Закономерности пластической деформации ГПУ-сплавов циркония на различных структурно-масштабных уровнях Полетика, Тамара Михайловна

Введение к работе

Актуальность темы Металлы с ГПУ- структурой составляют значительную группу, в которую входят элементы, имеющие важное техническое значение. Однако, в отличие от хорошо изученных ГЦК- и ОЦК- материалов, природа пластической деформации металлов с низкой симметрией решетки остается до конца не ясной, что связано с резкой неравноправностью систем скольжения, обеспечивающей наличие менее пяти независимых систем легкого скольжения и неопределенность в выборе вторичных систем скольжения и двойникования, который зависит от многих факторов: степени и скорости деформации, температуры, ориентации зерна относительно оси нагружения и соседних зерен, степени текстурированности материала и уровня его чистоты и др. Наибольшее внимание в последнее время привлекают ГПУ- поликристаллы с отношением с/а < 1.633, дающим потенциальную возможность активизации большего числа систем скольжения. К таким материалам относятся a-Zr и сплавы на его основе, созданные для использования в ядерной энергетике.

Для ГПУ- сплавов выполнен большой объем всесторонних исследований с целью модифицирования их состава, повышения технологических и эксплуатационных свойств изготавливаемых изделий. Дальнейшее повышение ресурсных характеристик требует обеспечения оптимальной технологической пластичности циркониевых сплавов, для чего необходимы знания закономерностей их деформационного поведения, определяемые сложными процессами, протекающими одновременно на различных структурных уровнях. Сложившееся к настоящему времени положение в области изучения пластической деформации ГПУ- циркониевых сплавов нельзя считать удовлетворительным, что во многом связано с недостатком систематических экспериментальных исследований в этом направлении. До сих пор не сложилось единого представления даже о природе пластической деформации нелегированного циркония. Основные исследования дислокационной структуры деформированного моно- и поликристаллического циркония выполнены в 60 - 70 годы прошлого столетия. Следующий всплеск интереса к цирконию отмечается в последнее десятилетие, что связано с возросшим интересом к ГПУ- материалам и возможностью использования современных методов исследования. Однако противоречия остаются как в результатах эксперимента, так и моделирования процессов дислокационного скольжения и деформационного упрочнения циркония и его сплавов. Сложность интерпретации имеющихся результатов усугубляется их зависимостью от степени чистоты материалов и набора легирующих элементов.

Необходимо отметить следующие основные проблемы, возникающие при

анализе деформационного поведения сплавов циркония.

Остаются противоречия в экспериментальных оценках критических напряжений сдвига, энергии дефектов упаковки, которые различны в разных плоскостях скольжения, и дискутируется вопрос о вторичных системах скольжения и последовательности их включения в процесс деформации. Это связано с отсутствием систематических исследований эволюции дислокационной структуры циркониевых сплавов в процессе пластического течения и ее взаимосвязи со стадийностью деформационных кривых.

Неравноправность систем скольжения в ГПУ- материалах неизбежно приводит к образованию текстуры в процессе деформирования, что требует учета при анализе их деформационного поведения также текстурного упрочнения (разупрочнения). Однако отсутствие надежных данных о вкладе различных деформационных мод в пластическое течение не позволяет до конца понять физические механизмы текстурообразования и их вклад в деформационное упрочнение ГПУ- материалов.

При анализе пластического течения сплавов циркония возникает серьезная проблема - неоднородность деформации на мезоскопическом уровне, обусловленная несовместностью деформации отдельных зерен с различными упругими и пластическими свойствами, а также макролокализация деформация, связанная с ранним возникновением шейки. Это означает, что при анализе деформационного упрочнения данных материалов необходим учет явления локализации пластического течения.

Таким образом, сложность и многообразие деформационного поведения ГПУ- сплавов циркония не могут быть описаны только на основе традиционных дислокационных механизмов и требуют обязательного рассмотрения процессов, одновременно протекающих на мезо- и макроскопических уровнях. Это предполагает концепция структурных уровней деформации твердых тел, сформулированная В.Е. Паниным и положенная в основу нового подхода к изучению пластичности и прочности материалов - физической мезомеханики. Актуальность настоящей диссертационной работы определяется тем, что в ней реализован многоуровневый подход к экспериментальному изучению пластической деформации анизотропных поликристаллических материалов, позволяющий установить взаимосвязь и соподчиненность процессов на макро-, мезо- и микроуровнях в условиях существенной неоднородности пластического течения и текстурообразования. Знания по данным вопросам позволят понять не только особенности деформации анизотропных ГПУ- материалов, но и получить дополнительные сведения о закономерностях деформационного поведения поликристаллов в условиях нагружения, перераспределения напряжения и передачи деформации между различно ориентированными к оси деформации зернами.

