Эволюция деформационного рельефа монокристаллов алюминия с ориентацией оси сжатия [001]

Эволюция деформационного рельефа монокристаллов алюминия с ориентацией оси сжатия [001]

Д.В. Лычагин, Л.А. Теплякова, Р.В. Шаехов, H.A. Конева, Э.В. Козлов

Томский государственный архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия

Для симметрично ориентированных монокристаллов алюминия изучена эволюция картины следов сдвига в интервале степеней пластической деформации 0-0.21. Установлены закономерности развития фрагментации сдвига. Изучена эволюция макрополос сдвига с ростом степени деформации и выявлен разный характер развития сдвига в макрополосе сдвига и вне ее. Исследованы области локализации первых макроизгибов кристаллической решетки и проанализированы причины их возникновения.

1. Введение

Настоящая работа является продолжением исследования картины следов сдвига в монокристаллах алюминия с ориентацией оси сжатия, параллельной кристаллографическому направлению [001], и ориентацией боковых граней, параллельных плоскостям {110}. Здесь будут рассмотрены закономерности ее эволюции в интервале степеней деформации 0.05-0.21. Подробно закономерности формирования картины следов сдвига в рассматриваемых монокристаллах, деформированных до 8 = 0.05, представлены и обсуждены в работе [1]. Кратко остановимся на основных результатах этой работы.

2. Основные черты картины следов сдвига после деформации 8 = 0.05

На рис. 1 представлена схема деформационного рельефа, сформированного на двух взаимно перпендикулярных гранях монокристалла после деформации 8 = = 0.05. Как видно из рис. 1, на гранях монокристалла наблюдаются три системы следов сдвига (А, В, С), которые идентифицированы как следы октаэдрического сдвига по четырем плоскостям {111} и одна система следов сдвига (D), не совпадающая с выходами этих плоскостей. С целью выявления областей локализации каждой из наблюдаемых систем следов сдвига интегральная картина сдвига на рис. 1 может быть разложена на составляющие (рис. 2, а). Из этого рисунка следует, что несмотря на высокую симметрию ориентации оси

нагружения системы следов сдвига на гранях развиты неодинаково. На грани (110) одна из наклонных систем следов сдвига является более развитой — система А. Наибольшая часть следов этой системы локализована в области, ограниченной выходами параллельных плоскостей октаэдра, проходящими через противоположные

Рис. 1. Схема картины деформационного рельефа, сформированного на двух взаимно перпендикулярных гранях монокристалла алюминия после деформации 8 = 0.05

© Лычагин Д.В., Теплякова Л.А., Шаехов Р.В., Конева H.A., Козлов Э.В., 2003

а б в

Рис. 2. Схемы локализации систем следов сдвига А, В, С и D на боковых взаимно перпендикулярных гранях

вершины грани, т.е. сдвиг происходил в объемах ^2 А + +У3 + У^А (рис. 3). Визуально, область с высокой плотностью следов системы А воспринимается в виде макрополосы сдвига. Следующей по величине плотности следов является вторая наклонная система следов сдвига — система В. Она является результатом сдвига в макрообъемах У2В + У3 + У'1В. Плотность следов в этой системе меньше, чем в рассмотренной выше. По сути, эта система является вторичной. В ней также можно выделить макрополосу сдвига. Третья система следов сдвига (система горизонтальных следов — система С) локализована на грани (110) преимущественно в верхней и нижней ее частях (рис. 2, а). Для этой системы характерна невысокая плотность следов. Кроме того, на обеих исследованных гранях монокристалла наблюдается система криволинейных следов сдвига — система D. Следы

этой системы отклонены от выходов на эту грань октаэдрических плоскостей на углы порядка 10 градусов.

Итак, с самого начала пластической деформации сдвиг в исследованных монокристаллах алюминия локализуется во вполне определенных областях монокристалла, т.е. развивается фрагментация сдвига на макроуровне. Важно подчеркнуть, что, несмотря на высокую симметрию ориентировки монокристалла, из четырех равнонагруженных плоскостей октаэдрического скольжения макролокализация сдвига происходит только в двух из них, причем активность и этих двух систем также неодинакова.

3. Развитие деформационного рельефа в интервале степеней деформации 0.05-0.21

Исследования эволюции деформационного рельефа, выполненные для ряда идентичных монокристаллов, позволяют констатировать хорошую повторяемость основных закономерностей его формирования. Проанализируем эти закономерности на примере монокристалла, рассмотренного в п. 2.

