Деформационные микрорельефы второй группы, возникающие при нагреве и растяжении металлов с г.ц.к. решеткой

Во вторую группу включены микрорельефы, связанные преимущественно с деформационными процессами, развивающимися на границах зерен. В качестве первого типа микрорельефа приводится взаимное смещение зерен (рис. 193, а). Обычно предполагается, что деформация этого вида происходит при достаточно высоких температурах в результате «вязкого» течения по границам зерен (по Т. С. Кэ). Имеется другая точка зрения, согласно которой смещение зерен относительно друг друга вызывается деформацией самих зерен, а «вязкое» течение по границам, по-видимому, играет лишь вспомогательную роль.

Оценка деформации по границам зерен может производиться различными способами: по расфокусировке соседних зерен при наблюдении в микроскоп, путем измерения высоты возникающего рельефа с помощью микроинтерферометра, нанесением продольных или поперечных рисок на поверхность образца и по изменению формы зерен в объеме образца. Обзор указанных методов приведен в работе.

Несмотря на значительное число опубликованных работ по определению доли деформации, связанной со взаимным смещением зерен, получены очень противоречивые результаты. Так, для алюминия при измерениях на поверхности образцов были получены значения, различающиеся в несколько раз. Это объясняется, по-видимому, влиянием величины зерна, а также различием используемых методик. X. Бруннер и Н. Грант показали, что максимальное значение деформации, связанной с границами зерен, не может превышать одной трети общей деформации образца. В то же время, например, в работе, при исследовании ползучести электролитического магния эта доля деформации была определена равной 65—90% общей деформации. Такие же, по (всей вероятности, завышенные значения деформации за счет границ зерен были получены для алюминия в работах.

Приведенные данные позволяют высказать утверждение о необходимости дальнейших исследований в этой области, так как оценка деформации, связанной со взаимным смещением зерен, имеет принципиально важное значение для изучения природы механизма высокотемпературной деформации металлов.

Второй тип рельефа (рис. 193, б) — складки в районах «тройных» точек на границах зерен. Такие складки (folds) при повышенных температурах впервые наблюдали Чжан Син-чин и Н. Грант при ползучести крупнозернистого алюминия. Складки представляют своеобразное проявление неоднородной пластической деформации в районах тройных точек, возникающей под влиянием концентрации напряжений при скольжении по границам зерен. Можно полагать, что разрядка напряжений при образовании складки повышает сопротивление границы дальнейшей деформации (если к моменту возникновения складки концентрация напряжений в тройной точке не превысила предела прочности материала и не образовалась межкристаллическая трещина).

В микроструктуре деформируемых образцов складки имеют вид темных стреловидных полос, распространяющихся внутрь зерна из тройных точек. Следует отметить, что такие складки обычно возникают вскоре после нагружения образца и на последующих стадиях деформации теряют четкие очертания. При исследовании микроструктуры образцов после прекращения испытания складки, как правило, трудно обнаружить.

Третий тип рельефа (рис. 193, в) — фрагментация исходного зерна, проявляющаяся в возникновении контуров субзерен. Образование субзерен в процессе медленной высокотемпературной деформации было впервые обнаружено в 1935 г. К. Дженкинсом и Г. Меллором и с тех пор наблюдалось неоднократно. Необходимо отметить, что наблюдение субзерен под микроскопом возможно лишь после сформирования относительно четких их границ.

Образование субзерен при высоких температурах происходит различным образом в зависимости от режима испытания. В работах сообщается об обнаружении двух основных механизмов формирования субструктуры в алюминии: а) путем возникновения субграниц, располагающихся приблизительно под прямым углом к следам скольжения, и б) под влиянием неоднородного распределения пластической деформации в зернах, возникающей, в частности, вследствие концентрации напряжений в тройных точках. Первый из указанных механизмов связан с поворотом разориентированных фрагментов вокруг оси, перпендикулярной направлению скольжения, а второй проявляется при отсутствии видимых следов скольжения при более высоких температурах испытания. Эти механизмы образования субзерен наблюдались также и в наших экспериментах с никелем и металлами платиновой группы.

К четвертому типу рельефа (рис. 193, г) относится направленная миграция границ зерен. Этот микрорельеф проявляется в виде ряда последовательных положений границ зерен (показаны на приведенной схеме пунктиром), расположенных преимущественно под прямым углом к оси растяжения образца и перемещающихся под действием приложенного напряжения.

