Содержание к диссертации
Введение
1. Пластическая деформации при сжатии и трении 15
1.1. Активная пластическая деформация металлов и сплавов 15
1.2. Исследование организации деформационного рельефа на боковых гранях монокристаллов 17
1.3. Ротационная пластичность металлов при активной пластической деформации 25
1.4. Образование складок на поверхности и в структуре твердых тел 29
1.4.1. Гофрирование при прокатке и рекристаллизации 29
1.4.2. Складкообразование в моно- и поликристаллах металлов при деформации одноосным растяжением или сжатием 30
1.4.3. Обособленная природа деформации поверхностного слоя 31
1.5. Подповерхностная деформация и фрагментация поверхностных слоев при трении 33
1.6. Постановка задачи 39
2. Материалы и методики исследований 40
2.1. Материал исследования 40
2.2. Кристаллографические особенности и геометрические параметры исследованных монокристаллов 41
2.3. Методика механических испытаний 43
2.4. Методика структурных исследований 47
3. Деформационное поведение монокристаллической меди при одноосном сжатии [164-167] 49
3.1. Развитие деформационного рельефа и фрагментация на макро- и
мезомасштабных уровнях при сжатии [110]-монокристаллов меди 50
3.1.1. Развитие картины сдвига на второй стадии кривых деформационного упрочнения 50
3.1.2. Макрофрагментация монокристаллов с ориентацией оси сжатия [110] 57
3.1.3. Развитие деформации на третьей стадии кривых деформационного упрочнения 60
3.2. Развитие деформационного рельефа и стадии кривых деформационного упрочнения [110]-монокристаллов меди 61
3.3. Развитие деформационного рельефа при сжатии [ 111]-монокристаллов меди 64
3.4. Макрофрагментация [ 111]-монокристаллов меди при одноосном сжатии 70
3.5. Структурные элементы деформационного рельефа [ 111]-монокристаллов 77
3.5.1. Следы сдвига 78
3.5.2. Деформационные макро- и мезополосы 79
3.5.3. Складки, системы складок, изгибные полосы, наплывы 82
3.6. Развитие деформации и стадийность деформационного упрочнения [111]-монокристаллов 83
3.7. Различие в организации пластической деформации [110]- и [111]-монокристаллов меди при одноосном сжатии 89
4. Классификация, масштабная иерархия и физическая природа образования деформационных складок на поверхности монокристаллов меди при сжатии [179-182] 94
4.1. Картина сдвига на поверхности деформационных складок 95
4.2. Классификация и масштабная иерархия складчатых структур 103
4.3. Физическая природа образования деформационных складок 109
4.3.1. Полосы переориентации первого типа 110
4.3.2. Полосы второго типа 116
4.3.3. Концептуальная модель образования складок и полос деформации 119
5. Приповерхностная деформация, переориентация и фрагментация поверхностного и подповерхностных слоев при сухом трении монокристаллов меди 125
5.1. Деформационный рельеф на поверхности боковых граней [110] и [111]-монокристаллов меди при малых степенях деформации 126
5.2. Деформационный рельеф на поверхности монокристаллов меди при увеличении степени деформации 130
5.3. Образование складок и наплывов при трении в сравнении с испытаниями на одноосное сжатие 140
5.4. Фрагментация поверхностных и подповерхностных слоев при трении 149
5.4.1. Фрагментация поверхностных слоев [110]-монокристаллов 151
5.4.2. Фрагментация поверхностных слоев [ 111]-монокристаллов 158
5.5. Влияние схемы напряженного состояния и кристаллографической
ориентации на организацию пластической деформации в монокристаллах меди
163
Заключение (выводы) 172
Список сокращений, условных обозначений и терминов 175
Список литературы 176
- Исследование организации деформационного рельефа на боковых гранях монокристаллов
- Кристаллографические особенности и геометрические параметры исследованных монокристаллов
- Развитие картины сдвига на второй стадии кривых деформационного упрочнения
- Физическая природа образования деформационных складок
Исследование организации деформационного рельефа на боковых гранях монокристаллов
На монокристаллах никеля с данной кристаллогеометрической установкой отмечено образование макрополос сдвига, представляющих собой линзовидные образования с некоторым отклонением следов от кристаллографического положения [88]. Макрополосы формируются преимущественно по границам зон с разной схемой напряженного состояния.
