Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К
Изучены особенности ползучести поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К, и с помощью термоактивационного анализа определен тип препятствий, контролирующих пластическое течение материала. На основании этого проанализированы механизмы, ответственные за пластическую деформацию гафния...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80231 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К / Е.В. Карасёва, В.И. Соколенко, К.В. Ковтун, Р.В. Ажажа // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 133-137. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80231 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Карасёва, Е.В. Соколенко, В.И. Ковтун, К.В. Ажажа, Р.В. 2015-04-13T17:44:03Z 2015-04-13T17:44:03Z 2006 Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К / Е.В. Карасёва, В.И. Соколенко, К.В. Ковтун, Р.В. Ажажа // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 133-137. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1562-6016 УДК 669.296: 539.377 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80231 Изучены особенности ползучести поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К, и с помощью термоактивационного анализа определен тип препятствий, контролирующих пластическое течение материала. На основании этого проанализированы механизмы, ответственные за пластическую деформацию гафния в данной области температур. Показано, что наблюдаемая ползучесть является термически активированным процессом и при всех температурах, кроме азотной, описывается степенным законом, что свидетельствует о динамическом равновесии между процессами упрочнения и возврата во время деформации. Протекание этих процессов обусловлено совместным действием трех механизмов – поперечного скольжения, диффузионной ползучести и зернограничного проскальзывания. Вклад каждого из этих механизмов в общую деформацию материала зависит от температуры испытания, уровня приложенных напряжений и размера зерна. Так, уменьшение размера зерна до 10 мкм приводит к преобладанию скольжения по границам зерен, что позволяет говорить о проявлении сверхпластической деформации. Вивчені особливості повзучості полікристалічного гафнію в інтервалі температур 77...650К і за допомогою термоактіваційного аналізу визначено тип перешкод, контролюючих пластичну течію матеріалу. На підставі цього проаналізовані механізми відповідальні за пластичну деформацію гафнію в цій області температур. Показано, що спостережувана повзучість є термічно активованим процесом і при всіх температурах, окрім азотної, описується степінним законом, що свідчить про динамічну рівновагу між процесами зміцнення і повернення під час деформації. Протікання цих процесів обумовлено сумісною дією трьох механізмів - поперечного ковзання, дифузійної повзучості та прослизання по межам зерен. Внесок кожного з цих механізмів в загальну деформацію матеріалу залежить від температури випробування, рівня прикладених напруг і розміру зерна. Так зменшення розміру зерна до 10 мкм приводить до переважання ковзання по межах зерен, що дозволяє говорити про прояв надпластичної деформації. Characteristics of creep of polycrystalline hafnium in the temperature range 77...650К are studied and with the help of thermoactive analysis the type of the barriers controlling plastic flow of a material is defined. Ground it mechanisms responsible for plastic strains of hafnium in this range of temperatures are analyzed. It is shown, that observable creep is thermally activated process and at all temperatures, except for nitrogenous, is featured by the power law that testifies to dynamic equilibrium between processes of a strengthening and recovery during a strain. Action of these processes is stipulated by combined action of three mechanisms - transversal slipping, diffusive creep and slipping at the grain boundaries. The contribution of each of these mechanisms to a total strain of a material depends on test temperature, level of applied stress and grain size. So decrease of a grain size up to 10 µm results in predominance of slipping at the grain boundaries, that allows to speak about exhibiting a superplastic strain. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К Особливості повзучості і механізми пластичної деформації полікристалічного гафнію в інтервалі температур 77...650 К Features of creep and mechanisms of a plastic strain of polycrystallic hafnium in the interval temperatures 77…650 K Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К |
| spellingShingle |
Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К Карасёва, Е.В. Соколенко, В.И. Ковтун, К.В. Ажажа, Р.В. Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| title_short |
Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К |
| title_full |
Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К |
| title_fullStr |
Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К |
| title_full_unstemmed |
Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К |
| title_sort |
особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 к |
| author |
Карасёва, Е.В. Соколенко, В.И. Ковтун, К.В. Ажажа, Р.В. |
| author_facet |
Карасёва, Е.В. Соколенко, В.И. Ковтун, К.В. Ажажа, Р.В. |
| topic |
Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| topic_facet |
Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Особливості повзучості і механізми пластичної деформації полікристалічного гафнію в інтервалі температур 77...650 К Features of creep and mechanisms of a plastic strain of polycrystallic hafnium in the interval temperatures 77…650 K |
| description |
Изучены особенности ползучести поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К, и с помощью термоактивационного анализа определен тип препятствий, контролирующих пластическое течение материала. На основании этого проанализированы механизмы, ответственные за пластическую деформацию гафния в данной области температур. Показано, что наблюдаемая ползучесть является термически активированным процессом и при всех температурах, кроме азотной, описывается степенным законом, что свидетельствует о динамическом равновесии между процессами упрочнения и возврата во время деформации. Протекание этих процессов обусловлено совместным действием трех механизмов – поперечного скольжения, диффузионной ползучести и зернограничного проскальзывания. Вклад каждого из этих механизмов в общую деформацию материала зависит от температуры испытания, уровня приложенных напряжений и размера зерна. Так, уменьшение размера зерна до 10 мкм приводит к преобладанию скольжения по границам зерен, что позволяет говорить о проявлении сверхпластической деформации.
