Особливості пластичної деформації та руйнування двовимірних полікристалів алюмінію та міді

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ОСОБЛИВОСТІ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ ТА РУЙНУВАННЯ ДВОВИМІРНИХ ПОЛІКРИСТАЛІВ АЛЮМІНІЮ ТА МІДІ

Сахарова Наталія Олексіївна

Харків - 1999

Анотації

Сахарова Н.О. Особливості пластичної деформації та руйнування двовимірних полікристалів алюмінію та міді. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата физико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Харківський державний університет, Харків, 1999.

Дисертація містить результати експериментальних досліджень впливу меж зерен і потрійних стиків меж зерен (ПС) на механізми релаксації напруженого стану в процесі пластичної деформації двовимірних полікристалів алюмінію і міді. Досліджено характер розвитку відносної локальної деформації у зонах потрійних стиків меж зерен у залежності від типу меж зерен, форми ПС і його орієнтації до ззовні прикладеного напруги. Експериментально показано, що незалежно від типу меж зерен, у двовимірних полікристалах із ГЦК - решіткою, релаксація напруженого стану носить сходинкоподібний характер, що дозволяє припустити дію ПС як пульсуючого джерела решіткових дислокацій.

Досліджено закономірності виникнення і розвитку ротаційної моди пластичної деформації в алюмінієвих і мідних полікристалах. Показано, що ротаційна деформація може відігравати не тільки акомодаційну, але й самостійну роль у пластичній течії. Вона дає істотний внесок у пластичність і визначає тип зруйнування двовимірних полікристалів. Встановлено характер виникнення і закономірності розвитку тріщин у зразках у залежності від типу меж зерен, густини потрійних стиків у зразку і умов деформування.

Ключові слова: двовимірний полікристал, пластична деформація, межі зерен, потрійний стик меж зерен, локалізація деформації, ротаційні ефекти, руйнування.

Sakharova N.A. Special features of plastic deformation and failure of two-dimensional aluminium polycrystals. - Manuscript.

Thesis applied for Ph.D. In Physics and Mathematics on speciality 01.04.07 - solid state physics. Kharkov State University, Kharkov, 1999.

The thesis contents the results of experimental research about the influence of grain boundaries and triple grain boundary junctions (TGJ) on mechanism of stress state relaxation under plastic deformation of two-dimensional aluminium and copper polycrystals.

The character of the relative local deformation development in the triple grain boundary junction areas in depence on grain boundaries types, TGJ form and TGJ orientation to the applied stress has been studied. It is shown experimentally that stress relaxation has staggered character in two-dimensional polycrystals with FCC-lattice independently of grain boundary types. Such character allows to suppose work of the TGJ as a pulsed dislocation source.

Regularities of the rotational mode appearance and development in aluminium and copper polycrystals have been studied. It is shown that the rotational deformation may not only play accommodation role, but also play an independent one in plastic deformation. The rotational mode is contributing substantially to the plasticity and predeterming the failure type of two-dimensional polycrystals. The character of fractures appearance and development in the samples in depence on grain boundaries types, density of triple junctions in sample and strain conditions is determiend.

Key words: two-dimensional polycrystal, plastic deformation, grain boundaries, triple grain boundary junction, deformation localization, rotational effects, failure.

Сахарова Н.А. Особенности пластической деформации и разрушения двумерных поликристаллов алюминия и меди. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Харьковский государственный университет, Харьков, 1999.

Детальные исследования, проведенные в последнее время, показывают, что особую роль в пластической деформации поликристаллических агрегатов играют тройные стыки границ зерен (ТС). Несовместность пластической деформации трех смежных зерен приводит к возникновению в ТС наиболее мощных концентраторов напряжений, релаксация которых может происходить различными способами. Экспериментально обнаруженное многообразие процессов релаксации напряженного состояния в ТС при пластической деформации вызывает повышенный интерес к исследованиям, посвященным выяснению роли тройных стыков в пластической деформации и разрушении поликристаллических материалов.

Для изучения влияния тройных стыков границ зерен на пластическую деформацию и разрушение поликристаллов в качестве объектов исследования были выбраны двумерные поликристаллы. С одной стороны, они также как и трехмерные содержат тройные стыки, однако геометрическая и топографическая структура двумерных поликристаллов значительно проще, что позволяет в ряде случаев проследить за их эволюцией. С другой стороны, возможно получение двумерных поликристаллов с контролируемым числом тройных стыков. Из-за отсутствия стесненности в направлении, перпендикулярном к поверхности образца, особенности влияния границ зерен и тройных стыков на пластическую деформацию и разрушение поликристаллов должны быть выражены наиболее ярко.

В работе предложена новая прецизионная методика исследования относительной локальной деформации по изменению формы и размеров отпечатков индентора микротвердомера ПМТ - 3 непосредственно в процессе пластической деформации образцов. Так же в работе предложена и апробирована оригинальная методика сканирования поверхности образцов при помощи планшетного сканера Hewlett Packard ScanJet 4C и последующей обработки изображений, которая дала преимущества в проведении структурных исследований по сравнению с традиционными металлографическими методами.

Исследования закономерностей пластической деформации одномерных, двумерных и трехмерных поликристаллов алюминия и меди показали, что тройные стыки повышают пластичность двумерных поликристаллов с ГЦК-решеткой, независимо от типа границ зерен их составляющих.

Изучался характер развития относительной локальной деформации в области ТС в зависимости от типа границ зерен, образующих стык, формы тройного стыка и его ориентации ко внешне приложенному напряжению. Независимо от типа границ зерен, релаксация напряженного состояния в тройных стыках носит ступенчатообразный характер, позволяющий предположить действие ТС как пульсирующего источника дислокаций.

