^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.3:621.791.12:539.25
ФРАГМЕНТАЦИЯ КРИСТАЛЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ ДЕФОРМАЦИОННОГО ДВОЙНИКОВАНИЯ И ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ © 2015 г. В. В. Рыбин*, Н. Ю. Золоторевский*, Э. А. Ушанова**
*Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 **ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", 191015 Санкт Петербург, ул. Шпалерная, 49
e-mail: rybin.spb@gmail.com Поступила в редакцию 06.11.2014 г.; в окончательном варианте — 30.12.2014 г.
На примере микроструктуры зоны соединения листовых заготовок меди, полученного сваркой взрывом, с помощью ЕВ8В-анализа исследовали механизм формирования фрагментированной структуры. Процесс структурообразования включал в себя, помимо образования границ деформационного происхождения, также деформационное двойникование и динамическую рекристаллизацию. Предложен метод компьютерного анализа распределений межфрагментных разориентировок, позволяющий определить парциальные вклады различных механизмов фрагментации и оценить параметры распределения. На основе проведенного анализа рекомендовано выбирать металлы, склонные к деформационному двойникованию, для получения ультрамелкозернистых материалов.
Ключевые слова: фрагментация, деформационное двойникование, динамическая рекристаллизация, сварка взрывом.
Б01: 10.7868/80015323015070116
1. ВВЕДЕНИЕ
В ходе больших пластических деформаций (ПД) крупные, однородно ориентированные области кристалла превращаются в конгломерат сплошно сопряженных, сильно разориентированных фрагментов. Это необычное явление впервые было обнаружено в работах [1, 2]. Там же было предложено называть его фрагментацией, а образующиеся при фрагментации дефектные структуры — фрагменти-рованными (ФС). В интервале гомологических температур деформации Тт < 0.4 поперечные размеры фрагментов В1* в среднем составляют 0.2—0.3 мкм, а углы их разориентировок 9 распределяются в диапазоне от минимального 0 ~ 1°—2° до максимального зависящего от е значения:
omax = omin + u (t(e)) (б - eq ) ,
(1)
где б0 « 0.2 — пороговая деформация , а(Т, б) < 1 — коэффициент, описывающий температурно-скоростную чувствительность процесса, 9 — угол в рад. Главным признаком, отличающим ФС от других разориентированных структур деформационного происхождения (ДП), таких как блочные, ячеистые, мозаичные и т.п. [3, 4], является наличие
1 Здесь и ниже речь идет об истиной логарифмической деформации.
границ, разориентировки которых значительно — на порядок величины и больше — превышают обычные для дислокационных границ значения. Действительно, как следует из формулы (1), при деформациях е > 0.5 типичными для ФС становятся большеугловые границы (БУГ) межзеренно-го типа, т.е. границы с разориентировками, превышающими 15°. По мере роста е доля пБУг (е) таких границ в ФС монотонно нарастает. Монотонно нарастает и средняя разориентировка границ фрагментов, етеап (б) [5, 6]. При некоторой критической деформации б = 6С она неминуемо сравняется со средней разориентировкой в ансамбле хаотически разориентированных зерен = 40.7°, а в дальнейшем и превзойдет ее. По этой причине фрагментированную структуру, полученную в результате пластической деформации, по величине превосходящей еС, можно, по критерию разориентировок, трактовать как ультрамелкозернистую. Естественным следствием такого развития событий является принципиальная возможность посредством одной только пластической деформации, не прибегая к каким-либо рекристаллизаци-онным процедурам, превращать обычные средне и крупнозернистые поликристаллы, а также монокристаллы в ультрамелкозернистые (УМЗ) поли-
7
769
кристаллические материалы с минимально возможной величиной среднего поперечного размера зерна Dg = Dfr ~ (0.2-0.3) мкм.
Действительно, в последующие за открытием фрагментации годы были разработаны многочисленные, весьма необычные технологии, позволя-
2
ющие реализовать эту идею [7—17] . На их основе были созданы разнообразные УМЗ-металлы и сплавы, различающиеся кристаллической структурой, химическим и фазовым составом. Уникальные физико-механические свойства и служебные характеристики этих материалов были подробно изучены и задокументированы в многочисленных публикациях и обзорах [18—22]. Однако, несмотря на эти достижения, в том, что касается природы фрагментации до сих пор остается много неясного. В частности, остаются без ответа следующие вопросы:
— природа элементарных механизмов структу-рообразования на стадии фрагментации;
— способы определения парциальных вкладов различных механизмов фрагментации в тех случаях, когда одновременно действуют несколько из их;
— способы теоретической оценки величин
(е)> Лбуг (е) и Sc;
— способы теоретической оценки критической деформации и минимизации ее до приемлемых с точки зрения практического использования значений.
В настоящей работе перечисленные вопросы исследуются с помощью разработанного в [23] метода компьютерного моделирования функций распределения разориентировок в ансамблях границ деформационного происхождения. В качестве конкретного примера проанализированы структурные состояния, типичные для участков приконтактной зоны неразъемного соединения листовых заготовок технически чистой меди, полученного сваркой взрывом по технологии, описанной в [24].