Вивчені особливості повзучості полікристалічного гафнію в інтервалі температур 77...650К і за допомогою
термоактіваційного аналізу визначено тип перешкод, контролюючих пластичну течію матеріалу. На підставі цього
проаналізовані механізми відповідальні за пластичну деформацію гафнію в цій області температур. Показано, що
спостережувана повзучість є термічно активованим процесом і при всіх температурах, окрім азотної, описується
степінним законом, що свідчить про динамічну рівновагу між процесами зміцнення і повернення під час деформації.
Протікання цих процесів обумовлено сумісною дією трьох механізмів - поперечного ковзання, дифузійної повзучості та
прослизання по межам зерен. Внесок кожного з цих механізмів в загальну деформацію матеріалу залежить від
температури випробування, рівня прикладених напруг і розміру зерна. Так зменшення розміру зерна до 10 мкм
приводить до переважання ковзання по межах зерен, що дозволяє говорити про прояв надпластичної деформації.
Characteristics of creep of polycrystalline hafnium in the temperature range 77...650К are studied and with the help of thermoactive
analysis the type of the barriers controlling plastic flow of a material is defined. Ground it mechanisms responsible for
plastic strains of hafnium in this range of temperatures are analyzed. It is shown, that observable creep is thermally activated process
and at all temperatures, except for nitrogenous, is featured by the power law that testifies to dynamic equilibrium between
processes of a strengthening and recovery during a strain. Action of these processes is stipulated by combined action of three
mechanisms - transversal slipping, diffusive creep and slipping at the grain boundaries. The contribution of each of these mechanisms
to a total strain of a material depends on test temperature, level of applied stress and grain size. So decrease of a grain size
up to 10 µm results in predominance of slipping at the grain boundaries, that allows to speak about exhibiting a superplastic
strain.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80231 |
| citation_txt |
Особенности ползучести и механизмы пластической деформации поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К / Е.В. Карасёва, В.И. Соколенко, К.В. Ковтун, Р.В. Ажажа // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 133-137. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT karasevaev osobennostipolzučestiimehanizmyplastičeskoideformaciipolikristalličeskogogafniâvintervaletemperatur77650k AT sokolenkovi osobennostipolzučestiimehanizmyplastičeskoideformaciipolikristalličeskogogafniâvintervaletemperatur77650k AT kovtunkv osobennostipolzučestiimehanizmyplastičeskoideformaciipolikristalličeskogogafniâvintervaletemperatur77650k AT ažažarv osobennostipolzučestiimehanizmyplastičeskoideformaciipolikristalličeskogogafniâvintervaletemperatur77650k AT karasevaev osoblivostípovzučostíímehanízmiplastičnoídeformacíípolíkristalíčnogogafníûvíntervalítemperatur77650k AT sokolenkovi osoblivostípovzučostíímehanízmiplastičnoídeformacíípolíkristalíčnogogafníûvíntervalítemperatur77650k AT kovtunkv osoblivostípovzučostíímehanízmiplastičnoídeformacíípolíkristalíčnogogafníûvíntervalítemperatur77650k AT ažažarv osoblivostípovzučostíímehanízmiplastičnoídeformacíípolíkristalíčnogogafníûvíntervalítemperatur77650k AT karasevaev featuresofcreepandmechanismsofaplasticstrainofpolycrystallichafniumintheintervaltemperatures77650k AT sokolenkovi featuresofcreepandmechanismsofaplasticstrainofpolycrystallichafniumintheintervaltemperatures77650k AT kovtunkv featuresofcreepandmechanismsofaplasticstrainofpolycrystallichafniumintheintervaltemperatures77650k AT ažažarv featuresofcreepandmechanismsofaplasticstrainofpolycrystallichafniumintheintervaltemperatures77650k |
| first_indexed |
2025-11-27T04:07:54Z |
| last_indexed |
2025-11-27T04:07:54Z |
| _version_ |
1850798983352418304 |
| fulltext |
УДК 669.296: 539.377
ОСОБЕННОСТИ ПОЛЗУЧЕСТИ И МЕХАНИЗМЫ
ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
ГАФНИЯ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 77…650 К
