2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...............................................................5
Глава 1. Обзор литературы..............................................8
1.1. Общая информация о взаимосвязи деформационной микроструктуры и текстуры. Значение исследования микротекстуры.......................................................8
1.1.1. Слаборазориентированная ячеистая структура................9
1.1.2. Сильноразориентированная (фрагментированная) структура....9
1.1.3. Полосы деформации................................. ;....13
1.1.4. Соотношение между ориентацией и деформационной микроструктурой зерна...........................................14
1.1.5. Эффекты межзеренных взаимодействий.......................15
1.2. Методы исследования макро- и микротекстуры. Методические проблемы изучения микротекстуры....................................18
1.2.1. Методы исследования текстур..............................19
1.2.2. Аксиальные текстуры и текстуры прокатки для ГЦК металлов.21
1.2.3. Функция распределения ориентаций и способы ее вычисления.22
1.2.4. Метод локальной рентгеновской дифрактометрии.............25
1.3. Теоретические модели текстурообразования......................28
1.3.1. Закономерности пластической деформации кристаллита.......29
1.3.2. Классические модели текстурообразования..................33
1.3.3. Развитие и модификации классических моделей текстурообразования.............................................36
1.3.4. Моделирование текстуры с учетом взаимодействия зерен и их фрагментации....................................................38
1.4. Заключение и постановка задачи................................41
3
Глава 2. Методика восстановления локальных ФРО по данным
локальной рентгеновской дифрактометрии ......................45
2.1. Методика эксперимента..........................................45
2.1.1. Получение микрополюсных фигур с помощью метода ЛРД 45
2.1.2. Обработка первичных МИФ...................................48
2.2. Методика расчета ФРО...........................................51
2.2.1. Аналитическое описание текстуры...........................51
2.2.2. Определение области существования ФРО.....................52
2.2.3. Связь между ФРО и МПФ.....................................54
2.2.4. Решение основного уравнения векторного метода.............57
2.2.5. Оценка точности вычисления ФРО............................59
2.3. Основные результаты............................................63
Глава 3. Исследование эволюции микротекстуры при деформации
поликристаллического алюминия ...............................65
3.1. Исследуемый материал и особенности эксперимента................66
3.2. Результаты экспериментальных исследований......................68
3.2.1. Основные закономерности развития микротекстуры............68
3.2.2. Рассеяние микротекстуры и ее взаимосвязь с формированием микроструктуры..................................................84
3.2.3. Неоднородность микротекстуры в масштабе зерна.............91
3.3. Основные результаты............................................95
Глава 4. Моделирование эволюции текстуры на основе критерия
минимальной несовместности ..................................97
4.1. Критерий минимальной несовместности............................97
4.1.1. Математическое описание пластической деформации кристаллита.....................................................97
4.1.2. Выбор активных систем скольжения.........................100
4.1.3. Сравнение с моделью Тейлора - Бишопа - Хилла.............104
4.1.4. Предсказание текстуры....................................109
4
4.2. Модель эволюции текстуры с учетом пространственной координации зерен.................................................112
4.2.1. Модель поликристаллического агрегата.....................112
4.2.2. Модель пластической деформации...........................114
4.3. Результаты моделирования......................................118
4.3.1. Распределение зерен по скоростям деформации..............118
4.3.2. Предсказание текстуры при деформации прокаткой...........122
4.3.3. Влияние окружения зерна на характер его переориентации 124
4.3.4. Моделирование поворотов зерен при одноосном сжатии.......127
4.4. Основные результаты...........................................129
Заключение...........................................................132
Библиографический список использованной литературы...................135
5
Введение
Технологии создания конструкционных материалов, отвечающих требованиям современной техники, используют большие пластические деформации как для формоизменения заготовок, так и для повышения комплекса прочностных свойств материала. Одновременно в процессе деформации формируется кристаллографическая текстура - неравномерное распределение ориентаций кристаллитов, - определяющая анизотропию свойств материала.
К настоящему времени накоплен огромный опыт экспериментального изучения текстур деформации. Предпринимались и многочисленные попытки теоретического описания процесса текстурообразования. Было достигнуто качественное понимание природы формирования текстуры, качественно же удается предсказать основные характеристики текстуры при различных способах деформации различных материалов.
Ключевой проблемой при построении теории, предсказывающей текстуру деформации, является адекватный учет взаимосвязи между развитием текстуры и деформационной микроструктуры. Эта проблема интенсивно изучалась в последние два десятилетия. Было установлено, что структурные превращения, происходящие в ходе деформации, приводят к потере зерном ориентационной однородности: в нем формируется неоднородное распределение ориентаций -микротекстура. На развитие микротекстуры, в свою очередь, влияет пластическое взаимодействие зерна с ближайшими соседями, стесняющими его деформацию. Очевидно, что адекватная теория текстурообразования должна учитывать эти "локальные" эффекты, то есть особенности развития микротекстуры в масштабе отдельных зерен. Однако к началу диссертационной работы в этом направлении были сделаны только первые шаги. Гак, не было методики, позволяющей количественно определять локальную текстуру в
6
микрообъемах деформируемого поликристалла. 11е было прямых экспериментальных доказательств существенного влияния локальных межзеренных взаимодействий на текстурообразование. Не было и теории, последовательно учитывающей пространственное расположение зерен, их формоизменение и эффекты локальных межзеренных взаимодействий.