Исследования [001]-монокристаллов с боковыми гранями {100} детально проведены в работе [90]. Данная ориентация обладает максимально возможным классом симметрии из всех сочетаний оси сжатия с боковыми гранями. Организация деформационного рельефа на боковых гранях монокристаллов алюминия заключается в формировании систем следов сдвига и систем пересекающихся следов. Макрофрагментация сдвига, как указывают авторы, происходит с самого начала деформации, а морфология фрагментов связана с ориентацией плоскостей октаэдрического сдвига в кристалле.
При сжатии монокристаллов с ориентацией оси деформации [110] равно-нагруженными являются две октаэдрические плоскости по два направления сдви-19 га в каждой. В объеме таких образцов преобладают области «облегченного» сдвига. Основными элементами рельефа на монокристаллах данных ориентировок являются системы следов сдвига, мезополосы деформации, мезо- и макроскладки [77,91].
Картина рельефа при деформации [110]-монокристаллов с боковыми гранями (001)-(110) и (112)-(111) отличается закономерностями макролокализации сдвига, приводящими к формированию либо макропачек сдвига, либо одной крупной «гиперпачки» [91]. Авторами сформулировано условие необходимое для формирования в [110]-монокристаллах алюминия макропачек сдвига: «если с пуансонами испытательной машины контактируют ребра многогранника, в котором семейство равнонагруженных плоскостей имеет выход на все свободные грани, то образуются макропачки сдвига, если с пуансонами контактируют только вершины многогранника, то макропачки не образуются».
В [ 111]-монокристаллах в форме параллелепипеда с ориентацией боковых граней (110) и (112) объемы «облегченного» сдвига не выделяются. Напротив, в образцах имеются области, в которых плоскости скольжения опираются с двух сторон на пуансоны испытательной машины. Такие области в литературе принято называть областями «стесненного» сдвига [76,77,80]. Основными элементами рельефа в данном случае являются макрополосы деформации, системы следов сдвига, изгибные полосы, мезо- и макроскладки [76,77,80].
Макрополосы деформации, как описано в работе [80], могут быть нескольких основных видов. Первый - макрополосы в форме тонких линз, или полулинз, с размытыми или резкими границами, с острыми концами, или рассеянными на одном или двух краях. Второй - макрополосы деформации, имеющие внутреннюю структуру, представленную одной или двумя системами тонких следов от сдвига или деформационных складок.
В работе [76] показано, что отклонение оси сжатия от установленного значения, т.е. смена ориентации оси сжатия с [111] на [33.33.30] существенно влияет на развитие макрополос деформации. Такое отклонение оси сжатия приводит к тому, что на боковых гранях происходит формирование не нескольких, а одной системы макрополос деформации и усиливается складкообразование. По мнению авторов это связано с тем, что из всего набора систем сдвига одна является преобладающей.
Деформация монокристаллов в форме правильной треугольной призмы происходит с существенно меньшим складкообразованием на боковых гранях в связи с совпадением симметрии образца в направлении оси нагружения и расположения октаэдрических плоскостей сдвига относительно этой оси.
Наиболее крупные деформационные макрополосы обнаружены на монокристаллах в форме прямоугольного паралелепипеда [76]. Более однородное распределение деформации обнаруживается на монокристаллах в форме правильной треугольной призмы и в форме параллелепипеда с отклонением оси деформации на 2.
