ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 8, с. 874-883
^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.766:539.214
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ЭВТЕКТИЧЕСКОМ СПЛАВЕ Bi—43 вес. % Sn В УСЛОВИЯХ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2015 г. В. Ф. Коршак*, Ю. А. Шаповалов*, О. Примак**, А. П. Крышталь*, Р. Л. Василенко***
*Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, физический факультет, 61022 Харьков, пл. Свободы, 4, Украина **Институт неорганической химии и центр наноинтеграции Дуйсбург-Эссен, Университет Дуйсбург-Эссен, 45117 Эссен, Германия ***Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", 61108Харьков, ул. Академическая 1, Украина e-mail: Vera.F.Korshak@univer.kharkov.ua Поступила в редакцию 18.09.2014 г.; в окончательном варианте — 26.12.2014 г.
С использованием методов растровой электронной микроскопии выполнены исследования микроструктуры сверхпластически деформированных образцов эвтектического сплава Bi—43 вес. % Sn. Выявленные особенности деформационного рельефа образцов обнаруживают активное развитие вязкого дислокационно-диффузионного течения в условиях сверхпластичности. Обнаружено проявление гидродинамической моды деформации в этих условиях. Возможность реализации вязких механизмов транспорта вещества и проявление эффекта сверхпластичности объясняются возникновением в материале состояния, характеризующегося, в частности, высокой плотностью дислокаций и низкими прочностными свойствами. Дополнительное увеличение плотности дислокаций и разупрочнение в условиях сверхпластичности связываются с протеканием структурно-фазовых превращений, стимулированных деформацией, релаксацией значительных внутренних упругих напряжений и с неустойчивостью структурного состояния исходно неравновесного сплава, находящегося в поле механических напряжений. Анализируются причины возникновения значительных внутренних упругих напряжений в исследуемом сплаве.
Ключевые слова: сверхпластическая деформация, вязкое течение, гидродинамическая мода деформации, внутренние упругие напряжения, неравновесность фазового состояния, эвтектический сплав.
Б01: 10.7868/80015323015060030
ВВЕДЕНИЕ
Изучение изменений структуры материала в условиях сверхпластической деформации (СПД) позволяет судить о физических процессах, которые при этом происходят. Широко применяемым методом такого изучения является проведение топографического анализа деформированных образцов. Наиболее важным результатом этих исследований, полученным к настоящему времени, является установление роста зерен и сохранения их равноосности после СПД. Эти факты обычно служат основанием для вывода о зернограничном проскальзывании (ЗГП) как основном механизме транспорта вещества в условиях сверхпластичности.
Характерной особенностью деформационного рельефа, возникающего в сверхпластически деформируемых поликристаллических материалах,
является также отсутствие линий скольжения в зернах. Считается, что при СПД источниками дислокаций являются, очевидно, границы зерен. В результате линии скольжения не образуются, поскольку в процессе деформации происходит рост зерен, и, следовательно, местоположение источника дислокаций непрерывно изменяется [1].
В подавляющем большинстве случаев топографические исследования проводятся на предварительно отполированных поверхностях образцов. Кроме того, изучаются особенности деформационного рельефа, возникающего на таких поверхностях после незначительных степеней дополнительной деформации. При больших деформациях характер деформационного рельефа становится достаточно сложным, а его изучение затруднительным [1, 2].
Рис. 1. Зависимость удлинения до разрушения 5 образцов сплава Б1—43 вес. % 8п от приложенного напряжения ст.
Рис. 2. Кривые ползучести образцов сплава Б1— 43 вес. % 8п при ст, МПа: 6 (1); 7.5 (2); 9 (3); 15.6 (4); 17 (5).
В то же время исследования [3—8] показывают, что фазовое состояние эвтектических сплавов в условиях, когда они проявляют сверхпластические (СП) свойства, является неравновесным. Как установлено в [6, 9], такая неравновесность обусловливает, в частности, зависимость деформационных характеристик сплавов в условиях сверхпластичности от способа предварительного механического воздействия на образцы. В результате шлифовки и последующей полировки изменяется фазовый состав поверхностных слоев. Макрорельеф, возникающий после предварительной полировки, существенным образом отличается от рельефа, возникающего на необработанной поверхности. Обнаружено, что шлифовка и полировка перед испытаниями приводят к заметному изменению скорости ползучести. Результаты этих наблюдений указывают на необходимость проведения анализа микроструктуры образцов, которые подвергаются воздействию только внешнего механического напряжения в процессе накопления значительных относительных удлинений. Проведение такого анализа представляется важным в связи с тем, что его результаты более корректно отражают процессы, которые обусловливают СП течение материала. Такие исследования и проведены в настоящей работе.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплав Б1—43 вес. % 8п был получен сплавлением химически чистых компонентов с последующим литьем на массивную медную подложку. Слитки предварительно сжимали на ~70% на гидравлическом прессе.
