Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

МОРФОЛОГИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА [001] - МОНОКРИСТАЛЛОВ НИКЕЛЯ С БОКОВЫМИ ГРАНЯМИ {110}

Алфёрова Е.А. 1 Черняков А.А. 1
1 Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета
Работа посвящена изучению морфологии и эволюции деформационного рельефа [001]-монокристаллов никеля с боковыми гранями {110}. Показано, что картина фрагментации представлена доменами сдвиговой деформации, основными структурными элементами деформационного рельефа являются пачки следов сдвига и макрополосы. Организация деформации на различных уровнях (образец целиком, отдельный структурный элемент рельефа) качественно подобна и носит квазипериодический характер. Определена доля площади занятая различными структурными элементами рельефа при различных степенях деформации. Выявлено, что следы сдвига при увеличении степени деформации эволюционируют в макрополосы. Морфология элементов рельефа исследована с привлечением интерференционной микроскопии. Показано, что макрополоса формируется отдельными ступенями сдвига и имеет квазипериодический характер профиль. Согласованный сдвиг в системах скольжения, формирующих макрополосы, в конечном итоге определяет величину сдвига в ней. Определена величина сдвига в макрополосах и следах сдвига. Использую метод дифракции обратно отражённых электронов (EBSD-анализ) определены ориентации локальных областей поверхности и подтвержден аккомодационный характер макрополос. В работе приведены данные по разориентации локальных мест при деформации е = 39%. Выявлено, что в областях до и после макрополосы отклонение от направления (110) идет в сторону либо ориентации (102) либо (212). В самой макрополосе разориентировки идут сразу в двух направлениях, т.е. можно говорить о том, что макрополоса осуществляет подстройку ориентаций соседних локальных областей, компенсирует их разориентировки и носит аккомодационный характер.
макрополосы
EBSD
монокристалл
величина сдвига
деформационный рельеф
1. Алфёрова Е.А., Лычагин А.Д., Лычагин Д.В., Старенченко В.А. Неоднородность деформации монокристаллов никеля с разной кристаллогеометрической установкой // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2012. – Т.9. – №2. – С. 218-224.
2. Лычагин Д.В., Теплякова Л.А. Первичная макрофрагментация сдвига в монокристаллах алюминия при сжатии // Письма в ЖТФ. – 2003. – Т.29. – вып.12. – С. 68-73.
3. Лычагин Д.В., Старенченко В.А., Шаехов Р.В., Конева Н.А., Козлов Э.В. Организация деформации в монокристаллах никеля с ориентацией оси сжатия [001] и боковыми гранями {110} // Физическая мезомеханика. – 2005. – Т.8. – №2. – С. 39-48.
4. Лычагин Д.В., Алфёрова Е.А., Шаехов Р.В. Влияние кристаллогеометрической установки на неоднородность сдвиговой деформации ГЦК-монокристаллов при сжатии // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2008. – Т.5. – №2. – С. 101-108.
5. Лычагин Д.В., Алфёрова Е.А. Причины развития неоднородной пластической деформации ГЦК-монокристаллов, деформированных сжатием // Деформация и разрушение материалов. – 2010. – №10. – С. 1-10.
6. Моисеенко Д.Д., Максимов П.В. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой-подложка: моделирование на основе стохастического подхода // Физическая мезомеханика. – 2005. – Т. 8. – №6. – С. 89-96.
7. Старенченко В.А., Лычагин Д.В. Геометрический эффект в упрочнении и локализации деформации ГЦК-монокристаллов // Физическая мезомеханика. – 2000. – Т. 3. – № 2. – С. 47-54.
8. Теплякова Л.А., Лычагин Д.В., Козлов Э.В. Локализация сдвига при деформации монокристаллов алюминия с ориентацией оси сжатия [001] // Физическая мезомеханика. – 2002. – Т.5. – №6. – С. 49-55.
9. Alfyorova E.A., Lychagin D.V. Characterization of deformation pattern structure elements generated in uniaxial compression of nickel single crystals // Applied Mechanics and Materials. – Vol. 379. – 2013. – pp 66-70.
10. Differt K., Essmann U. and Mughrabi H. Model of extrusions and intrusions in fatigued metal: II. Surface roughening by random irreversible slip. // Philosophical Magazine. – 1986. – p.237.
11. Man J., Klapetekb P., Man O., Weidner A., Obrtlı´k K. and Pola´k J. Extrusions and intrusions in fatigued metals. Part 2. AFM and EBSD study of the early growth of extrusions and intrusions in 316L steel fatigued at room temperature // Philosophical Magazine. – 2009. – V. 89. – №.16. – P. 1337-1372.
12. Mughrabi H., Bayerlein M. and Wang R. Direct measurement of the rate of extrusion growth in fatigued copper mono- and polycrystals. // Proceedings of the Ninth International Conference on Strength of Metals and Alloys (ICSMA 9). – 1991. – V. 2. – p.879.
13. Mughrabi H. Dislocations in fatigue, in Dislocations and Properties of Real Materials // The Institute of Metals, London. – 1985. – №323. – P. 244-262.
14. Obrtlik K., Man J. and Polak J. Orientation dependence of surface relief topography in fatigued copper single crystals. // Mater. Sci. Eng. – 1997. – P. 727-730.