Возможными способами релаксации напряженного состояния в ТС, наряду с образованием полос переориентации вблизи стыков, является возникновение ротационных эффектов (разворотов отдельных областей образца перпендикулярно к его поверхности). Экспериментально показано, что для двумерных поликристаллов алюминия с границами зерен общего типа, на ранних стадиях деформации характерно образование полос переориентации, а возникновение ротационных эффектов имеет место для медных поликристаллов, содержащих преимущественно границы зерен специального типа. Оказалось, что ротационная деформация может играть не только аккомодационную роль, но и вносить существенный вклад в пластичность двумерных поликристаллов. Ротационные эффекты предопределяют тип разрушения образцов. В двумерных поликристаллах, где ротации хорошо развиты в областях границ зерен, практически не наблюдается разрушения по границам зерен.

Установлен характер возникновения и закономерности развития трещин в образцах в зависимости от типа границ зерен, плотности тройных стыков и условий деформирования. Разрушение двумерных поликристаллов может происходить по одному из двух возможных типов - или по телу зерен, или по границам зерен. Для поликристаллов алюминия вероятность транскристаллитного разрушения возрастает с увеличением плотности ТС в образцах и скорости их деформации. Двумерные поликристаллы меди независимо от плотности ТС и скорости деформации всегда разрушаются транскристаллитно.

Внесение в область ТС сквозной "поры - отверстия" с целью изменения напряженного состояния в ТС-концентраторе в двумерных поликристаллах алюминия приводит к изменению характера развития локальной деформации в области стыка и типа разрушения образца. Показано, что развитие локальной деформации в области ТС с отверстием носит монотонный характер. При разрушении образцов алюминия с "порами - отверстиями" трещины возникают в области тройных стыков с "порами" и при своем развитии распространяются в теле зерен и взаимодействуют с другими тройными стыками.

Ключевые слова: двумерный поликристалл, пластическая деформация, границы зерен, тройной стык границ зерен, локализация деформации, ротационные эффекты, разрушение.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасні конструкційні матеріали в основному є полікристалами, тобто являють собою агрегати, що складаються з великої кількості окремих зерен, які відрізняються за формою, розмірами, орієнтацією. На сьогодні вже досить добре вивчені особливості пластичної деформації монокристалів із різним типом кристалічної гратки. Однак цих уявлень і, зокрема, відомостей про механічні характеристики окремих зерен полікристалу недостатньо для опису властивостей і з'ясування особливостей пластичної течії полікристалічних зразків, оскільки механізми самоузгодженої деформації зерен у полікристалі не можуть розглядатися без вивчення впливу на пластичну деформацію таких важливих елементів структури полікристалу, як межі зерен та потрійні стики меж зерен (ПС).

Детальні дослідження механізмів пластичної течії полікристалів, які проведені останнім часом, показують, що суттєву роль у їх пластичній деформації, серед інших дефектів, відіграють потрійні стики меж зерен. Значна зсувна та ротаційна несумісність трьох суміжних зерен, що виникає в процесі пластичної деформації, приводить до виникнення у потрійних стиках найбільш потужних концентраторів напруги. Релаксація цих напруг може відбуватися різними способами, що визначається зокрема формою стику, його орієнтацією по відношенню до напрямку діючої деформуючої механічної напруги, структурою меж зерен, які його утворюють та зовнішніми (умови деформування) чинниками. Експериментально виявлене різноманіття процесів релаксації напруженого стану в ПС при пластичній деформації та ще недостатньо вивчена атомна структура ПС потребують проведення подальших детальних досліджень, присвячених з'ясуванню ролі потрійних стиків у пластичній деформації та руйнуванні полікристалічних матеріалів.

У останні роки особливий інтерес у дослідників механічних властивостей твердого тіла викликають двовимірні полікристали. Мова зокрема йде про такі об'єкти, як полікристалічні плівки, фольги, адсорбовані фази. Дослідження пластичної течії та зруйнування таких об'єктів є досить актуальним завданням. Уже надійно встановлено, що принципові зміни в закономірностях розвитку пластичної деформації полікристалічних агрегатів мають місце тільки при переході від двовимірних до одновимірних полікристалів, тобто від зразків, що містять ПС до зразків, що їх не містять. Ця обставина дозволяє при вивченні деяких механічних властивостей полікристалів обрати модельними об'єктами дослідження не тривимірні, а двовимірні полікристали. З одного боку, вони, так само як і тривимірні полікристали, містять потрійні стики, однак геометрична та топографічна структура двовимірних полікристалів є значно простішими, що дозволяє у ряді випадків простежити за їх еволюцією. З іншого боку, існує можливість використовувати для досліджень двовимірні полікристали із контрольованою густиною ПС. Суттєвим є і той факт, що двовимірні полікристали не мають просторової обмеженості у напрямку, перпендикулярному до поверхні зразків. Тому вплив ПС на пластичну деформацію та руйнування таких об'єктів може бути визначальним.

Все вище наведене зумовило актуальність теми даної дисертаційної роботи, яка присвячена експериментальному дослідженню особливостей пластичної деформації та руйнування двовимірних полікристалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла Харківського державного університету в рамках НДР кафедри "Дослідження впливу потрійних стиків меж зерен на деформаційні властивості металів" №ДРUA01008723Р, "Дослідження впливу потрійних стиків меж зерен на деформаційні властивості металів" № ДР0395U001408; "Дослідження впливу структурного стану на деформаційні (у тому числі надпластичні) властивості твердих тіл" № ДР0197U008106; затверджених відповідними постановами Міністерства освіти України.

Мета та основні задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вивчення особливостей пластичної деформації та руйнування двовимірних полікристалів із ГЦК - решіткою при їх течії на повітрі при кімнатній температурі в умовах активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації , що лежить у інтервалі від 10^-5 до 10^-2 с^-1 і з'ясування ролі меж зерен та потрійних стиків меж зерен у цих процесах.

