Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама
Методами рентгеновской дифрактометрии и оптической металлографии изучена структура монокристалла вольфрама
 (99,99 мас. %), подвергнутого локальному оплавлению (сварке) электронным лучом в вакууме. Получены данные
 о кристаллографической ориентации различных зон сварного соединения п...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2006 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2006
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102766 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Структура сварных соединений моно-
 кристаллов вольфрама / К.А. Ющенко, Б.А. Задерий, С.С. Котенко, Е.П. Полищук, О.П. Карасевская // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 33-41. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860016094271504384 |
|---|---|
| author | Ющенко, К.А. Задерий, Б.А. Котенко, С.С. Полищук, Е.П. Карасевская, О.П. |
| author_facet | Ющенко, К.А. Задерий, Б.А. Котенко, С.С. Полищук, Е.П. Карасевская, О.П. |
| citation_txt | Структура сварных соединений моно-
 кристаллов вольфрама / К.А. Ющенко, Б.А. Задерий, С.С. Котенко, Е.П. Полищук, О.П. Карасевская // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 33-41. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Методами рентгеновской дифрактометрии и оптической металлографии изучена структура монокристалла вольфрама
(99,99 мас. %), подвергнутого локальному оплавлению (сварке) электронным лучом в вакууме. Получены данные
о кристаллографической ориентации различных зон сварного соединения по отношению к основному металлу.
Проведена оценка плотности и распределения дислокаций в этих зонах. Обнаружено наличие зонного неоднородного
многоуровневого распределения дислокаций в сварном соединении. Выявленные изменения параметров дислокационных ансамблей объясняются особенностями протекания термодеформационного процесса при сварке.
Methods of X-ray analysis and optical metallography were used to study the structure of tungsten single crystal (99.99
wt. %), subjected to local melting (welding) by the electron beam in vacuum. Data were obtained on crystallographic
orientation of different zones of the welded joint relative to the base material. Evaluation of the density and distribution
of dislocations in these zones has been conducted. A zonal non-uniform multi-level distribution of dislocations in the
welded joint is found. The found changes of parameters of the dislocation ensembles are attributed to the features of
running of the thermo-deformational process in welding.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:45:07Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.72:66.9.27
СТРУКТУРА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
МОНОКРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМА
Акад. НАН Украины К. А. ЮЩЕНКО, Б. А. ЗАДЕРИЙ, канд. техн. наук, С. С. КОТЕНКО , инж.,
Е. П. ПОЛИЩУК, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины),
О. П. КАРАСЕВСКАЯ, канд. физ.-мат. наук (Ин-т металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины)
Методами рентгеновской дифрактометрии и оптической металлографии изучена структура монокристалла вольфрама
(99,99 мас. %), подвергнутого локальному оплавлению (сварке) электронным лучом в вакууме. Получены данные
о кристаллографической ориентации различных зон сварного соединения по отношению к основному металлу.
Проведена оценка плотности и распределения дислокаций в этих зонах. Обнаружено наличие зонного неоднородного
многоуровневого распределения дислокаций в сварном соединении. Выявленные изменения параметров дисло-
кационных ансамблей объясняются особенностями протекания термодеформационного процесса при сварке.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электронно-лучевая сварка, монок-
ристалл, сварное соединение, рентгенографический метод,
кристаллографическая ориентация, плотность дислокаций,
структурные изменения
Механические свойства, служебные характерис-
тики и качество изделий со сварными соедине-
ниями в основном определяются структурными
и кристаллографическими процессами, происхо-
дящими в металле под воздействием термодефор-
мационного цикла сварки, связанными с измене-
ниями фазового состава многофазных материалов
[1, 2], характера текстуры и размеров зерен по-
ликристаллических объектов [1–3], появлением
зерен случайной ориентировки, нарушающей
кристаллографическое совершенство монокрис-
таллов и их дислокационную структуру [4–6]. Это
в свою очередь влечет за собой образование мик-
ро- и макротрещин в различных зонах сварного
соединения. Как следует из большинства публи-
каций, усилия исследователей направлены на оп-
ределение параметров и условий сварки конкрет-
ного материала, способствующих минимальному
искажению структуры металла сварного шва
(СШ) по сравнению с основным металлом (ОМ),
а следовательно, сохранению уровня физико-ме-
ханических характеристик и служебных свойств
материала. При решении этой задачи не всегда
можно выявить причины и механизм фазовых и
структурных изменений, ведущих к появлению
микродефектов или разрушению сварного соеди-
нения, которые можно наблюдать в различных зо-
нах сварного соединения, а именно, на поверх-
ности сплавления, в шве или зоне термического
влияния (ЗТВ). С целью исключения возмущаю-
щего воздействия фазовых превращений и высо-
коугловых границ зерен на формирование струк-
туры сварных соединений при сварке первый этап
исследований проводили на монокристалличес-
ком однофазном материале — вольфраме, для ко-
торого не характерны полиморфные и фазовые
превращения во всем температурном интервале.
Поскольку при получении сварных изделий из
монокристаллических материалов одной из важ-
нейших задач является максимальное сохранение
исходных характеристик и в первую очередь мо-
нокристалличности сварного изделия в целом,
возникла необходимость в исследовании кристал-
лографических трансформаций в различных зонах
сварного соединения. Выяснение динамических
причин перестройки кристаллографических ха-
рактеристик исходного материала под воздействи-
ем термического цикла сварки позволит не только
понять механизм формирования сварного соеди-
нения с заданной кристаллографической структу-
рой, но и обеспечит стабильность качества и фи-
зико-механических характеристик сварных конс-
трукций.