Механические испытания проведены в режиме ползучести при постоянном приложенном напряжении а в интервале от 4.5 до 18.5 МПа. Кри-
вые ползучести строили по точкам на основании данных об относительном удлинении А///0 и времени деформирования t. Относительная погрешность в определении Al/l0 составила приблизительно 5%. Истинную деформацию еист образцов определяли по формуле
8ист = ln(1 + Al/lo).
Эксперименты проведены при комнатной температуре. Исследования ползучести выполнены на образцах, подвергнутых предварительной деформации сжатием непосредственно после литья и состаренных после этого в течение не более двух недель.
Микроструктуру поверхности деформированных образцов изучали с использованием растровых электронных микроскопов (РЭМ) JEOL JSM-6490 с системой EDX-анализа EDAX/TSL (выполнено в Институте исследования железа им. Макса Планка), JSM-840 и JSM 7001F, оснащенном EDS анализатором INCA ENERGY 350. Исследования проведены спустя не менее одного года после механических испытаний образцов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлена зависимость удлинения до разрушения 8 от приложенного напряжения а для исследуемых образцов при выбранных условиях эксперимента. Как видно, эта зависимость имеет характерный для СП материалов куполообразный вид. Оптимальным для проявления сплавом СП-свойств является а = 9 МПа. Максимальные значения 8 при этом достигают 770%.
На рис. 2 выборочно представлены кривые ползучести при разных а: оптимальном для про-
Рис. 3. РЭМ-изображение (в отраженных электронах) поверхности рабочей части образца сплава Б1—43 вес. % 8п при относительном удлинении Д///0:
а, б--340%; в, г--510%; ст = 9 МПа. Направление растяжения совпадает с горизонталью.
явления эффекта сверхпластичности, а также выше и ниже оптимального. Как следует из этих данных, средняя скорость истинной деформации на этапе ползучести, исключающем появление явно выраженной шейки непосредственно перед разрывом образцов, при а = 9 МПа составляет приблизительно 6.5 х 10-5 с-1.
Микроструктурные исследования проведены при оптимальном а. Следует отметить, что деформация образцов в этих условиях не всегда является равномерной. В ряде случаев их продольное сечение имеет форму трапеции. В доведенном до разрушения образце (8 = 770%) локальная деформация рабочей части находится в пределах от ~ 280% до ~1300%. Истинные напряжения в соответствующих сечениях к моменту разрушения равны приблизительно 4 и 15 МПа. Как видно из рис. 1, в этом интервале напряжений удлинения до разрушения составляют не менее 300%, т.е. сплав ведет себя сверхпластично. Поэтому изменения микроструктуры, наблюдающиеся по мере увеличения локальной деформации, отражают изменения микроструктуры в процессе накопления относительного удлинения в условиях сверхпластичности. Сравнение результатов этих исследова-
ний с результатами, полученными для образцов с равномерно меняющимся поперечным сечением, подтверждает корректность такого подхода.
Изменение микроструктуры поверхности рабочей части деформированных образцов в процессе накопления относительного удлинения представлено на рис. 3-5. Исследования проведены в режиме отраженных электронов (композиционный контраст: темные области — фаза на основе 8п, светлые — фаза на основе Б1) и в режиме вторичных электронов.
Как и в случае ранее исследованного эвтектического сплава 8п—38 вес. % РЬ [4], на поверхности незначительно деформированных участков (елок ~ 30%) обнаруживаются достаточно широкие (более десяти микрон) мезополосы локализованной пластической деформации. Направление этих полос практически совпадает с направлением максимальных внешних касательных напряжений. Такие мезополосы соседствуют с полосами недеформированного материала. Идентифицировать участки, не претерпевшие деформацию, позволяет наличие на них поверхностного слоя, обогащенного оловом, с мелкими включениями
Рис. 4. РЭМ-изображение (в отраженных электронах) поверхности рабочей части образца сплава Б1—43 вес. % 8п при относительном удлинении Д///0:
а, б--1040%.; в, г--2500%. ст = 9 МПа. Направление растяжения совпадает с горизонталью.
в нем висмута. В отдельно проведенных исследованиях было показано, что старение исследуемого СП-сплава сопровождается значительным увеличением концентрации олова в поверхностных слоях образцов [3].
Дальнейшее развитие деформационного процесса приводит к расширению полос локализованной пластической деформации в область не-деформированного материала. Изменяется ориентация полос. Расположенные под заметно меньшими 45 градусов углами по отношению к направлению а макрополосы локализованной деформации оказываются соединенными между собой полосами, ориентированными вдоль направления действия максимальных касательных напряжений. Постепенно макрополосы локализованной деформации стано
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.