ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2009, том 108, № 2, с. 180-187
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.296293:539.89
СТРУКТУРНОЕ И ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ СПЛАВОВ Zr-l% N5 И Zr-2.5% N5, ПОДВЕРГНУТЫХ НАГРУЖЕНИЮ СФЕРИЧЕСКИ СХОДЯЩИМИСЯ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ
© 2009 г. Н. И. Талуц*, А. В. Добромыслов*, Е. А. Козлов**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ технической физики им. акад. Е.И. Забабахина, 456770 г. Снежинск, Челябинская обл., а/я 245 Поступила в редакцию 30.05.2008 г.
Методами рентгеноструктурного анализа, оптической металлографии, просвечивающей электронной микроскопии и измерением микротвердости проведено послойное изучение четырех шаров из сплавов системы цирконий-ниобий, подвергнутых нагружению сферически сходящимися ударными волнами различной интенсивности. Обнаружено, что фазовое и структурное состояние образцов зависят от условий нагружения и глубины залегания слоя в шаре. Омега-фаза сохраняется в приповерхностных слоях шаров только после низкоинтенсивного режима нагружения, причем ее количество возрастает с увеличением содержания ниобия в сплаве. Установлено, что высокоскоростная пластическая деформация образцов, имеющих в исходном состоянии мелкозернистую структуру, при реализованных условиях нагружения осуществляется скольжением и образованием полос адиабатического сдвига.
РДСБ: 62.50.-p, 81.40.-z
ВВЕДЕНИЕ
Под действием высокого давления многие вещества могут переходить в новые состояния, которые в обычных условиях в них не наблюдаются. Для металлов и сплавов характерно появление под давлением различных новых фаз. В некоторых материалах фазы высокого давления сохраняются после прекращения воздействия в мета-стабильном состоянии. К таким материалам относятся цирконий, титан и некоторые сплавы на их основе. Цирконий при атмосферном давлении имеет две полиморфные модификации: при высоких температурах стабильна в-фаза, которая имеет ОЦК-решетку, а при низких температурах - а-фаза с ГПУ-решеткой. Под действием давления в нем образуется ю-фаза, имеющая гексагональную решетку с отношением осей с/а = 0.622. Сохранение ю-фазы после снятия давления в мета-стабильном состоянии свидетельствует о значительном гистерезисе а -—- ю-превращения в области комнатных температур.
Большинство фазовых превращений, протекающих в материалах при статических давлениях, наблюдаются также при динамическом (ударном) нагружении. Однако в этом случае по сравнению со статическими схемами нагружения появляется определенная специфика вследствие того, что на фронте ударной волны развиваются высокие давления и температуры, длительность воздействия которых составляет микросекунды, а распростра-
нение ударных волн в материале происходит с большими скоростями.
Исследования циркония при ударном нагружении проведены достаточно подробно [1-8]. Авторы работ [1, 2] в образцах, подвергнутых нагружению плоскими волнами с давлениями 12 ГПа и выше, обнаружили ю-фазу и значительный гистерезис а -—- ю-превращения. Максимальное количество ю-фазы наблюдалось после воздействия давления 35 ГПа. При дальнейшем повышении давления до 50 ГПа количество ю-фазы уменьшалось из-за высоких остаточных температур. Охлаждение образцов в процессе ударного нагружения жидким азотом до 120 К приводило к увеличению количества ю-фазы.
Существенные результаты по изучению ударной адиабаты и структуры ударной волны в цирконии получены в [3]. Исследование проводилось на образцах клиновидной формы в диапазоне давлений от 0.1 до 50 ГПа. На ударной адиабате было обнаружено две особенности: одна при сх = 9.2 ГПа, У/У0 = 0.9184, связанная с а -—► ю-переходом, а другая в виде плато при ах = 26-36.5 ГПа, связанная с ю -—- в -переходом.
В работе [4] было обнаружено присутствие ю-фазы в цирконии после нагружения плоскими ударными волнами с давлением 7 ГПа. В структуре сохраненных образцов авторы наблюдали деформационные двойники и микрополосы с высокой плотностью дислокаций, имеющие линзообразную морфологию.
В работах [5, 6] проводилось изучение влияния кислорода на давление а —- ю-превращения. Было установлено, что это давление возрастает при увеличении в цирконии содержания кислорода. В цирконии высокой чистоты а —► ю-переход протекает при 7.1 ГПа [6].
При изучении циркония, который в исходном состоянии имел размер зерна 500-600 мкм и был нагружен сферически сходящимися ударными волнами, нами было обнаружено, что в образцах частично сохраняется ю-фаза, а его высокоскоростная пластическая деформации осуществляется путем скольжения, двойникования и образования полос адиабатического сдвига (ПАС) [7, 8].
В отличие от чистого циркония, многие аспекты фазовых превращений и высокоскоростной пластической деформации в сплавах на основе циркония изучены слабо. В частности, интересными и недостаточно изученными являются такие вопросы, как влияние на эти процессы второго компонента или второй фазы, а также размера зерна исходной структуры.
В данной работе была поставлена задача: изучить фазовое и деформационное поведение сплавов ¿г-1% ЫЪ и ¿г-2.5% ЫЪ, подвергнутых на-гружению сферически сходящимися ударными волнами различной интенсивности.