Использование электронного луча в качестве
источника нагрева и плавления позволило иск-
лючить возможность попадания в металл шва ак-
тивных примесей из окружающей атмосферы и
осуществлять контроль процессов нагрева, плав-
ления и кристаллизации металла.
При исследовании структурных изменений в
качестве основного выбран рентгенографический
метод, отличающийся локальностью, информа-
тивностью и дающий минимальные искажения
структуры при анализе.
Методики исследования. Исследования прово-
дили на плоских образцах размером 1 10 140 мм,
вырезанных из крупногабаритных (диаметром
38 мм, длиной 550 мм) монокристаллов вольфрама
(99,99 мас. %) двойного электронно-лучевого пе-
реплава со стандартным содержанием примесей
© К. А. Ющенко, Б. А. Задерий, С. С. Котенко , Е. П. Полищук, О. П. Карасевская, 2006
8/2006 33
(1⋅10–3…1⋅10–5 C; 1⋅10–3…1⋅10–5 O; (5…8)⋅10–5 H).
Сварное соединение получали способом электрон-
но-лучевой сварки (ЭЛС) в вакууме при остаточ-
ном давлении приблизительно 6,6 МПа, скорость
сварки при подогреве материала до 300…600 °С
составляла 22 мм/с. Способ подготовки кромок
(их кристаллографическая ориентация, угол среза,
наличие наклепанного слоя и пр.) оказывает зна-
чительное влияние на формирование и структур-
ное состояние сварного соединения. С целью ис-
ключения этого фактора ЭЛС выполняли со сквоз-
ным проплавлением. Полученные результаты мо-
гут быть использованы при разработке технологии
поверхностной обработки монокристаллов. Ши-
рина швов составляла 2…3 мм с лицевой и
1,8…2,8 мм с обратной стороны, выбранная ори-
ентация лицевой поверхности, поверхности сплав-
ления и направления сварки — соответственно
[110– ], [110] и [001] (рис. 1, 2).
Изучение структуры различных участков свар-
ных соединений проводили на плоских образцах,
вырезанных электроискровым способом парал-
лельно поверхности условной поверхности сплав-
ления (рис. 1). Наклепанный слой с поверхности
шлифов удаляли электрополировкой. Поверх-
ность образцов для исследований подготавливали
в соответствии с традиционной методикой изго-
товления микрошлифов из вольфрама. Исследу-
емые образцы вырезали из зон материала, рас-
положенных на различном расстоянии как в сто-
рону ОМ, так и СШ от условной поверхности
сплавления, отделяющей оплавленный металл от
неоплавленного. Исследовали следующие участ-
ки: ОМ — влиянием термодеформационного цик-
ла сварки можно пренебречь (образцы вырезаны
на расстояниях 2 и 3 мм от зоны сплавления (ЗС));
ЗТВ — металл, подвергшийся в процессе сварки
температурному воздействию (1,4; 1,2; 1,0; 0,4;
0,1 мм от ЗС); ЗС — расположена на расстоянии
± 0,02; ± 0,08 мм от условной поверхности сплав-
ления; СШ — металл, нагревавшийся выше тем-
пературы плавления с последующей кристалли-
зацией в соответствии с условиями технологичес-
кого процесса ЭЛС (0,02; 0,50; 1,00; 1,25 мм от
поверхности сплавления в направлении литой
зоны).
Рентгеновские исследования структуры образ-
цов проводили тремя методами [7, 8]. Метод пос-
троения полюсных фигур использовали для оп-
ределения кристаллографической ориентации об-
разцов до и после ЭЛС в различных зонах свар-
ного соединения (точность определения центра
рефлекса составляет приблизительно 2°). По слу-
чайным рефлексам, которые не соответствуют ос-
новной ориентации материала, определяли нали-
чие высокоугловых границ. Объем материала
Vω, выделенный этими границами из основного
монокристалла, оценивали по интегральному
значению интенсивности под случайными отра-
жениями.
С помощью метода θ–2θ изучали форму и ши-
рину дебаевских линий, т. е. распределения ин-
тенсивности отражений вдоль дифракционного
вектора Iq||.
Методом рентгеновской дифрактометрии [9–
11] исследовали интенсивность рассеянного рен-
тгеновского излучения в окрестности узлов об-
ратной решетки в азимутальной плоскости, пер-
Рис. 1. Схема вырезки образца сварного соединения для ме-
талло- и рентгенографических исследований (а) и макрошлиф
его поперечного сечения (б)
Рис. 2. Полюсные фигуры {110} в различных зонах сварного
соединения: а — ОМ; б — ЗТВ; в — ЗС; г — СШ; 1 — направ-
ление сварки; 2 — поверхность сплавления
34 8/2006
пендикулярной дифракционному вектору Iq⊥.
Этот метод дает возможность определить Iq⊥ в
любом направлении в азимутальной плоскости и
аналогичен методу кривых качания или ω-скани-
рования при выделении распределения Iq⊥ в одном
из азимутальных направлений.
В рентгеновских исследованиях использовали
CuKα-излучение с графитовым монохроматором.
Площадь облучаемой области в зависимости от
характера эксперимента изменяли от 0,1 до
2,0 мм2. В экспериментах использовали дифрак-
тометр «ДРОН-3М» с текстурной приставкой, что
обеспечивало четырехкружную экваториальную
геометрию эксперимента с движением образца
вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и
детектора вокруг оси 2θ. Ходом эксперимента уп-
равляли с помощью ПК. Съемку осуществляли в
пошаговом режиме; ПК накапливал данные о зна-
чении интенсивности рассеянного излучения при
заданных положениях образца (точках обратного
пространства). По разработанным программам
строили полюсные фигуры распределения Iq|| и
Iq⊥. Во всех образцах исследовали одинаковые
рентгеновские отражения (110), (020), (200), (211),
(211–), (121), (121–), для каждого из которых вы-
полняли анализ формы и ширины (δq⊥, δq||) экс-
периментальных рентгеновских отражений. Кро-
ме того, для каждого образца определяли усред-
ненные по всем рефлексам значения ширины рен-
тгеновских отражений в направлениях максималь-
ного δq⊥max и минимального δq⊥min уширения.
Далее приведены экспериментальные (суммарное
физическое и инструментальное) значения уши-
рения рефлексов. Металлографические исследо-
вания проводили на микроскопе «OLYMPUS IX70».
Результаты исследований. На рис. 3, а видно,
что на лицевой поверхности сварного соединения
вдоль направления сварки имеются полосы него-
могенной дислокационной структуры; такая же
неоднородная зонная структура выявлена и на по-
верхности, перпендикулярной направлению свар-
ки (см. рис. 1, б). Чередующиеся светлые и темные
полосы фрагментированной структуры содержат
более мелкие и крупные субзерна. Зоны дисло-
кационной структуры отличаются между собой
разной травимостью, размерами и четкостью гра-
ниц фрагментов и субзерен. Наиболее крупные
фрагменты и субзерна наблюдаются в центре СШ
на стыке фронтов кристаллизации. Переход от зо-
ны материала, не подвергающегося плавлению, к
СШ (рис. 3) осуществляется в пределах области
шириной менее 0,1 мм, которую более правильно
считать зоной, а не поверхностью сплавления.
Как видно из рис. 2, для всех зон на полюсных
фигурах наблюдаются крупные основные и мел-
кие случайные рефлексы. Положения крупных ос-
новных отражений {110} подобны имеющим
место в ОМ, ЗТВ, ЗС и СШ. Кристаллографи-
ческая ориентация образцов, вырезанных из этих
зон, соответствует ориентации лицевой поверх-
ности (110), поверхности сплавления (110) и нап-
равлению сварки [001]. Таким образом, выбран-
ный на основании ранее проведенных исследо-
ваний [6] технологический режим сварки позво-
ляет получать монокристаллическое сварное со-
единение. Случайные мелкие и малоинтенсивные
рефлексы, не совпадающие с положениями основ-
ных рефлексов, обусловлены частично неполным
совершенством исследуемого монокристалла.
Объем несовершенств в материале, влияющих на
появление случайных отражений, составляет
приблизительно 0,01 % общего объема монокрис-
талла ОМ. В области ЗТВ и на поверхности сплав-
ления (см. рис. 2, б, в) объем материала, вызы-
вающий такие отражения, составляет приблизи-
тельно 0,01 %, что соответствует данным, полу-
Рис. 3. Макроструктура лицевой поверхности сварного соеди-
нения: а — 20; б — 50
Рис. 4. Дифракционные профили Iq|| отражений (110) в ОМ
(1), ЗТВ (2), ЗС (3) и СШ (4)
8/2006 35
ченным для ОМ. В середине СШ (рис. 2, г) наб-
людается увеличение объема несовершенных
участков монокристалла (0,03…0,05 % общего
объема материала), что может быть связано с нас-
ледованием металлом шва структуры участков со
случайной ориентацией материала, расположен-
ных в зоне сплавления.
Дифракционные профили Iq|| отражений (110)
представлены на рис. 4. Для ОМ, ЗТВ и ЗС форма
распределения Iq|| (рис. 4, кривые 1–3) близка к
гауссовой кривой. Усредненная полуширина от-
ражений Iq|| в ЗТВ несколько возрастает (примерно
в 1,1 раза) по сравнению с ОМ и более сущес-
твенно (примерно в 2,5…3,0 раза) приближается
к аналогичному показателю ЗС. Форма рефлексов,
полученных в центре СШ (рис. 4, кривая 4), из-
меняется: имеет повышение интенсивности на
«хвостах» дифракционного профиля, распределе-
ние Iq|| приближается к лоренцову. Полуширина
распределений Iq|| в СШ (0,5 мм от ЗС) и в ЗС
практически одинакова (отличие составляет менее
6 %).
Характеристики распределения Iq⊥ рассмотре-
ны на примере отражений (110) и (200). Изоин-
тенсивные (отражение (110)) и пространственные
(отражение (200)) распределения Iq⊥ для этих реф-
лексов в различных зонах сварного соединения
представлены на рис. 5. Значения ширины реф-
лексов в азимутальной плоскости для направления
их максимального размытия во всех зонах свар-
ного соединения приведены в таблице. На рис. 6
кривые 3, 4 построены на основании данных об
изменении усредненной по всем рефлексам ши-
рины отражения в направлении максимального
δq⊥max и минимального δq⊥min азимутального раз-
мытия.
В ОМ (рис. 5, а, б) для всех исследованных
отражений изоинтенсивные кривые Iq⊥ в азиму-
тальной плоскости близки к эллиптическим. Для
каждого отражения имеют место направления
максимального и минимального уширения. Крис-
таллографический анализ направления уширения
всех рефлексов показал, что разориентация эле-
ментов субструктуры в монокристалле происхо-
дит преимущественно вокруг направления, близ-
кого к [111– ] ([111– –]). Распределения Iq⊥max и Iq⊥min
для отражения (110), аналогичные кривым кача-
ния в двух различных азимутальных направлениях
Рис. 5. Распределения интенсивности Iq⊥ отражений (110) (а,
в, д, ж, и) и (200) (б, г, е, з, к) в ОМ (а, б), ЗТВ с повышенной
(в, г) и пониженной (д, е) плотностью дислокаций ρ, ЗС (ж, з),
СШ (и, к)
Рис. 6. Изменение экспериментальных (Vω, δq⊥min, δq⊥max) и
расчетных (ρ, ϕ) характеристик дислокационного ансамбля
различных зон сварного соединения: 1 — объем металла Vω
произвольных ориентаций; 2 — средний угол ϕ разориен-
тации фрагментов; 3, 4 — усредненное значение размытия в
направлении соответственно минимального δq⊥min и макси-
мального уширения δq⊥max; 5 — плотность дислокаций ρ; l —
расстояние от поверхности сплавления
36 8/2006
и типичные для ОМ, показаны на рис. 7, а. Форма
распределения Iq⊥max и Iq⊥min для всех рефлексов
близка к гауссовой кривой. При этом в направ-
лении минимального уширения форма распреде-
ления Iq⊥min (рис. 5, б и рис. 7, кривые 2) плавная,
а в направлении максимального уширения (рис. 5,
а и рис. 7, кривая 1) на профиле распределения
Iq⊥max иногда наблюдаются незначительные пики
интенсивности с понижением ее значений на
4…12 % от максимального. Количество пиков ин-
тенсивности колеблется в различных отражениях
и образцах от 3 до 6, а разориентация между ними
составляет 0,05…0,12°.
Как видно из рис. 5, в–е, изоинтенсивные кри-
вые Iq⊥ в ЗТВ остаются близкими к эллиптичес-
ким, как и в ОМ. Сохраняется анизотропия по-
луширины распределений Iq⊥ в различных нап-
равлениях азимутальной плоскости и направле-
ние, вокруг которого происходит максимальный
разворот рентгеновских отражений. Из таблицы
и рис. 6 видно, что полуширина рефлексов в ЗТВ
зависит от расстояния до ОМ. По этому параметру
всю ЗТВ можно условно разделить на три участка.
На первом участке ЗТВ, который следует за зоной
ОМ по направлению к ЗС, повышается полуши-
рина распределений Iq⊥max (рост усредненных зна-
чений составляет — приблизительно 2°) и менее
интенсивно возрастает δq⊥min (рост усредненных
значений — приблизительно 1,2°). На втором
участке, где область исследования перемещается
ближе к ЗС, наблюдается понижение этих харак-
теристик распределения интенсивности до значе-
ний, соответствующих ОМ, а для некоторых реф-
лексов и ниже. Понижение δq⊥ до значений мень-
ших, чем в ОМ, вероятно, возможно из-за неод-
нородности исследуемой структуры. Вблизи ЗС,
на третьем участке ЗТВ, полуширина отражений
Iq⊥max и Iq⊥min снова возрастает и наиболее
интенсивно для Iq⊥max. Изменения значений по-
луширины отражений в азимутальной плоскости
сопровождаются преобразованиями формы расп-
ределений Iq⊥ (см. рис. 5). Для первого участка
ЗТВ с повышенной шириной отражений сохра-
няется гауссова форма распределения Iq⊥min и уси-
ливаются колебания интенсивности в направ-
лении максимального уширения рефлексов. Для
отражения (200) угловой интервал содержит пики
интенсивности, составляющие около 1° (см.
Рис. 7. Распределение интенсивности Iq⊥max (1) и Iq⊥min (2) отражения (200) в ОМ (а) и ЗС (б) (сплошная линия — гауссова
кривая)
Индексы плоскостей
δq⊥max (град) в различных зонах сварного соединения
ОМ
ЗТВ на расстоянии от
зоны сплавления, мм ЗС
СШ на расстоянии от
зоны сплавления, мм
1,2 1,0 0,4 0,10 0,50 1,00 1,25
(110) 2,20 3,75 2,35 3,51 5,05 5,00 8,00 7,90 5,70
(020) 2,81 4,00 3,10 3,40 6,94 5,95 5,84 6,05 5,29
(200) 3,32 3,97 2,25 3,72 6,45 5,57 5,40 5,55 5,25
(211) 2,30 3,53 2,24 3,34 6,36 5,38 8,15 6,45 6,56
(211
–
) 2,25 3,10 2,31 3,30 4,67 4,24 6,76 4,88 5,54
(121) 2,21 3,56 2,25 3,41 5,86 5,16 5,36 5,37 5,20
(121
–
) 2,25 3,14 2,42 4,02 4,71 4,67 5,70 5,41 4,93
8/2006 37
рис. 5, г). Падение интенсивности между пиками
составляет 3…19 % максимальной интенсивности,
углы разориентации — 0,05…0,24°, количество
пиков в направлении максимального размытия
возрастает по сравнению с ОМ в 3…5 раз. Сох-
раняется различие между шириной рефлексов в
направлениях максимального и минимального
размытия. Для второй области ЗТВ с пониженной
полушириной отражений распределения Iq⊥ при-
обретают вновь плавную форму во всех азиму-
тальных направлениях (см. рис. 5, е). Падение ин-
тенсивности между редко наблюдаемыми пиками
составляет 2…10 %, их количество уменьшается
по сравнению с первой областью ЗТВ и колеб-
лется от 2 до 5 в различных отражениях. Сох-
раняется разница в ширине рефлексов в направ-
лениях максимального и минимального уширения
Iq⊥. В третьей области ЗТВ, непосредственно при-
легающей к ЗС, усиливаются колебания интен-
сивности в распределениях Iq⊥ всех рефлексов.
В ЗС полуширина распределений Iq⊥ (см.
рис. 5, ж, з и рис. 6, кривые 3, 4) значительно
возрастает во всех азимутальных направления, что
ведет к сокращению разницы между ее значени-
ями в направлении минимального и максималь-
ного уширения. Распределения Iq⊥max и Iq⊥min от-
ражения (110) в двух различных азимутальных
направлениях показаны на рис. 7, б. В ЗС харак-
терным признаком формы отражений Iq⊥ являются
хорошо выраженные колебания интенсивности. В
распределениях Iq⊥ наблюдается сравнительно не-
большое количество (4…12) крупных максимумов
интенсивности с падением значений между пи-
ками на 10…80 % его максимального значения.
Крупные пики интенсивности довольно «глад-
кие», колебания интенсивности в них незначи-
тельны (4…10 %). Изоинтенсивные линии для
крупных пиков принимают вид, близкий к окруж-
ностям, что существенно отличает их от анало-
гичных характеристик зон ОМ и ЗТВ.
Особенностью зоны металла СШ является рост
полуширины отражений Iq⊥ (см. рис. 5, и, к и
рис. 6, кривые 3, 4) в направлении минимального
уширения, в то время, как по изменению полу-
ширины отражений в направлении максимального
уширения СШ можно разделить на три участка.
В первом участке СШ, следующем за ЗС, наб-
людается понижение максимальной полуширины
отражения, во втором — ее рост, а в третьем,
соответствующем центральной части шва, опять
происходит понижение полуширины Iq⊥max. Фор-
ма отражения в СШ характеризуется существен-
ными колебаниями интенсивности. Падение ин-
тенсивности между крупными пиками составляет
50…80 % ее максимального значения, угол разо-
риентации — 0,2…1,4о. В свою очередь крупные
пики распределения Iq⊥ разбиты на более мелкие
(колебание интенсивности 5…15 %) с углами ра-
зориентации 0,10…0,25о.
Обсуждение результатов. Расположение ос-
новных рентгеновских рефлексов на полюсных
фигурах различных участков сварного соединения
свидетельствует о том, что при указанном выше
технологическом режиме ЭЛС формируется мо-
нокристаллическое сварное соединение. Объем
металла, в котором происходит нарушение мо-
нокристаллической структуры, не превышает
0,05 % общего объема исследуемого участка свар-
ного соединения. Как видно из рентгеновских и
металлографических исследований, дислокацион-
ная структура сварного соединения отличается по-
лосовым зонным характером. Результаты рентге-
новских исследований (изменение профиля и ши-
рины рентгеновских рефлексов Iq|| и Iq⊥) могут
быть интерпретированы с позиций теории рассе-
яния рентгеновских лучей кристаллами, содержа-
щими дислокации. Из работы [10] следует, что
вид распределений Iq⊥ и Iq|| определяется пара-
метрами дислокационных ансамблей. Причем
гауссово распределение интенсивности рентге-
новского отражения вдоль дифракционного век-
тора и в азимутальной плоскости имеет место в
том случае, когда ансамбли дислокации не соз-
дают дальнодействующих полей напряжений.
Ширина отражений определяется выражениями:
δq⊥ ~ ϕ1(b, t, q)√ρ и δq|| ~ ψ1√ρ tg θ,
где θ — брэгговский угол; ϕ и ψ — ориента-
ционные факторы, отражающие взаимные поло-
жения дислокаций с направлением вектора Бюр-
герса b, линией дислокации t, дифракционного
вектора G (q = G/|G|).
Ориентационный фактор ϕ задает ширину реф-
лексов в азимутальной плоскости и определяет
возможную их анизотропию. Например, для крис-
таллов, содержащих винтовые дислокации, изо-
интенсивные кривые в азимутальной плоскости
представляют собой окружности, а для кристал-
лов, содержащих краевые дислокации — эллипсы;
при этом ϕ определяет ширину этих распределе-
ний. Структуры с гауссовыми распределениями
Iq⊥ и Iq|| характеризуются равной вероятностью
дислокаций с противоположными (+b и –b) век-
торами Бюргерса и их хаотическим распределе-
нием или группированием в стенки по типу яче-
истых.
Дислокационные структуры с дальнодейству-
ющими полями напряжений приводят к лорен-
цовой форме кривых Iq|| и гауссовой Iq⊥ (δq⊥ ~
∼ ϕ2(b, t, q)ϖ/D, δq|| ~ ψ2D sec θ, где ϖ — угол
разориентации дислокационной стенки; D — сред-
нее расстояние между стенками). Примером таких
дислокационных ансамблей являются структуры
с полигональными стенками. Постоянное значе-
38 8/2006
ние распределения интенсивности Iq⊥ наблюда-
ется, когда в кристалле есть избыток дислокаций
одного знака (ρ+) (т. е. количество дислокаций
с вектором Бюргерса +b и –b не равно):
δq⊥ ~ ϕ3(b, t, q)ρ+, δq|| ~ ϕ3√ρ tg θ.
Многопиковые или асимметричные кривые Iq⊥
возникают в случае, когда дислокационный ан-
самбль представляет собой существенно неодно-
родную, разориентированную, многоуровневую
структуру, например, состоит из крупных фраг-
ментов, разделенных между собой границами, ко-
торые содержат более мелкие блоки и (или) дис-
локации, а размеры фрагментов соизмеримы с
площадью облучаемой области (например, клас-
сическая модель [12–14]). В таких многоуровне-
вых дислокационных структурах не выполняется
усреднение по всем параметрам статистического
дислокационного ансамбля, требуемое в работе
[15], что и вызывает пики (асимметрию) интен-
сивности в распределениях Iq⊥ (а иногда Iq||). Фор-
ма распределения Iq⊥ существенно зависит от со-
отношения размеров и углов разориентации круп-
ных фрагментов и блоков. В этом случае для оцен-
ки параметров структуры дислокационного ансам-
бля используют численные методы [16–20].