Для досягнення поставленої мети необхідно було:

виготовити двовимірні полікристали алюмінію і міді з різною густиною ПС, одержати і опрацювати деформаційні криві та визначити механічні характеристики цих зразків (зокрема, границю плинності, границю міцності, відносне видовження до зруйнування);

вивчити можливі механізми релаксації напруженого стану в потрійних стиках у залежності від типу меж зерен, що їх утворюють, та густини ПС у зразках;

дослідити характер розвитку локальної деформації у ділянках, які прилягають до різних елементів структури полікристалу (зоні поблизу меж зерен, потрійних стиків, а також у тілі зерен);

експериментально дослідити закономірності виникнення та розвитку ротаційної деформації у двовимірних полікристалах та визначити можливий внесок ротаційних ефектів у їх пластичну деформацію;

експериментально визначити характер виникнення та закономірності розвитку тріщин у процесі деформування двовимірних полікристалів із різним типом міжзеренних меж і з різною густиною ПС при кімнатній температурі та температурі Т=400К;

дослідити характер розвитку локальної деформації та руйнування на зразках двовимірних полікристалів із штучно внесеними у зону потрійних стиків "порами - отворами".

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше показано, що двовимірні полікристали алюмінію та міді, на відміну від тривимірних, які можуть містити множинні стики меж зерен (стики, утворені більш ніж трьома межами), містять тільки потрійні стики меж зерен;

на підставі власних експериментальних даних виявлено, що незалежно від типу меж зерен наявність потрійних стиків у зразках двовимірних полікристалів алюмінію та міді при їх деформуванні в режимі активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації (=10^-5 -10^-2 c^-1) при кімнатній температурі приводить до підвищення їх пластичності. Відносне видовження зразків до зруйнування зростає зі збільшенням у них густини ПС. Підвищення пластичності у зоні ПС супроводжується дією потрійного стику, як пульсуючого джерела решіткових дислокацій. Вперше показано, що у двовимірних полікристалах із ГЦК - решіткою потрійні стики ніколи не виступають джерелами тріщин;

на підставі власних експериментальних даних знайшли подальший розвиток уявлення про різні способи релаксації напруженого стану в ПС у залежності від типу меж зерен, які їх утворюють. У двовимірних полікристалах алюмінію, де практично всі межі зерен - загального типу, одним із можливих способів релаксації напруженого стану є утворення смуг переорієнтації, яке має місце на початкових стадіях пластичної деформації та свідчить про високий рівень напруг у зоні ПС. Для полікристалів міді, які містять межі зерен переважно спеціального типу, такий спосіб релаксації практично не має місця, а найбільш ймовірним є виникнення у зоні ПС ротаційних ефектів, які полягають у розворотах окремих ділянок зразка перпендикулярно до його поверхні. Значні ротаційні ефекти у двовимірних алюмінієвих полікристалах виявляються лише у зонах окремих ПС на момент зруйнування зразків;

вперше показано, що ротаційні ефекти, які мають місце при пластичній деформації двовимірних полікристалів алюмінію та міді в режимі активного навантаження з постійною швидкістю деформації в інтервалі 10^-5-10^-2 c^-1 при кімнатній температурі, можуть відігравати не тільки акомодаційну, але й самостійну роль у деформації. Внесок ротаційних ефектів у пластичну деформацію зразків може бути суттєвим, що може бути підтверджене зокрема тим, що для мідних полікристалів з розвиненою ротаційною структурою, відносна деформація, яку накопичують деякі із зразків до зруйнування складає 50-60%;

вперше експериментально показано, що для двовимірних полікристалів алюмінію та міді характер зруйнування залежить від типу меж зерен у зразках. Для двовимірних полікристалів алюмінію з межами зерен загального типу можливі і зерномежевий, і транскристалітний типи зруйнування зразків, однак обидва ці типи ніколи не реалізуються одночасно. У випадку мідних полікристалів, що містять межі зерен спеціального типу, можливе зруйнування зразків тільки по тілу зерен;

вперше показано, що зміна напруженого стану в ПС-концентраторі шляхом внесення у зону ПС у двовимірних полікристалах алюмінію наскрізних "пор - отворів", не тільки змінює характер розвитку локальної пластичної деформації у зоні стику при течії зразків в умовах активного навантаження з постійною швидкістю деформації при кімнатній температурі, але й приводить до зниження пластичності зразка у цілому та зміні типу його зруйнування.

На захист виносяться такі конкретні наукові результати і положення:

Потрійні стики меж зерен у двовимірних полікристалах алюмінію та міді в умовах їх течії в режимі активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації (=10^-5 -10^-2 c^-1) при кімнатній температурі є областями з підвищеною пластичністю, незалежно від типу меж, які їх утворюють.

Розвиток локальної деформації у зоні потрійного стику має сходинкоподібний характер, що може бути спричинене дією потрійного стику як пульсуючого джерела решіткових дислокацій, незалежно від типу меж, які його утворюють.

Характер релаксації напруженого стану в ПС залежить від типу меж зерен, які утворюють стик, та густини потрійних стиків у зразку. У досліджених двовимірних полікристалах з ГЦК - решіткою релаксація напруг відбувається випусканням решіткових дислокацій, утворенням смуг переорієнтації і виникненням ротаційних ефектів.

Ротаційна деформація двовимірних полікристалів в умовах їх течії у режимі активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації в інтервалі від 10^-5 до 10^-2 c^-1 при кімнатній температурі може відігравати не тільки акомодаційну, але й самостійну роль, тобто давати істотний внесок у пластичну деформацію, а також визначати характер руйнування двовимірних полікристалів.

При руйнуванні двовимірних ГЦК - полікристалів у ході їх пластичної течії при кімнатній температурі у режимі активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації (=10^-5 -10^-2 c^-1), потрійні стики ніколи не виступають джерелами тріщин. Характер зруйнування зразків залежить від типу меж зерен та густини ПС у них. Зруйнування двовимірних полікристалів алюмінію із межами зерен загального типу може відбуватися як по тілу зерна, так і по межах зерен, але обидва ці типи не реалізуються одночасно. Зруйнування двовимірних полікристалів міді, у яких переважають межі зерен спеціального типу, практично завжди здійснюється по тілу зерна.