Кроме того, безусловно актуальной является задача исследования эволюции дислокационной структуры ГПУ- циркониевых сплавов и влияния на её ход состава, структуры и типа упрочнения (твердорастворного, дисперсного), что представляет самостоятельный научный интерес, а также служит ключом к пониманию роли факторов, определяющих эффективность деформационного воздействия в процессе холодной обработки давлением.

В этой связи целью настоящей работы явилось установление закономерностей пластического течения ГПУ- сплавов циркония на различных структурно- масштабных уровнях в зависимости от состава и типа упрочнения.

В работе поставлены следующие конкретные задачи:

1. Сравнительный анализ кривых пластического течения и стадийности ГПУ сплавов циркония систем Zr-Nb и Zr-Sn и установление характера их стадийности.

2. Классификация дислокационных субструктур в ГПУ- сплавах циркония и выявление роли анизотропии скольжения, состава и типа упрочнения в дислокационных превращениях. Установление взаимосвязи эволюции дефектной структуры со стадийностью деформационных кривых.

3. Выявление закономерностей развития макролокализации деформации в циркониевых сплавах и условий потери устойчивости их пластического течения при формировании шейки.

4. Установление взаимосвязи между процессами деформации на микро-, мезо- и макроскопических структурных уровнях на примере самосогласованного пластического формоизменения материала, реализуемого в очаге деформации ГПУ- сплава циркония при его трансформации в шейку разрушения.

Научная и практическая ценность.

4. 1. Выявлен сложный характер параболической стадии деформационных кривых сплавов циркония, заключающийся в разделении ее на ряд участков с переменными значениями показателя и скорости деформационного упрочнения.

   2. Проведена классификация дислокационных субструктур, выполнено систематическое исследование закономерностей дислокационных превращений при пластической деформации технических ГПУ - сплавов циркония систем Zr- Nb и Zr-Sn, установлена взаимосвязь эволюции дефектной структуры с типом упрочнения и со стадийностью деформационных кривых.

   3. Проведен анализ количественных характеристик микроструктуры и их эволюции при деформации, в том числе, на основе представлений о геометрически необходимых дислокациях (ГНД) и геометрически необходимых границах (ГНГ). Показано, что в условиях гетерогенности деформации вклад р_тл является доминирующим, а характер эволюции подсистемы ГНД определяет деформационное поведение ГПУ- сплавов циркония.

   4. Обнаружено явление низкотемпературного деформационного возврата путем коалесценции субзерен, возникающее по достижении критической фраг- ментированной структуры как механизм релаксации накопленных внутренних напряжений, а также один из механизмов текстурообразования в сплавах циркония.

   5. Исследованы закономерности субструктурного упрочнения. Выделены вклады различных компонент дислокационной плотности, а также барьерного упрочнения на субграницах в напряжение течения. Обнаружена обратная зависимость Холла-Петча для субструктуры, связанная с укрупнением элементов структуры в процессе атермической коалесценции.

   6. Обнаружено неизвестное ранее явление колебательной неустойчивости пластического течения, проявляющееся во взаимосогласованном периодическом изменении картины распределения локализованной деформации в образце. Установлена взаимосвязь данного явления с возникновением и развитием градиента скорости деформации в процессе периодически прогрессирующего уменьшения поперечного сечения образца, что сопровождается дискретной сменой показателя деформационного упрочнения параболической деформационной кривой.

   7. Проведен анализ эволюции микротекстуры и факторов Шмида для различных систем скольжения в процессе растяжения сплава Zr-1%Nb в условиях формирования шейки. Установлена взаимосвязь колебательной неустойчивости пластического течения со структурно-ориентационной неустойчивостью в очаге локализованной деформации.

   8. Выявлена связь активности различных систем скольжения с закономерностями эволюции количественных параметров микроструктуры. Обнаружена цикличность дислокационных превращений, сопровождающаяся распадом субграниц и перераспределением дислокаций по механизму коалесценции.

   9. Выявлена взаимосвязь между колебательным изменением скорости локальной деформации в режиме «упрочнение-разупрочнение» и циклическим характером дислокационных превращений в очаге деформации в процессе его трансформации в шейку.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   1. Экспериментальные данные о разделении параболической стадии пластического течения ГПУ- сплавов циркония на последовательность фрагментов с переменными значениями показателя и скорости деформационного упрочнения,

   демонстрирующими повторяющийся процесс «разупрочнения-упрочнения».

   4. 9. 1. Данные о типах и параметрах дислокационных субструктур в ГПУ - сплавах циркония, их эволюции в процессе деформации в зависимости от состава и типа упрочнения, определяющей различие в последовательности дислокационных превращений, а также взаимосвязи со стадийностью деформационных кривых.

