» » Влияние легирования на скорость полигонизационных процессов в ОЦК-металлах
27.12.2014

Известно, что лимитирующим процессом уменьшения плотности дислокаций является переползание дислокаций, хотя, аннигиляция дислокационных диполей может осуществляться и путем скольжения. Скорость переползания дислокаций V может быть приближенно описана уравнением V=VjCj, где Vj — скорость перемещения ступенек вдоль дислокационных линий; согласно Фриделю, пропорциональна коэффициенту диффузии Д.
Как видно из приведенного уравнения, снизить скорость переползания дислокаций V можно, уменьшая Vj и концентрацию ступенек сj. В работе отмечено, что уменьшения Д можно добиться легированием металла более тугоплавким компонентом. Поэтому перспективным является легирование молибдена, тантала, ниобия вольфрамом и рением. При таком легировании будет уменьшаться Д, а следовательно, и Vi. Особенно эффективно легирование, приводящее к изменению типа кристаллической решетки. В этом случае Д уменьшается даже при легировании более легкоплавким элементом. Такой эффект наблюдался, например, в работе при легировании интерметаллида Ni3Ti алюминием.
Заметного уменьшения Д можно добиться при добавлении большого количества более тугоплавкого металла, т. е. при макролегировании. К аналогичному эффекту, в принципе, должно приводить и макролегирование добавками, увеличивающими Ej и, следовательно, уменьшающими концентрацию ступенек Cj. Как указано в работе, это может быть достигнуто добавлением элементов, снижающих энергию дефектов упаковки γ (например, добавлением рения к молибдену). В работе обсуждалось влияние ширины дефектов упаковки на процесс переползания дислокаций. Авторы пришли к заключению, что этот эффект связан с разным числом ступенек, образующихся при деформации в материалах с различной у. При экспериментальном изучении скорости разупрочнения деформированного сплава Mo+Re (27% Re) не было обнаружено заметного тормозящего эффекта рения (см. рис. 4). По-видимому, это связано с сильным упрочнением молибдена рением, в особенности в деформированном состоянии, вследствие чего уменьшение Д и cj в сплаве частично компенсируется увеличением F.
Рассмотрим влияние рения на более поздние стадии полигонизации молибдена, связанные с образованием и ростом субзерен. В работе описаны результаты экспериментального изучения влияния рения на рост субзерен в молибдене. Исследовался монокристалл сплава, содержащего 27 вес. % рения. Степень деформации прокаткой составляла 7%. Сплав прокатывался в тех же условиях, что и чистый молибден: температура комнатная, плоскость прокатки, направление. Рост субзерен изучался в процессе отжига при 2000° С. Образцы сплава отжигались вместе с образцами чистого молибдена. Количество примесей в сплаве, исключая рений, составляло не больше 1*10в-4%. Примерно такой же была чистота использованного молибдена.
Влияние легирования на скорость полигонизационных процессов в ОЦК-металлах

На рис. 15 приведена микрорентгенограмма сплава Mo+Re в исходном состоянии. Сравнение ее с микрорентгенограммами чистого молибдена и вольфрама (рис. 16, а и б) показывает, что легирование рением не приводит к заметному изменению характера распределения интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения на топограмме неподвижного образца в исходном состоянии.
Средний размер субзерен, определенный рентгенографически, составил, как и в чистом молибдене, примерно 1 мм. Средний угол разориентации между соседними субзернами, определенный по кривым двойного отражения, в сплаве 8',6, в то время как в чистом молибдене и вольфраме он несколько меньше (примерно 3').
Влияние легирования на скорость полигонизационных процессов в ОЦК-металлах

После деформации и отжигов в молибдене и его сплаве с рением микрорентгенографически обнаруживается существенно различная структура полигонизации. В чистом молибдене наблюдается образование и рост относительно совершенных субзерен, степень почернения которых на топограмме определяется их отклонением от оптимально отражающего положения (рис. 17, а). Угол разориентации между граничащими субзернами колеблется в широких пределах: от 10" до 2°. Средний угол разориентации в молибдене, отожженном при 2000° С в течение 31 ч, составляет 6',5, средний размер субзерен 1,3*10в-2 см.
Влияние легирования на скорость полигонизационных процессов в ОЦК-металлах