Е.В. Карасёва, В.И. Соколенко, К.В. Ковтун, Р.В. Ажажа
ННЦ «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина
Изучены особенности ползучести поликристаллического гафния в интервале температур 77…650 К, и с помощью
термоактивационного анализа определен тип препятствий, контролирующих пластическое течение материала. На осно-
вании этого проанализированы механизмы, ответственные за пластическую деформацию гафния в данной области тем-
ператур. Показано, что наблюдаемая ползучесть является термически активированным процессом и при всех температу-
рах, кроме азотной, описывается степенным законом, что свидетельствует о динамическом равновесии между процесса-
ми упрочнения и возврата во время деформации. Протекание этих процессов обусловлено совместным действием трех
механизмов – поперечного скольжения, диффузионной ползучести и зернограничного проскальзывания. Вклад каждого
из этих механизмов в общую деформацию материала зависит от температуры испытания, уровня приложенных напря-
жений и размера зерна. Так, уменьшение размера зерна до 10 мкм приводит к преобладанию скольжения по границам
зерен, что позволяет говорить о проявлении сверхпластической деформации.
ВВЕДЕНИЕ
Гафний считается одним из наиболее перспек-
тивных материалов для ПС СУЗ [1], что объясняет
интерес к изучению различных свойств этого мате-
риала. Тем не менее, имеющиеся в литературе све-
дения не дают полного представления об особенно-
стях механических свойств гафния. В частности, от-
сутствуют данные о такой важной характеристике,
как ползучесть, в широком интервале температур,
включая рабочую температуру активной зоны. Ис-
следование ползучести имеет большое практическое
значение, так как в процессе эксплуатации материал
находится под длительным воздействием статиче-
ских нагрузок и температур, т.е. фактически в режи-
ме ползучести. Кроме того, ползучесть является эф-
фективным методом испытаний, позволяющим по-
лучить сведения об элементарных актах пластиче-
ской деформации, а значит, о механизмах пластиче-
ского течения материала, и их связи со структурны-
ми характеристиками такими, как размер зерен и со-
стояние их границ, плотность дислокаций, наличие
примесей и т.д.
В настоящее время не вызывает сомнения, что
границы зерен являются активным элементом в
структуре поликристаллов. Достижения последних
лет в исследовании поведения границ зерен в про-
цессе пластического течения материала позволили
установить их важную роль при низкотемператур-
ной и высокотемпературной деформации, и особен-
но при сверхпластичности, проявление которой за-
висит, прежде всего, от размера зерна. Известно [2],
что эффект сверхпластичности наблюдается в мате-
риалах с размером зерна d<10 мкм в определенном
температурно-скоростном диапазоне деформирова-
ния (обычно Тдеф>0,4Тпл, ε=10-4…10-2 с-1). Уменьше-
ние размера зерна приводит к усилению эффекта, и
здесь важно не только увеличение протяженности
границ, но и их состояние, т.е. тип границы, степень
неравновесности структуры, наличие выделений на
границах и т.д., что, в свою очередь, зависит от
способа получения и обработки материала.
Объяснение роли и влияния границ зерен связано
с особенностями действующих механизмов пласти-
ческой деформации. Определенное влияние на про-
явление сверхпластичности оказывают изменения в
температурно-скоростных условиях деформирова-
ния. В данной работе изучены особенности ползуче-
сти и активационные параметры, характеризующие
пластическую деформацию поликристаллического
гафния с разным размером зерна в температурном
интервале 77…650 К с целью определения механиз-
мов, ответственных за пластическое течение матери-
ала в условиях ползучести.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Исследовали поликристаллический гафний мар-
ки ГФЭ-1 чистотой 99,7 мас.% с содержанием
О <0,05 мас.%, Fе=0,03…0,04 мас%, Zr=0,2 мас.% и
средним размером зерна 30 и 10 мкм, отожженный в
течение 1 ч при 1173 К. Исследования ползучести
проводили в режиме ступенчатого нагружения с
приростом напряжения на каждой ступени 4…
5 МПа. Точность измерения удлинения составляла
5·10-5 см.