Миграция границ зерен при деформации стимулируется рядом факторов, из которых главную роль играет стремление к уменьшению поверхностной энергии, а также наличие избыточной свободной энергии, возникающей при скольжении по границе. Известны случаи, когда граница мигрирует не к центру своей кривизны (что должно приводить к уменьшению поверхностной энергии зерна), а от этого центра. Это означает, что достижение минимума свободной энергии при определенных условиях испытания может определяться не уменьшением поверхностной энергии системы, а путем перераспределения упругой энергии между зернами.

Направленная миграция границ зерен тесно связана с процессом скольжения по границам. Чжан Син-чин и Н. Грант показали, что в результате миграции границы, перемещающей ее в смежное ненапряженное положение, происходит дальнейший сдвиг по границе зерен. Такой «циклический» характер скольжения по границе и миграции, чередующихся друг с другом, отмечается также в ряде работ В.И. Сюткиной и Э.С. Яковлевой. Согласно другой точке зрения, миграция границ зерен не представляет направленного процесса и не связана с деформацией по границам, а является своеобразным проявлением рекристаллизации, развивающейся без возникновения зародышей новых зерен.

Следующие два типа рельефа (рис. 193, д и е) относятся к рекристаллизации под напряжением. На начальной стадии рекристаллизации (пятый тип рельефа, рис. 193, д) происходит миграция границ и возникновение новых зерен. Эти рекристаллизованные зерна зарождаются главным образом на стыках границ и отчасти на границах старых зерен (на приводимой схеме новые зерна отмечены стрелками). При дальнейшем развитии рекристализации (шестой тип рельефа, рис. 193, е) наблюдается укрупнение новых зерен за счет их объединения и роста, причем одновременно происходит также миграция границ новых зерен. Положение старых границ зерен показано на рис. 193, е пунктиром.

Такой механизм рекристаллизации наблюдался нами в процессе деформации никеля в широком диапазоне скоростей растяжения (примерно от 10 до 800%/час), причем при достаточно высокой температуре испытания (900—1000 °С) этот процесс интенсивно развивается после незначительного (2—5%) удлинения образца. Быстрая деформация никеля при данных температурах, как это указывалось выше (см. также рис. 192, ж и з), приводит к образованию сдвигового микрорельефа, что связано с подавлением рекристаллизации на ранних стадиях деформации.

Возникновение и развитие межкристаллических трещин показано на рис. 193, ж и з (седьмой и восьмой типы рельефов). В условиях медленной высокотемпературной деформации наличие межкристаллических трещин представляет характерную особенность микростроения образцов. Известно, что материал может не претерпевать разрушения даже при возникновении на поверхности образцов значительного количества трещин. Такое поведение исследуемых образцов наблюдалось также нами, в частности, в процессе медленного растяжения никеля при 1000 °C.

На рис. 194 и 195 приведены микрофотографии, иллюстрирующие рассмотренные схемы рельефов второй группы.

Различные проявления взаимного смещения зерен в процессе деформации при повышенных температурах представлены на рис. 194, а—г.

Смещенные относительно друг друга зерна в образце никеля, подвергнутом растяжению при T = 600 °С, v = 7,7%/час, е = 20,5%, видны на рис. 194, а (х300). Излом отмеченного стрелкой отпечатка 2 алмазной пирамиды на границе зерен, по которой произошел межзеренный сдвиг, показан на рис. 194,6 (Ni, T = 400°С, v = 0,5%/час, е = 19%) (х200). Пунктирной линией на данной фотографии отмечено положение отпечатков алмазной пирамиды 1, 2 и 3, нанесенных на поверхность образца до испытания. Оценка указанного смещения зерен лежит в основе метода нанесения рисок. Горизонтальными стрелками на рис. 194, а и б показано направление действия растягивающей нагрузки.

Рис. 194, в и г иллюстрирует смещение зерен в образцах платины. О смещении зерен на рис. 194, в (Т = 800°С, онач = 1,3 кг/мм2, е = 4,9%, t = 5 час.) (х100) свидетельствует излом волнистых следов скольжения при переходе через границу в зонах, отмеченных стрелками. Следует обратить внимание на принципиальное отличие данного вида микрорельефа в зоне перехода следов скольжения через границу от картины беспрепятственного перехода следов скольжения через границу зерен при отсутствии их смещения (рис. 190, е).

Смещение зерен в платине, испытанной при T = 1000 °С, онач = 0,45 кг/мм2, е = 4,9%, t = 10 час., показано на интерференционной микрофотографии рис. 194, г (x650). Излом интерференционных полос при переходе через границы зерен позволяет судить о величине образовавшегося микрорельефа, связанного с деформацией по границам.

