Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 6, стр. 806-808

ВВЕДЕНИЕ

Исследование деформационных процессов, происходящих в чистых металлах, позволяет определить особенности деформирования, выявить и выделить детали изменения дислокационной структуры, что является информационной базой для математического описания деформационных процессов. В работе [1] изучено влияние деформации на состояние монокристаллов Ni с осью сжатия [100] при комнатной температуре. Полученные результаты исследования дислокационной структуры и ее деталей на разных стадиях деформации [2, 3], показали, что так же, как и в работе [4], обнаружена многостадийность процессов, осуществляющихся в деформируемом материале. Монокристалл Ni при комнатной температуре деформируется сложным образом, проявляя разные стадии и дислокационные структуры. Изменение температуры приводит к изменению деформационных процессов в материалах. Поэтому целью данной работы ставилось исследование кривой деформации монокристаллов Ni с осью сжатия [100], изучение дислокационной структуры на разных стадиях деформации при повышенных температурах (Т = 673 К), сопоставление результатов деформирования при разных температурах и выяснение особенностей температурного воздействия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Монокристаллы никеля выращены методом Бриджмена из никеля марки Н-0. Из монокристаллических слитков электроискровой резкой были вырезаны образцы размером 6 × 6 × 12 мм с осью деформации [100]. Образцы деформировали при температурах Т = 293 и 673 К на испытательной машине типа “Инстрон” сжатием со скоростью 3 ⋅ 10^–4 с^–1, при этом проводилась компьютерная запись кривой деформации. Для изучения дислокационной структуры на просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ-100АК из деформированных монокристаллов Ni изготовлены тонкие фольги. Стадии на кривой деформации выделялись по методике, описанной в работе [5].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведенные при температуре 673 К исследования процессов деформации монокристаллов Ni обнаружили в дислокационной субструктуре три характерные составляющие. Это: 1) неразориентированная ячеистая структура, сопровождающаяся формированием ячеистой структуры с разориентациями между группами ячеек; 2) периодические полосовые структуры; 3) фрагментированные структуры с непрерывными и дискретными разориентациями.

Перечисленные составляющие появлялись также при деформации при комнатной температуре (рис. 1). Таким образом, изменение температуры в пределах области от комнатной до 673 К не приводит к появлению качественно новых субструктур (рис. 1). Основные различия проявляются в том, что происходит изменение параметров дислокационных субструктур, их доли и величин степени деформации, при которых они появляются.

Рис. 1.

Виды дислокационных субструктур: а, б – ячеистая дислокационная субструктура; в, г – полосовая дислокационная субструктура; д, е – фрагментированная дислокационная субструктура. Монокристалл Ni ориентация [100].

Наблюдаемые кривые деформации монокристаллов Ni с осью сжатия [100], полученные деформированием как при температуре 673 К, так и при комнатной, измеренные доли сформировавшихся в процессе деформации субструктур в зависимости от величины деформации показаны на рис. 2.

Рис. 2.

а – Кривые деформационного упрочнения: 1 – Т = 293 К, 2 – Т = 673 К; б, в – дислокационные субструктуры (доли субструктур: 1 – доля ячеистой субструктуры, 2 – доля полосовой субструктуры, 3 – доля фрагментированной субструктуры в зависимости от степени деформации при Т = 293 К (б), Т = = 673 К (в).

Дислокационные структуры, наблюдаемые на разных стадиях деформации сопоставлены с кривыми деформации монокристаллов Ni с осью сжатия [100], полученными деформированием при температурах 673 и 293 К (рис. 2а). Обнаружено, что с начала пластической деформации при обеих температурах формируется ячеистая субструктура. Уже на стадии линейнoro упрочнения ячеистая структура отчетливо сформирована и полностью заполняет объем деформируемого кристалла (рис. 2б – кривая 1; 2в – кривая 1). Эта структура характерна и для стадии III деформационного упрочнения. При переходе к стадии IV происходит формирование полосовой субструктуры. При этом наблюдается исчезновение стенок предшествующей ячеистой структуры.