Для установления механизмов и закономерностей пластической деформации целесообразно в качестве модельного материала использование относительно «простых» объектов - монокристаллов. Кроме того, монокристаллы находят применение в авиационной промышленности. Поэтому полученные на монокристаллах результаты, имеют фундаментальную и практическую ценность. Благодаря опыту эксплуатации было выявлено, что наиболее благоприятной для изготовления деталей машин является ориентация монокристаллов [001].

Целью работы является выявление закономерностей образования и эволюции структурных элементов деформационного рельефа (СЭДР) [001]-монокристаллов, рассмотрение способов их организации, с привлечением интерференционной микроскопии и метода дифракции обратно отражённых электронов (EBSD-анализ).

Материал и методика

В работе использовали образцы монокристаллов никеля (примеси менее 0,01%, выращенные по методу Бриджмена) с ориентацией оси сжатия [001] и боковыми гранями {110}. Деформирование сжатием проводили на испытательной машине Instron ElektroPuls E10000 со скоростью 1,4∙10-3 с-1 при комнатной температуре, с применением графитовой смазки. Деформационный рельеф исследовали на оптическом микроскопе Leica DM 2500P и растровом электронном микроскопе Tescan Vega II LMU. Параметры деформационного рельефа определяли на микроинтерферометре NewView 7200 (погрешность ±1%). Разориентацию локальных областей определяли при помощи EBSD-приставки к микроскопу Tescan Vega II LMU.

Экспериментальные результаты

Для рассматриваемых монокристаллов общее число систем сдвига с фактором Шмида 0,41 равно 8. Характерная картина фрагментации [001]-монокристаллов с боковыми гранями {110} и ее эволюция показана на (рис. 1). Подобная картина фрагментации отмечалась и на монокристаллах алюминия [2, 8]. Картина деформационного рельефа с начальных степеней нагружения (е = 3%) представлена следами сдвига. С развитием деформации происходит огрубление следов вдоль границы областей с разной схемой напряженного состояния, они фактически преобразуются в макрополосы деформации. С увеличением степени деформации преимущественное развитие имеют две макрополосы, идущие от противоположных концентраторов, они препятствуют развитию двух других макрополос. При этом можно наблюдать некоторое отклонение макрополос от выхода октаэдрических плоскостей. Отклонение с ростом степени деформации увеличивается, достигая 5°…15° (рис. 1). Начиная с деформации е = 25% дополнительно наблюдается искривление образца. Параллельно макрополосам формируются следы сдвига, которые огрубляются по мере приближения к макрополосам и при дальнейшей деформации организуются в них. Уже с е = 5% можно наблюдать соединение макрополос, формирующихся у противоположных базовых концентраторов напряжений (рис. 1, а), и дальнейшее их взаимопроникновение и развитие (рис. 1, б). При этом доля площади грани занятая макрополосами заметно увеличивается (рис. 2), доля площади, занимаемая следами сдвига, существенно не возрастает. Это свидетельствует о том, что постоянно формирующиеся следы с развитием деформации перестраиваются в макрополосы. В работе [3] высказывается предположение, что макрополосы, идущие от одних и тех же концентраторов напряжений на гранях b и d, формируют объемное образование, пронизывающее монокристалл насквозь.

а)  б)

Рис. 1. Деформационный рельеф, сформировавшийся на боковой грани (110)d монокристалла никеля с ориентацией оси сжатия [001], после е = 5% (а), е = 15% (б)

В приторцевой области формируется пачка горизонтальных следов, с увеличением степени деформации она занимает все большую площадь грани и отклоняется от горизонтального расположения, при деформации 49% отклонение достигает 20°. При этом на грани (110)а горизонтальная система занимает существенно большую площадь, чем на грани (110)b (аналогичная ситуация на гранях с и d), т.е. можно наблюдать асимметрию сдвига (рис. 2).