Розвиток локальної деформації у зоні стику та характер виникнення тріщин у двовимірних полікристалах алюмінію при їх деформуванні в умовах активного навантаження при кімнатній температурі змінюються при внесенні у зону потрійного стику наскрізної "пори - отвору". На відміну від двовимірних полікристалів без "пор" у зонах ПС, у зразках із "порами" характер розвитку локальної деформації у зоні стику стає монотонним, а ПС із внесеними у них "порами - отворами" є джерелами тріщин.

Наукове і практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що встановлення ролі потрійних стиків меж зерен у пластичній деформації та руйнуванні двовимірних полікристалів із ГЦК - решіткою при їх пластичній течії в режимі активного навантаження з постійною швидкістю деформації в інтервалі 10^-5 -10^-2 c^-1 при кімнатній температурі у залежності від типу меж зерен, які утворюють стик, дозволяє виділити ПС, як елементи структури, що мають істотний вплив на пластичність та зруйнування полікристалічних тіл. Комплексне дослідження механізмів релаксації напруженого стану в ПС дає можливість здійснити узагальнений опис характеру розвитку релаксаційних процесів у двовимірних полікристалах із різним типом меж зерен та потрійних стиків. З'ясування в роботі сутності фізичних явищ, що стосуються особливостей пластичної течії і руйнування досліджених матеріалів, дозволяє поширити деякі з отриманих результатів на широкий клас неорганічних полікристалічних матеріалів, які містять наскрізні потрійні стики та мають різний тип міжзеренних меж. Отримані результати - про високу міцність та пластичність двовимірних полікристалів із межами зерен спеціального типу, у ділянках яких добре розвинені ротаційні ефекти, про вплив густини ПС на характер зруйнування двовимірних полікристалів - мають прикладне значення і можуть бути використані для поліпшення експлуатаційних властивостей таких промислових матеріалів, як полікристалічні фольги та тонкі плівки, а також при конструюванні з них виробів, що експлуатуються в умовах дії механічних напруг.

Особистий внесок здобувачки полягає у безпосередній участі в постановці задач, розв'язаних у дисертації, проведенні всіх експериментів, розробці прецизійної методики дослідження відносної локальної деформації в процесі випробування зразків і методики приготування тривимірних, двовимірних і одновимірних полікристалів. Здобувачка запропонувала і розробила оригінальну методику сканування поверхні досліджених зразків за допомогою планшетного сканера Hewlett Packard ScanJet 4C та наступного опрацювання зображень. Формулювання основних наукових положень та висновків роботи, аналіз отриманих експериментальних результатів, підготування матеріалів до публікації проходили за її безпосередньою участю.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на конференціях "Фізичні явища у твердих тілах", Харків, ХГУ, 1995, 1997; були подані на II міжнародному семінарі "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах", Барнаул, 1994; XIV міжнародній конференції "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов", Самара, 1995; III і IV міжнародній школі - семінарі "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах", Барнаул, 1996, 1998.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 праць, у тому числі 5 статей у наукових журналах і 9 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, трьох розділів, заключного розділу "Висновки" і списку використаних літературних джерел із 135 найменувань. Робота містить 158 сторінок машинописного тексту та 48 рисунків.

2. Основний зміст роботи

У вступі аналізуються основні теоретичні та експериментальні дані про вплив меж зерен і потрійних стиків меж зерен на пластичну деформацію полікристалів, аргументується вибір об'єктів дослідження - двовимірних полікристалічних зразків. Обгрунтовано актуальність теми дисертації. Сформульовані мета та основні задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів. Наведені основні наукові результати та положення, які виносяться на захист, наукове і практичне значення роботи.

У першому розділі "Вплив меж зерен і потрійних стиків меж зерен на пластичну деформацію полікристалічних матеріалів" (літературний огляд) розглядається питання про структуру і властивості меж поділу у полікристалах. Наведені і проаналізовані дані про тип потрійних стиків меж зерен та класифікацію останніх у зв'язку з їхніми властивостями. Показано, що навіть наявність однієї спеціальної межі у ПС істотно змінює властивості стиків. Наведені численні дані про характерну протяжність зон збурень, які спричиняються наявністю потрійних стиків - від декількох міжатомних відстаней до десятків мікрон. ПС можна розглядати як лінійний дефект тільки, коли зона збурення стику мінімальна (випадок спеціального ПС), у всіх інших випадках потрійний стик є об'ємним дефектом, зона спотворень якого поширюється на відстань порядка 10 мкм по межах зерен і залежить від типу меж.

Крім того, існує ряд праць, у яких розглядається можливість утворення не тільки потрійних, але і множинних спеціальних стиків і визначаються умови стійкості останніх проти розщеплювання на потрійні.

Розглянуто вплив потрійних стиків на поведінку полікристалічних матеріалів при їх деформуванні та відпалюванні. Проаналізовано теоретичні роботи, у яких досліджуються механізми виникнення концентратора напруг у потрійному стику в результаті сумарної дії несумісностей поворотного і зсувного типу. Розглянуто різноманітні механізми релаксації напруг у потрійних стиках. Показано, що виявлене різноманіття способів релаксації напруженого стану у ПС не дозволяє оцінити навіть внесок останнього в пластичну деформацію полікристалів.

У огляді проаналізовані праці, присвячені сучасним уявленням стосовно механізмів пластичної течії полікристалів та коротко викладена сучасна концепція про структурні рівні пластичної деформації. Особлива увага приділена вивченню даних про ротаційну моду пластичної деформації та дисклинації, як елементарні носії ротаційної пластичності.

У висновках розділу проаналізований сучасний стан проблеми і визначені питання, які вимагають розв'язання, що дало можливість сформулювати мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі "Методики проведення експериментів" описані об'єкти дослідження і експериментальні методики, застосовані при виконанні дисертаційної роботи.