В работе [78] представлены результаты исследования монокристаллов алюминия с ориентацией оси сжатия [112]. Не все системы сдвига в такой ориентировке являются равнонагруженными. Максимальное значение фактора Шмида, равное 0,41, достигается для двух систем сдвига по плоскостям (111) и (111), которые в отдельных областях кристалла заключены между обоими пуансонами испытательной машины (т.е. имеют области стесненного сдвига). Они также имеют по одной системе сдвига с фактором Шмида 0,27 и по одной с 0,14. Для третьей плоскости скольжения выделяются объемы облегченного сдвига, но фактор шми-да для систем скольжения по ней равен 0,27. Скольжение при деформации происходит преимущественно по плоскостям с максимальным фактором Шмида и формируются следы сдвига. Сдвиг по плоскости с меньшим фактором Шмида локализован в приторцевых участках. Также отмечается макрофрагментация сдвига и наличие тонких деформационных складок. Первичная макрофрагментация определяется неоднородностью сдвига по двум максимально нагруженным системам. Вторичная – с развитием областей изгиба, появлением полос переориентации. Переориентация кристаллической решетки, обнаруженная на макроуровне при анализе картины следов сдвига подтверждена с помощью рентгеноструктурных исследований. Исследования закономерностей макрофрагментации сдвига в монокристаллах сплава Ni3Fe с ближним атомным порядком проведены в работе [86]. Исследованы образцы с ориентацией оси сжатия [1.8.12]. У кристаллов с данной ориентировкой нет равнонагруженных систем сдвига. Плоскости скольжения в данной ориентировке разделяются на первичную, сопряженную, критическую и поперечную. Показано, что начиная с небольших степеней деформации монокристалл разбивается на три макрофрагмента, которые могут быть получены разбиением образца на объемы первичной плоскостью скольжения, проведенной от торцевых ребер. В одном из них действует первичная плоскость скольжения, в двух других (приторцевых) – первичная и сопряженная. Организация сдвига в указанных фрагментах существенно различается, если для центральной области отмечается кластеризация зон сдвига, то в приторцевых реализуется множественное скольжение и равномерное распределение зон сдвига. При увеличении степени деформации развивается вторичная макрофрагментация, связанная с образованием в центральной части кристалла вторичных систем скольжения. В работе показано, что стадии деформационного упрочнения отличаются последовательным включением в деформацию образца первичной, сопряженной, критической и поперечной плоскостей. Стадия легкого скольжения в данном случае не выявлена, т.к. фактор Шмида для первичной и сопряженной плоскостей отличается незначительно (0,47 и 0,45).
Кристаллографические особенности и геометрические параметры исследованных монокристаллов
Тот факт, что при определенных условиях пластическая деформация металлов от трансляционного механизма переходит к ротационному был осознан еще в начале 20-го века в работах А.Ф. Иоффе [10], Е. Шмида [103], и В.Д. Кузнецова [9]. Включение в процессы пластической деформации металлов и сплавов при растяжении и сжатии описано при изучении картины следов скольжения оптическими методами исследования. Важным результатом таких исследований явилось описание таких эффектов при активной пластической деформации ГЦК-металлов, как полосы сброса и полосы вторичного скольжения [1,11]. В итоге были представлены первые модели полос сброса. Из отечественных работ данного этапа можно выделить обзор Урусовской [104]. Взаимосвязь стадий деформационного упрочнения и изменения ориентации кристаллической решетки прослежена в работе Мадера и Зегера [71]. В работе показано, что полосы сброса образуются на второй стадии деформационного упрочнения, но размеры и объемная доля их невелики. При переходе к третьей стадии деформационного упрочнения увеличивается объемная доля и размер таких полос.
Важным методом исследований при анализе переориентированных областей становится рентгеноструктурный анализ [1] и просвечивающая электронная микроскопия [57].
В более поздних работах В.А. Лихачева, В.Е. Панина, В.И. Владимирова, В.В. Рыбина и др. [12,57,106,160 и др.] на основе обзора экспериментальных данных дано теоретическое описание различных ротационных структур, полос сброса и полос переориентации.
В работе [106] приведена схема развития макроскопической полосы переориентации в образцах при сжатии (рис. 1.5).
