Введение к работе
Актуальность работы.
Интенсивное развитие металлоемких отраслей промышленности, таких как станкостроение, ракетостроение, производство космической и авиационной техники, а также разработка современных технологий потребовали создания новых конструкционных материалов для работы в экстремальных условиях воздействия высоких или низких температур, больших статических и динамических нагрузок, глубокого вакуума, проникающих излучений, воздействия вибраций и т.д.
Основой для создания большинства конструкционных материалов являются металлы и сплавы с ОЦК решеткой. Как правило, эти материалы находятся в поликристаллическом состоянии с определенным распределением зерен по размерам. Состояние границ зерен и собственно размеры зерен влияют на механические свойства. Одной из наиболее значимых задач материаловедения является увеличение низкотемпературной пластичности ОЦК металлов и сплавов, т.к. работа деталей и конструкций в условиях низких температур нередко сопровождается совместным разрушением и двойнико-ванием, в связи с этим выяснение механизмов деформации и разрушения поликристаллических ОЦК материалов является актуальной задачей.
Развитие криогенной техники, внедрение новых технологических процессов обработки металлов (таких, как штамповка взрывом), а также расширение класса конструкционных материалов приводит к необходимости-углубления знаний о закономерностях пластической деформации, протекающей в металлах и сплавах с ОЦК решеткой преимущественно двойниковани-ем, в том числе и в поликристаллах.
При деформации материалов двойникованием и пересечении двойников имеет место вторичные деформационные процессы. Анализ процессов микропластичности и разрушения в рамках дислокационных представлений, учет кристаллографических особенностей двойникующихся материалов, аналитическое рассмотрение дислокационных моделей исследуемых процессов создают предпосылки для проведения исследований, направленных на выявление и разделение причин, условий и факторов, делающих двойники либо опасными с точки зрения зарождения хрупкого разрушения, либо способствующими проявлению материалом пластичности. Эта задача также актуальна не только в научном плане, но и в практическом аспекте.
Цель работы. Экспериментальное и аналитическое исследование закономерностей двойникования поликристаллического ОЦК сплава Fe-Si при различных температурах и скоростях деформирования, а также определение влияния размера зерна на исследуемые процессы.
4 Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Установить количественные характеристики интенсивности двойни-кования поликристаллического ОЦК сплава Fe-Si в интервале температур 77 -* 500 К при различных скоростях деформирования.
Оценить вклад двойникования в деформацию сплава при низких температурах за счет формирования зон локализованной пластичности.
Определить влияние размера зерна поликристаллического сплава Fe-Si на основные характеристики двойникования.
Установить взаимосвязь между скачком напряжения на диаграмме нагружения, скоростью деформирования и количественными характеристиками двойникования.
Предложить метод определения кристаллографических характеристик двойников в поликристаллическом сплаве на основе взаимосвязи геометрических параметров двойниковых структур с направлением оси нагружения и плоскостью наблюдения.
Провести в рамках дислокационных представлений анализ локализованных зон пластичности, образующихся при пересечении двойников и установить пластифицирующую роль вторичных деформационных процессов.
Предложить метод определения вероятности совместного развития двойников различных систем в зерне на основе сопоставления фигур пространственного распределения величин факторов Шмида.
Научная новизна:
Установлена функциональная зависимость между температурой и размером зерна в поликристаллическом сплаве Fe-Si, по достижении которого процесс двойникования прекращается. Вид зависимости Г = /(
Определены количественные характеристики двойникования поликристаллического сплава Fe-Si. Зависимость числа образующихся при постоянной скорости деформирования двойников имеет максимум при определенной температуре, которая возрастает по мере увеличения размера зерна и скорости деформирования.
Оценен вклад двойникования в общую деформацию образца в области низких температур, связанный с формированием зон локализованной пластичности, в частности, при пересечении двойников.
Показано, что для поликристаллического сплава существуют "критические" скорости деформирования, зависящие от общего распределения зерен по размерам, при которых двойникование не наблюдается.
Показано, что в поликристаллическом сплаве максимальное количество двойников наблюдается в зернах, средний размер которых превышает среднестатистический, характерный для рассматриваемого распределения зерен по размерам.
Установлена связь между видом скачка напряжения на диаграммах нагружения, скоростью деформирования, размером зерна и числом образовавшихся двойников в поликристаллическом Fe-Si сплаве.