Одним из характерных видов микрорельефа, возникающего при высокотемпературной деформации, являются складки, характеризующие локальную пластическую деформацию внутри зерен под влиянием взаимного смещения сопрягающихся зерен. Микрофотография на рис. 194, д снята с образца платины (х47,5) через 1,5 часа после нагружения при T = 1000 °C, онач = 0,85 кг/мм2, е = 5,1%; видны складки в районах тройных точек, связанные со взаимным смещением зерен. Многочисленные складки наблюдались нами также в процессе деформации никеля при высоких температурах.

Фрагментация зерен (образование субструктуры) при деформации в условиях действия высоких температур иллюстрируется рис. 194, е—з и 195, а, б. Один из механизмов фрагментации — появление контуров субзерен, располагающихся почти перпендикулярно направлению следов скольжения. Такой механизм образования субзерен наблюдается в зерне А на рис. 194,е (х47,5), онятом с образца палладия, подвергнутого испытанию при T = 800 °С, онач = 1,5 кг/мм2, в = 11,9%, t = 3 час. Примером иного механизма фрагментации является возникновение субзерен в образце платины (Т = 1000°С, онач = 0,45 кг/мм2, е = 4,9%, t = 10 час.) при отсутствии видимых следов скольжения (рис. 194, ж) (х47,5). Развитие этого процесса, по-видимому, обусловлено наличием неоднородного напряженного состояния в объеме зерен, что способствует возникновению разориентировки в отдельных микрообъемах. Показанные на рис. 194, е и ж виды субструктуры подтверждают механизмы фрагментации, наблюдавшиеся при ползучести алюминия.

На рис. 194, з (x47,5) помещена микрофотография образца платины, снятая через 1,5 часа после начала испытания при T = 1000 °C и oнач = 0,85 кг/ммг (е = 5,1%). Следует обратить внимание на образование контуров субструктуры в зернах А, Б, В и Г, а также возникновение своеобразной «сферичности» в зерне А. Последняя вызвана, вероятно, влиянием напряженного состояния, связанного с воздействием зерен-соседей и проявляющегося в данных условиях испытания.

Появление субструктуры в зернах никеля показано на рис. 195, a и б. Вид фрагментов, обычно возникающих в никеле при медленной деформации с нагревом до 800—1000 °С, приведен на рис. 195, a (Т = 1000 °С, v = 6,4%/час, е = 20,5%) (x140). При относительно низких температурах деформации может образовываться субструктура в никеле при наличии видимых следов скольжения в зернах, внешний вид которой аналогичен представленной на рис. 194, е. Такой вид микрорельефа показан на рис. 195,б (Т = 400°С, V = 0,5%/час, е = 19%) (х200).

Направленная миграция границ зерен под действием растягивающих напряжений иллюстрируется двумя микрофотографиями, снятыми с одного и того же участка поверхности образца палладия в процессе испытания при T = 1000 °C и онач = 0,45 кг/мм2 (рис. 195, в и г) (х47,5). Стрелками показано направление действия растягивающих усилий. В зерне А (рис. 195, в) видна начальная стадия миграции границ (снимок сделан через 15 мин. после нагружения, е = 1,1%); последующее развитие миграции можно заметить на рис. 195, г) (снято через 2 часа после начала испытания, е = 3,0%).

Микроструктура поверхности образцов никеля при развитии рекристаллизации под напряжением при T = 1000 °C и v = 8%/час показана на рис. 195, д и е (x140). Начальная стадия рекристаллизации, связанная с образованием новых зерен (границы одного из них отмечены стрелками), видна на рис. 195, д (е = 1,3%). Дальнейшее развитие рекристаллизации, вызывающее укрупнение новых зерен за счет их объединения и роста, снято при е = 10,8% (рис. 195, е).

Образование и развитие межкристаллических трещин можно проследить на рис. 195, ж и з (x200), снятых в процессе испытания образца никельмолибденового сплава (7% Mo) при T = 600 °C и онач = 16 кг/мм2. Зарождение микротрещины на границе зерен в зоне, отмеченной стрелкой, видно на рис. 195, ж (е = 4,8%, t = 90 мин.). Дальнейшее развитие трещины (рис. 195. з) произошло за последующие 25 мин. испытания, вызвавшего общую деформацию образца 8 = 6,0%. Горизонтальными стрелками на рис. 195, ж и з показано направление действия приложенного напряжения.

Характерная особенность рассмотренных выше микрорельефов второй группы — их возникновение, как правило, при температурах не ниже 0,5 Tпл, что их отличает от микрорельефов первой группы, которые могут образовываться в широком интервале температур и в значительно большей степени зависят от скорости деформации.