С учетом изложенных выше теоретических
предпосылок, а также наличия в ОМ гауссового
распределения Iq||, Iq⊥ с незначительными пиками
интенсивности в одном из азимутальных направ-
лений и результатов оптической металлографии
можно заключить, что дислокационная структура
исходного монокристалла преимущественно сос-
тоит из хаотически расположенных краевых дис-
локаций с направлениями векторов Бюргерса
[11– 1– ([111– ]). Усредненная полуширина распреде-
ления (около 2,5°) в условиях эксперимента со-
ответствует плотности дислокаций приблизитель-
но 1⋅107 см–2, а незначительные пики интенсив-
ности — субграницам со средним углом разори-
ентации приблизительно 0,1°. В структуре ОМ
встречаются единичные высокоугловые границы.
Таким образом, ОМ соответствует характерному
строению крупногабаритных металлических мо-
нокристаллов, полученных двойным электронно-
лучевым переплавом.
В ЗТВ на расстоянии 1,1…1,6 мм от ЗС наб-
людается первый максимум значений δIq|| и δIq⊥.
Гауссова форма распределений Iq|| и Iq⊥min, уве-
личение количества числа пиков и незначитель-
ные колебания интенсивности Iq⊥max вместе с мик-
роструктурными исследованиями позволяют счи-
тать, что в этой области ЗТВ формируются дис-
локационные границы ячеистого типа без даль-
нодействующих полей напряжений, разориенти-
ровка которых создается за счет сплетения дис-
локаций разного знака. По сравнению с ОМ ус-
редненная полуширина отражений увеличивается
на 1,1°, а плотность дислокаций — в 4…5 раз,
средний угол разориентации субграниц составляет
приблизительно 0,151о. На расстоянии 0,4…0,9 мм
от ЗС, а именно, ближе к СШ, плотность дисло-
каций понижается до исходного значения, а ха-
рактер распределения их в структуре монокрис-
талла близок к хаотическому. Понижение плот-
ности дислокаций в ЗТВ и последующее ее по-
вышение как в области, расположенной дальше,
так и ближе к ЗС, связано с особенностями нап-
ряженно-деформированного состояния ЗТВ. На
рис. 8 приведена расчетная оценка изменения тем-
пературы и распределения сварочных напряжений
по разным зонам сварного соединения*. ЗС делит
сварное соединение на сравнительно низкотемпе-
ратурную (ЗТВ) и высокотемпературную (СШ) об-
ласти формирования структуры. В низкотемпера-
турной области преобладают сжимающие напря-
жения, а в высокотемпературной — растягиваю-
Рис. 8. Расчетная оценка изменения температуры Т (а) и расп-
ределения напряжений σxx (б) в поперечном сечении сварного
соединения монокристалла вольфрама толщиной 1 мм после
прохождения источника плавления в течение 1 (1), 3 (2) и 15 с
(3)
* Расчеты выполнены канд. физ.-мат. наук Е. А. Великоива-
ненко (ИЭС им. Е. О. Патона).
8/2006 39
щие. Соотношение между значениями этих нап-
ряжений и размерами указанных областей зависит
от режимов сварки. В ЗТВ существует область
с напряжениями, имеющими значения, близкие к
нулю, здесь сжимающие напряжения переходят
в растягивающие. Быстрый нагрев узкой зоны в
месте сварки до температуры плавления Tпл с пос-
ледующим выравниванием последней приблизи-
тельно до 0,4Tпл по всему сечению соединения
обеспечивает релаксацию напряжений в переход-
ной области и формирование дислокационного ан-
самбля с параметрами, близкими к ОМ.
Следующий максимум δq|| и δq⊥ наблюдается
в ЗС. Рост значений δq|| и δq⊥ сопровождается
уменьшением анизотропии ширины распределе-
ний Iq⊥. В соответствии с влиянием ориентацион-
ного фактора на характер изоинтенсивных линий
в азимутальной плоскости уменьшение анизот-
ропии уширения рефлексов при увеличении их
полуширины связано с ростом плотности дисло-
каций ряда систем скольжения с векторами Бюр-
герса ([111], [111–]). Иными словами, изменение
формы изоинтенсивных линий Iq⊥ происходит за
счет изменения напряженного состояния ЗС по
сравнению с ЗТВ, что вызывает рост значений
фактора Шмида [21] в большем количестве систем
скольжения, чем в ЗТВ. Увеличение плотности
дислокаций ряда систем скольжения без преоб-
ладания какой-либо из них, указывает на симмет-
рию напряженного состояния. Многопиковые рас-
пределения Iq⊥ и микроскопические исследования
показали формирование субзеренной структуры
со средними углами разориентации около 0,3°, ус-
редненное значение δq⊥max возросло по сравнению
с ОМ приблизительно на 3,3°, а суммарная плот-
ность дислокаций в ЗС по сравнению с ОМ —
приблизительно в 50 раз (5⋅108 см–2).
В СШ неоднородный полосовой характер дис-
локационной структуры сохраняется. Неоднород-
ность его структуры, как и в других зонах свар-
ного соединения, наблюдается в направлении,
перпендикулярном ЗС. Режимы ЭЛС, определя-
ющие характер напряженно-деформированного
состояния и время пребывания в области высоких
температур разных участков СШ и являются фак-
торами, от которых зависит полосовой характер
дислокационной структуры. За пределами ЗС δq⊥
сначала уменьшается (усредненное значение око-
ло 1°), затем возрастает примерно на 1,3° и вновь
уменьшается в центре СШ приблизительно на 2,3°
по сравнению с ЗС. В СШ анизотропия уширения
в различных азимутальных направлениях еще
меньше, чем в ЗС, а в центре СШ усредненные
значения уширений в различных азимутальных
направлениях равны, что означает близость зна-
чений продольных и поперечных напряжений.