Выполнен кристаллографический и дислокационный анализ вторичных деформационных процессов при пересечении двойников в ОЦК решетке. С энергетических позиций определены и систематизированы возможные дислокационные взаимодействия, отвечающие критерию Франка и максимальным значениям фактора Шмида. Оценена пластифицирующая эффективность вторичных деформационных процессов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Закономерности двойникования поликристаллического ОЦК-сплава Fe-Si в интервале температур 77 * 500 К при различных скоростях деформирования.
Закономерности влияния размера зерна на интенсивность двойникования, критические скорости деформирования для зарождения двойников и температуру максимального проявления двойникования.
Механизмы образования локализованных зон микропластичности, дающих вклад в общую деформацию образца при низких температурах, сопоставимый с вкладом двойникования.
Закономерности изменения вида скачка напряжения на диаграммах нагружения, обусловленные скоростью деформации, количеством образующихся двойников и размером зерна.
Метод определения кристаллографических характеристик двойникования, основанный на измерении геометрических параметров двойниковых структур и их связи с направлением приложения нагрузки и поверхностью наблюдения.
Кристаллографический и дислокационный анализ зон локализованной микропластичности в участках пересечения двойников и метод энергетического обоснования дислокационных реакций, обеспечивающих пластифицирующее действие двойникования при низких температурах.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе экспериментальных данных подтверждается их воспроизводимостью при стандартных условиях эксперимента. Все научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, аргументированы собственными теоретическими рассуждениями, логикой научного анализа диссертанта, тщательно
проиллюстрированы значительным по объему экспериментальным материалом, не противоречащим физическим теориям и результатам других исследователей.
Практическая значимость Внедрение результатов в металлоемкие отрасли промышленности (станкостроение, производство нефтепроводов, газопроводов, судостроение и т.д.) позволит повысить надежность и долговечность деталей и конструкций, работающих при низких температурах, сложном напряженном состоянии и высоких скоростях нагружения.
Полученные в ходе выполнения работы результаты могут быть использованы в учебном процессе при изучении курсов "Механические свойства материалов", "Нанотехнологии и ианоматериалы" и "Металловедение", а также, внести определенный вклад в развитие теории прочности и пластичности твердых тел.
Личный вклад автора состоит в планировании, разработке и проведении эксперимента: подготовке образцов для исследования, разработке экспериментального комплекса для проведения опытов и методов определения закономерностей двойникования, участии в обсуждении полугенных результатов, написании статей, а также в формулировании основных результатов и выводов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на региональных, российских и международных конференциях: 1 Международном форуме (6 Международной конференции) «Актуальные проблемы современной науки», 2005, Самара; 44, 45, 47, 48 Международных конференциях «Актуальные проблемы прочности», 2005, 2006, 2008, 2009, Вологда, Белгород, Нижний Новгород, Тольятти; III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», 2005, Екатеринбург; XVIII и XIX Уральских школах металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов", 2006, 2008, Тольятти, Екатеринбург; XVI-XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности, 2006-2010, Санкт-Петербург; 1I1-V Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур», 2006-20)0, Москва; IV, V Международных конференциях «Фазовые превращения и прочность кристаллов», 2006, 2008, Черноголовка; I, III Международных конференциях «Деформация и разрушение материалов», 2006, 2009, Москва; IV, V Международных школах-конференциях «Микромехаиизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», 2007, 2010, Тамбов; VIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых, 2007, Екатеринбург; XIV, XV Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-14» и
7 «ВНКСФ-15», 2008, 2009, Уфа, Кемерово-Томск; Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и преподавателей «Функциональные и конструкционные наноматериалы», 2008, Белгород; Международном семинаре МНТ-X «Структурные основы модифицирования материалов методами нетрадиционных технологий», 2009, Обнинск; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», 2009, Самара; Международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», 2009, Витебск, Беларусь; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, 2009, Москва; Первых Московских чтениях по проблемам прочности материалов, 2009, Москва; Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, 2010, Владивосток; научных конференциях преподавателей и сотрудников ТГУ им. Г.Р. Державина «Державинские чтения», 2006-2010, Тамбов.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 40 работах. Из них 8 статей опубликовано в журналах из списка рекомендованных ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 3 глав, общих выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц машинописного текста, включающих 49 рисунков, 7 таблиц и библиографический список, содержащий 217 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
