1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 84, № 12, 2020

Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 12, стр. 1825-1828

Энергия активации пластической деформации монокристаллов Ni3Ge с разными ориентациями оси сжатия

Ю. В. Соловьева 1, С. В. Старенченко 1, *, В. А. Старенченко 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Томский государственный архитектурно-строительный университет
Томск, Россия

* E-mail: sve-starenchenko@yandex.ru

Поступила в редакцию 18.06.2020
После доработки 10.07.2020
Принята к публикации 27.07.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены результаты термоактивационного анализа пластической деформации монокристаллов интерметаллида Ni3Ge. Определены значения эффективной энергии активации пластической деформации для разных температур испытания. Рассматривается влияние ориентации монокристалла на величину эффективной энергии активации. Исследования проведены для кристаллов деформированных вдоль оси [100] и [$\bar {2}$34].

ВВЕДЕНИЕ

Пластическая деформация кристаллических тел является термически активируемым процессом, связанным с перестройкой атомной структуры кристалла под действием термических флуктуаций. Термоактивационный анализ пластического поведения материалов, в основе которого лежит рассмотрение движения дислокации под действием приложенных напряжений, широко используется для чистых металлов. Здесь учитывается то, что когерентные атомные флуктуации способствуют приложенному напряжению продвигать дислокацию через препятствия [1]. Основные методики получения термоактивационных характеристик хорошо известны и подробно описаны в [2]. Одним из экспериментальных методов измерения энергии активации является метод, в котором используются данные двух типов опытов: это опыты по вариации скорости деформации [3] и опыты по вариации температуры [4].

Стандартная формула для расчета энергии активации, применяемая в данном методе:

(1)
$U = k{{T}^{2}}{{\left( {\frac{{{\Delta ln}\dot {\varepsilon }}}{{{\Delta }{{{\tau }}_{1}}}}} \right)}_{T}}{{\left( {\frac{{{\Delta }{{{\tau }}_{2}}}}{{{\Delta }T}}} \right)}_{{\dot {\varepsilon }}}},$
где $\Delta {{\tau }_{1}}$ – скачок напряжений в результате изменения скорости деформации ${\Delta ln}\dot {\varepsilon }$ при неизменной температуре Т, $\Delta {{\tau }_{2}}$ – скачок напряжений в результате изменения температуры при неизменной скорости деформации $\dot {\varepsilon }{\text{.}}$

К сплавам со сверхструктурой L12, известных аномальной температурной зависимостью механических свойств, приемы термоактивационного анализа, разработанные для чистых металлов, неприменимы в силу специфических особенностей, возникающих при испытании в условиях вариации температуры и скорости деформации. В этом случае температура оказывает двоякое влияние на сопротивление движению дислокации. С одной стороны, когерентные атомные флуктуации способствуют приложенному напряжению продвигать дислокации через препятствия. С другой стороны, те же когерентные флуктуации способствуют самоблокировке сверхдислокаций. Возникает необходимость разделения механизмов, дающих аномальный и нормальный вклады в изменение различных характеристик пластической деформации. Как показано нами при анализе опытов по вариации скорости деформации и температуры в случае сплавов со сверхструктурой L12 такое разделение возможно [5–8].

Определение энергии активации механизмов, дающих нормальные вклады в изменение напряжений течения при вариации температуры и скорости деформации для интерметаллидов со сверхструктурой L12, затруднено. Связано это, прежде всего, с очень низкой скоростной чувствительностью предела текучести и напряжений течения в области температурной аномалии механических характеристик. Низкие значения скачка напряжений при вариации скорости деформации (в некоторых случаях имеющие нулевые и отрицательные значения), измеряемые по стандартной методике, и аномальная температурная зависимость напряжений течения, приводят к невозможности определения энергии активации. Развиваемый в настоящей работе подход, в основе которого лежит идея необходимости разделения механизмов деформации на механизмы характерные для чистых металлов и механизмы специфические для сплавов со сверхструктурой L12, позволяет применить методы стандартного термоактивационного анализа к сплавам с положительной температурной зависимостью механических характеристик. Согласно этому подходу, для того чтобы получить значение энергии активации механизмов, дающих нормальные вклады в изменение напряжений течения в сплавах со сверхструктурой L12, формулу (1) необходимо модифицировать:

(2)
$U = k{{T}^{2}}{{\left( {\frac{{{\Delta ln}\dot {\varepsilon }}}{{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}}}} \right)}_{T}}{{\left( {\frac{{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor2}}}}}{{{\Delta }T}}} \right)}_{{{\dot {\varepsilon }}}}},$
где ${\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}$ – доля нормальной составляющей скачка напряжений, полученной в результате вариации скорости деформации ${\Delta ln}\dot {\varepsilon }$ при неизменной температуре Т, связанная с преодолением дислокационных стопоров ${\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}$ [5, 6], ${\Delta }{{{\tau }}_{{nor2}}}$ – нормальная составляющая скачка напряжений в результате изменения температуры на ${\Delta }T$ при неизменной скорости деформации $\dot {\varepsilon }$ [7, 8].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Сплав состава 75 ат. % Ni и 25 ат. % Ge, выплавлен в печи сопротивления в вакууме из никеля марки Н–0 и Ge высокой чистоты (99.999). Из полученного сплава в атмосфере очищенного аргона по методу Чохральского выращен монокристаллический слиток, из которого вырезались электроискровым методом образцы для сжатия, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда, размером 3.0 × 3.0 × 6.0 мм3. Деформацию осуществляли путем одноосного сжатия монокристаллов сплава Ni3Ge с осью деформации, совпадающей с направлениями [001] и [$\bar {2}$34].

