Закономерности и природа термического и деформационного упрочнения монокристаллов сплавов со сверхструктурой L12 при различных видах термосилового воздействия (26.07.2010)

Автор: Соловьева Юлия Владимировна

СОЛОВЬЕВА Юлия Владимировна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ПРИРОДА ТЕРМИЧЕСКОГО И ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ СПЛАВОВ СО СВЕРХСТРУКТУРОЙ L12 ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ТЕРМОСИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Томск-2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Томский государственный архитектурно-строительный университет”

Научный консультант: Заслуженный деятель науки Российской Федерации,

доктор физико-математических наук, профессор Конева Н.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Гринберг Б.А.

доктор физико-математических наук, профессор Глезер А.М.

доктор физико-математических наук, профессор Потекаев А.И.

Ведущая организация: Институт физики Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится “ 21 ” октября 2010 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д212.267.07 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пл. Ленина, 36

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан “ ” 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Ивонин И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

- фаза (Ni3Al) является главной структурной составляющей (до 90% по объему), остаются основными материалами для изготовления лопаток газотурбинного двигателя. Высокая жаропрочность интерметаллидов связана с одним из наиболее ярких и удивительных свойств, которым является аномальная температурная зависимость предела текучести и напряжений течения (предел текучести по мере нагревания увеличивается в 5-10 раз). Не вызывает сомнений необходимость и важность исследования природы этого уникального явления с практической точки зрения. Теоретический интерес к положительной температурной зависимости напряжений течения интерметаллидов связан, прежде всего, с особенностями строения дислокаций в них и возможностью в связи с этим проследить каким образом тип элементарного носителя деформации проявляет себя на макроуровне, влияя на процессы упрочнения и пластичности.

Настоящая работа является фундаментальным исследованием природы термического и деформационного упрочнения интерметаллидов со сверхструктурой L12. Несмотря на обширность теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в этом направлении, многие вопросы остаются не выясненными до сих пор.

Прежде всего, это относится к вопросу о многостадийности положительной температурной зависимости напряжений течения и необходимости учитывать различные механизмы термического и деформационного упрочнения в разных температурных интервалах, либо их суперпозицию. В настоящее время актуальны вопросы детализации исследований в отношении отдельных стадий на температурной зависимости предела текучести и напряжений течения. Малоисследованным при этом остается диапазон криогенных температур. Следует ожидать также различного влияния атомного состава сплава, например, отклонения от стехиометрии, на температурные стадии.

Много неизученных и неясных моментов выявляется в отношении исследований пластического поведения сплавов со сверхструктурой L12 в условиях различных видов нагружения. Это касается, в первую очередь, вопросов ползучести интерметаллидов со сверхструктурой L12. Работ, выполненных на эту тему, очень немного, а в имеющихся данных обнаруживается большое количество противоречий. Нет ясности в понимании механизмов, определяющих скорость ползучести в различных температурных интервалах. Дискуссионными оказываются ряд вопросов, касающихся ползучести при средних температурах (температуры ниже пика аномалии, но близкие к последним). Недостаточно понятна стадийность кривых ползучести при средних температурах. Факт аномальной температурной зависимости скорости ползучести на первичной стадии требует подтверждения и объяснения. По поводу механизмов высокотемпературной ползучести также не существует единого мнения. Есть разногласия в данных, касающихся особенностей дислокационной структуры, сформированной в результате высокотемпературной ползучести. Нет объяснения влияния ориентации монокристаллов на скорость ползучести. Наряду с недостатком экспериментальных исследований ползучести сплавов со сверхструктурой L12, практически отсутствуют работы по теоретическому осмыслению проблемы ползучести L12 сплавов.

Вопрос о скоростной чувствительности напряжений течения, которая обычно исследуется в опытах по вариации скорости деформации, является одним из принципиальных в понимании природы термического упрочнения сплавов со сверхструктурой L12. К сожалению, экспериментальное исследование влияния скорости деформации на пластическое поведение рассматриваемых сплавов еще далеко от полноты. Существует ряд нерешенных вопросов, связанных с методикой измерения скоростной чувствительности сплавов со сверхструктурой L12. Недостаточно внимания до настоящей работы уделялось сложной форме скачка напряжений при вариации скорости деформации, изменению формы скачка с температурой и деформацией. Часто авторы относятся к этой проблеме как к досадному неудобству, ограничиваясь упоминанием о сложной форме скачка. Разноречивые краткие объяснения наблюдаемой формы скачка напряжений лишены физического обоснования. Отсутствие общей физической трактовки формы скачка приводит к тому, что в соответствующих опытах измеряются разные параметры. Возникает проблема физического объяснения измеряемых величин. Отсутствуют исследования с анализом изменения формы скачка напряжений в зависимости от диапазона изменения скорости деформации, температурных режимов, количества и типа систем скольжения (октаэдрическое, кубическое, смешанное), от состава сплава и легирующих добавок. Теоретическое осмысление проблемы слабой скоростной чувствительности сплавов со сверхструктурой L12 также является недостаточной. Авторы большинства теорий пытаются объяснить низкую скоростную зависимость напряжений течения слабой скоростной зависимостью механизмов, приводящих к аномальным температурным свойствам сплавов со сверхструктурой L12. При этом полностью исключается влияние скорости деформации на механизмы, присущие чистым металлам.

В большинстве имеющихся работ релаксация напряжений используется как стандартная технология для получения скоростной чувствительности, которая в рамках термоактивационного анализа непосредственно связана с величиной активационного объема. Основное внимание сосредоточено на корректировке значений активационных объемов, рассчитанных с помощью стандартных формул термоактивационного анализа, с целью получения величин, наиболее точно отражающих термоактивируемое движение дислокаций в кристалле. Усилия исследователей сконцентрированы в основном на том, чтобы учесть влияние жесткости машины и деформационное упрочнение материала в процессе релаксации. Приходится констатировать, что главное внимание уделяется методическим деталям. В то же время исследований изменения величины активационного объема с температурой и деформацией, в различных температурных интервалах (ниже пика аномалии, выше пика), для различных ориентаций оси деформации монокристаллов и различных видов скольжения (множественного, одиночного, кубического) проведено не было. Недостаточно исследованным остается собственно пластическое поведение сплавов со сверхструктурой L12 в ходе релаксации напряжений, нет сравнительного анализа с чистыми металлами. Отсутствуют данные об изменении скорости деформации в процессе релаксации и влиянии на неё температуры и напряжения. Влияют ли механизмы самоблокировки на характер релаксации? Эти вопросы остаются не выясненными.

Как следствие вышеупомянутых проблем возникает вопрос о возможности применения термоактивационного анализа в его традиционной форме к исследованию сплавов со сверхструктурой L12, известных аномальной температурной зависимостью механических свойств. В случае соединений, проявляющих температурную аномалию механических свойств, термоактивационный анализ осложняется тем, что температура оказывает двоякое влияние на сопротивление движению дислокаций. С одной стороны, когерентные атомные флуктуации способствуют приложенному напряжению продвигать дислокации через препятствия. С другой стороны, те же когерентные флуктуации способствуют самоблокировке сверхдислокаций. Проведение термоактивационного анализа сплавов со сверхструктурой L12, обладающих температурной аномалией механических свойств, связано с необходимостью разделения механизмов, дающих аномальный и нормальный вклады в изменение различных характеристик пластической деформации. К настоящему моменту распространен подход, в котором при анализе и описании предела текучести и напряжений течения используют специальные уравнения, описывающие температурную аномалию, а при анализе скорости деформации применяют уравнения, которые используют для чистых металлов для описания термоактивируемого преодоления локальных стопоров. Следствием такого подхода является невозможность определения энергии активации контактного взаимодействия дислокаций со стопорами различной природы.

Важным вопросом является выбор исследуемого материала для решения перечисленных проблем. Многие исследования интерметаллидов обусловлены технологическими задачами. В связи с этим большинство работ выполнено на промышленном сплаве Ni3Al. В то же время механическое поведение других сплавов с этой же сверхструктурой, не менее интересных с точки зрения физики процессов деформации, остается практически неизученным. Между тем известно, что такие сплавы как Ni3Ge, Ni3Ga, Ni3Si и др., наряду со схожими с Ni3Al свойствами, обладают также целым рядом индивидуальных особенностей. Отсутствие детальных экспериментальных данных о пластическом поведении этих фаз во многом обедняет общие представления о природе и механизмах термического упрочнения.