3.1. Системы следов сдвига на грани

Дальнейшее деформирование этого монокристалла до степеней 8 = 0.11 и 0.21 связано, в основном, с развитием «старых» систем следов сдвига: А, В, С и D (рис. 4, 5 и схемы на рис. 2, б, в). Во всех системах возрастает плотность следов. Увеличивается также площадь поверхности грани, которую они занимают. В системах А и В, по-прежнему, хорошо выделяются макрополосы сдвига. Увеличение с деформацией относительной доли

объема монокристалла, в котором действует каждая из рассмотренных систем сдвига, естественно приводит к дальнейшему развитию фрагментации сдвига. Как следует из анализа картины сдвига, проведенного в работе [1], основную часть фрагментов сдвига при 8 = 0.05 составляют фрагменты с одной, реже с двумя и тремя системами сдвига. С увеличением степени деформации в исследованном интервале существенно возрастает относительная доля фрагментов с двумя и тремя системами сдвига. Следует отметить, что большинство фрагментов с множественным сдвигом являются асимметричными. Как правило, одна из систем сдвига таких фрагментов более развита по отношению к другим. В ней либо выше плотность следов сдвига, либо следы более грубые, либо и то и другое одновременно.

Выше отмечалось, что для картины сдвига при 8 = = 0.05 характерна одноцветность следов в доминирующей системе фрагмента сдвига. С ростом деформации имеет место тенденция к появлению в ней следов противоположного цвета, так что наблюдается чередование цвета следов. Последнее свидетельствует о включении в деформацию в данном локальном объеме новой системы сдвига и приводит к измельчению первичного фрагмента.

Еще одной закономерностью развития картины сдвига с деформацией является постепенное увеличение числа следов со следующими характерными чертами: изогнутых, содержащих макроступеньки или отклоненных от выходов плотноупакованных плоскостей на боковую грань монокристалла. Эти результаты заслуживают отдельного обсуждения и в настоящей статье детально не рассматриваются.

Выше были рассмотрены общие закономерности эволюции основных систем сдвига А, В, С и D. Отметим также ряд особенностей их развития с деформацией в интервалах 8 = 0.05-0.11 и 8 = 0.11-0.21. Прежде всего следует отметить неоднородность развития рассматриваемых систем в объеме монокристалла. Система следов А в интервале 8 = 0.05-0.11 наиболее интенсивно распространяется на участки 5 4 и 5 4 (рис. 3), хотя отдельные следы этой системы присутствуют на всей поверхности грани (110) (рис. 4). После деформации монокристалла в интервале 8 = 0.11-0.21 следы этой системы наблюдаются в массовом количестве на всей поверхности грани (110), однако плотность следов на разных участках различна. Наиболее высокая плотность следов этой системы при 8 = 0.21 обнаруживается на участках 52л и 52л, 54 и 54 , 53 , 52В (рис. 3). Наименьшая плотность следов системы А характерна для участков 51 и 5(, являющихся сечением выделенных на рис. 3 макрообъемов V4 и V/. Согласно [1] эти объемы являются областями затрудненной деформации в результате реализующейся в них схемы напряжений всестороннего сжатия.

Система следов В менее представительна на рассматриваемой грани, чем система А, хотя факторы Шмида для них одинаковы. В интервале 8 = 0.05-0.11 следы этой системы локализованы на участках 52В, 53 и 52В

и, по-прежнему, образуют макрополосу сдвига (рис. 4). По сравнению с 8 = 0.05 при 8 = 0.11 макрополоса становится шире и плотность следов в ней возрастает, в особенности на участке 52В. Увеличение степени деформации до 8 = 0.21 приводит к дальнейшему расширению макрополосы на участки 52В и 5( и возрастанию плотности следов в ней (рис. 5). На участке 52В изменения в макрополосе заключаются, главным образом, в увеличении плотности следов сдвига без изменения ее ширины. Налицо заметная асимметрия действия системы сдвига В в разных объемах монокристалла (У2В и У2'В).

С самого начала пластической деформации система следов С в основном локализована на участках 51 и 5(. Следы сдвига на этих участках расположены в областях, прилегающих к торцам образца и стыкам с участком 53 (рис. 2, а). При этом на каждом из участков следы системы С разделяются на две группы. Так, на участке 51 приторцевую группу образуют светлые следы. Следы в области стыка 51 с 53 все темные. На участке 5( цвет следов в аналогичных областях противоположный. В центральной части участков 51 и 5( следов сдвига этой системы не наблюдается. С увеличением степени деформации до 0.21 тенденция распределения следов системы С сохраняется, лишь увеличивается их плотность.