Эффективные энергию активации Uэф и актива-
ционный объем Vэф определяли с помощью диффе-
ренциальных методик путем изменения температу-
ры на 10% или напряжения в процессе ползучести
по достижении скорости ε=5·10-6 с-1 [3].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Обработка экспериментальных данных показала,
что только при Т=77 К во всем интервале приложен-
_________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 4.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (89), с. 133-137.
133
ных напряжений развитие деформации ползучести ε
со временем испытаний t описывается логарифмиче-
ским законом ε~αlnt (рис. 1, а, б). В интервале тем-
ператур Т=300…650 К деформация ползучести под-
чиняется степенному закону ε~t1/2 (см. рис. 1, в, г).
Это дает возможность предположить, что в районе
температуры Т=300 К происходит изменение меха-
низма ползучести.
Характерными особенностями ползучести во
всем исследованном интервале напряжений и темпе-
ратур, кроме азотной, являются небольшая по ве-
личине мгновенная деформация εм и большие значе-
ния коэффициента α, т.е. большая скорость ползуче-
сти, что может свидетельствовать о наличии од-
новременно процесса деформационного упрочнения
и процесса разупрочнения. Известно [4], что про-
цесс деформации ползучести, протекающий при
определенном равновесии между процессами упроч-
нения и возврата, описываемый степенной функци-
ей, называется ползучестью с возвратом и наблюда-
ется обычно при высоких температурах деформиро-
вания (Т>0,4Тпл). Проявление степенного закона
ползучести при низких температурах (Т<0,2Тпл)
представляется необычным, так как предполагает
наличие релаксационных процессов, не связанных с
термической активацией. Кроме того, в процессе
ползучести наблюдались скачки деформации.
Для образцов со средним размером зерна 30 мкм
величина скачков составляла 50…100 мкм, и реги-
стрировались они начиная с Т=500 К при напряже-
ниях σ=0,9σВ. В материале со средним размером зер-
на 10 мкм при всех температурах, кроме азотной,
обычная деформация ползучести наблюдалась толь-
ко до предела текучести. Выше предела текучести
деформация имела преимущественно скачкооб-
разный характер. Величина скачка составляла ~1 мм
и более.
Рис. 1. Зависимости деформации ползучести ε от времени испытания t:
a, б – при Т=77 К; в, г – при 400 К
Проведенное металлографическое исследование
поверхности образцов показало, что пластическая
деформация гафния при всех температурах испыта-
ния и приложенных напряжениях осуществлялась с
помощью скольжения, следов двойникования не
наблюдалось. После деформации границы зерен
утолщаются и становятся более гладкими, видны
также деформационные складки и дислокационные
линии, идущие от границ. При этом равноосность
зерен сохраняется.
Для выяснения механизмов, контролирующих
пластическое течение при ползучести гафния с раз-
мером зерна 30 мкм, был проведен термоактиваци-
онный анализ. В рамках термофлуктуационной тео-
рии пластической деформации определены актива-
ционные параметры: активационный объем Vэф и
134
134
эффективная энергия активации Uэф, а также пол-
ная энергия активации U0, которые согласно [5]
связаны соотношением U0=Uэф+Vэфτ*, где τ* –ве-
личина эффективного напряжения, соответствую-
щая моменту измерения.
На рис. 2 приведена температурная зависимость
U0 при σ=0,7σВ. Как видно из рисунка, во всем тем-
пературном интервале полная величина барьера не
остается постоянной. Это позволяет заключить, что
процесс пластической деформации в исследован-
ной области температур контролируется не одним,
а несколькими типами препятствий. Большое зна-
чение для определения типа препятствий, контро-
лирующих пластическое течение, имеют также за-
висимости активационных характеристик от напря-
жения.
Рис. 2. Зависимость полной энергии активации U0
от температуры испытания Т при σ=0,7σВ
Проведенные измерения показали, что актива-
ционный объем и полная энергия активации умень-
шаются с увеличением приложенного напряжения
при всех температурах испытания, причем при
T>500 K эта зависимость выражена слабее. Следо-
вательно, величина барьера U0 зависит от степени
дефектности кристаллической решетки, т.е. дефор-
мационные дефекты также являются стопорами на
пути движения скользящей дислокации.