В сплаве Mo+Re субзерна, видимые на топограмме, характеризуются примерно одинаковым почернением (рис. 17, б) и небольшими (по сравнению с чистым молибденом) углами взаимной разориентации, в то время как в чистом молибдене встречаются субграницы, разориентации по которым составляет несколько градусов. В сплаве Mo + Re максимальный угол разориентации между соседними субзернами не превышает 5' (после отжига при 2000° С в течение 6 ч). Отличия в углах взаимной разориентации субзерен чистого молибдена и сплава иллюстрируют топограммы качания (рис. 18). На топограмме качания полигонизованного сплава видны лишь черные границы субзерен, аналогичные черным границам ячеек частично полигонизованного молибдена (рис. 19).
Влияние легирования на скорость полигонизационных процессов в ОЦК-металлах

На топограмме качания чистого молибдена видны широкие граничные полосы черного и белого цвета (см. рис. 18, а). Средний размер субзерен в сплаве после 6 ч отжига при 2000°С составляет 2,5*10в-2 см и приблизительно в 2 раза больше среднего размера субзерен чистого молибдена после отжига при 2000° С в течение 31 ч (1,3*10в-2 см). К сожалению, сравнить структуру молибдена и сплава при этом времени отжига (31 ч) не удалось, так как в процессе отжига образцы сплава рекристаллизовались.
В ряде работ отмечена высокая пластичность молибден-рениевых сплавов в сравнении с чистым молибденом. Джаффи с сотрудниками высказывали мнение, что повышенная пластичность молибдена в присутствии рения связана с развитием в сплавах процесса механического двойникования. Действительно, двойники при деформации сплавов наблюдались в различных условиях деформации и различными методами. Однако обычно в ОЦК-металлах механическое двойникование появляется в области хладноломкости и даже считается ответственным за хрупкое разрушение металлов. Поэтому Ю. И. Демкин считает, что в сплавах Mo+Re ответственным за повышение пластичности является не сам процесс механического двойникования, а механизм релаксации напряжений при взаимодействии двойников с препятствиями. В то же время легкость, с которой зарождаются двойники при деформации сплавов Mo + Re, указывает на уменьшение энергии дефектов упаковки γ. Имеется ряд других экспериментальных доказательств уменьшения у молибдена в присутствии рения. Например, Ю. И. Демкин с помощью метода избирательного травления наблюдал плоские дислокационные скопления в сплаве Mo+Re двух типов: скопления, которым свойственно поперечное скольжение, и скопления, характеризующиеся отсутствием поперечного скольжения. Скопления второго типа выстроены вдоль прямых линий скольжения, параллельных выходам плоскостей. Ограничение поперечного скольжения в ОЦК-решетке связано с уменьшением у.
Ю. И. Демкин рассмотрел наблюдаемые дислокационные структуры в сплаве Mo+Re после деформации с точки зрения проведенного Слезвиком исследования распада дислокаций в ОЦК-решетке. Как известно, в случае высоких значений у только винтовые части дислокационных петель путем поперечного скольжения легко переходят из одной плоскости в другую. При низких значениях у любое движение винтовых дислокаций затруднено. Дислокационная линия винтовой ориентации в ОЦК-решетке расположена вдоль пересечения трех плоскостей, для которых в этой решетке характерна низкая γ.
Непосредственное доказательство существования дефектов упаковки сплава Mo+Re с 35% Re содержится в работе. Был использован трансмиссионный электронномикроскопический метод. Сплав получался с помощью электроннолучевой плавки. Деформация производилась при комнатной темепературе, отжиг — непосредственно в электронном микроскопе. Дефекты упаковки наблюдались только в деформированных образцах, отжиг до деформации сопровождался формированием структуры полигонизации.
В работе изучались характеристики деформации монокристаллов Mo и сплавов Mo+Re, содержащих 7,4—25 ат. % Re. Приведены значения γ для изученных сплавов, рассчитанные методом, предложенным в работе, с использованием упругих констант для сплавов Mo+Re. Для Mo с 35% Re γ = 605 эрг/см2; для этого же сплава γ=391 (359) эрг/см2. Для чистого Mo γ=665 эрг/см2 и γ=457 (451) эрг/см2. В работе [169] отмечено, что приведенные значения у должны рассматриваться как максимально возможные. Однако и из этих значений следует, что γ заметно меньше γ, причем разница у для плоскостей {110} и {112} больше, чем это вытекает из оценки Василевского.