Существенным результатом данной работы является определение типичных зародышей ротационной неустойчивости: одноосных и двуосных диполей клиновых дисклинаций, квадруполей клиновых дисклинаций.
В работе [160] произведен подробный обзор экспериментальных данных о сбросообразовании в металлах и ионных кристаллах. В работе приведены схемы строения сбросов (рис. 1.6, а-в) и модели образования прослоек сброса (рис. 1.6, г).
Авторы работы отмечают, что сбросообразование не обнаружено при сжатии монокристаллов ГЦК-металлов и в монокристаллах, ориентированных для множественного скольжения. В работе В.В. Рыбина, посвященной исследованию металлов и сплавов при больших степенях деформации большое внимание уделено ротационной пластичности [57]. Рассмотрено влияние стесненности условий в поликристаллах на реализацию поворотных мод пластической деформации.
В работах по изучению самоорганизации полос локализованного сдвига при растяжении [110,111] приведена схема взаимодействия макрополос локализованного сдвига при растяжении (рис. 1.7). В работе выявлено четыре механизма самоорганизации полос.
Показано, что развитие сдвига в единичной полосе вызывает возникновение моментных напряжений, релаксируемых сдвигом в поперечной системе мезопо-лос (рис. 1.7, а). Связка двух сопряженных макрополос исключает накопление избыточных моментных напряжений (рис. 1.7, б). Две поперечные полосы локализации сдвига (рис. 1.7, в) и диполь поперечных полос локализованного сдвига (рис. 1.7, г) не приводят возникновению существенных моментных напряжений на макроуровне.
В работе Д.В. Лычагина [77] посвященной классификации структурных элементов деформационного рельефа, образующихся на боковых гранях ГЦК-монокристаллов при сжатии особое внимание уделено факторам, приводящим к ротационной пластичности. Одним из факторов, обуславливающих формирование поворотных мод, является схема напряженного состояния, о необходимости учета которой высказано еще в работе [108]. На границе областей с различной схемой напряженного состояния на структурный элемент конечного размера действует момент сил (рис. 1.8). Такое положение важно учесть при деформации сжатием, т.к. в приторцевой области реализуется схема неравномерного всестороннего сжатия (см. раздел 1.2).
Действие момента сил на структурный элемент конечного размера, находящийся на границе областей с различной схемой напряженного состояния [77]
Условия для возникновения ротационных мод также образуюся в результате флуктуации дислокаций одного знака или образования условий заторможенного сдвига (рис. 1.9).
Переориентация в поле напряжений локальной области с избыточной плотностью дислокаций, образующейся в результате флуктуации дислокаций одного знака (а) и в результате заторможенного сдвига (б) [77]
Проведенный обзор литературных данных в данном параграфе показывает, что при исследовании организации пластической деформации необходим учет как трансляционных, так и ротационных мод пластической деформации. При этом существенную роль в активизации ротационных мод оказывают схема напряженного состояния и кристаллографическая ориентация монокристаллов. В одних ориентировках имеются области «стесненного» сдвига, и, следовательно, при движении дислокаций создаются условия заторможенного сдвига. В других ориентировках имеется возможность выхода носителей сдвига на боковые грани и условий заторможенного сдвига не образуется. На данное обстоятельство следует обратить внимание при выборе кристаллографической ориентации монокристаллов, работающих под нагрузкой. Учет ротационной пластичности важен при анализе складок и складчатых структур и при анализе процессов деформации и фрагментации в условиях трения скольжения.
Образование складок на поверхности и в структуре твердых тел
Образование складок на поверхности различных объектов отмечается во многих работах, часть которых посвящена исследованию гофрирования, образования структуры и текстуры при прокатке материалов, образованию складок на поверхности моно- и поликристаллов при растяжении и сжатии. В отдельную группу можно выделить работы, посвященные исследованию особенностей поведения поверхностного слоя при деформации.