Проанализируем особенности пластического
течения и причины деформационного упрочнения
гафния в процессе ползучести и механизмы,
контролирующие процесс пластической деформа-
ции.
Зависимость U0 от Т (cм. рис. 2) можно разде-
лить на две области. Первая – это область темпера-
тур 77…300 К, где наблюдается рост U0 в три раза
(от 0,3 до 0,9 эВ). Существует несколько типов ба-
рьеров, которые имеют активационные параметры,
близкие к полученным, – это примеси, точечные
дефекты и дислокации леса. Характерная энергия
взаимодействия дислокаций с примесями состав-
ляет согласно [6]- 0,1…0,5 эВ. Однако концентра-
ция примесей в процессе деформации не изменяет-
ся и, значит, активационный объем и полная энер-
гия активации не должны зависеть от степени де-
формации, что противоречит экспериментальным
данным.
Энергия взаимодействия дислокации с меж-
узельными атомами и вакансиями составляет соот-
ветственно 0,2…0,5 и 0,04 эВ [6], а с дислокация-
ми леса 0,5…1 эВ [7]. Концентрация точечных де-
фектов и плотность дислокаций в процессе ползу-
чести может увеличиваться, что приведет к умень-
шению активационного объема с ростом напряже-
ния и согласуется с экспериментом.
С помощью соотношения V=bdl~b2d (V – акти-
вационный объем; b – вектор Бюргерса; d – ширина
барьера) можно определить длину дислокационно-
го сегмента l, принимающего участие в элементар-
ном акте скольжения. Расчет показывает, что
l=1,5·10-6 cм. Расстояние между барьерами, которые
могут контролировать термоактивированное дви-
жение дислокаций в гафнии, определяли по схеме,
описанной в работе [8]. Получили среднее расстоя-
ние между точками закрепления дислокационной
линии на примесях ln=3·10-7 см, расстояние между
дислокациями в зерне lr=1,4·10-5 см. Сравнение
этих значений показывает, что в условиях экспери-
мента ни один из рассмотренных типов препят-
ствий в отдельности не контролирует пластиче-
скую деформацию в этой области температур. От-
сюда следует, что пластическое течение гафния в
интервале Т=77…300 К обусловлено движением
дислокаций в плоскости скольжения и контролиру-
ется их взаимодействием с примесями, межузель-
ными атомами и дислокациями леса, что определя-
ет величину эффективных напряжений.
Рассмотрим теперь причины увеличения даль-
нодействующих напряжений и деформационного
упрочнения гафния в процессе ползучести. Опреде-
лим среднюю длину пробега дислокаций до дли-
тельных остановок перед препятствиями L, обу-
словливающими деформационное упрочнение при
ползучести, по формуле L=α2G2b/h2 [9], где α – по-
стоянная, зависящая от типа дислокации;
G=6,8·103 МПа – модуль сдвига [10]; b – вектор
Бюргерса; h – структурный параметр материала,
определяемый экспериментально. Расчет дает ве-
личину L~1,5 мкм при Т=77…300 К. Возможными
стопорами, возле которых накапливаются дислока-
ции, могут быть границы зерен и дислокации дру-
гих плоскостей скольжения. Размер зерна, по
крайней мере, на порядок больше, чем длина про-
бега дислокаций, а расстояние между дислокация-
ми наиболее близко к величине L. Таким образом,
можно предположить, что наиболее существенное
влияние на деформационное упрочнение оказыва-
ют дислокационные скопления, образующиеся в
результате взаимной блокировки дислокаций пер-
вичной и вторичной систем скольжения.
В области температур 300…650 К величина U0
изменяется от 0,9 до 1,2 эВ (см. рис. 2). Постоян-
ный рост полной величины барьера с увеличением
температуры свидетельствует о возрастании роли
высокоэнергетичных препятствий, в частности дис-
локаций леса, как барьеров для скользящих дисло-
каций. В этих условиях наблюдаемая деформация
может быть связана с механизмом пересечения
дислокаций или механизмом поперечного скольже-
135
135
ния, так как полная энергия активации близка по
величине к энергии активации, которая требуется
для переползания дислокации. Средняя длина про-
бега дислокаций до длительных остановок L увели-
чивается и составляет 10 мкм при Т=500 К, что со-
поставимо с размером зерна и, следовательно, гра-
ницы зерен являются основными источниками
дальнодействующих напряжений. Кроме того, судя
по величине полной энергии активации, границы
зерен не могут быть преодолены отдельно движу-
щейся дислокацией. В то же время они являются
препятствиями, у которых образуются дислокаци-
онные скопления, рассасывающиеся путем пере-
ползания дислокаций в объеме зерен или вдоль гра-
ниц [11]. Границы зерен также служат источниками
и стоками дислокаций и вакансий. Переползание
вдоль границ способствует возникновению сколь-
жения по границам или зернограничного проскаль-
зывания.