Вотава полагал, что уменьшение у при легировании молибдена рением должно сопровождаться подавлением полигонизации, однако его результаты не подтвердили этого.
В работе показано, что влияние рения на полигонизацию молибдена несколько сложнее и сопровождается существенным изменением структуры полигонизации в сплаве по сравнению с чистым молибденом. Это влияние, по нашему мнению, обусловлено уменьшением γ в сплаве и возможностью расщепления некоторых дислокаций, образующихся в процессе пластической деформации. Возможно, значения у для сплава Mo+Re, приведенные выше, намного превышают истинные. Цифры, указанные в работе, следует рассматривать как доказательство тенденции к снижению у молибдена под влиянием добавок рения.
При микрорентгенографическом исследовании ОЦК-монокристаллов, ориентированных в плоскости {110}, использовался рефлекс. В соответствии с данными Слезвика и Ю. И. Демкина, в плоскости {112} возможно образование деформационных дефектов упаковки в ОЦК-решетке. В связи с этим плотность свободно переползающих полных дислокаций в сплаве оказывается пониженной по сравнению с чистым молибденом, что приводит к образованию слабо разориентированных субграниц даже при заметном развитии процесса. Значительная концентрация дефектов упаковки в плоскостях {112} приводит к уширению интервала брэгговской дифракции (112), что на бергограмме сводится к примерно одинаковому почернению всех видимых субзерен. Влияние дефектов упаковки на ширину интервала брэгговского отражения кристаллов описано в работе.
Таким образом, полигонизация деформированных монокристаллов сплава Мо+27% Re имеет ряд особенностей на поздних стадиях. В то же время замедления разупрочнения в сплаве, обусловленного ранними стадиями полигонизации, по сравнению с чистым молибденом не наблюдается. Тем не менее легирование молибдена рением целесообразно, поскольку одновременно с повышением пластичности в сплаве достигается эффективное упрочнение, существенно превышающее упрочнение от пластической деформации. В связи с этим интересно отметить, что сплавы Mo + Re характеризуются менее резкой температурной зависимостью критического напряжения сдвига, чем чистый молибден. Возможно, легкость пластической деформации в этих сплавах по мере добавления рения обусловлена уменьшением напряжения Пейерлса—Набарро.
Другим способом повышения жаропрочных свойств ОЦК-материалов является микролегирование. Примеси, добавляемые в основной металл, образуют атмосферы вокруг дислокаций, затрудняющие их перемещение. Как известно, примесные атмосферы могут образовываться вокруг краевых и винтовых дислокаций.
В соответствии с представлениями Мотта и Фриделя, скорость переползания дислокаций определяется скоростью перемещения ступеньки вдоль дислокационной линии Vj, а последняя в свою очередь зависит от притока к ней вакансий. Согласно Мотту, атомы примесей блокируют ступеньки, затрудняя их взаимодействие с вакансиями, в результате чего уменьшаются Vj и скорость переползания дислокаций. Другой возможный механизм заключается в релаксации упругих напряжений дислокаций атомами примеси. Согласно, это приводит к уменьшению направленного к ним потока вакансий.
Атомы примесей могут замедлять поступление вакансий к ступенькам и вследствие непосредственного взаимодействия с вакансиями. Число пар «вакансия — атом примеси» может быть оценено из соотношения n/no=Кспехр (Eα/kT), где n0 — число свободных вакансий; сн — концентрация примеси; Eα — энергия диссоциации пары; К — координационное число. Этот эффект заметен при сп~1%, т. е. при более высоких примесных концентрациях, чем те, что требуются для образования атмосфер Коттрелла.
Таким образом, для замедления полигонизационных процессов в ОЦК-металлах весьма перспективно использование микролегирования растворимыми добавками. Примеси в виде дисперсных частиц оказывают незначительное влияние на скорость аннигиляции дислокаций. Более существенным является влияние частиц на процессы, связанные с ростом субзерен.