Высокопрочные состояния и особенности микроструктуры в переходных металлах и сплавах Горностырев, Юрий Николаевич

Введение к работе

Актуальность. В качестве основы для создания жаропрочных материалоь традиционно используются тугоплавкие ОЦК металлы. В последние годы, в связи с задачами разработки материалов специального назначения, ориентированных для применения в космонавтике и самолетостроении, "значительно возрос интерес к упорядоченным сплавам и интермёталлидам (никелевые суперсплавы, алюминиды титана и др.). Эти соединения обладают уникальным сочетанием свойств, но их потенциальные возможности полностью пока не реализованы. Одна из причин — низкотемпературная хрупкость, присущая многим упорядоченным сплавам даже в монокристаллическом состоянии.

При разработке материалов используют два подхода. Первый из них, достаточно традиционный, основан на создании в сплаве определенной микроструктуры в результате- подходящей термомеханической обработки. Во втором подходе основное внимс ие уделяется микроскопическим особенностям металла, таким как характер межатомных связей, структура и подвижность дефектов, их взаимодействие между собой и т.п.

Предложение к настоящему времени теоретические модели обращают свое внимание на общие закономерности пластического поведения металлов и сплавов. Однако практическая реализация потенциальных возможностей материала во многом зависит от понимания его индивидуальных особенностей. Поэтому большую актуальность приобретает задача теоретического анализа природы высокопрочных состояний, учитывающего конкретные черты исследуемого сплава.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы на конкретных примерах теоретически исследовать природу высокопрочных состояний, связанных с индивидуальными особенностями дислокационной, фазовой и электронной структуры гугоплавкнх металлов и упорядоченных сплавов. Достижение этой цели включает в себя, с одной стороны, анализ механизмов упрочнения, проводимый на основе микроскопических расчетов и выявление контролирующих дислокационных превращений; с другой стороны, — феноменологическое описание пластической деформации, учитывающее несколько типов ди — ^локационных превращений.

В качестве объектов исследования рассмотрены упорядоченные сплавы в одно- и двухфазном состоянии, пере-

ходные металлы и сплавы на их основе. Особое внимание обращено на рассмотрение суперпозиции различных механизмов упрочнения и выяснение роли электронных факторов в формировании механических свойствах.

Научную новизну работы составляют:

Исследование суперпозиции механизмов упрочнения в рамках феноменологического подхода для различных дислокационных ансамблей, содержащих несколько типов подвижных и неподвижных дислокаций;

Феноменологическая теория пластической деформации гетерогенных систем, состоящих из "мягких" и "жестких" областей;

— Выяснение влияния пластической деформации на
эволюцию выделений упрочняющей фазы при высокотемпе
ратурной ползучести;

Анализ наследования при упорядочении дислокационной структуры, созданной сильной предварительной деформацией в разупорядоченном состоянии и объяснение особенностей рекристаллизации упорядочивающихся сплавов;

Объяснение эффекта повышения пластичности при отжиге предварительно деформированных сплавов со сверх— структурой Ll₀;

Исследование влияния характера межатомных связей на структуру и подвижности дислокаций в рамках обобщенной модели Пайерлса —Набарро;

Выяснение особой роли предвыделений плотноу— пакованных фазы в "рениевом эффекте", (одновременное повышение прочности и пластичности переходных VI—А ОЦК металлов при легировании их рением);

Исследование влияния локализованных электронных состояний на "химическое"-взаимодействие дислокация —примесь и эффект твердорастворного упрочнения.

Научная и практическая ценность Развиваемый феноменологический подход к описанию пластической деформации является достаточно общим, поскольку в нем не конкретизируются возможные дислокационные превращения. Он особенно полезен при исследовании суперпозиции различных видов упрочнения и выделении в полном деформирующем напряжении

парциальных вкладов, связанных с отдельными механизмами блокировки дислокаций..

