Высокотемпературная локализация пластической деформации и разрушение монокристаллов парателлурита

Предполагая возможность «саморегулирования» структурно-механического состояния металла накануне образования трещины откола, можно заключить, что в условиях соударения при скорости ударника 90 м/с в мишени № 1 реализовалась адаптация структуры путем образования вихрей механического поля, которые вызвали аккомодационное скольжение и фрагментацию в приграничных объемах зерен.

В термически обработанной мишени № 2 удар вызвал упрочнение в зернах металла механизмами дислокационного скольжения и двойникования, рост которого сопровождался увеличением локальных структурных напряжений, образованием и объединением пор в магистральную трещину откола.

Сравнивая опубликованные данные о положительных корреляциях фрактальных размерностей поверхностей разрушения с результатами механических испытаний [3-5], с итогами проведенных исследований и количественными оценками морфологии поверхностей вязкого откольного разрушения, можно заключить следующее.

1. Чем больше вклад межзеренного скольжения, тем строже положительная корреляция с величиной фрактальной размерности профиля поверхности разрушения. Поэтому можно полагать, что величина фрактальной размерности как количественная аттестация морфологии образующейся трещины откола определяется запасом пластичности и механизмом пластической деформации материала мишени.

2. В мишенях со структурой упрочненного состояния откол реализуется после аккомодационной пластической деформации путем возникновения вих-

рей механического поля и фрагментации металла в приграничных объемах зерен.

3. В мишенях со структурой, способной к упрочнению и двойникованию, трещина откола образуется после внутризеренной пластической деформации механизмом образования и слияния пор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванова В. С., Баланкин А. С., Бунин И.Ж., Оксогоев А. А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. 383 с.

2. Оксогоев А.А. О сопряженности самоорганизующегося термодеформационного процесса и структурообразования при скоростном деформировании упруго-пластических сред // Математическое моделирование процессов в синергетических системах. Томск: Изд-во ТГУ, 1999. С. 300-304.

3. Барахтин Б.К., Лебедев М.П., Петров П.П., Макаров В.В. Оптимизация внутреннего строения материалов для работы в экстремальных условиях. М.: Академия, 2000. 160 с.

4. Барахтин Б.К., Савенков Г.Г. Связь характеристик откола с размерностью фрактальной структуры разрушения // ПМТФ. 2009. Т. 50. № 6. С. 61-69.

5. Ролдугин В.И. Фрактальные структуры в материаловедении // Материаловедение. 2005. № 4. С. 22-29; № 5. С. 19-26; № 6. С. 28-31.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Savenkov G.G., Barakhtin B.K., Rudometkin K.A. STRUCTURAL AND MECHANICAL FEATURES OF NONCORROSIVE STEEL SPLIT DESTRUCTION

Two states of non-corrosive steel 12Х18Н10Т are investigated. Split solidity and fractal dimension after impact of samples were determined. Features of plastic strain evolution during the impact load of samples are defined.

Key words: fractal dimension; fragmentation; vortex structure; slip; twinning.

УДК 539.377

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПАРАТЕЛЛУРИТА

© Н.П. Скворцова

Ключевые слова: высокотемпературная неустойчивость; локализованные сдвиги; парателлурит. Экспериментально изучались потеря устойчивости пластического течения и локализация деформации при высокотемпературном нагружении ковалентных кристаллов парателлурита. Выявлены различные каналы потери устойчивости деформации: высокотемпературный «зуб» текучести, прерывистое немонотонное течение и глобальная потеря устойчивости, проявляющаяся в катастрофическом развитии трещин и разрушении материала при деформации е > 10 %. Интерпретация эффекта основывается на представлениях о самоорганизации дефектной структуры деформируемой среды.

Ранее в лаборатории механических свойств кристаллов ИКРАН было открыто явление высокотемпературной локализации деформации в неметаллических кристаллах [1]. Эффект заключается в деформационном расслоении кристаллов на локальные зоны интенсивного сдвигообразования при температурах выше половины абсолютной температуры плавления. Величина сдвиговой деформации в зоне локализации составляет ~103-104 % в ионных [1-4] и ~102 % в ионноковалентных кристаллах [5, 6] при общей средней де-

формации образца менее 10 %. Сдвиги указанных величин ориентированы вдоль наиболее активных систем скольжения в этих кристаллах. Это обстоятельство свидетельствует о том, что механизм локализованной деформации осуществляется путем активации процессов быстрого лавинообразного движения близкорасположенных дислокаций. Однако природа образования локализованных сдвигов остается в значительной степени неясной.

1652

В работе [7] впервые обнаружены проявления неустойчивости пластического течения и локализации деформации в узких микрополосах сдвига в ковалентных кристаллах парателлурита. Кристаллы Те02 широко применяются в акустооптике для создания одно- и двухкоординатных дефлекторов и высокоэффективных модуляторов лазерного излучения, перестраиваемых узкополосных светофильтров и спектроанализаторов. Этим объясняется повышенный интерес к изучению высокотемпературной пластической деформации монокристаллов Те02. Данная работа посвящена дальнейшему изучению закономерностей высокотемпературной локализации деформации и исследованию влияния кристаллографической ориентации, температуры и величины деформации на критические макропараметры пластической деформации при высоких температурах.

