Повороты решетки при ослабленном стеснении

Выше было показано, что поворот кристаллической решетки согласуется по величине и направлению с теорией, исходящей из того, что он обусловлен стеснением пластических сдвигов. При этом на начальной стадии угол поворота (в радианах) зерна с исходно неустойчивой ориентацией примерно равен истинной деформации. Хотя указанная определяющая роль стеснения не вызывает сомнений у специалистов, нам неизвестны прямые экспериментальные доказательства этого факта. А потому представляют интерес результаты исследования, в котором деформация зерен происходила в условиях ослабленного стеснения [120,121].

Исследовали деформируемый растяжением образец алюминия плоской формы, толщиной 1 мм, содержащий в рабочей зоне около 31 зерно (рис 2.8а). Длина рабочей части — 10 см. Соотношение между размерами зерен на поверхности и толщиной образца получается таким, что поверхность межзеренного контакта меньше (для относительно крупных зерен — намного меньше), чем свободная поверхность, что и обуславливает пониженный уровень стеснения.

Для дальнейшего анализа выбрали две группы зерен (нумерация зерен показана на рис. 2.8а):

• а) четыре крупных зерна (1−4) в срединной части образца,
• б) четыре мелких зерна (5−8), расположенные также примерно на оси образца и
• в) аномально крупное зерно (9) на краю образца, граничащее с группой исследованных мелких зерен.

В исходном состоянии были определены ориентировки всех зерен (рис.

2.86).

Во всех зернах, кроме зерна 9, точки для измерения выбирались однотипно (пользуясь не вполне корректным термином «точка», мы говорим об областях диаметром ~0.3 мм): одна — в центре зерна, две — непосредственно на границах этого зерна с соседями, а также промежуточные точки между центром и границей (рис. 2.8в). В сверхкрупном зерне 9: четыре точки на границах, соответственно, с каждым из исследованных мелких зерен и четыре противолежащие им точки во внутреннем объеме. Межзеренные границы, на которых проводились измерения, являются большеугловыми, за исключением границы между зернами 6 и 7 с углом разориентации примерно 3°. Всего исследовано 45 точек, принадлежащих девяти указанным выше зернам. Исследование проводилось для шести состояний образца: исходного и пяти деформированных со степенями деформации 2, 4, 6, 10 и 15%.

Рис. 2.8. Аттестация исходного состояния исследованного образца: а — схематическое изображение микроструктуры образца с нумерацией исследованных зерен; б — исходные ориентации зерен на ССТ; в — типичное расположение точек (областей), в которых проводились измерения.

Рассмотрим сначала повороты решетки зерен, определяемые (см. выше) как изменение ориентации, соответствующей максимуму полюсной плотности МПФ. Размеры прямоугольников на ССТ (рис. 2.9) показывают реальный диапазон, в котором происходит переориентация оси растяжения для зерен 2 и 3, а траектории переориентации представлены рядом в увеличенном масштабе. Видно, что в случае зерна 2 ось растяжения осциллирует около начального положения, и результирующий поворот лишь немного превышает Г. Для зерна 3 после е= 6% определенный тренд в направлении переориентации возникает, однако направление поворота не соответствует закономерному направлению, наблюдаемому или предсказываемому теоретически для ГЦК кристаллов. Аналогичное поведение типично и для других исследованных зерен. Во всех случаях величина поворота после е = 15% значительно меньше ожидаемой для этой степени деформации, а направление поворота не согласуется с ожидаемым направлением. В результате, характер поворотов решетки радикально отличается от тех, которые мы наблюдали в условиях относительно нормального стеснения деформации зерен (рис. 2.6−2.7).

Рис. 2.9. Примеры траекторий переориентации для зерен 2 и 3 на ССТ. Круглые и квадратные символы показывают ориентации, соответствующие основному и дополнительному максимумам МПФ, соответственно. Величины деформации (в процентах) показаны рядом с точками на траекториях.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что отсутствие закономерных поворотов решетки зерен является результатом слабой стесненности деформации зерен. В условиях слабого стеснения совместность деформаций и поворотов зерен, по-видимому, обеспечивается в основном попеременной активацией новых систем скольжения. О такой осциллирующей активности скольжения свидетельствуют осцилляции траектории оси растяжения, рис. 2.9. Кроме того, в этих условиях имеет место частичное освобождение материального поворота зерен, на что указывает наличие кривизны у свободной поверхности зерен; особенно кривизна заметна вблизи межзеренных границ.