а)б)

Рис. 2. Процент площади грани, занятой следами сдвига грань (110)а (кривая 1♦); грань (110)b (кривая 2■); макрополосами грань (110)а (кривая 3●); макрополосами грань (110)b (кривая 4▲) – а; процент площади грани, занятой горизонтальной системой следов сдвига грань (110)а (кривая 1●); грань (110)b (кривая 2■) – б

Более развитые макрополосы деформации на гранях b и d дают более развитые системы горизонтальных следов на гранях а и с. С е = 9% у торцов образца начинают формироваться приторцевые складки, которые работают совместно с горизонтальной системой следов. С ростом степени деформации приторцевые складки становятся все более грубыми и «поглощают» часть горизонтальных следов, что объясняет некоторое уменьшение доли площади занятой горизонтальной системой (рис. 2).

В настоящей работе были проведены дополнительные исследования морфологии рельефа [001]-монокристаллов с использованием интерференционной микроскопии. Использование данного метода позволило более детально рассмотреть морфологию и закономерности развития сдвига.

На рис. 3 показан профиль поверхности на боковой грани (110) монокристалла никеля с ориентацией оси сжатия [001] после е = 10%. Если при рассмотрении оптических снимков поверхности (рис. 1) макрополосы представляются отдельным элементом деформационного рельефа, то при рассмотрении профиля поверхности с большим увеличением можно разрешить отдельные ступени сдвига, которые формируют макрополосу и отметить квазипериодический характер профиля. Качественное подобие сохраняется и при увеличении степени деформации до 10%. Величина сдвига в макрополосах при е = 3%составляет 90…3500 нм, в следах сдвига, их образующих – 50…100 нм. Расстояние между следами сдвига составляет порядка 3…5 мкм внутри макрополосы и 10…15 мкм по ее краям, ширина макрополос достигает 300 мкм, глубина – 2…3 мкм. При увеличении степени деформации до е = 10% происходит увеличения плотности следов сдвига, их огрубление и организация в макрополосы, которые захватывают все большую площадь грани (рис. 2). На макроуровне можно зафиксировать искривление образца и все большее усиление «волнистости» поверхности монокристалла. Глубина макрополос доходит до 10 мкм. Развитие макрополос деформации происходит одновременно по длине, ширине и глубине.

Рис. 3. Деформационный рельеф на боковой грани (110) монокристалла никеля с ориентацией оси сжатия [001] после е = 10%, с обозначением секущих (а), профиль поверхности вдоль соответствующих секущих (б)

Таким образом, следы сдвига, обеспечивая согласованный сдвиг в системах скольжения, формируют макрополосы как структурный элемент деформационного рельефа макроуровня. Величина сдвига в следе определяется степенью деформации и в конечном итоге определяет величину сдвига в макрополосе.

Анализ данных интерференционной микроскопии, кроме квазипериодического характера изменения профиля поверхности, позволил выделить области экструзии и интрузии материала. Однако, данный процесс представляет собой задачу самостоятельного исследования и будет предметом отдельной публикации. Здесь же отметим, что аналогичный процесс отмечался авторами ранее на [111]-монокристаллах [9]. В литературе имеются данные о том, что макрополосы с областями экструзии и интрузии материала формируются при циклической деформации [10-12]. Причем процесс экструзии-интрузии материала свойственнее как моно- так и поликристаллам и наблюдается при разных видах нагружения (циклическая деформация, сжатие).

Ранее авторы количественно показали, что в монокристаллах с осью сжатия [001] и боковыми гранями {110} деформация протекает наиболее однородно [1, 4]. При сравнении [001]-монокристаллов с разными боковыми гранями, выявили, что для образцов с боковыми гранями {110} неоднородность деформации, оцененная по всей грани, ниже, чем для случая граней {110}, приблизительно в 1,4 раза. Следовательно, на распределение деформации влияет кристаллографическая ориентации боковых граней, которая определяет организацию сдвига в макромасштабе образца. В рассматриваемом случае места локализации деформации отсутствуют даже по границам деформационных доменов и по границе областей с разной схемой напряженного состояния. Следовательно, можно говорить о том, что макрополосы в [001]-монокристаллах с боковыми гранями {110} носят аккомодационный характер. Их формирование направлено на более однородное протекание деформации, особенно в потенциально опасных с точки зрения локализации местах (стыки доменов, граница областей с разной схемой напряженного состояния). Аккомодационный характер макрополос ранее обсуждался в работе [3]. Однако, механизм аккомодации пока остается не ясен.