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ ОРИЕНТАЦИИ [001]

Выбор направления оси сжатия обуславливает разные механизмы скольжения дислокаций. При ориентации монокристалла вдоль оси [001] сжатие активирует октаэдрическое скольжение дислокаций. Оценим величины энергии активации механизмов, дающих нормальные вклады в изменение напряжений течения, для данной ориентации при разных температурах.

Температура 293 К

Для вычисления энергии активации механизмов, дающих нормальный вклад в изменение сдвиговых напряжений при температуре 293 К, использованы данные по вариации температуры деформации от комнатной к повышенным температурам [5, 6]. Было выяснено, что отношение нормальной составляющей скачка напряжений к изменению температуры (${{\Delta {{\tau }_{{nor2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta {{\tau }_{{nor2}}}} {\Delta T}}} \right. \kern-0em} {\Delta T}}$) имеет одинаковые значения вне зависимости от величины скачка температуры $\Delta Т$ и зависит только от напряжения. На графике, на рис. 1а видно, что экспериментальные значения ${{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor2}}}} {{\Delta }T}}} \right. \kern-0em} {{\Delta }T}}$ связаны линейно с величиной деформирующего напряжения: ${{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor2}}}} {{\Delta }T}}} \right. \kern-0em} {{\Delta }T}}$ = ${\text{tg\;}}{\kern 1pt} {{\alpha }_{2}}\left( {\tau - {{\tau }_{0}}} \right).$ Данные, полученные в опытах по вариации скорости деформации на монокристаллах Ni3Ge ориентации [001] при комнатной температуре [7, 8], также были использованы для вычисления энергии активации.

Рис. 1.

Зависимость отношения величины нормальной составляющей скачка напряжений к величине изменения температуры (${{\Delta {{\tau }_{{nor2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta {{\tau }_{{nor2}}}} {\Delta T}}} \right. \kern-0em} {\Delta T}}$) от деформирующего напряжения в монокристаллах Ni3Ge: (а) ориентация [001], вариация температуры от 293 до 773 К; (б) ориентация [001], вариация температуры от 673 до 773 К; (в) ориентация [$\bar {2}$34], вариация температуры от 473 до 673 К.

Величина ${{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}} {\ln ({{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}})}}} \right. \kern-0em} {\ln ({{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}})}}$ зависит линейно от приложенного напряжения при комнатной температуре, как показано на рис. 2а:

${{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}} {\ln {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}}}} \right. \kern-0em} {\ln {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}}} = {\text{tg\;}}{\kern 1pt} {{{\alpha }}_{1}}\left( {{\tau } - {{{\tau }}_{0}}} \right).$
Рис. 2.

Зависимость величины нормальной составляющей скачка напряжений от деформирующего напряжения в монокристаллах Ni3Ge: (а) ориентация [001], вариация скорости деформации от ${{\dot {\varepsilon }}_{1}}$ = 5.5% мин–1 до ${{\dot {\varepsilon }}_{2}} = 0.4\% \,\,{\text{ми}}{{{\text{н}}}^{{ - 1}}},$ Т = 293 К; (б) ориентация [001], вариация скорости деформации в 100 и в 500 раз (${{\dot {\varepsilon }}_{2}} = 0.4\% \,\,{\text{ми}}{{{\text{н}}}^{{ - 1}}}$), Т = 673 К; (в) ориентация [$\bar {2}$34], вариация скорости деформации от ${{\dot {\varepsilon }}_{1}} = 5.5\% \,\,{\text{ми}}{{{\text{н}}}^{{ - 1}}}$ до ${{\dot {\varepsilon }}_{2}} = 0.4\% \,\,{\text{ми}}{{{\text{н}}}^{{ - 1}}},$ Т = 473 К.

