О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti
Методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии исследована эволюция структуры на промежуточной стадии волочения при переходе ø1,3 → ø1,2 мм сверхпроводящего кабеля на основе сплава ниобий—титан (Nb 47% Ti), который используется в токонесущих элементах магнитной системы Международног...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Металлофизика и новейшие технологии |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104100 |
| 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: | О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti / Г.В. Шляхова, С.А. Баранникова, Л.Б. Зуев // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 453-465. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104100 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шляхова, Г.В. Баранникова, С.А. Зуев, Л.Б. 2016-07-01T15:38:29Z 2016-07-01T15:38:29Z 2013 О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti / Г.В. Шляхова, С.А. Баранникова, Л.Б. Зуев // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 453-465. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 1024-1809 PACS numbers:61.72.Ff, 62.20.fq,74.70.Ad,81.40.Lm,81.40.Vw,84.71.-b, 84.71.Fk https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104100 Методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии исследована эволюция структуры на промежуточной стадии волочения при переходе ø1,3 → ø1,2 мм сверхпроводящего кабеля на основе сплава ниобий—титан (Nb 47% Ti), который используется в токонесущих элементах магнитной системы Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Исследованы микроструктура и фазовый состав сверхпроводящего сплава Nb—Ti после холодного волочения и промежуточного отжига. Выявлены зоны локализации пластической деформации в местах обрывов сверхпроводящих жил. Обнаружено изменение формы и химического состава волокон Nb—Ti в бездефектной области и в зоне разрыва кабеля. Выявлен диффузионный Nb барьер вокруг волокон Nb—Ti, размещённых в медной матрице. Методами атомно-силової, електронної та оптичної мікроскопії досліджено еволюцію структури на проміжній стадії волочіння при переході ø1,3 → ø1,2 мм надпровідного кабелю на основі сплаву ніобій—титан (Nb 47% Ti), що використовується в струмонесних елементах магнітної системи Міжнародного термоядерного експериментального реактора (ІТЕР). Досліджено мікроструктуру та фазовий склад надпровідного сплаву Nb—Ti після холодного волочіння і проміжного відпалу. Виявлено зони локалізації пластичної деформації в місцях обривів надпровідних жил. Виявлено зміну форми та хімічного складу волокон Nb—Ti у бездефектній області і в зоні розриву кабелю. Виявлено дифузійний Nb бар’єр навколо волокон Nb—Ti, що розміщені в мідній матриці. Microstructural evolution in superconductive cable made of Nb 47% Ti alloy and drawn to obtaining intermediate reduction from ø1.3 to ø1.2 mm is characterized using atomic force, optical, and electron microscopy. This alloy is used for making current-carrying parts of magnetic system of International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The microstructure and phase composition are examined and the effect they had on the properties of superconductive Nb—Ti alloy subjected to drawing and intermediate annealing is assessed. Strain localization zones are revealed in sites where superconductive wires are broken. Changes in chemical composition and shape of Nb—Ti wires in defect-free break zones have been detected. Diffusion Nb barrier formed in the copper matrix surrounding the Nb—Ti wire is found. Работа выполнена при частичной поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 11-08-00237-а. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Металлофизика и новейшие технологии Физика прочности и пластичности О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti On Structure of Localization Zones of Plastic Deformation in Superconductive Cable Based on Nb—Ti Alloy Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti |
| spellingShingle |
О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti Шляхова, Г.В. Баранникова, С.А. Зуев, Л.Б. Физика прочности и пластичности |
| title_short |
О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti |
| title_full |
О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti |
| title_fullStr |
О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti |
| title_full_unstemmed |
О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti |
| title_sort |
о структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава nb—ti |
| author |
Шляхова, Г.В. Баранникова, С.А. Зуев, Л.Б. |
| author_facet |
Шляхова, Г.В. Баранникова, С.А. Зуев, Л.Б. |
| topic |
Физика прочности и пластичности |
| topic_facet |
Физика прочности и пластичности |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Металлофизика и новейшие технологии |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
On Structure of Localization Zones of Plastic Deformation in Superconductive Cable Based on Nb—Ti Alloy |
| description |
Методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии исследована эволюция структуры на промежуточной стадии волочения при переходе ø1,3 → ø1,2 мм сверхпроводящего кабеля на основе сплава ниобий—титан (Nb 47% Ti), который используется в токонесущих элементах магнитной системы Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Исследованы микроструктура и фазовый состав сверхпроводящего сплава Nb—Ti после холодного волочения и промежуточного отжига. Выявлены зоны локализации пластической деформации в местах обрывов сверхпроводящих жил. Обнаружено изменение формы и химического состава волокон Nb—Ti в бездефектной области и в зоне разрыва кабеля. Выявлен диффузионный Nb барьер вокруг волокон Nb—Ti, размещённых в медной матрице.