Таким образом, можно предположить, что в об-
ласти температур 300…650 К пластическое течение
обусловлено совместным действием механизмов,
обеспечивающих упрочнение и возврат, а именно:
механизмом внутризеренного скольжения, контро-
лируемого преимущественно дислокациями леса и
дислокационными скоплениями; механизмом диф-
фузионной ползучести и зернограничным про-
скальзыванием. Вклад каждого из этих механизмов
в общую деформацию материала может изменяться
в зависимости от температуры и напряжения. Так, с
ростом температуры и напряжения упрочнение,
обусловленное образованием скоплений, становит-
ся незначительным вследствие их легкой релакса-
ции при зарождении дислокаций на границах зерен,
а возврат, определяемый поглощением дислокаций
и развитием зернограничного проскальзывания,
имеет высокую скорость, что объясняет появление
больших мгновенных деформаций-скачков, наблю-
даемых в процессе ползучести гафния со средним
размером зерна 30 мкм при температурах, начиная
с 500 К, и напряжениях, близких к пределу прочно-
сти.
Как отмечалось выше, исследование гафния со
средним размером зерна 10 мкм показало, что при
77 К наблюдается обычная логарифмическая пол-
зучесть; при Т=300 К закон ползучести изменяется
на степенной и наблюдается ползучесть с возвра-
том, но только при напряжениях вблизи предела те-
кучести. При напряжениях выше предела текучести
ползучесть имеет преимущественно скачкооб-
разный характер, что характерно для всего интер-
вала температур 300…650 К. Согласно проведен-
ным выше оценкам, длина свободного пробега дис-
локаций до длительных остановок изменяется от
1,5 до 10 мкм в этом температурном интервале, что
для данного материала в любом случае сопостави-
мо с размером зерна. Отсюда следует, что роль эф-
фективных напряжений в развитии пластической
деформации уменьшается и ползучесть контроли-
руется полями дальнодействующих напряжений,
источниками которых являются границы зерен.
Внутризеренное скольжение развивается только
при напряжениях ниже предела текучести, способ-
ствуя образованию дислокационных скоплений на
границах зерен и росту дальнодействующих напря-
жений. По достижении определенного уровня
напряжений происходит скачок деформации, т.е.
релаксация напряжений в результате образования
новых дислокаций, источником которых служат
границы зерен, и (или) зернограничного проскаль-
зывания. Тот факт, что особенности деформации,
характерные для высоких температур (Т>0,4Тпл),
наблюдаются в нашем случае при низких темпера-
турах (Т<0,2Тпл.), означает, что низкая скорость де-
формирования в условиях ползучести (10 6…10 7с-1)
и структура зерен, сформированная в процессе
предварительной обработки материала (плотность
внутризеренных дислокаций и состояние границ),
создают условия, при которых зернограничное про-
скальзывание становится механизмом, дающим
основной вклад в общую деформацию материала. В
этих условиях внутризеренная деформация и диф-
фузионная ползучесть играют аккомодационную
роль, способствуя развитию проскальзывания. Та-
ким образом, можно заключить, что, уже начиная с
комнатной температуры, мы наблюдаем проявле-
ние сверхпластической деформации. Это соответ-
ствует известным в литературе представлениям
[11].
ВЫВОДЫ
Изучена ползучесть поликристаллического гаф-
ния со средним размером зерна 10 и 30 мкм в ши-
рокой области температур и напряжений.
Показано, что пластическая деформации мате-
риала с размером зерна 30 мкм в условиях ползуче-
сти при Т<300 К обусловлена движением дислока-
ций в плоскости скольжения и контролируется их
взаимодействием с примесями, точечными дефек-
тами и дислокациями леса. При Т=300…650 К за-
висимость деформации ползучести от времени ис-
пытания подчиняется степенному закону, что сви-
детельствует о наличии динамического равновесия
между процессами упрочнения и возврата. Пред-
ставляется, что пластическое течение при этом обу-
словлено совместным действием трех механизмов:
поперечного скольжения, диффузионной ползуче-
сти и зернограничного проскальзывания, вклад
каждого из которых в деформацию материала зави-
сит от температуры испытания и приложенного
напряжения.