Для более подробного изучения данного вопроса в работе проводили исследования с использованием метода дифракции обратно отражённых электронов (EBSD-анализ). На рис. 4 показаны результаты по распределению ориентации локальных областей поверхности вблизи формирования макрополос при деформации е = 39%. В области выше макрополосы (область 1 на рис. 4), где формируются следы сдвига, отмечается отклонение от направления грани (110) в сторону (102), но при этом разбросов ориентации не наблюдается. Разориентация соседних областей друг относительно друг составляет порядка 1°20'. По мере приближения к макрополосе (область 2 на рис. 4) ориентация несколько изменяется и увеличивается ее размытие. Величина разориентации соседних областей достигает 2°. При рассмотрении поведения величины разориентации относительно заданной точки можно наблюдать квазипериодический характер ее изменения при общей тенденции увеличения по мере приближения к макрополосе до 4°. Непосредственно на гребне макрополосы (область 3 на рис. 4) отмечается более значительный уход от направления (110) и разброс, при этом ориентация изменяется в сторону (102) и (231). Здесь наблюдаются резкие границы, на которых изменение ориентации соседних областей достигает 15°. При переходе через макрополосу, в области, где наблюдается система следов параллельная макрополосе (область 4 на рис. 4) ориентация становится более четкой и отклоняется в сторону (212). Соседние области разориентированы друг относительно друга в пределах 3…4°. Кроме того, перпендикулярно развитой макрополосе можно выделить менее развитую вторичную макрополосу (область 5 на рис. 4), развитию которой препятствует рассмотренная выше. Ориентация в этой области отклоняется в двух направлениях – (212) и (231). Вдоль вторичной макрополосы наблюдаются четкие границы, на которых величина разориентации не превышает 3…4°. При переходе через вторичную макрополосу (область 6 на рис. 4), в области, где наблюдаются следы, ориентация отклоняется в направлении (231), величина разориентации составляет 2…3°. Рассмотрение изменения величины разориентации относительно первой точки показало, что характер поведения аналогичен случаю описанному выше для области 2 рис. 4, при приближении к макрополосе величина разориентации достигает 5°. В области 7 на рис. 4 дополнительно к системе следов образуются поперечные полосы идет отклонение ориентации в сторону (212). Между поперечными полосами разориентация соседних областей составляет порядка 2°, в самих полосах – до 4…5°. Вместе с тем, при рассмотрении этих полос в отдельности при большем увеличении и при удалении от макрополосы (направление указано на рис. 4 белой стрелкой), ориентация практически не отклоняется от направления (110). Величина разориентации соседних областей в пределах 1°, однако, выделяются границы, на которых величина разориентации достигает 4…5°. Следовательно, в областях до и после макрополосы можно наблюдать, что отклонение от направления (110) идет в сторону одной из двух ориентаций – (102) или (212). Непосредственно в макрополосе разориентировки идут сразу в двух направлениях. Следовательно, можно говорить о том, что макрополоса осуществляет подстройку ориентаций соседних локальных областей, компенсирует их разориентировки и носит аккомодационный характер.

Рис. 4. Распределение ориентации локальных областей поверхности вблизи формирования макрополос

Таким образом, с увеличением степени деформации происходит развитие структурных элементов деформационного рельефа и образование аккомодационных макрополос деформации. При этом организация деформации на различных уровнях (в масштабе: образца, отдельного СЭДР) качественно подобна. При рассмотрении грани образца целиком можно выделить «волнистость» ее поверхности, обусловленную формированием макрополос деформации и складок. Профиль отдельных структурных элементов деформационного рельефа демонстрирует их квазипериодический характер, равно как и распределение величины сдвига вдоль структурного элемента рельефа. Все это согласуется с более ранними результатами авторов, в которых методом сетки показано, что распределение компонент деформации вдоль отдельного структурного элемента носит осциллирующий характер [5].

Эффект периодичности и самоподобия при деформации отмечается многими авторами в экспериментах и подтверждается теоретически [6-7, 13-14]. Такой способ организации деформации энергетически выгоден.

В заключении авторы благодарят профессора Лычагина Дмитрия Васильевича за творческие дискуссии и полезные советы.

Исследования проведены с использованием оборудования центра коллективного пользования «Аналитический центр геохимии природных систем» Национального исследовательского Томского государственного университета.

Рецензенты:

Козлобродов А.Н., д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры «Теплогазоснабжение» Томского архитектурно-строительного университета, г. Томск.

Немова Т.Н., д.т.н., с.н.с., профессор кафедры «Теплогазоснабжение» Томского архитектурно-строительного университета, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Алфёрова Е.А., Черняков А.А. МОРФОЛОГИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА [001] - МОНОКРИСТАЛЛОВ НИКЕЛЯ С БОКОВЫМИ ГРАНЯМИ {110} // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11520 (дата обращения: 07.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074