Система следов D в интервале степеней деформации 8 = 0.05-0.21 продолжает формироваться. Несоответствие следов сдвига выходам плотноупакованных плоскостей на поверхность грани сохраняется и усиливается.

3.2. Системы следов сдвига на грани

С увеличением степени деформации в интервале 8 = = 0.05-0.21 число систем следов сдвига увеличивается и при достижении 8 = 0.21 на грани наблюдаются восемь систем следов сдвига (рис. 6). Четыре из этих систем следов образованы сдвигом по октаэдрическим плоскостям, идентифицированным при рассмотрении грани (110) (рис. 2). Плотность следов сдвига в них с ростом деформации увеличивается, а средняя длина следов заметно уменьшается за счет появления новых коротких следов. Остальные четыре системы следов отклонены от выходов октаэдрических плоскостей на грань (1 10) на различные углы. Преимущественно они локализованы у ребер образца и в центре грани. Особенностью следов новых систем является наличие многочисленных макроступенек на них. Линейные размеры областей, занятых вновь образовавшимися системами следов сдвига, заметно меньше размеров областей, занятых ранее сформированными системами.

Рис. 6. Деформационный рельеф на боковой грани (1 10) монокристалла алюминия, 8 = 0.21

Рис. 7. Картина сдвига и изгибы у вершины монокристалла, деформированного до 8 = 0.21

3.3. Изгибы

При 8 = 0.05 в локальных областях исследованных граней наблюдаются изгибы на поверхности. Первоначально они появляются на параллельных гранях (110) и локализованы у вершин монокристалла, имеющего,

как отмечалось ранее, форму параллелепипеда с соотношением высоты к ширине, равным двум. Оси изгибов близки к направлениям выходов октаэдрических плоскостей, сдвиг по которым приводит к появлению следов систем А и В в областях изгиба. Рисунок 7 является

тшшшр]

иииииищи б ¡в

щзЩаШшшшж

ВМНН

ннн

IIIIII

ШШШШ и

ШИІІИІІ

яшяшшшшшт МІ1ІІ1І

Рис. 8. Эпиграммы с локальных участков боковых граней монокристалла алюминия с ориентацией оси сжатия [001]: исходное состояние

хорошей иллюстрацией этого факта. Действительно, видно, что наиболее высокая плотность прямолинейных следов октаэдрического сдвига наблюдается именно в области изгиба у вершины образца. На этом рисунке также можно видеть две системы изогнутых следов с многочисленными ступеньками на грани (1 1 0) (вторичные фрагменты сдвига). Интересно отметить, что они расположены в области затрудненной деформации у границ первичных макрофрагментов.

С развитием степени деформации изгибы распространяются к центру грани (110) и в местах их стыка картина изгибов усложняется (рис. 4, 5). Если первые изгибы имели одну ярко выраженную компоненту тензора изгиба-кручения, то при деформации 0.05 в центре грани уже реализуется многокомпонентный изгиб-кручение кристаллической решетки. Появление изгибов может быть обусловлено накоплением в локальных объемах кристалла избыточной плотности дислокаций одного знака, что приводит к возникновению непрерывных (плавных) разориентировок в кристаллической решетке. О возникновении в объеме монокристалла непрерывных разориентировок свидетельствует также появление тяжей на рефлексах эпиграмм, полученных с различных участков грани (рис. 8). Из этого рисунка видно, что длина тяжей и их ориентация для разных участков грани неодинаковы. Этот факт свидетельствует, во-первых, о неодинаковой величине разориенти-ровок различных объемов монокристалла, а во-вторых, о наличии разных компонент тензора изгиба-кручения кристаллической решетки в них.