Природу высокопрочных состояний в сплавах VI —А переходных металлов, легированных рением (рениевый эффект), удается понять на основе предложенной гипотезы о выделении метастабильных мелкодисперсных частиц плотноупакованных фаз со структурой, близкой к А15, в которых легкие примеси внедрения С, О имеют высокую растворимость. Хотя в последние годы появились косвенные экспериментальные данные, указывающие на существование таких фаз, необходимы дальнейшие исследования с целью выяснения причин их устойчивости. Подобный механизм связывания примесей внедрения при образовании метастабильных фаз является достаточно об — щим и может реализоваться в других сплавах.

На основе развиваемых теоретических представлений сформулирован ряд конкретных экспериментальных задач, на — правленных на с обнаружение предсказанных в настоящей работе особенностей пластического поведения. Прочностные характеристики двухфазных жаропрочных сплавов в значительной степени определяются морфологией системы выделений. Представляло бы интерес экспериментальное исследование влияния внутренних полей напряжений, связанных с дислокациями на межфазной границе, на эволюцию и устойчивость выделений.

Согласно результатам расчетов следует ожидать значительного дополнительного вклада "электронной" природы во взаимодействие примесей с дислокациями с вектором Вюргерса <100> в ОЦК металлах, причем величина эффекта существенно зависит о типа примесей и характера заполнения зоны проводимости. Поэтому представляется важным систематическое исследование твердорастворного упрочнения в интерметаллиде NiAl, где дислокации <100> являются основной модой деформации.

Предложенный для объяснения ускорения рекристаллизации механизм "тандема", связанный с появлением .дополнительной, движущей силы при упорядочении сплава, нуждается в экспериментальном и теоретическом обосновании. Необходимо выяснить, как влияет дислокационная структура на скорость упорядочения и в каких случаях выполняются сформулированные в работе условия реализации "тандема"

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В рамках феноменологического подхода для различных дислокационных ансамблей исследованы возможные законы суперпозиции механизмов упрочнения. Деформирующее напряжение выражено через парциальные напряжения, соответствующие вкладу отдельных механизмов упрочнения.

2. Проанализирована температурная зависимость деформирующего напряжения. Показано, что для возникновения двух пиков на кривой а[1) в сплавах со сверструктурой Ll₂ необходимо, чтобы наряду с образованием барьеров Кира —Вильсдор — фа действовал другой термоактивированный механизм блокировки дислокаций. В качестве такого механизма предложено перерасщепление сверхчастичной дислокации из первичной плоскости в плоскость октаэдрического поперечного скольжения.

3. Предложена теория пластической деформации двух — фазных систем, учитывающая внутренние дальнодействующие поля напряжений а^в, возникающие вследствие различия пластических свойств матрицы и выделений. Вычислены напряжения о^в и проанализирован их вклад в упрочнение. Показано, что при определенных условиях справедлив линейный закон

суперпозиции <т= У .CLjfiG парциальных напряжений каждой из фаз. Полученные результаты позволили объяснить особенности пластической деформации жаропрочных у/у' сплавов на никелевой основе.

4. Обнаружена и исследована взаимосвязь между эволюцией дислокационной структуры и изменением морфологии у'—частиц в двухфазных никелевых сплавах. Показано, что поля напряжений, создаваемые дислокационными сетками на межфазных границах, могут быть ответственными за объединение кубоидов в ламели на начальной стадии ползучести и содействуют совершенствованию формы ламелей на стационарной стадии. Дано объяснение известных экспериментальных фактов по влиянию условий нагружения и знака Л на морфологию ламельной структуры.

5. На основе представлений о жесткости дислокационного каркаса, наследуемого при упорядочении от разупорядоченной фазы, предложено объяснение совокупности экспериментальных данных по рекристаллизации упорядоченных сплавов для различных сверхструктур. Показано, что скорость рекристаллизации определяется тем, является ли упорядочение бы-

стрым или медленным (по отношению к процессам перераспределения дислокаций в разупорядоченнон фазе), и приводит ли упорядочение к потере подвижности дислокационного каркаса. При возникновении "тандема", образованного границей нового зерна, сформировавшегося в исходной фазе, и меж -фазной границей, упорядочение может ускорять рекристаллизацию.