Методами атомно-силової, електронної та оптичної мікроскопії досліджено еволюцію структури на проміжній стадії волочіння при переході ø1,3 → ø1,2 мм надпровідного кабелю на основі сплаву ніобій—титан (Nb 47% Ti), що використовується в струмонесних елементах магнітної системи Міжнародного термоядерного експериментального реактора (ІТЕР). Досліджено мікроструктуру та фазовий склад надпровідного сплаву Nb—Ti після холодного волочіння і проміжного відпалу. Виявлено зони локалізації пластичної деформації в місцях обривів надпровідних жил. Виявлено зміну форми та хімічного складу волокон Nb—Ti у бездефектній області і в зоні розриву кабелю. Виявлено дифузійний Nb бар’єр навколо волокон Nb—Ti, що розміщені в мідній матриці.
Microstructural evolution in superconductive cable made of Nb 47% Ti alloy and drawn to obtaining intermediate reduction from ø1.3 to ø1.2 mm is characterized using atomic force, optical, and electron microscopy. This alloy is used for making current-carrying parts of magnetic system of International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The microstructure and phase composition are examined and the effect they had on the properties of superconductive Nb—Ti alloy subjected to drawing and intermediate annealing is assessed. Strain localization zones are revealed in sites where superconductive wires are broken. Changes in chemical composition and shape of Nb—Ti wires in defect-free break zones have been detected. Diffusion Nb barrier formed in the copper matrix surrounding the Nb—Ti wire is found.
|
| issn |
1024-1809 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104100 |
| citation_txt |
О структуре очагов локализации пластической деформации в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti / Г.В. Шляхова, С.А. Баранникова, Л.Б. Зуев // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 453-465. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT šlâhovagv ostruktureočagovlokalizaciiplastičeskoideformaciivsverhprovodâŝemkabelenaosnovesplavanbti AT barannikovasa ostruktureočagovlokalizaciiplastičeskoideformaciivsverhprovodâŝemkabelenaosnovesplavanbti AT zuevlb ostruktureočagovlokalizaciiplastičeskoideformaciivsverhprovodâŝemkabelenaosnovesplavanbti AT šlâhovagv onstructureoflocalizationzonesofplasticdeformationinsuperconductivecablebasedonnbtialloy AT barannikovasa onstructureoflocalizationzonesofplasticdeformationinsuperconductivecablebasedonnbtialloy AT zuevlb onstructureoflocalizationzonesofplasticdeformationinsuperconductivecablebasedonnbtialloy |
| first_indexed |
2025-11-26T00:10:40Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:10:40Z |
| _version_ |
1850595250330927104 |
| fulltext |
453
ФИЗИКА ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ
PACS numbers:61.72.Ff, 62.20.fq,74.70.Ad,81.40.Lm,81.40.Vw,84.71.-b, 84.71.Fk
О структуре очагов локализации пластической деформации
в сверхпроводящем кабеле на основе сплава Nb—Ti
Г. В. Шляхова*,***, С. А. Баранникова
*,**, Л. Б. Зуев
*,**
*Институт физики прочности и материаловедения СО РАН,
просп. Академический, 2/4,
634021 Томск, Россия
**Национальный исследовательский Томский государственный университет,
просп. Ленина, 36,
634050 Томск, Россия
***Северский технологический институт НИЯУ МИФИ,
просп. Коммунистический, 65,
636036 Северск, Томская область, Россия
Методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии ис-
следована эволюция структуры на промежуточной стадии волочения при
переходе 1,3 1,2 мм сверхпроводящего кабеля на основе сплава нио-
бий—титан (Nb 47% Ti), который используется в токонесущих элемен-
тах магнитной системы Международного термоядерного эксперимен-
тального реактора (ИТЭР). Исследованы микроструктура и фазовый со-
став сверхпроводящего сплава Nb—Ti после холодного волочения и про-
межуточного отжига. Выявлены зоны локализации пластической дефор-
мации в местах обрывов сверхпроводящих жил. Обнаружено изменение
формы и химического состава волокон Nb—Ti в бездефектной области и в
зоне разрыва кабеля. Выявлен диффузионный Nb барьер вокруг волокон
Nb—Ti, размещённых в медной матрице.