Исследованию гофрирования, образования структуры и текстуры при прокатке материалов посвящены работы [124-128]. В данных работах исследована деформация как монокристаллов, так и поликристаллов ОЦК и ГЦК металлов и сплавов. Детально изучены полосовые структуры подразделяемые на полосы деформации, переходные полосы и полосы сдвига [124]. Полосы деформации – небольшие веретенообразные формирования в кристалле с различной кристаллографической ориентацией. Наблюдались такие образования и в работах, касающихся растяжения стальных образцов после ультразвуковой обработки и отжига [115]. Переходные полосы – образования между соседними полосами деформации. Полосы сдвига – области кристалла, в которых прошел сдвиг трансляционного типа. По мнению авторов, упорядоченное расположение полос сдвига обусловлено знакопеременным распределением напряжений при гофрировании. Приведенные данные о разрушении образцов в соответствии с формирующейся текстурой показывают высокую практическую значимость таких исследований (рис. 1.10).
Развитие картины сдвига на второй стадии кривых деформационного упрочнения
Складки в системе присутствуют различного размера, самая крупная из которых находится близко к центру системы. В продольном сечении (рис. 4.4, b) складки неравномерны, наблюдаются выступы и впадины высотой до 2 мкм. Поперечное сечение системы (рис. 4.4, c) показывает высоту отдельных складок, в данном случае изменяющуюся от 5 до 12 мкм, присутствуют в системе и более мелкие складки, не попавшие в изображенную область (высотой 1-2 мкм). Из сечений поверхности также видно, что одна из сторон складки более пологая, как отмечалось ранее. Четкой корреляции между отношением высоты складки к ее ширине не обнаружено. Исследованные мезоскладки демонстрировали соотноше ние высоты к ширине от 1:12 до 1:40 (для сечения на рис. 4.4, c 1:16). В основном, наибольшее отношение высоты складки к ее ширине (1:40) показывают небольшие мезоскладки. Такая закономерность вполне обоснована, так как, при увеличении деформации и развитии складок, увеличение ширины складки является затруднительным, вследствие ограниченности ее краев соседними складками, а рост высоты не ограничен ничем. Отношение высоты складки к ее длине также находится в широких пределах от 1:75 до 1:150.
В отдельный вид можно поместить складки, формирующиеся не гладкими по форме, а ступенчатыми. Анализ картины сдвига, образованной на поверхности таких складок, показывает, что ступеньки (Ст на рис. 4.5) сформированы позднее, чем следы от сдвига СС(111 ). Данная особенность может быть связана с уплотнением складок и увеличением напряжений при деформации, приводящей к сдвигу по «новой» плоскости. Отметим, что величина сдвига в данных следах больше, чем в исходных следах. Такие складки образуются в тех областях кристалла, изгиб в которых является наиболее резким. Развитие их систем в отдельных местах приводит к появлению интрузивных эффектов между складками. Отдельно можно выделить ступенчатые следы (Ст.С на рис. 4.5) на одном из склонов представленной складки. Данные образования в ряде случаев преобразуются в микроскладчатые структуры.
Ступенчатая складка на боковой грани a, (112) Интересными особенностями обладает пересечение складок с деформационными макрополосами (в данном случае МПД(111 ) на рис. 4.6). Часть складок при контакте с макрополосами прерывается, другие складки продолжают развитие, но образуется перегиб на пересечении с макрополосой. В зоне их контакта формируется сложная микроструктура. Она представлена как новыми складками, появившимися в сложнонапряженной зоне контакта, так и деформировавшимися ступеньками макрополосы. Необходимо отметить, что макрополосы деформации представляют собой область с иной дислокационной структурой, что затрудняет сдвиг по плоскостям скольжения, образующим складку. В данном случае на поверхности складок присутствуют следы СС, предположительно образовавшиеся при сдвиге по плоскости (111) или ( 111) и следы от сдвига по плоскости (111) – СС(111 ), образованные первоначально. Также на поверхности и в макрополосах присутствуют следы Ст, сформированные при развитой деформации. Их положение несколько отличается от следов СС.