6. Предложено объяснение эффекта повышения пластичности упорядоченного сплава вследствие сильной предварительной деформации в разупорядоченном состоянии. Показана особая роль в повышении пластичности при упорядочении по типу Ll₀ формирования полигональных сеток на границах доменов, которое не только существенно замедляет рекристаллизацию, но и обеспечивает, благодаря определенным дислокационным механизмам, передачу деформации через доменные границы.

7. Выявлены механизмы, ответственные за формирование текстуры при холодной и горячей пластической деформации сплава MnAl —С, упорядоченного по типу Lip. Показано, что при холодной деформации основным механизмом, определяющим быстрое преобразование осевой текстуры в плоскостную (в случае сжатия) является двойникование, осуществляемое по четырем легким системам. Возникающая при горячей деформации текстура определяется одновременным протека — ниём процессов, характерных для холодной деформации и ориентированным зарождением новых зерен при условиях, близких к динамической рекристаллизации.

8. Проанализировано влияние характера межатомного взаимодействия на струкяуру и свойства дефектов в ГЦК металлах. В рамках обобщенной модели Пайерлса —Набарро, учитывающей отклонение формы у—поверхности от синусоидальной исследована структура дислокаций, напряжение Пайерлса. Показано, что в металлах с непарным характером меж-¹-атомного взаимодействия ширина ядра дислокаций велика, а субграницы обладают меньшей устойчивостью, чем в 1г и Rh, где межатомное взаимодействие близко к центральному парному. Высказано предположение, что склонность Ir и Rh к разрушению сколом после продолжительной стадии пластического течения связана с низким относительным значением поверхностной энергии у/цЬ.

9. Микроскопически исследована природа "рениевого эффекта" (повышение низкотемпературной пластичности с

одновременным повышением прочности в тугоплавких металлах Via —группы при легировании их рением в концентрациях, близких к границе растворимости). На основании результатов расчетов зонной структуры сделан вывод, что влияние Re на устойчивость карбидов вольфрама относительно невелико (не более 10—15% при 25% легировании), также как и его влияние на характер химической связи в чистом вольфраме.

10. Предложена гипотеза, о ключевой роли в рениевом
эффекте предвыделений плотноупакованных фаз типа W₃Re,
Mo₃Re или сходных в структурном отношении предвыделений
о —фазы, в которых примеси внедрения имеют высокую раст
воримость. Указаны электронные и кристаллогеометрические
причины стабилизации таких выделений.

11. Продемонстрирована возможность появления ма дислокации связанных электронных состояний, которые могут существенно изменить энергетику дефектов. Именно ядро дефекта, а не медленно спадающее поле деформаций дает основной вклад в электронные характеристики. Поэтому элек — трон"ая структура границы зерна может рассматриваться как сумма независимых вкладов от собственных зернограничных дислокаций даже при достаточно больших углах разворота.

12. При взаимодействии дислокаций с примесями определяющую роль играет возможность локализации (или квази — локализации) электронов на дислокациях, а также относительное расположение дислокационных и примесных квазило — кальных уровней. Величина энергии взаимодействия существенным образом зависит от кристаллической структуры, вектора Бюргерса Ь, электронной структуры примеси и от заполнения зоны проводимости. Прежде всего появление эффектов "химического" взаимодействия дислокация — примесь следует ожидать в интерметаллидах со структурой В2, в которых пластическая деформация осуществляется дислокациями с b = a<100> (NiAl, CoAl и др.).

Апробация работы Результаты, вошедьшие в диссертацию, докладывались на международных конференциях (Meterials Week' 94, Роземонт, США, 1994. Meterials Week' 95, Клевланд, США, 1995) на всесоюзном совещании "Упорядочение атомов и его влияние на свойства сплавов", Киев, 1978, Свердловск, 1983, на всесоюзном семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов", Свердловск, 1984, 1987, 1993.

Публикации Основные результаты изложены в 26 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит 65 рисунков, 17 таблиц, список цитируемой литературы из 307 наименований. Полный объем диссертации 304 страницы.