Методами атомно-силової, електронної та оптичної мікроскопії дослі-
джено еволюцію структури на проміжній стадії волочіння при переході
1,3 1,2 мм надпровідного кабелю на основі сплаву ніобій—титан
(Nb 47% Ti), що використовується в струмонесних елементах магнітної
системи Міжнародного термоядерного експериментального реактора
(ІТЕР). Досліджено мікроструктуру та фазовий склад надпровідного
сплаву Nb—Ti після холодного волочіння і проміжного відпалу. Виявлено
зони локалізації пластичної деформації в місцях обривів надпровідних
жил. Виявлено зміну форми та хімічного складу волокон Nb—Ti у безде-
фектній області і в зоні розриву кабелю. Виявлено дифузійний Nb бар’єр
навколо волокон Nb—Ti, що розміщені в мідній матриці.
Металлофиз. новейшие технол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol.
2013, т. 35, № 4, сс. 453—465
Оттиски доступны непосредственно от издателя
Фотокопирование разрешено только
в соответствии с лицензией
2013 ИМФ (Институт металлофизики
им. Г. В. Курдюмова НАН Украины)
Напечатано в Украине.
454 Г. В. ШЛЯХОВА, С. А. БАРАННИКОВА, Л. Б. ЗУЕВ
Microstructural evolution in superconductive cable made of Nb 47% Ti al-
loy and drawn to obtaining intermediate reduction from 1.3 to 1.2 mm is
characterized using atomic force, optical, and electron microscopy. This alloy
is used for making current-carrying parts of magnetic system of Interna-
tional Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The microstructure and
phase composition are examined and the effect they had on the properties of
superconductive Nb—Ti alloy subjected to drawing and intermediate anneal-
ing is assessed. Strain localization zones are revealed in sites where super-
conductive wires are broken. Changes in chemical composition and shape of
Nb—Ti wires in defect-free break zones have been detected. Diffusion Nb bar-
rier formed in the copper matrix surrounding the Nb—Ti wire is found.
Ключевые слова: сверхпроводники, дефекты, микроструктура, локали-
зация пластической деформации, волочение.
(Получено 12 апреля 2013 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Практика использования сверхпроводников позволяет решить ряд
важных технических проблем в тех областях техники, где приме-
нение традиционных электротехнических материалов экономиче-
ски нецелесообразно или принципиально невозможно [1]. Среди
различных сверхпроводящих материалов [2—4] сплав Nb—Ti, ис-
пользуемый для изготовления токонесущих элементов в магнитной
системе Международного термоядерного экспериментального реак-
тора (ИТЭР), занимает особое положение. В настоящее время на
ОАО «Чепецкий механический завод» [5] при научном руководстве
ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара совместно с
НИЦ «Курчатовский институт» создано производство кабелей на
основе низкотемпературных технических сверхпроводников из
сплава Nb—Ti и соединения Nb3Sn с производительностью более 60 т
в год, которое не только удовлетворяет запросы проекта ИТЭР, но и
дает возможность поставлять новую продукцию, соответствующую
мировому уровню, отечественным и зарубежным потребителям.
Конструкция сверхпроводящего кабеля состоит из нескольких ты-
сяч сверхпроводящих жил диаметром 2—5 мкм, относительное по-
ложение которых фиксируется медной матрицей [2]. К таким кабе-
лям предъявляются высокие требования, наиболее важными из ко-
торых являются величина и стабильность критических параметров,
стабильность токовых характеристик, безобрывность сверхпрово-
дящих волокон (жил), их структурная однородность по длине про-
вода и малые отклонения от геометрических размеров поперечного
сечения [6—8].
Способ получения композитного стабилизированного сверхпро-
водника на основе NbTi сплава включает следующие операции:
ОЧАГИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ 455
а) формирование первичной композитной заготовки, содержащей
наружную оболочку из стабилизирующего материала Cu, диффузи-
онный барьер из Nb в виде свернутого листа (обечайки), ленты или
тонкостенной трубы, и осевой цилиндрический блок из NbTi спла-
ва; б) экструзию и деформирование первичной композитной заго-
товки до получения шестигранного прутка; в) резку шестигранного
прутка на мерные длины; г) повторную операцию сборки в чехлы из
стабилизирующего материала Cu; д) экструзию вторичной компо-
зитной заготовки; е) деформирование с промежуточными термооб-
работками до конечного размера провода.
Принятая технология производства очень сложна, и наиболее от-
ветственным ее этапом [9—10] является холодное многоступенчатое
волочение, в ходе которого исходная композиционная заготовка
деформируется от 60—70 мм до 0,1—1,0 мм. На этом этапе необ-
ходимо обеспечить безобрывность процесса и заданную плотность
микродефектов в сверхпроводнике, контролирующих образование
центров пиннинга (закрепления магнитных вихрей Абрикосова в
сверхпроводниках II-го рода [1]). Целью настоящей работы являет-
ся анализ влияния холодной деформации волочением на структуру
многожильного сверхпроводника на основе сплава Nb—Ti.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Деформационная структура и субструктура многожильного кабеля
со сверхпроводящими жилами из сплава Nb—47,5% мас. Ti (63,7
ат.% Ti) исследовалась на промежуточной стадии волочения при
переходе 1,3 1,2 мм.
Для анализа состава и структуры композитного многожильного
провода использовалось несколько методик, обеспечивающих не-
обходимое пространственное разрешение: оптическая микроскопия
(Neophot-21 и Olympus GX 71), растровая электронная микроско-
пия (Philips SEM 515) и атомно-силовая микроскопия (Solver PH47-
PRO) с использованием полуконтактного метода, принцип дейст-
вия, которого заключается в том, что колеблющееся острие зонда
находится настолько близко к поверхности, что оно слегка «сту-
чит» по поверхности при сканировании, контактируя с поверхно-
стью в нижней части размаха своих колебаний. Изгиб кантилевера
(упругой балки, на которой закреплён зонд) зависит от отталки-
вающей силы и используется в системе обратной связи для отобра-
жения рельефа поверхности.
Распределение элементов в зоне границы жилы из сплава Nb—Ti с
медной матрицей определялось методом растровой электронной
микроскопии на растровом ионно-электронном микроскопе Quanta
200 3D с использованием детекторов вторичных и обратно рассеян-
ных электронов.
456 Г. В. ШЛЯХОВА, С. А. БАРАННИКОВА, Л. Б. ЗУЕВ
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Многожильный сверхпроводящий кабель на основе сплава Nb—Ti
представляет собой трехслойную композитную конструкцию, в ко-
торой между медными сердечником и внешней оболочкой распола-
гается промежуточный слой из волокон Nb—Ti, размещенных в мед-
ной матрице (рис. 1). Такой композит может также содержать рези-
стивные или диффузионные барьеры, стабилизирующие оболочки,
и прочные армирующие элементы [2, 3]. Металлографические ис-
следования поперечных сечений проводников показали, что в про-
межуточном слое на границе с медным сердечником проводника
жилы Nb—Ti имеют округлую форму со средним диаметром 10 мкм.
В промежуточном слое на границе с медной оболочкой все Nb—Ti во-
локна приобретают вследствие деформации волочения ромбическую
форму с диагоналями соответственно13 мкм и 11 мкм.
Для уточнения формы рельефа поперечных сечений элементов
кабеля использовали атомно-силовую микроскопию с применением
контактного метода в режиме «постоянной силы». В этом случае в
процессе сканирования скорость отработки сигнала рассогласова-
ния устанавливалась таким образом, что система отрабатывала от-
носительно гладкие особенности рельефа достаточно быстро и, в то
же время, она была достаточно малой, чтобы отрабатывать крутые
ступеньки. В итоге сигнал рассогласования слабо отображал глад-
кие участки рельефа (волокна) и с высоким контрастом отображал
заметные шероховатости (ниобиевый барьер) [11]. В ходе этих ис-
следований вокруг волокон Nb—Ti, размещенных в медной матрице,
удалось наблюдать диффузионный Nb барьер, который отчетливо
проявляется в виде выступов рельефа в зоне сопряжения сверхпро-
водящей жилы с медной матрицей (рис. 2, а). На профилограмме,
Рис. 1. Поперечное сечение кабеля технических сверхпроводников Nb—Ti
на промежуточной стадии волочения при переходе 1,3 1,2 мм: 1 –
медная оболочка, 2 – волокнаNb—Ti, 3 –медный сердечник.
ОЧАГИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ 457
построенной методом секущих, ниобиевый барьер обнаруживается
по высокоамплитудным максимумам шириной до 250—260 нм, раз-
деленных низкоамплитудными линиями рельефа для волокон Nb—
Ti и медной матрицы (рис. 2, б). На фоне гладкого рельефа волокон
Nb—Ti и медной матрицы выявляется высокоамплитудный ниобие-
вый барьер (рис. 2, в).
В результате интенсивной пластической деформации медь в сер-
дечнике приобретает субмикрокристаллическую структуру со сред-
ним размером зерен 800 нм. В такой структуре чередуются одиноч-
ные зерна и их конгломераты, насчитывающие до 8 зерен. Сильнее
всего медь в сердечнике продеформирована по границе «сердечник—
промежуточный слой проводника», где максимальный размер зерна
составил 2120 нм, а минимальный 310 нм. В промежуточном слое
между волокнами в матрице медь представлена равноосными зерна-
ми со средним размером 800 нм. В то же время средний размер зерен
меди в оболочке проводника составил 1050 нм [12].
В ходе микроскопических исследований в промежуточном слое
со стороны внутренней поверхности на границе с медным сердечни-
ком обнаружен специфический дефект в местах обрыва сверхпро-
водящих жил [12], показанный на рис. 3. Исследования, проведен-
ные с помощью растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO
50 с приставкой для рентгеновского дисперсионного микроанализа
Oxford Instruments, показали, что внешняя оболочка и сердечник
проводника состоят из меди. В тоже время часть элементов проме-
жуточного слоя проникает в медный сердечник кабеля и на границу
Рис. 2. Ниобиевый барьер вокруг волокон в матрице проводника в про-
дольном сечении в исходном состоянии без шлифования в бездефектной
области (а); профилограмма этого участка (б); 3D изображение (в).
458 Г. В. ШЛЯХОВА, С. А. БАРАННИКОВА, Л. Б. ЗУЕВ
раздела «промежуточный слой—внешняя оболочка». В промежу-
точном слое на границе с сердечником все волокна Nb—Ti имеют ок-
руглую форму. Химический состав волокон одинаков и составляет
35,66 ат.% Nb и 63,07 ат.% Ti. В области разрыва жилы Nb—Ti ут-
рачивают правильную форму.
Однородность состава волокон Nb—Ti в проводнике контролиро-
валась сканирующей электронной микроскопией в режимах вто-
ричных электронов и в характеристическом рентгеновском излуче-
нии основных элементов композита на приборе Quanta 200 3D. Во
избежание артефактов, связанных с изготовлением шлифа по стан-
дартной методике, перпендикулярное к поверхности шлифа сече-
ние подготавливалось распылением поверхности сфокусированным
ионным пучком при визуальном контроле процесса. Определение
элементного состава вдоль выбранной линии методом энергодис-
персионного рентгеновского микроанализа позволило обнаружить
Nb, Ti и Cu в композите, состоящем из волокон Nb—Ti, размещен-
ных в медной матрице. Неравномерное пространственное распреде-
ление числа характеристических рентгеновских фотонов Ti, Nb, Cu
в волокне и матрице указывает на наличие диффузионного слоя на
отрезке, проходящем через границу «волокно—матрица». В Nb—Ti
волокне количество характеристических рентгеновских фотонов
Ti, Nb максимальное, а количество характеристических рентгенов-
ских фотонов Cu – минимальное. В медной матрице картина про-
тивоположна, т.е. максимальному количеству характеристических
рентгеновских фотонов меди соответствует минимальное количест-
во характеристических рентгеновских фотонов Ti, Nb. В промежу-
точном диффузионном слое сначала наблюдается постоянное число
характеристических рентгеновских фотонов Nb, что подтверждает
Рис. 3. Обрыв волокна проводника в продольном сечении в исходном со-
стоянии без шлифования в бездефектной области (а, 1 – медная матрица,
2 – волокноNb—Ti); 3D изображение (б).
ОЧАГИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ 459
наличие Nb барьера, который обнаружен методом атомно-силовой
микроскопии. Затем происходит уменьшение/увеличение количе-
ства характеристических рентгеновских фотонов Ti, Nb на фоне
увеличения/уменьшения количества характеристических рентге-
новских фотонов Cu.
Для исследования тонкой структуры элементов кабеля из образ-
ца с помощью сфокусированного ионного пучка была вырезана тон-
кая фольга. Структура волокна Nb—Ti может быть охарактеризова-
на как сильнодеформированная, следов релаксации не наблюдает-
ся, границы зерен нечеткие. Отдельные дислокации внутри зерен
волокна Nb—Ti не разрешаются. В зоне обрыва сопряжение границы
«волокно—матрица» характеризуется частичным отсутствием нио-
биевого барьера. Структура меди в медной матрице характеризует-
ся как деформированная и релаксированная. В структуре зерен Cu
выявлены отдельные дислокации, скоплений дислокаций не на-
блюдается. Далее сопряжение границы «матрица-волокно» харак-
теризуется наличием ниобиевого барьера с субмикрокристалличе-
ской структурой, состоящей из мелких слегка неравноосных зерен.