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Используемая в настоящей работе методика прицельного приготовления образцов для электронно-микроскопических исследований неоднородно деформированного металла приконтактной зоны сварного соединения изложена в [25].
Статистику распределения зерен и фрагментов по разориентировкам изучали на сканирующем электронном микроскопе Quanta 200 3D FEG, используя стандартные методики EBSD-анализа. В частности, для детального исследования особен-
ностей структурных состояний строили три типа карт: IQ + GB (Imagine Quality + Grain Boundary), GB + CSL (Grain Boundary + Coincident Site Lattice), KAM (Kernel Average Misorientation). Шаг сканирования варьировался в дипазоне 50—600 нм, угол толерантности при построении карт выбирали 2°. В качестве кристаллографической разори-ентировки 9 принимали минимальное значение из набора кристаллографически эквивалентных поворотов, т.е. поворотов, приводящих к совмещению осей кристаллических решeток разориен-тированных кристаллитов. В отличие от материального поворота, разориентировка всегда огра-
0cr
max.
Для меди (кубическая сингония) 0max = 62.8°.
Экспериментально найденные распределения по углам разориентировок представляли в виде частотных гистограмм и построенных на их основе дискретных функций распределения по 9:
Fexp (0;-) = Fexp =
1
A0s
^AN,4 Ng
(2)
' Они получили обобщенное название технологий интенсивной пластической деформации (ИПД) [11, 12].
где 01 = 0( + I (Д081), 0( — угол толерантности, Д0Й — шаг гистограммы, N — общее число границ в выборке, / — номер столбца на гистограмме, N — число границ, попавших в /-ый столбец. Учитывали границы только идентифицированных кристаллитов. Это означает, что из нашего анализа выпадали разориентировки оборванных дислокационных границ, которые как известно [6], близки к 2°. По этой причине угол толерантности 0( и шаг гистограммы Д0Й принимали равными 2°. С
0ег
тах, экспериментально построенная гистограмма состояла из 32 столбцов. Особенности структур и частотные гистограммы разориентировок изучали для референтной структуры, а также на четырех характерных участках узкой приконтактной зоны (УКЗ) сварного соединения, отмеченных на рис. 1 буквами Ь, с, d и е. На рис. 1а представлена металлографическая структура периодически повторяющегося элемента УКЗ, а на рис. 1б — схема его строения. Толстой линией (сплошной и штриховой) выделена линия поверхности контакта (ПК) сваренных взрывом пластин. На продольно-поперечном срезе она имеет периодическую форму, которую можно описать длиной волны X « 285 мкм и амплитудой а « 60 мкм. Вдали от УКЗ-металл находится в слабо деформированном состоянии, е ~ 0.1. В узкой, шириной к « 180 мкм приконтактной зоне пластическая деформация металла по мере приближения к ПК резко нарастает. В области, непосредственно примыкающей к ПК, пластическое течение теряет устойчивость и локализуется в форме пластической струи. Внутри струи е « 1.7, а
в « 106 с-1 [24]. Струи зарождаются над каждой
вершиной волнообразной линии ПК. Примерно в середине своей длины они раздваиваются и вих-реобразно закручиваются в двух противоположных направлениях. При выбранной технологии сварки в вершине каждого вихря происходило расплавление металла. В данной работе исследовались структурные состояния на участках, расположенных вдали от мест расплава.
(а)
3. МЕТОДИКА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗОРИЕНТИРОВОК (ФРР)
3.1. Общая постановка задачи
Ранее было показано [23], что в приконтактой зоне полученного сваркой взрывом соединения листовых заготовок технически чистой меди действуют три различных по своей физической природе механизма структурообразования:
— классическая фрагментация объемов исходно ориентированных кристаллов (fr);
— фрагментация исходных и возникших при деформации двойниковых границ (tw);
— зарождение внутри сформировавшейся в ФС пластической струи зерен динамической рекристаллизации (ch).
Каждый из перечисленных механизмов генерирует свой парциальный ансамбль границ ДП, разо-риентировки в котором описываются присущей только ему парциальной функцией распределения Fa (0), где а = fr, tw, ch. Линейная суперпозиция этих парциальных ФРР определяет результирующий спектр разориентировок и соответствующую ему результирующую ФРР:
F (0) = nfrFfr (0) + ntwFtw (0) + nChFch (0), (3)
где na — парциальный вклад границ фрагментов, генерируемых парциальным механизмом типа а. Уравнение (3) дополняется обычными условиями нормировки:
O 1 (б)2 O ,/ / / /
Jf (0)d0 = 1, JFa (0)d0 = 1;
о о
^Па = 1, a = fr> tw, ch.
(4)
|нд
тнн
Рис. 1. Структура узкой приконтактной зоны сварного соединения:
а — оптическая металлография; б — схема строения: толстой линией выделена поверхность контакта пластин меди, буквами Ь, с, 1, е отмечены участки, ис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.