Отметим здесь еще одно важное обстоятельство. Исследований, выполненных на монокристаллах названных выше сплавов, вообще немного. В случае выбора поликристаллов для исследования необходимо учитывать влияние состава сплава на структуру границ зерен, что существенно осложняет картину явления. В то же время хорошо известно, что изучение монокристаллов дает возможность выявить в «чистом» виде дислокационные механизмы, отвечающие за те или иные пластические свойства материала.

11], кубическое скольжение начинается уже при температуре ниже комнатной и является основным механизмом деформации на продолжительном интервале температур. Такие особенности ориентационной зависимости сдвиговой деформации монокристаллов сплава Ni3Ge дают возможность исследовать механические свойства сплава отдельно при октаэдрическом и кубическом скольжении.

В связи с вышеизложенным выяснение физической природы деформационного и термического упрочнения сплавов со сверхструктурой L12 на примере монокристаллов сплава Ni3Ge является актуальной задачей.

Основной целью настоящего исследования является экспериментальное и теоретическое изучение закономерностей деформационного и термического упрочнения монокристаллов сплава Ni3Ge при разных видах нагружения (одноосное статическое сжатие, ползучесть, релаксация напряжений, активное нагружение сжатием с вариацией температуры и скорости деформации), выявление механизмов, лежащих в основе наблюдаемых закономерностей, и формирование принципиально новых подходов к термоактивационному анализу сплавов со сверхструктурой L12.

Для достижения цели исследования были поставлены следующие основные задачи:

В опытах с одноосным статическим сжатием провести комплексное исследование пластического поведения монокристаллов сплава Ni3Ge, имеющих разные ориентации оси деформации, в специфических условиях криогенных температур (4,2-77К), включающее в себя изучение механических свойств и эволюции дислокационной субструктуры, дополненное теоретическим анализом механизмов, отвечающих за температурную аномалию при криогенных температурах.

В опытах с одноосным статическим сжатием исследовать влияние отклонения от стехиометрии на механические свойства монокристаллов сплава Ni3Ge, имеющих разные ориентации оси деформации. Изучить влияние состава сплава на стадийность температурной зависимости предела текучести, величину сдвиговых напряжений и коэффициента деформационного упрочнения. Выяснить влияние атомного состава на температуру пика аномалии. Определить величины энергий активации восходящей и нисходящей ветвей термического упрочнения в зависимости от атомного состава сплава.

В опытах по ползучести исследовать пластическое поведение монокристаллов сплава Ni3Ge, имеющих разные ориентации оси деформации. Получить кривые ползучести в различных температурно-силовых интервалах. Изучить изменение макроформы и деформационного рельефа боковых граней кристаллов. Для разных температур испытания выполнить исследования дислокационной структуры кристаллов, сформированной в результате ползучести. Выполнить термоактивационный анализ, выяснить основные механизмы, контролирующие скорость ползучести в различных температурных интервалах.

В опытах с вариацией скорости и температуры деформации исследовать пластическое поведение монокристаллов сплава Ni3Ge, имеющих разные ориентации оси деформации. Провести качественный анализ скачка напряжений при вариации скорости деформации на монокристаллах Ni3Ge и Ni3Al, на основе которого разработать методику разделения полного скачка напряжений на нормальную и аномальную составляющие. Выполнить количественный анализ зависимости полного скачка напряжений и его составляющих от температуры, приложенных напряжений, ориентации оси деформации, диапазона изменения скорости деформации, отклонения от стехиометрии состава сплава. Исследовать скоростную чувствительность монокристаллов Ni3Ge в зависимости от температуры и приложенных напряжений в различных видах опытов. Провести анализ скачка напряжений при вариации температуры деформации, на основе которого разработать методику разделения полного скачка напряжений на нормальную и аномальную составляющие.

В опытах по релаксации напряжений исследовать пластическое поведение монокристаллов сплавов Ni3Ge и Ni3Al и монокристаллов чистых металлов. Изучить температурную зависимость скорости ползучести в условиях релаксации напряжений.

Разработать и реализовать принципиально новый подход к проведению термоактивационного анализа в сплавах с аномальной температурной зависимостью механических свойств. Определить величины эффективных активационных объемов и энергий контактного взаимодействия сверхдислокаций в широком интервале температур и деформаций. Изучить влияние вида скольжения на указанные характеристики.


загрузка...