Линейная зависимость величин ${{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\Delta }{{{\tau }}_{{nor1}}}} {\ln ({{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}})}}} \right. \kern-0em} {\ln ({{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{2}}} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{{\dot {\varepsilon }}}}_{1}}}})}}$ и $\frac{{\Delta {{\tau }_{{nor2}}}}}{{\Delta T}}$ от деформирующего напряжения означает независимость энергии активации от величины приложенных напряжений, которая может быть вычислена графически:

$\begin{gathered} U = k{{T}^{2}}\frac{{{\text{tg}}{{\alpha }_{2}}}}{{{\text{tg}}{{\alpha }_{1}}}} = 1.38 \cdot {{10}^{{ - 23}}} \cdot {{293}^{2}} \cdot \frac{{0.0013}}{{0.006}} = \\ = (2.6 \pm 0.2) \cdot {{10}^{{ - 19}}}\,\,\frac{{{\text{Дж}}}}{{{\text{ат}}{\text{.}}}} = (1.6 \pm 0.13)\,\,{{{\text{эВ}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{эВ}}} {{\text{ат}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{ат}}}}. \\ \end{gathered} $

Температура 673 К

Для определения энергии активации при температуре 673 К провели опыты по вариации температуры от 673 до 773 К. Была выделена нормальная составляющая скачка напряжений, соответствующая выбранной вариации. Полученная в результате зависимость ${{\Delta {{\tau }_{{nor2}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta {{\tau }_{{nor2}}}} {\Delta T}}} \right. \kern-0em} {\Delta T}}$ от приложенного напряжения показана на рис. 1б. Дополнив полученные данные результатами опытов по вариации скорости деформации при температуре 673 К (рис. 2б), получили значение энергии активации:

$\begin{gathered} U = k{{T}^{2}}\frac{{{\text{tg}}{{\alpha }_{2}}}}{{{\text{tg}}{{\alpha }_{1}}}} = 1.38 \cdot {{10}^{{ - 23}}} \cdot {{673}^{2}} \cdot \frac{{0.002}}{{0.018}} = \\ = (6.9 \pm 0.8) \cdot {{10}^{{ - 19}}}\,\,\frac{{{\text{Дж}}}}{{{\text{ат}}{\text{.}}}} = 4.3 \pm 0.5\,\,{{{\text{эВ}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{эВ}}} {{\text{ат}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{ат}}}}. \\ \end{gathered} $

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ ОРИЕНТАЦИИ [$\bar {2}$34]

Для того чтобы получить значения энергии активации механизмов, дающих нормальные вклады в изменение напряжений течения в условиях кубического скольжения, использовали результаты опытов по вариации температуры деформации монокристаллов сплава Ni3Ge ориентации [$\bar {2}$34] [6]. Из полного скачка напряжений, полученного в результате вариации температуры [6], выделена нормальная составляющая скачка напряжений, ее зависимость от приложенного напряжения приведена на рис. 1в. На рис. 2в приведены зависимости нормальной составляющей скачка напряжений при вариации скорости деформации для монокристаллов ориентации [$\bar {2}$34] при температуре 473 К. Используя эти данные, получили значения энергии активации для кубического скольжения для температуры 473 К:

$\begin{gathered} U = k{{T}^{2}}\frac{{{\text{tg}}{{\alpha }_{2}}}}{{{\text{tg}}{{\alpha }_{1}}}} = 1.38 \cdot {{10}^{{ - 23}}} \cdot {{473}^{2}} \cdot \frac{{0.001}}{{0.016}} = \\ = (1.9 \pm 0.2) \cdot {{10}^{{ - 19}}}\,\,\frac{{{\text{Дж}}}}{{{\text{ат}}{\text{.}}}} = 1.2 \pm 0.12\,\,{\text{эВ}}. \\ \end{gathered} $

ВЫВОДЫ

На основании подхода, основанного на разделении нормального и аномального отклика на изменение скорости или температуры деформации, получены величины эффективной энергии активации механизмов, связанных с нормальными вкладами в изменение напряжений течения при октаэдрическом и кубическом скольжении. Для октаэдрического скольжения (ориентация монокристаллов [001]): $U = 1.6 \pm 0.13\,\,{\text{эВ}},$ при Т = 293 К и $U = {\text{4}}{\text{.3}} \pm 0.5\,\,{\text{эВ,}}$ при Т = 673 К. Для кубического скольжения (ориентация монокристаллов [$\bar {2}34$]): $U = 1.2 \pm 0.12\,\,{\text{эВ}},$ при Т = 473 К.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FEMN-2020-0004).

Список литературы

  1. Kocks U.F., Argon A.S., Ashby M.F. Thermodynamics and kinetics of slip. Oxford, New York: Pergamon Press, 1975. 291 p.

  2. Орлов Н.А. Термически активированные процессы в кристаллах. М.: Мир, 1973. 212 с.

  3. Basinski Z.S. // Phil. Mag. 1959. V. 4. P. 393.

  4. Kottrell A.N., Stokes R.J. // Proc. Roy. Soc. A. 1955. V. 233. P. 17.

  5. Соловьева Ю.В., Старенченко С.В. // Изв. вузов. Физ. 2014. Т. 57. № 2. С. 54.

  6. Соловьева Ю.В., Старенченко С.В., Соловьёв А.Н. и др. // Изв. вузов. Физ. 2015. № 5. С. 58.

  7. Старенченко В.А., Соловьева Ю.В., Геттингер М.В., Ковалевская Т.А. // ФММ. 2005. Т. 100. № 4. С. 78.

  8. Соловьева Ю.В., Геттингер М.В., Ковалевская Т.А., Старенченко В.А. // Деф. разр. мат. 2005. № 2. С. 20.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал