» » Использование взаимосвязи процессов разупрочнения для получения кристаллоориентированных монокристальных изделий
27.12.2014

Анализ приведенных в настоящей главе экспериментальных результатов показывает, что проведение ступенчатого полигонизационного отжига с постепенно увеличивающейся температурой и продолжительностью позволяет сохранить исходную ориентацию монокристаллов после довольно существенной пластической деформации, намного превышающей область легкого скольжения. Это открывает широкие возможности для практического использования монокристаллов тугоплавких металлов в тех отраслях новой техники, где требуется длительное сохранение определенной кристаллографической ориентации на поверхности изделия при высоких температурах.
Известно, что многие свойства материалов зависят от их структуры. Это так называемые структурно-чувствительные свойства. Чрезвычайно важными для целого класса изделий новой техники являются эмиссионные свойства поверхности, которые зависят от ее кристаллографической ориентации. При высокотемпературной эксплуатации ориентация поверхности претерпевает изменения из-за процессов роста зерен, всегда происходящих в поликристаллическом материале при высоких температурах. С этой точки зрения перспективно использование монокристаллов. Однако как при подготовке изделия к эксплуатации, так и в процессе самой эксплуатации монокристалл может подвергаться пластической деформации, а следовательно, возможна и рекристаллизация монокристалла, сопровождающаяся изменением его первоначальной ориентации. Поэтому не только с научной, но и с практической точки зрения чрезвычайно важно научиться предотвращать рекристаллизацию в пластически деформированных монокристаллах при высоких температурах.
Как показано в настоящей главе, для монокристаллов ОЦК-металлов эта задача решается сравнительно просто. Для создания в них термически стабильной структуры полигонизации достаточно проводить деформацию в таких условиях, которые исключают локальные перенапряжения материала, а отжиг после деформации проводить по определенному режиму с постепенно увеличивающимися температурой и продолжительностью отжига. При этом возможно сохранение первоначальной ориентации монокристалла после деформации как угодно долго. Структура кристалла, подвергнутого полиго-низационным отжигам, отличается от исходной лишь большей протяженностью малоугловых границ, которые, однако, не приводят к разориентации отдельных областей кристаллов более чем на 2—3°.
Следует иметь в виду, что склонность монокристаллов к рекристаллизации в сильной степени зависит от физической природы и кристаллографической ориентации. Монокристаллы металлов с компактной кристаллической решеткой и низкой энергией дефектов упаковки (Cu, Ag) очень трудно сохранить в монокристальном состоянии даже после незначительной деформации. Большая склонность к рекристаллизации таких кристаллов обусловлена низкой скоростью полигонизационных процессов, связанных с переползанием дислокаций.
ОЦК-монокристаллы (Mo, W) могут быть продеформированы на 80—90% и отожжены без образования в них сильно разориентированных участков. Такой устойчивой ориентацией ОЦК-монокристаллов является ориентация {100}. При других исходных ориентациях снижается допустимая степень деформации и соответственно увеличивается продолжительность низкотемпературных полигонизационных отжигов, способствующих более равномерному распределению напряжений в объеме. Наибольшую склонность к рекристаллизации имеют ОЦК-кристаллы, продеформированные в плоскости {111}. В тех случаях, когда необходимо сохранить эту ориентацию в процессе деформации и отжига, допустимые степени деформации очень низки (не более 5%), а отжиг нужно проводить постепенно, с медленно увеличивающейся температурой при каждой последующей изотермической выдержке.
Склонность кристалла к рекристаллизации может характеризоваться степенью рассеяния текстуры. Для быстрой оценки этой склонности можно использовать эпиграммы, снятые с кристаллов непосредственно после деформации. Слабо выраженный астеризм и сохранение исходной ориентации кристалла гарантируют устойчивость его при последующем нагреве.
Монокристаллы твердых растворов обладают большей склонностью к рекристаллизации, чем чистые металлы, даже при соблюдении строго идентичных условий деформации и отжига. Рений, снижающий энергию дефектов упаковки молибдена и улучшающий его механические свойства, способствует рекристаллизации полигонизованного монокристалла даже после слабой деформации в плоскости {100} в направлении 110. Следовательно, сохранить исходную ориентацию в монокристалле Mo+Re после деформации значительно труднее, чем в чистом молибдене.
Интересно отметить, что в ранних работах Полани и Шмида, Ли, Вашбурна и Паркера, Хонейкомба, Рема и Кохендорфера и др. отмечается возможность существенной деформации монокристаллов и отсутствие последующей рекристаллизации. Однако в работах Полани и Шмида, Хаазе и Шмида деформация монокристалла цинка шла посредством легкого скольжения. Такая деформация не вызывала астеризма и сколько-нибудь заметного упрочнения. Рем и Кохендорфер также наблюдали возврат монокристаллов алюминия после их деформации в условиях легкого скольжения. Однако Крюссар, изучая монокристаллы алюминия, деформированные растяжением всего на несколько процентов, обнаружил в них при последующем отжиге полигонизацию и рекристаллизацию. Перриман указывал, что 100%-ного разупрочнения при отжиге кристаллов, деформированных сложным скольжением, нельзя достичь без рекристаллизации.
В упомянутых выше работах деформация монокристаллов осуществлялась с участием одной системы плоскостей скольжения. В настоящее время считается общепризнанным (см., например, работу Джоуля, Брикота и Лакомба на алюминии), что в монокристаллах, деформированных в таких условиях, возможно полное восстановление свойств при отжиге даже без полигонизации, тогда как деформация, сопровождающаяся изгибом полос скольжения и астеризмом на лауэграммах, вызывает полигонизацию, а при одновременном действии двух и более систем скольжения возможна рекристаллизация.
В данной теме описаны условия деформации и отжига меди, не сопровождающиеся рекристаллизацией. Эти условия находятся в полном соответствии с существующими представлениями: деформация монокристалла осуществлялась легким изгибом, на поверхности образца фиксировались следы скольжения в одном направлении.
Очевидно, что в тех случаях, когда в процессе деформации кристаллов не создается необходимых условий для прохождения рекристаллизации при последующем отжиге, нет смысла говорить о предотвращении рекристаллизации, так как ее не должно быть. У нас же речь идет о предотвращении рекристаллизации после достаточно сильной деформации, осуществляемой сложным скольжением и сопровождающейся заметным упрочнением. Как указывалось выше, это возможно лишь в металлах с ОЦК-решеткой.