Кристаллы парателлурита имеют решетку рутила и обладают слабо выраженной спайностью по плоскостям {100} [8]. Парателлурит проявляет очень высокую анизотропию упругих свойств - модуль Юнга в направлении [110] почти в 13 раз больше, чем в направлении [100]. Парателлурит кристаллизуется в рамках ацентричной тетрагональной пр. гр. ^4^2 с параметрами элементарной ячейки а = 0,48 нм, с = 0,76 нм [9].

Выращивание монокристаллов парателлурита проводили методом Чохральского в направлении <110> на воздухе при атмосферном давлении [7]. При использовании в качестве шихты Те02 ОСЧ основными примесями, как показал проведенный атомно-эмиссионный спектральный анализ, являлись А1, Си, Бе, М^, В1, 81. Содержание каждого элемента составляло ~ 2-10-4 Ш:. %. В выращенных кристаллах содержание примеси снижалось на порядок. Из полученных монокристаллов были вырезаны образцы размером ~4х4х8 мм трех различных кристаллографических ориентаций. Исходная плотность дислокаций, выявляемых в плоскости (110) методом избирательного химического травления в 50 %-ном растворе НС1, составляла 107-108 м-2.

Механические испытания образцов, ориентированных вдоль направлений [100], [110] и [221], проводились на испытательной машине «Инстрон 1102» в интервале температур Т = 733-993 К (0,73-0,99) Тт (Тт -температура плавления) на воздухе в специальном реверсе с рубиновыми пуансонами. Температурный градиент в рабочей зоне печи длиной 90 мм не превышал ±2 %. Все эксперименты проводились на воздухе при атмосферном давлении. Скорость деформации составляла 1,05-10-4 с-1. Методами оптической и интерференционной микроскопии исследован поверхностный деформационный рельеф, проведена идентификация локальных сдвигов и исследована диссипативная структура в ансамбле микросдвигов. Локализованные сдвиги идентифицируются по макроскопическим ступенькам сдвига на поверхности деформированного кристалла.

На рис. 1 приведены типичные диаграммы сжатия кристаллов диоксида теллура, деформированных при различных температурах. При Т < 900 К кристаллы хрупко разрушаются с образованием большого числа микротрещин в области нелинейной упругости (деформации очень малы, менее 1 %). Остаточная продольная деформация образцов отсутствует. Величина предела прочности оу уменьшается от ~ 158 до 84 МПа для образцов, ориентированных вдоль направления [100]. В интервале температур Т = 733-850 К величина

оу уменьшается на ~18 и ~34 % для образцов, ориентированных вдоль двух «мягких» [221] и [110] направлений.

(7, МПаг--------------------------------------

0 ‘ 1—1 1 ‘—1 1—1—1 1 1—1 1

О 2 4 6 8 10 12 14

8, %

Рис. 1. Диаграммы сжатия монокристаллов парателлурита, ориентированных вдоль [100], [110] и [221] при различных температурах: о - приложенные напряжения, е - общая средняя деформация

Особый интерес представляют кривые деформации в высокотемпературной области Т > 900 К (рис. 1). Именно здесь обнаруживается переход к новому упорядоченному во времени и пространстве динамическому состоянию - локализованному пластическому течению в узких микрополосах сдвига. Локальные сдвиги (микрополосы) проходят через весь объем образца и ориентированы вдоль систем активного скольжения. При сжатии вдоль [221] активизируется первичная система скольжения (001 )[100] с ориентационным множителем / = 0,3. При сжатии вдоль [110] действуют две ортогональные системы скольжения {010}<100> с одинаковым ориентационным множителем Шмида / = 0,5. На боковых сторонах деформированных образцов, перпендикулярных вектору Бюргерса подвижных дислокаций, следы указанных сдвигов проявляются в виде волнистых, разветвляющихся и расщепляющихся ступенек.

С,.....................................

0 20 40 00 с4, ллкм

Рис. 2. Распределение локальных сдвигов по ширине в кристаллах Те02, ориентированных вдоль [110] (1) и [221] (2), при температуре Т = 943 К и деформации е = 4,2 %

1653

На рис. 2 приведены примеры кривых распределения микрополос сдвига по ширине d в кристаллах, ориентированных вдоль направлений [110] и [221] при Т = 943 К и е = 4,2 %. Для данных условий деформации средние значения <<^ составляют ~28,3 и 39,7 мкм в образцах с ориентацией оси сжатия вдоль [110] и [221], соответственно. Увеличение деформации приводит к самопроизвольному появлению новых микросдвигов и развитию сдвигов, уже имеющихся в образце.

Переход к локализации сопровождается изменением характера разрушения деформированных образцов от хрупкого к вязкому, резким увеличением предельной пластической деформации до разрушения, огрублением полос скольжения и разупрочнением материала. Неустойчивость пластического течения проявляется в образовании периодических, очень малых спадов (скачков) деформирующего напряжения величиной примерно 0,2-0,5 МПа на деформационных кривых. На рис. 1 подобные всплески деформирующего напряжения не могут быть видны в указанном масштабе значений приложенного напряжения, но на диаграммах деформации деформированных образцов отчетливо обнаруживается немонотонное изменение деформирующих напряжений с деформацией. Средние значения относительных амплитуд <Ао/о> скачков, соответствующих локальным сдвигам, изменяются в пределах от десятых долей процента до ~1 %. Выявлены дополнительные каналы потери устойчивости деформации: высокотемпературный «зуб» текучести, величина которого составляет ~5 % от значения предела текучести, и глобальная потеря устойчивости, проявляющаяся в катастрофическом развитии трещин и разрушении материала при деформации е > 10 %.

Исследована температурная зависимость критических напряжений перехода к локализованному течению стсгй в кристаллах Те02.. Показано, что по мере повышения температуры от 900 до 993 К величина стсгй монотонно уменьшалась от ~66,8 до 44 МПа и от ~62,9 до 27,1 МПа в монокристаллах с ориентацией оси сжатия вдоль [110] и [221] направлений. Для сравнения отметим, что наблюдаемая величина критических напряжений перехода к локализованному течению в Те02 превосходит значение стсгй в ЫБ примерно на два порядка при температуре 0,9Тт.

Таким образом, изменение кристаллической структуры и типа межатомной связи оказывает существенное влияние на возникновение в процессе высокотемпературной деформации критических ситуаций (вс1й, стсгй) в динамической диссипативной системе сильно взаимодействующих дислокаций, в эволюции которой проявляются эффекты пространственной и временной самоорганизации [10]. Фактически речь идет о новой

моде потери устойчивости деформируемого кристалла с переводом его пластического течения в автоката-литический режим сильно коррелированного движения больших групп дислокаций. Интерпретация эффекта основывается на представлениях о самоорганизации дефектной структуры деформируемой среды. Полученные результаты имеют практическое значение для выбора оптимальных режимов термомеханической обработки кристаллов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бережкова Г.В., Скворцова Н.П., Регель В.Р., Перстнев П.П. Локализация пластической деформации в монокристаллах фтористого лития при повышенных температурах // ФТТ. 1984. Т. 26. № 4. 1074-1079.

2. Скворцова Н.П. Пластическая деформация и деформационное разупрочнение монокристаллов LiF при высоких температурах // ФТТ. 1995. Т. 37. № 11. С. 3347-3353.

3. Скворцова Н. П. Дислокационная структура полос локализованного сдвига при высокотемпературном нагружении монокристаллов LiF // Материаловедение. 1999. № 4. С. 10-14.

4. Скворцова Н.П. Скачкообразная пластическая деформация монокристаллов LiF при высоких температурах // Кристаллография. 2002. Т. 47. № 4. С. 697-701.

5. Скворцова Н.П. Локализация пластической деформации монокристаллов фторида бария при повышенных температурах // ФТТ. 2006. Т. 48. № 1. С. 70-73.

6. Скворцова Н.П., Кривандина Е.А., Каримов Д.Н. Локализация пластической деформации в кристаллах фтористого кальция при повышенных температурах // ФТТ. 2008. Т. 50. № 4. С. 639-643.

7. Скворцова Н.П., Ломонов В.А., Виноградов А.В. Рост и механические свойства монокристаллов парателлурита при высоких температурах // Кристаллография. 2011. Т. 56. № 1. С. 72-76.

8. Peter A., Fries E., Janszky J., Castaing J. Dislocations in pa^tell^^e TeO2: elastic enemies and plastic defecation // Revue Phys. Appl. 1986. V. 21. P. 289-298.

9. Кондратюк И.П., Мурадян Л.А., Писаревский Ю.В., Симонов В.И. Прецизионное рентгеноструктурное исследование акустооптиче-ских монокристаллов a-TeO2 // Кристаллография. 1987. Т. 32. № 3. С. 609-617.

10. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов // УФН. 1999. Т. 169. № 3. С. 979-1010.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Skvortsova N.P. HIGH TEMPERATURE LOCALIZATION OF PLASTIC DEFORMATION AND FRACTURE IN PARA-TELLURITE SINGLE CRYSTALS

The loss of stability of a plastic flow and strain localization in covalent paratellurite crystals were experimentally studied under the high-temperature loading. The various channels of the loss of stability in strain were identified, namely: high- temperature yield drop, discontinuous and nonmonotonic flow, and the global loss of stability, which manifests itself in a catastrophic development of cracks and destruction of the material at strain of e > 10 %. Interpretation of the effect is based on the concepts of self-organization of the defect structure of deformed medium.

Key words: high-temperature instability; localized shears; pa-ratellurite.

1654