При рассмотрении трехмерного изображения можно выделить еще одну из возможных причин такой картины взаимодействия складок с макрополосами деформации (рис. 4.7).
Макрополоса деформации, являющаяся местом относительно большого перепада высоты (в данном случае от 4 до 7 мкм для первого участка, рис. 4.7, 1-1), может препятствовать развитию складок и в геометрическом аспекте. Небольшие складки на первом участке (рис. 4.7, а и 2-2), размером 3-5 мкм не распространяются через макрополосу высотой 7 мкм. При этом на втором участке (рис. 3.20, b, также 4-4, 5-5) крупные складки, размером до 10-11 мкм переходят через сравнительно небольшие макрополосы высотой 2-3 мкм, с некоторым искажением (углубления порядка 1,5-2 мкм) на пересечении с ней (рис. 3.20, 6-6).
Трехмерные изображения участков деформационного рельефа с изображением сечений макрополос (1-1, 4-4), поперечного (2-2, 5-5) и продольного (3-3, 6-6) сечений складок на гранях (a - грань d, (110), b – грань а, (112)).
Важно, что складки являются результатом действия поверхностных (или подповерхностных) напряжений. А геометрическая неоднородность поверхности в районе макрополос деформации, заключающаяся в наличии ступеней с различной высотой относительно грани, может привести к неравномерному распределению напряжений в таких областях. Следствием этого может быть появление складок только на одной, более благоприятной для их образования стороне склона.
Таким образом, макрополоса деформации является своеобразным «ребром жесткости» в поверхностном слое, затрудняющим складкообразование.
При рассмотрении внутренней структуры систем микроскладок, образованных между мезоскладками в системе на грани с (112), выявлены геометрические закономерности их расположения (рис. 4.8).
Ступенчатое образование микроскладок формируется от склона одной складки к границе двух складок (рис. 4.8, b). Плотность ступенек, т.е. сдвигов по второй системе, возрастает при приближении к граничной зоне. Если учесть, что в верхней части складки преобладают растягивающие напряжения, а в нижней части между складками – сжимающие (аналогично модели Черепанова [121]), то при приближении к границе между складками увеличение вторичных сдвигов, вызываемых сжимающими напряжениями, является закономерным. Также область формирования между мезоскладками при деформации смыкается, микроскладки уплотняются, и формируется наблюдаемая картина.
Системы микроскладок, формируются в областях между двумя мезосклад-ками, а также внутри области изгиба. В строении системы микроскладок выделяются два преимущественных направления (I и II на рис. 4.8, с). Направление II параллельно изгибу грани (II на рис. 4.8, a). В небольшой части складок, которые по масштабу могут быть отнесены к мезоскладкам II, наблюдаются следы от сдвига расположеные под углом 90 к оси сжатия, и соответствуют направлениям I и II на рис. 4.8, b. Такое положение указывает на то, что плотные системы складок могут быть следствием развития ступенчатых систем микроскладок. Соответственно на положение микроскладок оказывает влияние, как направление изгиба образца, так и задействованная система сдвига. В отдельных случаях пластическая деформация поверхностного слоя в стесненной области между складками приводит к образованию экструзивных складок, что также может быть вызвано смыканием исходной складчатости. Системы микроскладок, мезоскладки II и экструзивные складки относятся к вторичному складкообразованию.
Особое место в складчатой структуре, образуемой на боковых гранях исследуемых образцов, занимают изгибные полосы (рис. 4.9). В данном случае наблюдается более сложное течение материала, вследствие наличия большого количества факторов, обуславливающих деформацию поверхностного слоя. Основным из них является наличие торцевого трения, приводящее к реализации схемы неравномерного всестороннего сжатия, что приводит к образованию наплывов в приторцевой зоне образца. В свою очередь наплыв при дальнейшей деформации обуславливает неоднородность процессов на его границе. Условия пластического течения в такой области являются стесненными. Направления расположения отдельных складок обусловлены, прежде всего, формой границ области образования. Поверхность самого наплыва также подвержена складкообразованию.