Система цирконий-ниобий имеет диаграмму состояния монотектоидного типа [9]. Сплавы циркония с ниобием дают непрерывный ряд твердых растворов только при высоких температурах в области Р-фазы. При 620°С Р-твердый раствор состава ~18.5 ат. % ниобия претерпевает моно-тектоидный распад на а-2г + Р-ЫЪ. Максимальная растворимость ниобия в а-цирконии составляет 0.6 ат. % при температуре 620°С. Исследование проводилось на сплавах, закаленных из двухфазной (а + Р)-области.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования было взято по два шара с радиусами 35 и 32 мм из сплавов ¿г-1 мас. % КЪ и ¿г-2.5 мас. % №>. Нагружение образцов осуществлялось сферически сходящимися детонационными волнами в системах с наружным радиусом взрывчатого вещества (ВВ) 40 мм. Режимы нагружения были аналогичны режимам нагружения шаров из циркония [7]. Отличие заключалось в том, что в случае образцов из цирконий-ниобиевых сплавов тяжелый корпус, сдерживающий разлет продуктов взрыва, был изготовлен из разных материалов, что обеспечивало различные условия разгрузки. При первом режиме нагружения (шары радиусом 35 мм) давление на поверхности шаров составляло ~40 ГПа, а при втором режиме нагружения (шары радиусом 32 мм) —50 ГПа. Режим нагружения 1 условно назван низкоинтенсивным,
Маркировка исследованных образцов
№ образца Сплав Радиус шара, мм Режим нагружения
1 ¿г-1 % ЫЪ 35 1
2 ¿г-2.5 % ЫЪ 35 1
3 ¿г-1 % ЫЪ 32 2
4 ¿г-2.5 % ЫЪ 32 2
а режим нагружения 2 - высокоинтенсивным режимом нагружения. В центральной области шаров на сходящейся волне кратковременно достигались давления и температуры, достаточные для плавления сплавов непосредственно во фронте ударной волны. При дальнейшем изложении использована следующая маркировка образцов: образец 1 - сплав ¿г-1% ЫЪ, режим нагружения 1; образец 2 - сплав ¿г-2.5% №>, режим нагружения 1; образец 3 - сплав ¿г-1% ЫЪ, режим нагружения 2; образец 4 - сплав ¿г-2.5% №>, режим нагружения 2 (см. таблицу).
В работе проводили: рентгеноструктурный анализ - на установке ДРОН-3 с использованием Си Аа-излучения и графитового кристалл-монохро-матора, измерение микротвердости - на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 100 г, оптическую металлографию - на микроскопах МЕТАУАЬ и №ОРНОТ-32; электронно-микроскопическое исследование - на просвечивающих электронных микроскопах 1ЕМ-100С и ХЕМ-200СХ. Металлографическое исследование проводили как на меридиональных сечениях шаров, так и на микрошлифах, вырезанных перпендикулярно одному из радиальных направлений. Тонкие фольги готовили химической полировкой в смеси плавиковой и азотной кислот или в смеси плавиковой, азотной и серной кислот.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В исходном состоянии сплавы имели двухфазную структуру, состоящую из а-фазы и Р-фазы на основе циркония, обогащенной ниобием. Периоды решетки а-фазы составляют: а = 0.3231 ± ± 0.0001 нм, с = 0.5147 ± 0.0003 нм, с/а = 1.593. Полученные значения свидетельствуют о том, что а-фаза содержит не более 0.5 ат. % ниобия. Точно определить период решетки Р-фазы циркония, а следовательно , и содержание в ней ни обия трудно из-за того, что количество этой фазы в сплавах невелико, в связи с чем на дифрактограммах отсутствуют ее линии в больших углах 6. Согласно оценке, сделанной по имеющимся линиям, Р-фаза содержит ~17-18 ат. % ниобия, что несколько меньше состава монотектоидной точки на диаграмме состояния. Объемная доля Р-фазы в спла-
Рис. 1. Структура сплава 7г-1% № в исходном состоянии:
а - оптическая металлография; б - просвечивающая электронная микроскопия.
Рис. 2. Вид меридионального сечения образцов 3 (а) и 4 (б).
ве с 1% ниобия составляет ~3%, а в сплаве с 2.5% КЪ —12%. При металлографическом и электронно-микроскопическом исследовании видно, что в-фаза наблюдается в виде отдельных зерен, расположенных либо на границах зерен а-фазы, либо в тройных стыках (рис. 1). Средний размер зерен а-фазы составляет ~3 мкм.
Так же, как и в случае чистого циркония, после нагружения в центральной части первоначально сплошных шаров из цирконий-ниобиевых сплавов обнаружены полости различного размера. Объем полости в образце 1 составляет 12.12 см3, в образце 2 - 12.41 см3, в образце 3 - 5.02 см3, в образце 4 - 11.19 см3. Наименьший объем полости в образце 3 по сравнению с другими образцами обусловлен тем, что в этом эксперименте была применена система сохранения, которая в большей степени сдерживала разлет продуктов взрыва. В результате этого, средняя объемная деформация шара 3 была наименьшей. В структуре шаров
присутствуют трещины разной формы и размера, а также полосы адиабатического сдвига. В образцах 3 и 4 вокруг полости наблюдали область нестабильного пластического течения (рис. 2). Границы этой области имеют вид "протуберанцев". Количество ПАС и их распределение зависят как от условий нагружения, так и от состава сплава, однако интенсивность нагруже
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.