         2. Закономерности деформационного субструктурного упрочнения сплавов циркония, возникающие после достижения критической фрагментированной структуры и заключающиеся в инверсии вкладов компонент дислокационной плотности (уО_сзд и /}_ПІд) в напряжение течения, а также инверсии зависимости Холла-Петча для субзерен, обусловленной изменением роли границ от барьерного упрочнения к разупрочнению при динамическом возврате.

         3. Явление колебательной неустойчивости локализованного пластического течения ГПУ- сплавов циркония, связанное с возникновением и развитием градиента скорости деформации в образце и проявляющееся в дискретном уменьшении показателя деформационного упрочнения n после перехода к значениям n < 0.5, показывающего момент потери устойчивости пластического течения образца при формировании шейки.

         4. Явление низкотемпературного деформационного возврата путем коалес- ценции субзерен, возникающее на стадии неустойчивости пластического течения как необходимый аккомодационный механизм мезоуровня деформации и один из механизмов формирования текстуры в ГПУ- сплавах циркония.

         5. Взаимосвязь колебательной неустойчивости пластического течения со структурно-ориентационной неустойчивостью в очаге локализации деформации, сопровождающейся переменной активностью призматического скольжения и приводящей к периодическим изменениям в микроструктуре материала, включающим цикличность дислокационных превращений, перестройку системы границ, эволюцию зеренной (субзеренной) структуры, образование текстуры деформации.

         Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач с использованием современных, апробированных методов исследования, анализом литературных данных, а также сравнением полученных результатов с данными других авторов.

         Личный вклад заключается в литературном поиске и написании критического обзора по теме диссертации, постановке задач исследования, обосновании выбора необходимых методик, личном участии в проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных, в анализе результатов и формулировке выводов, написании статей.

         Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (MESO'MECH 2004) (2004г., 2006г., 2011г., Томск); Международной школе - семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (2003г., 2005г., Барнаул); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (2005г., Вологда; 2010г., Киев; 2011г., Харьков); Российской научно- техническая конференции "Физические свойства металлов и сплавов" (2005г., Екатеринбург); Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (2006г., 2009г., Москва); Международной конференции «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (2006г., Астана, Казахстан); Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (2006г., Самара); 14 Международном симпозиуме «Цирконий в ядерной энергетике» (2006г., Стокгольм, Швеция); 14 и 15 Международных конференциях по прочности материалов (ICSMA) (2006г., Сиань, Китай; 2009г., Дрезден, Германия,); Международной конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (2007г., Москва); Международной школе- семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике» (2008 г., Томск); 18 сессии международная школы по моделям механики сплошной среды (2007г., Саратов); 13 и 15 зимних школах по механике сплошных сред (2003г., 2007г., Пермь); Петербургских чтениях по проблемам прочности (2007г., 2008г., Санкт-Петербург); Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах. ОМА-11, 12» (2008г., 2009г., Ростов на Дону); 5 Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (2010г., Тамбов); 18 Международной конференции по использованию синхротронного излучения (2010г., Новосибирск).

         Публикации. Основное содержание работы изложено в 50 работах, в том числе в 30 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

         Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и библиографического списка, включающего 367 источников, всего 342 страницы машинописного текста, в том числе 117 рисунков и 15 таблиц.

         Похожие диссертации на Закономерности пластической деформации ГПУ-сплавов циркония на различных структурно-масштабных уровнях

         

         Закономерности локализации деформации на параболической стадии пластического течения в ГПУ-сплавах цирконияКолосов Сергей Васильевич

         

         Закономерности макролокализации пластической деформации на стадии предразрушения в ГЦК, ОЦК, ГПУ сплавахОрлова Дина Владимировна

         Закономерности пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях поверхностных слоев технического титана ВТ1-0 в различном структурном состоянииКазаченок Марина Сергеевна

         

         Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне при знакопеременном изгибе поликристаллического алюминия Ангелова Галина Владимировна

         

         Неустойчивость пластического течения в ГПУ сплавах цирконияПшеничников, Антон Павлович

         

         Эволюция дислокационной структуры и стадийность деформационных кривых в ГПУ - сплавах цирконияГирсова Светлана Леонидовна

         

         Закономерности формирования фазового состава и дефектной субструктуры термоупрочненной стали на разных масштабных уровняхМорозов Максим Михайлович

         Закономерности деформации, разрушения и люминесценции ионных кристаллов, подвергнутых -облучениюНовиков, Геннадий Викторович

         

         Взаимосвязь неустойчивости и неоднородности пластической деформации : Закономерности и особенности прерывистой текучести на примере Al-Mg сплавовКриштал Михаил Михайлович

         Общие закономерности деформации и разрушения тонких неорганических пленок и биологических мембранХохлова, Анна Ивановна