Прослеживается взаимосвязь масштабных уровней складчатой структуры. Приторцевой наплыв – макроскопическая складка. На границе этой складки создается область со сложными стесненными условиями деформации, в которой образуются складки мезоуровня. Мезоскладки в свою очередь в граничной области также приводят к образованию более мелких микроскладок. Таким образом, по-102 явление складок на более высоком структурно-масштабном уровне приводит к появлению складок на более низких уровнях.
РЭМ изображение отдельной части изгибной полосы на грани a (112) Приводящие к образованию складок процессы обусловлены рядом факторов, определяющих их форму, размер и положение на боковых гранях. К таким факторам относятся размер области, в которой образуются складки, её форма, схема напряженного состояния, наличие развитого сдвига по плоскостям скольжения и макрополос деформации.
Классификация и масштабная иерархия складчатых структур При деформации монокристаллических образцов меди с ориентацией оси сжатия [ 111] складки образуются в нескольких преимущественных областях на боковых гранях кристалла. Тип образующихся структур зависит от условий формирования: напряженного состояния, локальной деформации, кристаллографической ориентации и т.д.
Физическая природа образования деформационных складок
Первый масштабный уровень – макроуровень. Единственная макроскладка на боковой грани – сам наплыв (наплыв на рис. 5.13, рис. 5.14), имеет размер до 3 мм в длину и до 500 мкм в высоту при сжатии (l и h на рис. 5.13, c), и меньшие размеры при трении: ширина до 1 мм, высота до 250-300 мкм. Размер наплыва при сжатии и при трении увеличивается при повышении степени деформации. При сжатии его ширина обусловлена шириной грани, а при трении степенью приработки поверхности. При этом наплывы, формируемые при трении, выступают от поверхности боковой грани на большую высоту (b = 100...200 мкм), чем при сжатии (b 100 мкм).
Вторым в складкообразовании является мезоуровень. По контуру макроизгиба поверхностного слоя образцов на границе с наплывом формируются мезо-складки (мезоскладка на рис. 5.14), между границ которых образуются микроскладки (микроскладка на рис. 5.14). В складках выделяются следы сдвига по плотноупакованным {111} плоскостям, при этом положение складок обусловлено формой границ наплыва. Ширина мезоскладок находится в пределах от 2 до 2000 мкм, а длина от 10 до 1000 мкм. При сжатии мезоскладки дополнительно подраз-144 деляются на мезоскладки I и II-го типа. Они отличаются тем, что крупные мезо-складки I-го типа длиной 70-1000 мкм и шириной 20-200 мкм образуются первично, а мезоскладки II-типа значительно меньших размеров (длиной 10-70 мкм и шириной 7-20 мкм) формируются в стесненных условиях между ними.
Третьим в рассмотрении является микроуровень. Его выделение является условным, так как основным признаком при выделении микроскладок было отсутствие в них следов сдвига по причине малого размера, сравнимого с расстоянием между следами: длина – 0,5-10, а ширина – 0,5-2 мкм (4.2).
Микроскладки образуются группами или системами складок, формируя микроскладчатые структуры, при этом имеется существенное сходство таких структур при сжатии {микроскладки на рис. 5.15, a, b) и при трении {микроскладки на рис. 5.15, c, d). Наименьший размер складок в обоих случаях составляет 0,5 мкм, что близко к размеру ячеек в ячеистой дислокационной субструктуре [17,30,61-63 и др.]. Микроскладки формируются от нижнего края одной складки до верхнего края другой. Плотность их расположения увеличивается при приближении к верхнему краю второй складки (верхняя граница складки на рис. 5.15, d). Микроскладки образуются во многих случаях ступенчато, а их появлению предшествует образование следов сдвига (след сдвига на рис. 5.15). Отдельные структуры относятся к складчатым лишь условно (ступенчатое образование на рис. 5.15, a, b), но имеют общие черты в морфологии со ступенчатыми системами складок (рис. 5.15, d). Размер систем микроскладок при сжатии и при трении находится в пределах 8-80 мкм по ширине и 20-350 мкм по длине. Характерный размер связан с размером области их формирования и находится в интервале размеров расстояний между двумя мезоскладками (приблизительно равен размеру самих мезоскладок).
Исследования с применением EBSD-анализа показывают, что в области формирования складок по контуру наплыва также образуются полосы с переориентированной кристаллической решеткой (рис. 5.16, a, b).
Примечательно, что в полосах переориентации в данном случае происходит поворот кристаллической решетки вокруг оси [110]. Такая схема в данном случае является ожидаемой, т.к. при наличии векторов нагружения [111] и [112] поворот вокруг оси [110] является ожидаемым (рис. 5.16, с). Переориентация в полосах приводит к тому, что ось деформации в них переходит в значение [но]. Аналогичный характер поворота кристаллической решетки имеет место при образовании деформационных складок в условиях одноосного сжатия. Переориентированные области в самом наплыве и полосы переориентации в складках (рис. 5.16, d) состоят из фрагментов средним размером 56 мм. Фрагменты ограничены линиями, соответствующими направлениям плоскостей сдвига (III) и перпендикулярным к ним направлениям, совпадающим с направлением полос переориентации. Соответственно, расположение плоскостей сдвига при трении, также как и при сжатии, определяет переориентацию кристаллической решетки.
Изменение ориентации кристаллической решетки в области образования наплыва (a), полосы переориентации в области формирования складок (b), фрагмента переориентированных областей (с). EBSD-карты приведена относительно ориентации оси сжатия.
Возможно образование наплыва и без образования деформационных складок по его контуру (рис. 5.17). В данном случае характер переориентации плавный. Вдоль линии I ось нормального давления постепенно смещается от направления 111 в сторону направлений 110 и, затем, в сторону 001 . Вдоль линии II происходит постепенный переход от 111 к 112 , а затем – к 001 . Изменение ориентации кристаллической решетки без образования складок обусловлено плавным изгибом при формировании наплыва, а, следовательно, условия деформации, необходимые для образования складок не создавались.
Проведенные исследования показывают, что формирование складок на поверхности монокристаллов меди при деформации имеет место при различных способах деформации и обусловлено, прежде всего, созданием сложных и стесненных условий деформации. Одной из причин образования складок является формирование наплывов, при этом складки на боковых гранях при трении в других областях не образуются.
Образование наплывов в обоих случаях имеет схожую природу, отличающуюся только характером трения. В случае сжатия действует сила трения о пуансон испытательной машины, которая приводит к реализации в приторцевой области схемы неравномерного всестороннего сжатия. В случае нагружения трением скольжения наплыв образуется в результате сложной схемы деформации при введении дополнительной оси нагружения. При трении скольжения перемещение соприкасающихся поверхностей происходит на большие расстояния. При сжатии премещение осуществляется за счет увеличения торцевой поверхности, причем величина этого перемещения зависит от положения точки контакта.
При сжатии [ 111]-монокристаллов складки формируются в различных частях на поверхности боковых граней. В этом случае, особенность кристаллогра 148 фической ориентации приводит к ротационной деформации в центральных областях.
Сходство микроскладчатых структур, образуемых при сжатии и трении монокристаллов меди обусловлено подобными условиями их формирования, связанными с изгибом поверхностного слоя монокристаллов на мезоуровне и стесненными условиями формирования, обуславливающими невозможность образования деформационных складок мезомасштабного уровня. Минимальный размер деформационных складок находится на уровне размера ячеек дислокационной субструктуры.
Идентичные закономерности процесса складкообразования на микроуровне при различных методах нагружения показывают, что образование складок является следствием схожих процессов, происходящих в поверхностном слое при его искривлении на мезоуровне. Такие процессы обусловлены помимо схемы напряженного состояния кристаллографической ориентацией оси нормального давления, так как при деформации сжатием или трением монокристаллов с ориентацией [110] складкообразования либо не обнаруживается, либо складки располагаются только в локальных местах.