При вивченні впливу потрійних стиків меж зерен на пластичну течію та зруйнування двовимірних полікристалів об'єктами дослідження були обрані два яскраві представники металів із ГЦК -решіткою - мідь та алюміній - із різним типом меж зерен, спричиненим істотною відмінністю величини енергії дефекту пакування. Експериментальні дослідження виконувалися на спеціально виготовлених зразках з алюмінієвої та мідної фольги, чистотою 99.96% і 99.90% відповідно. Розміри робочої частини призматичних зразків складали 100200.15 мм. Середній розмір зерна в них змінювався більше ніж на порядок величини ( =1.5 - 20 мм), при цьому густина потрійних стиків (N_TC) змінювалася від 400 до 3. Усі межі зерен були наскрізними. Необхідна для досліджень структура зразків із заданою густиною ПС створювалася вибором режиму термомеханічної обробки. Описані металографічні методи підготовки поверхні зразків до механічних випробувань та структурних досліджень.

Усі зразки випробували на повітрі в режимі активного навантаження, який забезпечував деформацію зразків з дійсною постійною швидкістю, яка лежала в інтервалі 10^-5-10^-2 с^-1. У дисертації наведений опис зміни конструкції розривної машини МР-0.5, яка дозволила зменшити швидкість деформації зразків. Проаналізовано різні традиційні методи вивчення локалізації пластичної деформації і запропонована нова прецизійна методика визначення ступеня локальної неоднорідності пластичної деформації за зміною форми та розмірів відбитків індентора мікротвердоміра ПМТ-3 безпосередньо у процесі пластичної деформації зразків.

Описано пристрій для проведення топографічних досліджень шляхом фотографування поверхні досліджуваного зразка безпосередньо у процесі його деформування, а також пристрій для проведення механічних випробувань при підвищених температурах. Для детальнішого з'ясування ролі ПС у пластичній деформації та зруйнуванні двовимірних полікристалів алюмінію деякі з досліджень були проведені при температурі Т=400 К.

Після зруйнування зразків їх структуру досліджували за допомогою металографічних мікроскопів МІМ -7 і МІМ - 8М. Запропоновано та апробовано методику сканування поверхні зразків за допомогою планшетного сканеру Hewlett Packard ScanJet 4C. Наведено можливі розрізнювальні здатності сканера, використання яких надає перевагу в проведенні структурних досліджень у порівнянні з традиційними металографічними методами.

Атестація меж зерен у роботі не проводилася. Проте з літературних даних (Копецький Ч.В., Орлов О.М., Фіонова Л.К., 1987) відомо, що спеціальні межі зерен морфологічно легко виділити у структурі полікристала. Така непряма атестація меж зерен є достатньо надійною.

У третьому розділі "Роль меж поділу у пластичній деформації та руйнуванні двовимірних полікристалів алюмінію і міді" розглядаються різноманітні аспекти впливу меж зерен і потрійних стиків меж зерен на пластичну деформацію і руйнування двовимірних полікристалів із різним типом меж зерен та із різною густиною потрійних стиків. У підрозділі 3.1 наведені дані про вплив меж зерен і потрійних стиків меж зерен на пластичність полікристалів із ГЦК - решіткою. Проведені механічні іспити в умовах активного навантаження з постійною швидкістю деформації в інтервалі 10^-5 - 10^-2 c^-1 при кімнатній температурі тривимірних, двовимірних і одновимірних полікристалів алюмінію та міді. Класифікація типу зразків заснована на наявності чи відсутності у них наскрізних ПС, тобто таких які виходять на обидві поверхні зразка. Так, одновимірний полікристал не містить потрійних стиків, двовимірний містить тільки наскрізні потрійні стики, а тривимірний, як правило, містить тільки ненаскрізні потрійні стики. Порівняльні дослідження деформаційних кривих вищевказаних об'єктів виявили, що основну роль у підвищенні пластичності відіграють наскрізні потрійні стики, оскільки найбільш істотні відмінності у механічних характеристиках мають місце для двовимірних і одновимірних полікристалів - зразків, що містять та не містять ПС. Так, величини ₁ і ₂ (де ₁ - відносна деформація двовимірного полікристала, ₂ - відносна деформація одномірного полікристала, одержаного із двовимірного хімічним травленням) можуть відрізнятися більш ніж у три рази при густині потрійних стиків N_TC300. Відношення ₁/₂ зменшується зі зменшенням густини ПС і стає рівним одиниці для зразків без потрійних стиків. З одного боку, ефект не може бути пояснений наявністю у досліджених зразків різної субструктури, оскільки спосіб їх виготовлення передбачав наявність у двовимірних і одномірних полікристалах однієї й тієї ж субструктури (усі одновимірні полікристали вирізували із двовимірних). З іншого боку, не виявлена залежність ефекту і від типу меж зерен, які утворюють стики. І для досліджених полікристалів міді, у яких практично всі межі зерен спеціального типу, і для полікристалів алюмінію з межами зерен загального типу, пластичність при течії зразків в умовах активного навантаження з постійною швидкістю деформації при кімнатній температурі завжди є вищою у двовимірних полікристалів.

Слід вказати на відсутність розмірного ефекту (незалежність ступеню пластичної деформації зразка від його ширини при незмінній густині ПС у зразках), що експериментально підтверджено зокрема тим, що і для мідних, і для алюмінієвих двовимірних полікристалів при зміні ширини зразків їх пластичність змінюється при досягненні рівності між середнім розміром зерна і шириною зразка.

Збільшення пластичності двовимірних полікристалів із зростанням густини потрійних стиків у зразках від 3 до 400 виявлено і для міді (відносне видовження до зруйнування збільшується від 10-15% до 40-50%), і для алюмінію ( змінюється від 3-4% до 10-15%). При переході від одновимірного до двовимірного полікристалу змінюється і характер деформації. У двовимірних полікристалах відбувається синглетне ковзання, а в одномірних розвивається множинне ковзання з подальшою локалізацією деформації, яка приводить до макрозруйнування зразка у вигляді шийки.