Цель работы состояла в экспериментальном выявлении и теоретическом описании эффектов фрагментации и межзеренного взаимодействия в процессе формирования текстуры деформации поликристаллов.
В Главе 1 настоящей работы на основе анализа литературных данных изложены общие закономерности формирования разориентированных структур, рассмотрены экспериментальные методы исследования текстуры и основы их теоретического описания. Отдельная часть обзора посвящена теоретическим моделям текстурообразования.
Количественная методика аттестации микротекстуры на основе данных локальной рентгеновской дифрактометрии представлена в Главе 2. На ряде примеров выполнена проверка точности вычисления функции распределения ориентаций в отдельных зернах крупнозернистого поликристалла алюминия.
Результаты исследования эволюции микротекстуры в процессе деформации, выполненного на основе разработанной методики, изложены в Главе 3. Особое внимание в ней уделяется количественному анализу распределения внутризеренных ориентировок и определению степени влияния локального окружения зерна на характер его фрагментации и траекторию поворота решетки.
Экспериментально подтвержденная зависимость эволюции микротекстуры зерна от его локальной конфигурации привела к выводу о необходимости учета пространственной координации и пластического взаимодействия зерен при моделировании деформационной текстуры. В Главе 4 предложена и описана новая модель деформации поликристалла, фундаментом которой является критерий минимальной несовместности, учитывающий аккомодационную
7
природу множественного скольжения. Результаты моделирования обсуждаются в сравнении с экспериментом и данными вычислений на основе других моделей.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Создание методики, позволяющей на основе данных локальной рентгеновской дифрактометрии определять функцию распределения ориентировок в микрообъемах, в частности, в отдельных зернах пластически деформированного материала и проводить количественный анализ эволюции микротекстуры.
2. Экспериментальное подтверждение того, что локальное окружение зерна является фактором, от которого в существенной мере зависит эволюция микротекстуры зерна, в наибольшей степени - траектория изменения его преимущественной ориентации.
3. Модель деформации поликристалла, учитывающая аккомодационную природу множественного скольжения и пластическое взаимодействие между смежными зернами и тем самым позволяющая более адекватно моделировать процесс эволюции текстуры деформации.
8
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Общая информация о взаимосвязи деформационной микроструктуры и текстуры. Значение исследования микротекстуры
Пластическая деформация поликристалла среди прочих, производимых ею трансформаций структуры, вызывает переориентацию кристаллической решетки зерен, его составляющих. Формируется кристаллографическая текстура, т.е. неравномерное распределение ориентаций, которое зависит как от свойств материала, так и от способа и условий деформации.
Долгое время считалось, что возникновение текстуры связано с тем, что зерна меняют свою ориентацию целиком. Однако исследования последних десятилетий убеждают в том, что процесс пластического течения сопровождается таким изменением структуры зерен, при котором меняется не только их морфология, но и возникают разориентации между отдельными частями зерна. Представление об "ориентации зерна" в условиях формирования сложной сильноразориентированной структуры является весьма упрощенным: сильно деформированное зерно характеризуется некоторым распределением ориентаций, или микротекстурой. Очевидно, структурные изменения в зернах, связанные с разбиением их на разориентированные друг относительно друга микрообласти, оказывают существенное влияние на формирование текстуры. Представляется необходимым указать на основные этапы структурных изменений при пластическом деформировании. Приводимые ниже экспериментальные результаты получены, главным образом, с помощью просвечивающей электронной микроскопии.
9
1.1.1. Слаборазориентированная ячеистая структура
Слаборазориентированная ячеистая структура возникает на относительно ранних стадиях пластической деформации и характерна как для ОЦК, так и для ГЦК металлов металлах с высокой и средней энергией дефекта упаковки (например, II]). При деформациях е = 0.1ч-0.2 первоначально однородно ориентированный кристаллит разбивается на множество микрообластей (ячеек) с небольшими разориентировками. Ячейки разделяются дислокационными границами, плотность дислокаций в которых в несколько раз превосходит плотность внутри ячеек. Выраженного кристаллографического направления границы ячеек обычно1 не имеют, ячейки разориентированы беспорядочно и развернуты друг относительно друга на довольно малые углы (0 < 0.2°).
Рост деформации приводит к закономерным изменениям характера ячеистой структуры [2]. Так, размер ячеек уменьшается, достигая стабильной величины при е = 0.3ч-0.4. Уменьшается также, достигая насыщения, и толщина дислокационных границ, что сопровождается возрастанием концентрации в них дислокаций.
Начальная стадия структурных изменений, таким образом,
характеризуется в основном формированием дислокационной ячеистой структуры, параметры которой постепенно стабилизируются.