Не только абсолютные повороты решетки, но и относительные развороты, регистрируемые в масштабе зерна, оказались в данном случае малыми по сравнению теми, которые были зафиксированы в работе [115]. В качестве примера па рис. 2.10 приведены развороты между центральной и другими точками для зерен 2 и 3. Зерно 2 демонстрирует высокую степень ориентационной однородности в масштабе зерна, характерную для большинства исследованных зерен. Даже при е = 15% разориентация остается на уровне 1°. Наибольший уровень разориентации среди всех зерен был зафиксирован в зерне 3. Однако даже здесь разворот приграничной зоны относительно центра составляет 2° и 3° для противоположных границ при е = 15%.

Рис. 2.10. Разориентация различных областей зерна относительно центральной области для зерен 2 и 3. Нумерация областей соответствует рис. 2.8 В.

Хотя внутризеренные развороты малы, в масштабе зерна возникают градиенты ориентации, что хорошо видно из рис. 2.10 на примере зерна 3. В главе 1 отмечалось, что наличие градиента ориентаций в масштабе зерна согласуется с представленной там теорией фрагментации. Остановимся еще раз на этом вопросе, используя рассматриваемые здесь данные в качестве примера. Возникновение градиента ориентации часто связывают с затрудненностью передачи деформации от мягкого зерна к жесткому [112]. Согласно этим представлениям, в относительно мягком зерне, если оно граничит с более жестким, должны накапливаться геометрически необходимые дислокации, соответствующие его «избыточной» деформации [84]. Эти дислокации формируют субструктуру, вызывающую переориентацию решетки, которая постепенно накапливается по мере удаления от межзеренной границы вглубь зерна. Однако в рассматриваемом случае зерно 3 имеет фактор Шмида 0.48, а его соседи 2 и 4, соответственно, 0.48 и 0.46. Таким образом, ориентации зерен являются практически одинаково мягкими, и соответственно, контакт мягкого и жесткого зерен здесь не имеет места. Другой аргумент против данного механизма связан с характером переориентации. В случае накопления геометрически необходимых дислокаций, ориентация решетки непосредственно у границы должна быть наиболее близка к начальной, а по мере удаления от границы разворот относительно начальной ориентации должен возрастать [112]. В зерне 3 наблюдается, однако, противоположная закономерность: максимально развернуты относительно исходного положения именно приграничные области. Этот факт согласуется с механизмом, рассмотренным в главе 1, согласно которому на начальном этапе совместная деформация зерен обеспечивается за счет аккомодационного скольжения и аккомодационных поворотов решетки в областях, примыкающих к различным фасеткам межзеренных границ. Параметры этих поворотов сложным образом зависят от параметров скольжения в стыкующихся зернах и ориентации конкретного участка границы. Но при любом соотношении этих параметров модель предсказывает в целом более интенсивный поворот решетки в приграничных областях, чем в центре зерна.

Для того, чтобы представить в наглядной форме всю совокупность данных по фрагментации в масштабе зерна, введем характеристику х, имеющую размерность кривизны, которую можно назвать степенью фрагментации:

где Scojj — разориентация между соседними точками i и j, /урасстояние между ними, ап- число пар точек, в которых проведены измерения, для данного зерна. Например, для зерна 3 мы имеем 4 пары точек с разориентациями бсо 12, 6(023, 6(034 и 6(045- Зависимости % от деформации представлены на рис. 2.11. Видно, что для большинства зерен уровень величины х

существенно ниже, чем для зерна 3. Таким образом, приведенные на рис. 2.11 данные подтверждают сделанное выше заключение о низкой степени фрагментации.

Рис. 2.11. Степень ориентационной неоднородности в масштабе зерна как функция е для (а) относительно крупных и (б) мелких зерен.

Заметим далее, что зависимости x (s) располагаются в среднем на одном и том же уровне для крупных и для мелких зерен. В согласии с этим замечанием, средние величины х при максимальной степени деформации оказываются близкими для этих двух групп зерен: = 1.47 град./мм для крупных, =1.53 град./мм для мелких. Поскольку расстояния /у между точками в каждом зерне примерно пропорциональны его диаметру, отсюда следует, что масштаб фрагментации пропорционален линейному размеру зерна, что также согласуется с представлениями, изложенными в главе 1.