Поведені дослідження показали, що наскрізні потрійні стики меж зерен підвищують пластичність полікристалів при їх деформуванні в режимі активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації (=10^-5 -10^-2 c^-1) при кімнатній температурі, незалежно від типу меж, які їх утворюють. Слід зазначити, що для двовимірних полікристалів алюмінію і міді в дослідженому діапазоні розмірів їх зерен виконується закон Холла - Петча, тобто межі зерен є достатньо сильним бар'єром для дислокацій, що рухаються. Результати структурних досліджень показали, що механізми пластичної деформації цих зразків при кімнатній температурі не відрізняються від механізмів, загальноприйнятих для ГЦК-полікристалів.

Експериментально показано, що на відміну від тривимірних полікристалів, які можуть містити невелику кількість (7%) множинних стиків меж зерен (Сухомлін Г.Д., Копецький Ч.В., 1986) двовимірні полікристали міді та алюмінію містять тільки потрійні стики меж зерен. Напевно, у стику трьох зерен конфігурація меж є найбільш рівноважною і мабуть саме тому потрійні стики є одним з найпоширеніших планарних дефектів полікристалів.

У підрозділі 3.2 розглянуті різні механізми релаксації напруженого стану в процесі пластичної деформації двовимірних полікристалів алюмінію та міді.

Показано, що істотний внесок у неоднорідність пластичної деформації вносять потрійні стики меж зерен. Розвиток локальної деформації у зоні ПС для двовимірних полікристалів носить сходинкоподібний характер. Величина відносної локальної деформації у зоні ПС та характер її розвитку залежить насамперед від типу меж зерен, які утворюють ПС, а також від форми стику і його орієнтації по відношенню до напрямку прикладення зовнішньої деформуючої напруги. У цілому для ділянок зразка, що містять ПС, спостерігаються значні відхилення величини ступенів відносної локальної деформації _лок від величини ступеню відносної деформації всього зразка (_лок, як правило, на 10 - 20% перевищує ).

Характер розвитку локальної деформації у зоні ПС дозволяє припустити його дію як пульсуючого джерела дислокацій. Такий спосіб релаксації ПС-концентратора є найбільш характерним для двовимірних полікристалів алюмінію і міді. Для полікристалів міді крива _лок=() є більш плавною, ніж для полікристалів алюмінію, що свідчить про більш низький рівень внутрішніх напруг у зоні ПС. Найбільш ймовірною причиною цього варто вважати той факт, що через низьке значення енергії дефекту пакування, у міді практично всі межі зерен є спеціальними. Для утворення концентраторів напруг біля меж зерен у процесі пластичної деформації, останні повинні відігравати роль бар'єра для дислокацій, що рухаються. Спеціальні межі зерен більш "проникні" для дислокацій, чим довільні межі, тому вони виявляються менш ефективними концентраторами напруг. Таким чином, внесок ПС у пластичність полікристалів міді і алюмінію є неоднаковим. Підтвердженням даного припущення може служити той факт, що у двомірних полікристалах алюмінію релаксація напруг від ПС-концентратора може відбуватися шляхом утворення у потрійних стиків смуг переорієнтації, а для двовимірних полікристалів міді такий спосіб релаксації напруг практично виключається.

Проаналізовано розподіл відносної локальної деформації уздовж осі розтягування після зруйнування зразків. Виявлено значне відхилення величини ступенів локальної деформації у ділянках, прилягаючих до ряду меж зерен від величини ступеня загальної деформації зразка. Встановлено, що відносна локальна деформація є максимальною поблизу ПС. З підвищенням температури від 300 К до 500 К величина відхилення ступеня локальної деформації від ступеню загальної деформації зразка зменшується. Напевно, при підвищенні температури деформування роль меж зерен та потрійних стиків як джерел та стопорів решіткових дефектів знижується за рахунок активізації дифузійних процесів.

Досліджено характер виникнення та розвитку ротаційних ефектів, які зокрема проявляються у розворотах окремих ділянок зразка, перпендикулярно до його поверхні, у двовимірних полікристалах алюмінію і міді. Для цього при досягненні визначеного рівня пластичної деформації зразка в цілому для окремих елементів структури полікристалу (ПС, межі зерна, тіла зерна) визначалася величина n/n₀, де n - число елементів структури, у ділянках яких виникають ротації, n₀ - повне число даних елементів структури в робочій частині зразка. Були встановлені наступні закономірності виникнення та розвитку ротаційних ефектів у досліджених зразках при пластичній течії в режимі активного навантаження з постійною швидкістю деформації при кімнатній температурі. У полікристалах алюмінію (N_TC=120) ротації з'являються при досягненні значної деформації зразка (15%) і виявляються, насамперед, у зоні меж зерен. Частка меж зерен, у ділянках яких розвивається ротаційна деформацію, на момент зруйнування зразка складає 30-40 %.

Ротаційні ефекти у зоні ПС і в тілі зерен незначні. Із зменшенням густини ПС (N_TC=70) ротаційні ефекти мають місце на більш ранніх стадіях пластичної деформації (10 %), максимальний ефект так само як і для зразків із меншим середнім розміром зерна досягається у ділянках меж зерен. Цей факт, певне, пояснюється тим, що поблизу меж зерен, як відомо з літературних джерел (Владіміров В.І., Романов О.Є., 1986), виникають неоднорідності пружних полів, які сприяють зародженню дисклінацій і, отже, виникненню ротаційної деформації. При деформуванні двовимірних полікристалів міді ротаційна деформація помітна на ранніх стадіях пластичної течії (=2-3%) практично в будь-якій ділянці робочої частини зразка. На момент зруйнування зразка частка меж зерен і потрійних стиків, ділянки біля яких задіяні у ротаціях, складає 90 - 100 %, а частка зерен із ротаціями - 30 %. Напевно, деформація двовимірних полікристалів міді пов'язана з активною ротаційною пластичністю та колективними дисклінаційними ефектами. У полікристалах міді характер розвитку ротаційної деформації не залежить від густини ПС у зразку. На відміну від мідних, для алюмінієвих полікристалів спостерігається значна залежність між характером виникнення і розвитком ротацій і густиною потрійних стиків. При великій густині ПС (N_TC300) ротації не виникають незалежно від ступеня пластичної деформації, аж до зруйнування зразка. При середній густині ПС (N_TC100) ротаційні ефекти виявляються тільки поблизу меж зерен при значній пластичній деформації зразка. У полікристалах алюмінію із малою густиною ПС (N_TC 30) ротації виявляються і в інших ділянках зразка при більш низькому рівні пластичної деформації. Величина критичної деформації, при якій з'являються ротаційні ефекти у двовимірних полікристалах алюмінію, збільшується з ростом температури (_кр20% при Т=500К) і із збільшенням швидкості деформування. При підвищенні температури роль ротаційної моди як акомодаційного процесу слабішає, що може бути пов'язаним із зростанням ролі множинного ковзання, як вторинного акомодаційного процесу через температурну залежність порогових напруг.