Повышение температуры приводит к тому, что зарождение полосовой структуры начинается при более низких степенях деформации и плотностях дислокаций. Так, при Т = 673 К уже при деформации ε = 0.15 и плотности дислокаций ρ = 0.6 ⋅ 10¹⁴ м^–2 возникает полосовая структура, в то время как при Т = 293 К она появляется при деформации ε = 0.23 и плотности дислокаций ρ = 1.4 ⋅ 10¹⁴ м^–2 (рис. 2б – кривая 2; 2в – кривая 2).

Дальнейшее развитие деформации приводит к возрастанию доли полосовых структур. Однако, если при комнатной температуре при деформациях ε = 0.5–0.7 полосовые структуры являются основным элементом, и их объемная доля достигает 0.8–0.9, то при температуре Т = 673 К их доля не превышает 0.5. Протяженность интервала деформаций, в котором наблюдаются полосовые структуры, мало зависит от температуры, при комнатной температуре и Т = 673 К она составляет около ∆ε = 1.0.

Последующее увеличение степени деформации приводит к постепенному возрастанию доли фрагментированной структуры (рис. 2б – кривая 3; 2в – кривая 3), которая при Т = 673 К появляется уже при деформации ε = 0.5, в то время как при Т =  293 К возникает только при деформации ε =0.8. Полное заполнение объема кристалла фрагментированными структурами достигается при $\varepsilon \geqslant 1.3$ (Т = 673 К) и $\varepsilon \geqslant 1.6$ (Т = 293 К).

Переход от одной к другой субструктуре сопровождается изменениями характеристик внутри каждой дислокационной субструктуры в процессе деформирования. Сопоставим изменение параметров наблюдаемых субструктур с возрастанием степени деформации при обеих температурах и изучим влияние температуры на эти изменения. Параметры дислокационных субструктур, такие как средние размеры областей ячеек, полос, фрагментов, их величины приведены на рис. 3.

Рис. 3.

Зависимости параметров дислокационных структур от степени деформации: а – ячеистой (средний размер ячеек); б – полосовой (средняя ширина полос); в – фрагментированной (средний размер фрагментов) 1 – при Т = 293 К и 2 – при Т = 673 К.

С увеличением степени деформации при обеих температурах происходит монотонное уменьшение среднего размера ячеек. Наиболее интенсивное изменение размера ячеек наблюдается до деформаций $\varepsilon \approx 0.5.$ При дальнейшем деформировании их изменение незначительно. Подобное поведение зависимости размеров ячеек от степени деформации наблюдается и при Т = 673 К (рис. 3а). Однако повышение температуры приводит к увеличению размеров ячеек.

Возникающая к концу III стадии деформационного упрочнения полосовая структура имеет исходный размер полос, приближенно равный 1.0 мкм. С увеличением степени деформации ширина полос уменьшается, проявляя тенденцию к достижению стабильных значений (рис. 3б). При обеих температурах деформирования возникающие полосы имеют одинаковые размеры, но при развитии процесса при повышенных температурах их размеры уменьшились в меньшей степени.

Что касается фрагментированной структуры, возникающей при ε ≥ 0.7, то ее средние размеры возрастают от величин 0.75 мкм с момента возникновения до ~1.0 мкм при комнатной температуре (рис. 3в). При Т = 673 К возникшая после ε ≥ 0.5 фрагментированная структура имеет средние размеры ~1.5 мкм, не изменяющие свою величину при увеличении степени деформации.

Сопоставление процессов и наблюдаемых особенностей деформации при обеих температурах показало, что при повышенных температурах закономерности подобны тем, которые наблюдаются в материале, деформированном при комнатной температуре. Прежде всего, типы дислокационных субструктур и их последовательность одинаковы. Однако стадии деформации, разные типы субструктур при увеличении температуры возникают при меньших степенях деформации. Средние размеры элементов дислокационных субструктур характеризуются тем, что повышение температуры деформации приводит к увеличению размеров ячеек, полос и фрагментов.

Исследование выполнено частично при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-03-00182-а.