Для исследования морфологии зоны локализации пластической
деформации по глубине шлифа снимали несколько раз слой на
шлифовальной бумаге по 0,5 мм. Металлографические исследова-
ния показали, что со стороны внутренней поверхности, прилегаю-
щей к медному сердечнику, все волокна Nb—Ti имеют округлую
форму. Первые следы пластической деформации волочением на-
блюдаются в промежуточном слое в области, прилегающей к мед-
ной оболочке. Со стороны внешней поверхности волокна Nb—Ti
имеют ромбовидную форму.
Топография поперечного сечения после шлифования на глубину
0,5 мм в месте обрыва проводника с использованием оптической и
атомно-силовой микроскопии показала, что в области, прилегаю-
щей к медному сердечнику, близлежащие волокна Nb—Ti имеют
неправильную форму, и образуют зону локализации деформации,
как и в исходном состоянии без шлифования (рис. 4, а, б, 5, а, б). В
месте обрыва проводника в матрице промежуточного слоя между
Nb—Ti волокнами средний размер зерна меди составил 850 нм, в то
время как по результатам статистической обработки, в бездефект-
ной области средний размер зерна меди в матрице 800 нм сопоста-
вим с размером зерна меди 850 нм в месте обрыва проводника
[13, 14]. После шлифования поперечного сечения на глубину 0,5 мм
в месте обрыва проводника, вокруг волокон Nb—Ti, размещенных в
медной матрице, обнаружен Nb барьер, который проявляется на
профилограмме в виде высоких, тонких высокоамплитудных мак-
симумов шириной до 250 нм, аналогичный ниобиевому барьеру в
исходном состоянии без шлифования. Такой же Nb барьер обнару-
живается вокруг волокон Nb—Ti в месте обрыва после шлифования
460 Г. В. ШЛЯХОВА, С. А. БАРАННИКОВА, Л. Б. ЗУЕВ
на глубину 1 мм.
Металлографические исследования поперечных сечений провод-
ника после травления и шлифования на глубину 1 мм показали, что в
бездефектной области общий вид Nb—Ti волокон подобен исходному
состоянию без шлифовки. Однако зона локализации в виде дефекта
Nb—Ti волокон в месте обрыва жил приобретает иной вид (рис. 4, в,
5, в). Происходит объединение «лепесткообразных» волокон в еди-
ное волокно, что указывает на «разнотолщинный» характер волокон
по длине провода. Близлежащие волокна Nb—Ti в зоне локализации
пластической деформации приобретают округлую форму.
Структурные исследования поверхности шлифа на оптическом
микроскопе после шлифования на глубину 2 мм показали, что об-
щий вид зоны локализации пластической деформации в виде де-
фекта по сравнению с исходным состоянием, существенно изменил-
ся. Волокна Nb—Ti непосредственно в месте обрыва постепенно объ-
Рис. 4. Изменение зоны локализации пластической деформации в местах
обрыва волокон Nb—Ti проводника (указана стрелкой) по глубине шлифо-
вания, атомно-силовая микроскопия: 0 мм (а), 0,5 мм (б), 1 мм (в), 2 мм (г);
1 – медная матрица, 2 – волокнаNb—Ti.
ОЧАГИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ 461
единяются (рис. 4, г, 5, г), а близлежащие волокна Nb—Ti вокруг
дефекта имеют округлый вид, что характерно для волокон Nb—Ti в
бездефектной области. Следует отметить, что в другой области
вблизи границы «промежуточный слой волокон Nb—Ti в медной
матрице»—«медный сердечник» обнаружен еще один дефект в виде
двух волокон Nb—Ti меньшего размера и неправильной формы по
сравнению с близлежащими волокнами Nb—Ti. Сканирование по-
верхности поперечного сечения шлифа с помощью атомно-силовой
микроскопии «контактным методом» после травления и после
шлифования на глубину 2 мм показало, что вокруг волокон Nb—Ti,
размещенных в медной матрице, также наблюдается Nb барьер, ко-
торый ранее обнаружен в исходном состоянии в бездефектной об-
ласти без шлифования и проявляется на профилограммах в виде
высоких, тонких высокоамплитудных максимумов шириной до
250 нм. Nb барьер также присутствует на всех Nb—Ti волокнах
сверхпроводника, как со стороны внутренней, так и внешней по-
верхности волокон в медной матрице.
Анализ эволюции зоны локализации пластической деформации,
представленной на рис. 4 и 5, позволяет определить изменение
площади поперечного сечения волокон Nb—Ti в зоне локализации
а б
в г
Рис. 5. Эволюция зоны локализации пластической деформации в местах
обрыва волокон Nb—Ti проводника по глубине шлифования, оптическая
микроскопия: 0 мм (а), 0,5мм (б), 1мм (в), 2мм (г).
462 Г. В. ШЛЯХОВА, С. А. БАРАННИКОВА, Л. Б. ЗУЕВ
пластической деформации в местах обрыва волокон в зависимости
от глубины шлифования сверхпроводящего кабеля (рис. 6). Расчет
площади зоны локализации пластической деформации на разных
глубинах был сделан следующим образом. Все волокна Nb—Ti в зоне
локализации деформации, прилегающие к месту обрыва проводни-
ка, были пронумерованы (рис. 5). Затем измеряли средний размер
этих волокон d и площадь поперечного сечения для каждого из ука-
занного волокна
2 4i iS d . Далее рассчитывали среднее значение
суммарной площади зоны локализации пластической деформации
/
i
S S N , где N – число волокон Nb—Ti в зоне локализации де-
формации на разной глубине шлифования h (0 мм, 0,5 мм, 1 мм и
2 мм) в области обрыва волокон кабеля. «Разнотолщинность» воло-
кон Nb—Ti по длине проводника при шлифовании на глубину до
2 мм указывает на развитие шейки в зоне локализации пластиче-
ской деформации при волочении сверхпроводящего кабеля.
Зависимость площади зоны локализации пластической деформа-
ции от глубины шлифования поперечного сечения сверхпроводяще-
го кабеля представлена на рис. 6 и может быть описана уравнением
S A B h , (1)
где константы А 138,14 мкм
2, В 1,60 мкм
3/2
и коэффициент
корреляции R2 0,97.
Из формулы Ирвина для тела с трещиной [15] (см. рис. 3 – тре-
щина в волокне) напряжения равны IP S K r , тогда зави-
симость площади поперечного сечения IS P r K от глубины
шлифования оказывается близкой к (1), то есть S h . Из сообра-
Рис. 6. Изменение площади поперечного сечения S волокон в зоне локали-
зации пластической деформации в месте обрыва провода в зависимости от
глубины шлифования h.
ОЧАГИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ 463
жений размерности
2
длина
3/2
3/2
сила
длина длина
сила длина
длина , т. е. S B h .
Токонесущую способность Nb—Ti сверхпроводящего провода по-
вышают несколькими путями. Во-первых, благодаря увеличению
количества NbTi волокон в заготовке. Во-вторых, путем доработки
конструкции ниобиевых барьеров. Частичное отсутствие ниобиево-
го барьера и наличие зоны локализации пластической деформации
в местах разрыва волокон Nb—Ti, обнаруженные в настоящей рабо-
те при шлифовании на глубину до 2 мм, расположены в области,
прилегающей к медному сердечнику. Это указывает на неравно-
мерность степени деформации первого и последующих слоев Nb—Ti
волокон от границы «медный сердечник» — «промежуточный слой
волокон Nb—Ti в медной матрице». Можно предположить, что од-
ной из причин обрыва волокон в проводнике мог быть вариант
сборки композитной заготовки для изготовления многоволоконно-
го провода. Увеличение количества волокон в одном композитном
проводе связано с уменьшением их размера и, как следствие, с уве-
личением количества пустот. Как при отсутствии надежного кон-
такта волокон между собой, так и контакта волокон с сердечником
и оболочкой, деформация почти аналогична продольному изгибу,
что приводит к неравномерной деформации волокон [16].
В основе подходов, традиционно используемых при анализе ре-
сурса пластичности технических сверхпроводников на основе спла-
ва Nb—Ti [17], лежит представление о равномерности и однородно-
сти пластической деформации, что не соответствует современным
представлениям. Экспериментальные данные о природе пластиче-
ской деформации показывают, что присущая ей с самого начала де-
формирования неоднородность может приводить к раннему форми-
рованию одного или нескольких устойчивых очагов локализации
пластического течения [18—20] и в дальнейшем к обрыву жилы.
Предпринятые в последнее время детальные исследования макро-
локализации деформации позволили установить однозначное соот-
ветствие между законом пластического течения на данном участке
деформационной кривой и типом пространственно-временного рас-
пределения компонент тензора пластической дисторсии [21]. Эти
факты должны приниматься во внимание при разработке техноло-
гии холодной деформации волочением до получения сверхпровод-
никовых жил требуемых размеров.
4. ВЫВОДЫ
При анализе влияния деформации волочением на структуру мно-
гожильного сверхпроводника на основе сплава Nb—Ti обнаружены
464 Г. В. ШЛЯХОВА, С. А. БАРАННИКОВА, Л. Б. ЗУЕВ
следующие особенности:
— местам обрыва проводника соответствуют зоны локализации
деформации, в которых близлежащие волокна Nb—Ti имеют непра-
вильную форму, заметную при послойном шлифовании на глубину
до 2 мм;
— на границе с медным сердечником волокна Nb—Ti имеют округ-
лую форму со средним диаметром 10 мкм, а на границе с медной
оболочкой – ромбическую с диагоналями 13 мкм и 11 мкм;
— в результате интенсивной пластической деформации медь в
элементах кабеля приобретает субмикрокристаллическую структу-
ру со средним размером зерен: в сердечнике 800 нм, в промежу-
точном слое между волокнами в матрице 800 нм, в месте обрыва
проводника в промежуточном слое между волокнами в матрице
850 нм, в оболочке 1050 нм;
— диффузионный Nb барьер вокруг волокон Nb—Ti, размещенных
в медной матрице, имеет толщину 250 нм в бездефектной области
и в зоне локализации пластической деформации;
— установлена зависимость изменения площади зоны локализа-
ции пластической деформации от глубины шлифования до 2 мм по-
перечного сечения сверхпроводящего кабеля.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта Российского
фонда фундаментальных исследований по проекту 11-08-00237-а.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин, Сверхпроводимость (Москва: Альфа-М:
2006).
2. А. К. Шиков, В. И. Панцырный, А. Е. Воробьева и др., Металловедение и
термообработка, № 11: 68 (2002).
3. А. К. Шиков, А. Д. Никулин, А. Г. Силаев и др., Изв. вузов. Цветная ме-
таллургия, № 1: 36 (2003).
4. N. Kozlenkova, G. Vedernikov, A. Shikov et al., IEEE Trans. Appl. Supercond.,
14, No. 2: 1028 (2004).
5. Нанотехнологии, экология производства, № 1: 80 (2009).
6. M. N. Wilson, Cryogenics, 48: 381 (2008).
7. P. J. Lee and D. C. Larbalestier, Acta Metall., 35, No. 10: 2523 (1987).
8. О. В. Черный, Г. Ф. Тихинский, Г. Е. Сторожилов и др., Сверхпроводи-
мость: Физика, химия, техника, 4, № 8: 1617 (1991).
9. Г. Л. Колмогоров, Т. В. Латышева, Изв. вузов. Черная металлургия, № 5: 36
(2007)
10. Г. Л. Колмогоров, Т. В. Чернова, М. В. Снигирева, Механика композицион-
ных материалов и конструкций, 16, № 2: 191 (2010).
11. В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии (Н. Новгород:
ИФМ РАН: 2004).
12. Л. Б. Зуев, С. А. Баранникова, Г. В. Шляхова, С. В. Колосов, Фундамен-
тальные проблемы современного материаловедения, 9, № 4: 417 (2012).
13. Л. С. Зажигаев, А. А. Кишьян, Ю. И. Романиков, Методы планирования и
ОЧАГИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ 465
обработки результатов физического эксперимента (Москва: Атомиздат:
1978).
14. А. К. Митропольский, Техника статистических вычислений (Москва:
Физматлит: 1961).
15. А. Я. Красовский, Хрупкость металлов при низких температурах (Киев:
Наукова думка:1980).
16. A. К. Шиков, Г. П. Ведерников, Э. И. Плашкин и др., Способ сборки компо-
зитной заготовки для изготовления многоволоконного провода, Патент РФ
2291505 (Опубл. 10.01.2007) (Бюллетень № 1).
17. В. М. Ажажа, О. В. Черный, Г. Е. Сторожилов и др., Вопр. атом. науки и
техн. Сер. «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники», № 14: 136
(2004).
18. S. Y. Zavodchikov, L. B. Zuev, V. I. Belov et al., Proc. 13th Int. Symposium on
Zirconium in the Nuclear Industry (USA, West Conshohochen: ASTM Interna-
tional: 2002), p. 427.
19. L. B. Zuev, S. Y. Zavodchikov, T. M. Poletika et al., Proc. 14th Int. Symposium
on Zirconium in the Nuclear Industry (USA, West Conshohochen: ASTM Inter-
national: 2006), p. 264 (2006).
20. С. Ю. Заводчиков, Л. Б. Зуев, В. А. Котрехов, Металловедческие вопросы
производства изделий из сплавов циркония (Новосибирск: Наука: 2012).
21. Л. Б. Зуев, В. И. Данилов, С. А. Баранникова, Физика макролокализации
пластического течения (Новосибирск: Наука: 2008).
|