Порівняння характеру релаксаційних процесів при пластичній деформації зразків в умовах активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації (=10^-5-10^-2 с^-1) при кімнатній температурі дозволило встановити, що характер релаксації напруженого стану в двовимірних полікристалах залежить від типу меж зерен і релаксація може відбуватися утворенням смуг переорієнтації для полікристалів алюмінію з межами переважно загального типу. Ротації в алюмінієвих полікристалах виникають на пізніх стадіях їх течії у ділянках окремих елементів структури полікристалу. У двовимірних полікристалах міді, у яких практично всі межі зерен є межами спеціального типу, виникнення смуг переорієнтації не спостерігалося. Ротаційні ефекти у ділянках меж зерен і потрійних стиків виникають на ранніх стадіях пластичної деформації і до моменту зруйнування виявляються на усій поверхні зразка. Добре відомо, що ротаційна деформація може відігравати акомодаційну роль при пластичній деформації полікристалічних тіл. У продеформованих двовимірних полікристалах міді з розвиненою ротаційною структурою відносне видовження до зруйнування є досить значним (наприклад, для окремих зразків складає 50 - 60 %). Така висока пластичність у полікристалічних матеріалах не може забезпечуватися розвитком лише зсувних механізмів течії, тому напевно у двовимірних полікристалах із спеціальними межами зерен і ротаційна деформація вносить істотний внесок у пластичну деформацію зразка в цілому, тобто відіграє самостійну роль у деформації зразків. На думку Рибіна В.В (1986) власний внесок у макроскопічну формозміну зразка дають лише пластичні повороти, які виникають під дією зовнішніх моментних напруг. Такі ротаційні моди реалізуються зародженням та рухом диполів часткових дисклінацій.

У підрозділі 3.3 розглянуто характер виникнення та закономірності розвитку тріщин у двовимірних полікристалах із різною густиною потрійних стиків при їх пластичній течії в умовах активного навантаження з постійною швидкістю деформації (=10^-5-10^-2 с^-1) при кімнатній температурі. Проаналізовано вплив ступеня розвитку ротаційної деформації на закономірності руйнування мідних і алюмінієвих полікристалів. Показано, що інтенсивний розвиток ротацій, як правило, виключає зерномежеве зруйнування, збільшуючи пластичність зразка в цілому. Так, у полікристалах міді, де практично ділянки біля усіх меж зерен задіяні у ротаціях, зруйнування завжди відбувається тільки по тілу зерен. У полікристалах алюмінію, де ротаційна деформація незначна, зразки руйнуються по межах зерен. Із зменшенням густини ПС ротаційні ефекти виражені яскравіше і виявляються на більш ранніх стадіях пластичної деформації, і ймовірність зерномежевого зруйнування в цьому випадку зменшується. У полікристалах алюмінію із малою густиною ПС найбільш ефективна релаксація концентраторів напруг відбувається біля меж зерен шляхом розвитку ротаційних ефектів. У таких зразках зруйнування так само, як і в полікристалах міді носить транскристалітний характер.

У дисертаційній роботі експериментально показано, що ротаційна деформація в двовимірних полікристалах із ГЦК - решіткою, як правило, має місце для спеціальних або близьких до спеціальних меж зерен. Встановлено, що на відміну від тривимірних полікристалів (Кайбишев О.А., Валієв Р.З., 1987), де в одному зразку можливе зруйнування і по тілу зерна, і по межах зерен, для двовимірних полікристалів ці типи руйнування не реалізуються у одному і тому ж зразку одночасно. У двовимірних полікристалах міді, незалежно від густини потрійних стиків, і в двовимірних полікристалах алюмінію з малою густиною ПС (N_TC30) зруйнування завжди носить транскристалітний характер.

Величина W_TK визначалася як відношення N_ТК/N₀, де N_ТК - кількість зразків, тип зруйнування яких є транскристалітним, а N₀ - загальне число зруйнованих зразків. Для визначення N_ТК/N₀ було продеформовано по 20 зразків з наперед заданою величиною N_TC. Для двовимірних полікристалів рівень руйнуючої напруги при транскристалітному зруйнуванні завжди вищий, ніж у випадку зерномежевого зруйнування. Ступінь розвитку ротацій у ділянках, які прилягають до меж зерен, у випадку транскристалітного руйнування є максимальною. Двовимірні полікристали алюмінію з великою густиною потрійних стиків (N_TC400) руйнуються тільки по межах зерен, причому ймовірність зерномежевого зруйнування зростає зі збільшенням густини ПС.

Зародження тріщин на межах, як правило, носить множинний характер - зерномежеві тріщини, виникнувши на окремих ділянках меж, досить часто далі не поширюються на всю межу, а зупиняються у своєму розвитку. При подальшій пластичній течії можлива поява однієї або декількох тріщин на інших межах. Зруйнування зразка може відбуватися при розвитку будь-якої із цих тріщин, незалежно від її початкових розмірів і орієнтації. Такий характер зруйнування, напевно, може бути пояснений, з використанням хвильового механізму пластичної деформації (Панін В.Є., 1990). Релаксація напруг від одного з концентраторів у ПС приводить до виникнення більш потужного концентратора у іншому об'ємі робочої частини зразка та подальшої релаксації напруги завдяки розвитку тріщини (наприклад, на межі зерна). Естафетний процес переміщення концентраторів напруги при пластичній течії зразка може привести до ії релаксації із виникненням тріщин в інших об'ємах зразка.