Форма распределения Iq⊥ соответствует структуре
с четкими субграницами, средний угол разори-
ентации между крупными фрагментами субструк-
туры составляет около 0,50о, а между субзернами
— около 0,15°. Форма распределения Iq|| имеет
вид лоренцовой кривой, что также отражает из-
менение характера дислокационного ансамбля по
сравнению с ЗТВ и ЗС. Значительная фрагмен-
тация рентгеновских рефлексов в азимутальной
плоскости и результаты микроскопических иссле-
дований позволяют классифицировать дислока-
ционную структуру в центре СШ как хорошо по-
лигонизованную. В ней преобладают субграницы
с дальнодействующими полями напряжений типа
полигональных стенок. В этой части шва релак-
сационные процессы доминируют, а плотность
дислокаций снижается.
Вероятно, выявленные особенности субструк-
туры сварного соединения обусловливают волно-
образный характер распределения примесей внед-
рения, исследованный авторами ранее [19].
В заключение следует отметить, что распре-
деления интенсивности рентгеновских рефлексов
Iq⊥, Iq||, которые зависят от плотности дислокаций,
характера их расположения и других параметров
дислокационного ансамбля, позволяют оценить
релаксационные процессы, происходящие в раз-
личных зонах сварного соединения, и прогнози-
ровать качество зон сварных соединений моно-
кристаллов.
Выводы
1. С помощью рентгеновских и металлографичес-
ких методов изучено совершенство структуры раз-
личных зон сварного соединения монокристаллов
вольфрама. Показано, что при использовании ЭЛС
возможно получение сварных соединений c сох-
ранением монокристаллической структуры основ-
ного металла.
2. Сварное монокристаллическое соединение
характеризуется полосовой неоднородной дисло-
кационной структурой, в которой плотность дис-
локаций неравномерно изменяется от ОМ к центру
СШ, что связано с неоднородностью сварочных
термодеформационных полей. В ЗТВ, ЗС и СШ
наблюдаются участки с более высокой плот-
ностью дислокаций, чем на близлежащих участках
сварного соединения. Значения плотности дисло-
каций в этих участках определяются режимом
ЭЛС.
3. Монокристаллическая структура сварного
соединения характеризуется изотропным ушире-
нием рентгеновских рефлексов в азимутальной
плоскости, что свидетельствует о наличии объем-
но-напряженного состояния. При этом формиру-
ется многоуровневая дислокационная структура,
основным признаком которой является образо-
вание полигональных границ.
40 8/2006
1. Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процес-
сов. — М.: Высш. шк., 1977. — 392 с.
2. Структура, текстура и механические свойства деформи-
рованных сплавов молибдена / В. И. Трефилов, Ю. В.
Мильман, Р. К. Иваненко и др. / Под ред. В. И. Трефило-
ва. — Киев: Наук. думка, 1983. — 232 с.
3. Связь кристаллографических текстур основного металла
и сварочного шва на низколегированных сплавах молиб-
дена / М. М. Нероденко, Е. П. Полищук, Ю. В. Мильман
и др. // Автомат. сварка. — 1978. — № 12. — С. 12–16.
4. Особенности кристаллизации и разрушения сварных со-
единений тонколистовых молибденовых и ниобиевых
сплавов / М. М. Нероденко, Е. П. Полищук, М. Д. Робни-
на и др. // Там же. — 1979. — № 11. — С. 14–18.
5. Stray grain formation in single crystal Ni-base superalloy
welds / J.-W. Park, S. S. Babu, J. M. Vitek et al. // J. Appl.
Phys. — 2003. — 94, № 6. — P. 4203–4209.
6. Особенности кристаллического строения сварных сое-
динений монокристаллов / Б. А. Задерий, С. С. Котенко,
Е. П. Полищук и др. // Автомат. сварка. — 2003. — № 5.
— С. 14–21.
7. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентге-
нографический и электронномикроскопический анализ.
— М.: Металлургия, 1970. — 92 с.
8. Хейкер Д. М., Зевин Л. С. Рентгеновская дифрактомет-
рия. — М.: Физматгиз, 1963. — 380 с.
9. Карасевская О. П. Ориентационный рентгеновский экс-
периментальный метод фазового анализа поликристал-
лов // Металлофизика и новейшие технологии. — 1999.
— 21, № 8. — С. 34–39.
10. Методические особенности рентгеновского определения
параметров дислокационной структуры монокристаллов /
О. П. Карасевская, В. В. Петьков, С. В. Ульшин, Е. И. Бер-
судский // Завод. лаб. — 1995. — 61, № 3. — С. 18–21.
11. Fewster P. F. Insight into polycrystalline materials with ul-
trahigh resolution and reсiprocal space mapping. Commissi-
on on power diffraction // Microstructure of Materials. —
2000. — № 23. — P. 17–19.
12. Wilkens M., Herz K., Mughrabi H. An X-ray diffraction
study of cyclically and of unidirectionally deformed copper
singls // Z. Metallkd. — 1980. — 71, № 6. — S. 376–384.
13. X-ray line-broadening study of the dislocation cell structure
in deformed [001]-oriented copper single crystals / T. Ungar,
H. Mughrabi, D. Ronnpagel, M. Wilkens // Asta Met. —
1984. — № 32. — P. 333–342.
14. Krivoglaz M. A. X-ray and neutron diffraction in nonideal
сrystals. — Berlin: Springer-Verl., 1996. — 402 p.
15. Карасевская О. П. Многоуровневые структуры // Метал-
лофизика и новейшие технологии. — 2000. — 22, № 11.
— С. 44–53.
