.

ВЫВОДЫ

1. Исследована деформационная структура в меди, образовавшаяся при схождении массивной цилиндрической оболочки в цилиндр. Оболочка в зоне деформации подвергалась высокоскоростной деформации (~10⁴ 1/с) с большими значениями истинной деформации (е изменялась от 0.8 до 2.0).

2. При деформации образовались структуры двух типов: области (мезополосы) с двойниками, содержащими зерна с разориентацией более 15 градусов, и области с деформационными ячейками, имеющими малоугловые границы.

3. Двойники, возникшие на ранних стадиях деформации, искажаются при дальнейшей деформации: искривляются их прямолинейные границы, нарушается ориентационная связь с матрицей, при этом образуются большеугловые границы произвольной ориентации.

4. В малом цилиндре, подвергнутом действию ударной волны, искривленные двойники отсутствуют, наблюдаются тонкие прямолинейные двойники и пакеты нанодвойников. Мезополосы также не наблюдаются.

Работа выполнена в рамках темы “Структура” (№ АААА-А18-118020190116-6).