Експериментально показано, що на відміну від тривимірних, у двовимірних полікристалах із різною густиною ПС та незалежно від типу меж зерен, потрійні стики при пластичній деформації в умовах активного навантаження з постійною швидкістю (=10^-5-10^-2 с^-1) при кімнатній температурі, незважаючи на високий рівень напруги у них, ніколи не були джерелами тріщин.

У роботі наведені результати визначення механічних характеристик досліджених зразків у залежності від густини стиків і дійсних швидкостей деформації зразків. Показано, що міцність та відносне видовження до зруйнування для зразків, тип зруйнування яких є транскристалітним, виявляються максимальними. Так, відносне видовження до зруйнування алюмінієвих зразків у випадку їх зруйнування по тілу зерна сягає 30 - 40%, а максимальна пластичність зразків, зруйнованих по межах зерен, не перевищує 10%. Границя міцності (_b) алюмінієвих зразків при транскристалітному зруйнуванні падає зі зменшенням швидкості деформації, причому цей ефект зростає зі збільшенням густини потрійних стиків (_b зменшується від 100 МПа до 60 МПа при зменшенні швидкості на два порядки). У випадку зерномежового зруйнування межа міцності незначно зростає зі зменшенням швидкості деформації (_b змінюється від 40 МПа до 50 МПа). Величина _b для мідних полікристалів слабко залежить від умов деформування і не залежить від густини ПС у зразку.

У зв'язку з тим, що алюмінієві полікристали з однаковою густиною потрійних стиків при одній і тій же швидкості деформації можуть руйнуватися як по межах зерен, так і по тілу зерен, була визначена ймовірність транскристалітного зруйнування в залежності від густини ПС і швидкості деформації. Встановлено, що ймовірність транскристалітного зруйнування зразків алюмінію зменшується зі збільшенням N_TC і зменшенням . При малій густині ПС (N_TC30) зруйнування завжди відбувається по тілу зерен, незалежно від швидкості деформації. При великій густині ПС (N_TC400) і малій швидкості деформації ( 10^-3 с^-1) має місце лише зерномежеве зруйнування. При середній густині ПС (N_TC200) ймовірність транскристалітного зруйнування знижується з 0.7 до 0.5 при зменшенні від 10^-2 до 10^-4 с^-1.

З підвищенням температури деформування до 400 К величина N_TC, при якій зразки алюмінію можуть руйнуватися по межах зерен, зміщується убік менших значень (N_TC15 при Т= 400 К).

Підрозділ 3.4 присвячений вивченню впливу наскрізної "пори - отвору" у зоні потрійного стику на локалізацію пластичної деформації та руйнування двовимірних полікристалів алюмінію при пластичній деформації зразків в умовах активного навантаження з постійною швидкістю при кімнатній температурі.

З метою визначення ролі ПС, як можливих концентраторів напруг, що спричинюють сходинкоподібний характер локальної пластичної деформації, були досліджені спеціальні зразки, у яких у зонах окремих потрійних стиків були висвердлені наскрізні "пори - отвори" (d = 500 мкм) для зміни характеру внутрішніх напруг, що виникають при пластичній деформації. Після утворення "пор - отворів" зразки хімічно полірували і відпалювали при Т = 600С, протягом 2-х годин. У результаті такої обробки слідів рекристалізації поблизу отворів не спостерігалося. Внесення "пори - отвору" у зону ПС принципово змінює характер розвитку локальної деформації у ній. Залежність _лок=(), де - ступінь загальної деформації зразка, має не сходинкоподібний характер, як це було виявлено раніше для зразків без "пор" у зоні ПС, а плавний.

Проаналізовано характер пластичної деформації і тип зруйнування зразків із "порами - отворами" у зонах потрійних стиків. Встановлено, що в зразках із "порами", незалежно від ступеня деформації, смуги переорієнтації поблизу потрійних стиків не спостерігалися. Ротаційна деформація у зоні ПС, меж зерен, що має місце при пластичній деформації зразків без отворів, у зразках з отворами практично відсутня. При течії таких зразків тріщини переважно виникають у зонах потрійних стиків, які містять "пори - отвори". Поширюючись у тілі зерен при своєму розвитку вони взаємодіють з іншими потрійними стиками, що приводить до зруйнування зразків тип якого є змішаним. Виявлено, що окремі отвори у процесі деформування зберігають свою початкову форму. Це, напевно, свідчить про зменшення концентрації внутрішніх напруг у зоні ПС.

Таким чином, експериментально встановлено, що зміна характеру ПС, як концентратора механічної напруги шляхом внесення у зону потрійних стиків наскрізних "пор - отворів" не тільки змінює ступінь розвитку локальної пластичної деформації у зоні стику та пластичність зразка, але і характер зруйнування зразка.

У заключному розділі "Висновки" підсумовані основні результати дисертаційної роботи, які є такими:

Досліджено закономірність пластичної деформації і руйнування одновимірних, двовимірних і тривимірних полікристалів міді і алюмінію з різною густиною потрійних стиків при їх деформуванні в умовах активного навантаження з постійною дійсною швидкістю деформації (=10^-5-10^-2 с^-1) при кімнатній температурі. Показано, що потрійні стики меж зерен всупереч традиційним уявленням про них, як про центри жорсткості, підвищують пластичність двовимірних полікристалів із ГЦК - решіткою, незалежно від типу меж.

Вивчено закономірність розвитку локальної пластичної деформації у зонах окремих потрійних стиків у двовимірних полікристалах із ГЦК - решіткою. Показано, що незалежно від форми та орієнтації ПС до ззовні прикладеної напруги і типу меж зерен, які його утворюють, розвиток локальної пластичної деформації носить сходинкоподібний характер. Такий характер розвитку локальної деформації у зоні потрійного стику дозволяє припустити дію переважної більшості ПС як пульсуючих джерел решіткових дислокацій.