16. Breuer D., Klimanek P., Pantleon W. J. X-ray determination
of dislocation density and arrangement in plastically defor-
med copper // J. Appl. Crystallogr. — 2000. — № 33. —
P. 1284–1294.
17. White microbeam diffraction from distorted crystals / R. Ba-
rabash, G. E. Ice, B. C. Larson et al. // J. Appl. Phys. —
2001. — 79, № 6. — P. 749–751.
18. Deformation in the heat affected zone during spot welding of
a nickel-based single crystal / O. M. Barabash, S. S. Babu,
S. A. David et al. // Ibid. — 2003. — 94, № 1. — P. 738–
742.
19. Задерий Б. А., Смиян О. Д., Котенко С. С. Распределение
примесей внедрения и совершенство структуры в свар-
ных соединениях монокристаллов // Автомат. сварка. —
1995. — № 4. — С. 31–36.
20. Deformation behavior of beta-titanium alloys / O. P. Kara-
sevskaya, O. M. Ivasishin, S. L. Semiatin, Yu. V. Matviyc-
huk // Mater. Sci. and Eng. — 2003. — № A354. — P. 121–
132.
21. Шмид Е., Боас В. Пластичность кристаллов, в особен-
ности металлических. — М.:, Л.: ГОНТИ ККТП СССР,
1938. — 316 с.
Methods of X-ray analysis and optical metallography were used to study the structure of tungsten single crystal (99.99
wt. %), subjected to local melting (welding) by the electron beam in vacuum. Data were obtained on crystallographic
orientation of different zones of the welded joint relative to the base material. Evaluation of the density and distribution
of dislocations in these zones has been conducted. A zonal non-uniform multi-level distribution of dislocations in the
welded joint is found. The found changes of parameters of the dislocation ensembles are attributed to the features of
running of the thermo-deformational process in welding.
Поступила в редакцию 01.03.2005
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОБЛЕГЧЕННЫХ СВАРНЫХ БАЛЛОНОВ
Технология разработана в ИЭС им. Е. О. Патона и направлена на решение двух приоритет-
ных задач: снижение удельной массы и повышение эксплуатационной надежности. Новизна
заключается в слоистом устройстве стенки баллонов и рациональном сочетании металлов
с разными физико-механическими свойствами.
Новый подход к технологии изготовления баллонов позволяет применять металлы с вы-
сокой удельной прочностью и, следовательно, уменьшить массу изделий на 30...50 %;
повысить эксплуатационную надежность путем сведения к минимуму несовершенства кон-
струкции; сделать технологию простой и доступной для осуществления в заводских условиях.
Зарубежные аналоги отсутствуют.
Контакты: 03680, Украина, Киев-150, ул. Боженко, 11, отд. № 12
Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины
Тел.: (38044) 529 06 90, 261 50 58
E-mail: yupeter@ukr.net
8/2006 41
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102766 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:45:07Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ющенко, К.А. Задерий, Б.А. Котенко, С.С. Полищук, Е.П. Карасевская, О.П. 2016-06-12T14:18:01Z 2016-06-12T14:18:01Z 2006 Структура сварных соединений моно-
 кристаллов вольфрама / К.А. Ющенко, Б.А. Задерий, С.С. Котенко, Е.П. Полищук, О.П. Карасевская // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 33-41. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102766 621.791.72:66.9.27 Методами рентгеновской дифрактометрии и оптической металлографии изучена структура монокристалла вольфрама
 (99,99 мас. %), подвергнутого локальному оплавлению (сварке) электронным лучом в вакууме. Получены данные
 о кристаллографической ориентации различных зон сварного соединения по отношению к основному металлу.
 Проведена оценка плотности и распределения дислокаций в этих зонах. Обнаружено наличие зонного неоднородного
 многоуровневого распределения дислокаций в сварном соединении. Выявленные изменения параметров дислокационных ансамблей объясняются особенностями протекания термодеформационного процесса при сварке. Methods of X-ray analysis and optical metallography were used to study the structure of tungsten single crystal (99.99
 wt. %), subjected to local melting (welding) by the electron beam in vacuum. Data were obtained on crystallographic
 orientation of different zones of the welded joint relative to the base material. Evaluation of the density and distribution
 of dislocations in these zones has been conducted. A zonal non-uniform multi-level distribution of dislocations in the
 welded joint is found. The found changes of parameters of the dislocation ensembles are attributed to the features of
 running of the thermo-deformational process in welding. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама Structure of welded joints of tungsten single crystals Article published earlier |
| spellingShingle | Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама Ющенко, К.А. Задерий, Б.А. Котенко, С.С. Полищук, Е.П. Карасевская, О.П. Научно-технический раздел |
| title | Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама |
| title_alt | Structure of welded joints of tungsten single crystals |
| title_full | Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама |
| title_fullStr | Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама |
| title_full_unstemmed | Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама |
| title_short | Структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама |
| title_sort | структура сварных соединений моно- кристаллов вольфрама |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102766 |
| work_keys_str_mv | AT ûŝenkoka strukturasvarnyhsoedineniimonokristallovvolʹframa AT zaderiiba strukturasvarnyhsoedineniimonokristallovvolʹframa AT kotenkoss strukturasvarnyhsoedineniimonokristallovvolʹframa AT poliŝukep strukturasvarnyhsoedineniimonokristallovvolʹframa AT karasevskaâop strukturasvarnyhsoedineniimonokristallovvolʹframa AT ûŝenkoka structureofweldedjointsoftungstensinglecrystals AT zaderiiba structureofweldedjointsoftungstensinglecrystals AT kotenkoss structureofweldedjointsoftungstensinglecrystals AT poliŝukep structureofweldedjointsoftungstensinglecrystals AT karasevskaâop structureofweldedjointsoftungstensinglecrystals |