4. Закономерности развития макрополосы сдвига

Как отмечалось выше, с самого начала пластической деформации для данного монокристалла характерна макролокализация сдвига в двух из четырех возможных и действующих семейств октаэдрических плоскостей. Образуются две пересекающиеся макрополосы сдвига. Каждая из макрополос представляет собой пачку близко расположенных плоскостей, по которым прошел сдвиг. Из анализа картины деформационного рельефа следует, что макролокализация сдвига в обнаруженных полосах продолжает развиваться во всем исследованном интервале степеней деформации. Для количественного описания эволюции полос в работе были измерены расстояния АХI между соседними следами в системах А и В. Результаты этих измерений для системы следов А в зависимости от координаты следа в направлении, перпендикулярном полосе, представлены на рис. 9 (точка 1 соответствует положению первого следа в рассматриваемой системе). Из представленной на рис. 9, а диаграммы следует, что при 8 = 0.05 большая часть следов сконцентрирована в полосе шириной ^ 750 мкм, а расстояния между ближайшими следами в полосе группируются в интервале значений 5-15 мкм. Вне полосы —

100 80 | 60 *«, 20 0

0 500

1000 1500 2000 X, мкм

500 1000 1500 2000 X, мкм

о

500 1000 1500 2000 X, мкм

Рис. 9. Изменение расстояния между соседними следами на грани (110) в направлении перпендикулярном следам в монокристалле алюминия с ориентацией оси сжатия [001], система А: 8 = 0,05 (а);

0.11

расстояния АХг- на порядок больше. Следует отметить, что при использованной методике регистрируются только те следы сдвига, высота ступенек в которых не меньше физического разрешения метода. Таким образом, анализируемая картина сдвига и количественно характеризующие ее диаграммы «АХ - X» позволяют получить информацию о закономерностях организации сдвига в объеме монокристалла на макроуровне.

При увеличении степени деформации полоса более интенсивно расширяется в сторону точки 1, т.е. в сто-

рону свободной поверхности, чем в сторону точки 3. Полученные диаграммы являются количественным подтверждением отмеченного выше факта асимметричного развития системы сдвига (111) [101]. Обращает внимание, что при всех исследованных степенях деформации расширение макрополосы локализованного сдвига не сопровождается заметным изменением интервала значений АХг-. Отсюда следует, что на данном масштабном уровне существует предельное значение расстояний между следами сдвига в полосе. Аналогичные закономерности изменения макрополосы с деформацией наблюдаются и для системы (111) [011].

5. Заключение

Как было показано в работе [1], закономерности развития макрофрагментации сдвига с деформацией определяются формой образца при осадке, ориентацией оси сжатия и граней монокристалла, т.е. его кристаллогеометрическими характеристиками. Такую фрагментацию можно назвать первичной [2]. Она развивается с самого начала пластической деформации. Первичные фрагменты сдвига являются наиболее крупными из фрагментов, образующихся в исследованных монокристаллах при пластической деформации. Обычно в монокристалле образуется несколько первичных фрагментов сдвига. Естественно, что их линейные размеры соизмеримы с линейными размерами монокристалла. Даль-

нейшая деформация монокристалла приводит к образованию новых фрагментов сдвига — вторичных. Вторичные фрагменты сдвига имеют меньшие линейные размеры и чаще образуются в местах стыка первичных фрагментов, реже внутри них.

Выше отмечалось, что начало пластической деформации исследованных монокристаллов сопровождается появлением изгибов у вершин образца. Можно полагать, что первопричиной появления этих изгибов является различие схем главных напряжений при переходе из объемов V1 и V( в соседние. При достижении предела текучести в областях первичных изгибов наблюдаются первые следы сдвига. С ростом степени деформации именно в этих областях и развивается макролокализация сдвига, т.е. образуются макрополосы сдвига. Места локализации макрополос сдвига не меняются в процессе пластической деформации. В ходе деформации происходит асимметричное расширение каждой из макрополос в сторону свободной поверхности.

Литература

1. Теплякова Л.А., Лычагин Д.В., Козлов Э.В. Локализация сдвига при деформации монокристаллов алюминия с ориентацией оси сжатия [001] // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 6. - С. 49-55.

2. Теплякова Л.А., Куницыгна Т.С., Конева Н.А., Старенченко В.А., Козлов Э.В. Макрофрагментация сдвига в монокристаллах сплава Ni3Fe при активной пластической деформации // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - № 5. - С. 77-82.

Deformation relief evolution for aluminum single crystals with loading axis orientation [001]

D.V. Lychagin, L.A. Teplyakova, R.V. Shaekhov, N.A. Koneva, and E.V. Kozlov

Tomsk State Architecture-Building University, Tomsk, 634003, Russia

Shear evolution at plastic strain ranging from 0 to 0.21 was investigated for symmetrically oriented aluminum single crystals. The mechanisms of shear fragmentation were found. Consideration was given to shear macroband development with strain degree growth. Different behavior of shear development within and outside a shear macroband was revealed. Localization regions of first lattice macrodistortions were investigated and reasons of the macrodistortion appearance were analyzed.