1.1.2. Сильноразориентированная (фрагментированная) структура
Экспериментальные исследования показывают, что эволюция
микроструктуры зерна не завершается по мере стабилизации
1 Кристаллографии!юсть границ и векторов разориентации ячеек, как правило, наблюдается в монокристаллах, но в данном обзоре рассматриваются ноликристалличсские материалы.
10
слаборазориентированной ячеистой структуры. Начиная с некоторой степени деформации г0 (sQ-0.1-г 0.4, в зависимости от условий деформирования), кристаллит разбивается на совокупность областей, относительные разориентации которых увеличиваются с ростом деформации, достигая десяти и более градусов [3]. Столь значительные повороты решетки связаны с формированием структуры, качественно отличающейся от ячеистой. Так, на фоне равноосной ячеистой структуры с ростом пластической деформации появляются новые структурные элементы: микрополосы и фрагменты. В последнее время накоплен богатый экспериментальный материал, позволяющий выявить основные закономерности развития микроструктуры.
Обратимся сначала к рассмотрению микрополос. Термин "микрополоса" впервые упоминает Малин [4] при описании характерной микроструктуры в холоднокатаной меди. Микрополосы образуются протяженными дислокационным границам (рис. 1.1), и в процессе деформации их пространственное расположение меняется. При деформировании прокаткой сначала они возникают в плоскостях, составляющих угол -35° с направлением прокатки и параллельных поперечному направлению. По мере роста деформации они разворачиваются, стремясь занять положение параллельно направлению прокатки. Типичные размеры микрополос таковы: толщина -0.2 -
0.4 мкм, ширина -20 мкм и длина -40 мкм (например, [5]). Считается, что кристаллографической
плоскостью залегания микрополос
является та из возможных для ГЦК &
Микрополоса 1
металлов плоскость скольжения ^
,, , , ч - Микрополоса 2
{111}, которая наилучшим образом
отвечает 35-градусному наклону в Рис-1Л* Схематическое представление
выхода двух микрополос на продольном сечении образца но поверхность образца с
отношению к направлению образованием ступеней сдвига.
11
прокатки. Для ОЦК металлов, деформированных холодной прокаткой,
наблюдается большое сходство со случаем меди, с той лишь разницей, что кристаллографическая ориентация плоскости скольжения, вдоль которой образуются микрополосы, - {110}.
По-видимому, раз сформировавшаяся микрополоса не принимает далее активного участия в пластической деформации образца. Об этом
свидетельствует сохранение ее поперечных размеров вплоть до очень больших деформаций. Кроме того, разориентировки на микрополосах обычно довольно малы [5], и объемная доля микрополос невелика. Поэтому образование
микрополос само по себе не оказывает существенного влияния на локальную
текстуру.
Многочисленные экспериментальные исследования металлов с кубической решеткой свидетельствуют о фрагментации пластически деформируемых кристаллов. Этот термин используется для обозначения процесса образования структуры, получившей название "фрагментированной". Под фрагментацией кристалла понимается его разбиение на микрообласти, разориентировагшые на углы порядка нескольких градусов. Фрагментированная структура, как показывают исследования, возникает не в результате эволюции ячеистой структуры. Фрагменты1 возникают на фоне такой структуры, но являются более крупномасштабными образованиями и содержат большое число ячеек (рис. 1.2). В начале фрагменты имеют толщину порядка 1-2 мкм и ограничиваются дислокационными стенками. Плотность дислокаций на таких границах существенно выше, чем на границах ячеек. Углы разориентации на них достигают величин порядка 10° и более. С ростом деформации углы разориентации возрастают, и по достижении критической величины (от 8° до 15°) границы между фрагментами приобретают характер границ межзеренного типа.
1 В англоязычной литературе принято называть эти структурные элементы "cell blocks” (блоки ячеек).
12
Удобным объектом для исследования процесса
фрагментации являются
тугоплавкие ОЦК металлы, в которых ячеистая структура практически не формируется, и границы фрагментов являются четко выраженными. Первые соображения о природе фрагментации были высказаны в работе Трефилова, Мильмана и Фирстова [6]. Детальные исследования закономерностей фрагментации первоначально были проведены в работах Рыбина, Вергазова, Лихачева и Рубцова на примере одноосной деформации молибдена и никеля [7, 8, 9, 10, 11, 2] и затем обобщены в монографии [3]. В дальнейшем исследование микроструктуры проводилось главным образом для ГЦК металлов после деформации прокаткой. Эволюция микроструктуры прокатанного алюминия подробно рассмотрена в [12], где показано, что разориентации между фрагментами могут достигать 15° после 40% обжатия. Столь существенные разориентации должны значительно влиять на микротекстуру. Кроме того, характер фрагментации зависит от ориентации зерна относительно макроскопических осей деформации. Так, большие разориентации возникают в зернах, имеющих ориентацию, близкую к кубической {001}< 100> [13]. Фрагменты (или блоки ячеек) разделены плоскими дислокационными границами, возникающими параллельно наиболее нагруженным плоскостям {111}, в ходе деформации поворачивающимся по направлению к плоскости наибольшего сдвига.
Рис. 1.2. Схематическое представление фрагментации зерна при малых и средних деформациях [12].
- Київ+380960830922