При исследовании гафния со средним размером
зерна 10 мкм обнаружено, что во всем исследован-
ном интервале температур, кроме азотных, обыч-
ная деформация ползучести наблюдается только
при напряжениях, ниже предела текучести матери-
ала. Выше предела текучести механизм пластиче-
ского течения изменяется, деформация развивается
скачками, и основным механизмом, ответственным
за пластическое течение материала, становится зер-
нограничное проскальзывание, что свидетельствует
о проявлении сверхпластической деформации.
ЛИТЕРАТУРА
136
136
1.Ю.Ф. Конотоп, Н.П. Одейчук, В.С. Красноруц-
кий. Современное состояние проблемы поглощаю-
щих нейтроны материалов и изделий на их основе
для реакторов типа ВВЭР-1000: Аналитический
обзор. Харьков: ННЦ ХФТИ, 1998, с. 68–78.
2.О.А. Кайбышев., Р.З. Валиев. Границы зерен и
свойства металлов. М.: «Металлургия», 1987,
212 с.
3.В.К. Аксенов, И.А. Гиндин, В.П. Лебедев,
Я.Д. Стародубов. Структурные и активационные
характеристики ползучести никеля в интервале
температур 4,2-140 К //ФНТ. 1980, т. 6, №1,
с. 118–129.
4.В.М. Розенберг. Ползучесть металлов. М.: «Ме-
таллургия», 1967, 275 с.
5.А. Ивенс, Р. Роулингс. Термически активирован-
ные процессы в кристаллах. М.: «Мир», 1973,
с. 208.
6.Ван Бурен. Дефекты в кристаллах. М.: «Ино-
странная литература», 1962, с. 166.
7.Ж. Фридель. Дислокации. М.: «Мир», 1967,
с. 643.
8. Е.В. Карасева, В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов,
Т.А. Дергач. Механические свойства и ползучесть
образцов из труб-оболочек ТВЭЛ из сплава Zr1Nb
в температурном интервале 77…650К //Вопросы
атомной науки и техники. Серия «Физика радиа-
ционных повреждений и радиационное материало-
ведение» (86). 2004, №3, с. 94–98.
9.И.Н. Христенко, И.И. Папиров, Г.Ф. Тихинский,
В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов. Природа пластической
деформации циркония. Харьков: Препринт ХФТИ
АН УССР, 1976, 29 с.
10.В.С. Оковит, Л.А. Чиркина, Я.Д. Стародубов,
В.И. Соколенко, В.В. Калиновский, К.В. Ковтун,
Р.В. Ажажа. Диссипативные и механические свой-
ства гафния в интервале температур 70-950 К //Во-
просы атомной науки и техники. Серия «Вакуум,
чистые металлы, сверхпроводники» (14). 2004, №6,
с. 34–38.
11.М.В. Грабский. Структурная сверхпластич-
ность металлов. М.: «Металлургия», 1975, 280 с.
ОСОБЛИВОСТІ ПОВЗУЧОСТІ І МЕХАНІЗМИ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ
ПОЛІКРИСТАЛІЧНОГО ГАФНІЮ В ІНТЕРВАЛІ ТЕМПЕРАТУР 77...650 К
Є.В. Карасьова, В.І. Соколєнко, К.В. Ковтун, Р.В. Ажажа
Вивчені особливості повзучості полікристалічного гафнію в інтервалі температур 77...650К і за допомогою
термоактіваційного аналізу визначено тип перешкод, контролюючих пластичну течію матеріалу. На підставі цього
проаналізовані механізми відповідальні за пластичну деформацію гафнію в цій області температур. Показано, що
спостережувана повзучість є термічно активованим процесом і при всіх температурах, окрім азотної, описується
степінним законом, що свідчить про динамічну рівновагу між процесами зміцнення і повернення під час деформації.
Протікання цих процесів обумовлено сумісною дією трьох механізмів - поперечного ковзання, дифузійної повзучості та
прослизання по межам зерен. Внесок кожного з цих механізмів в загальну деформацію матеріалу залежить від
температури випробування, рівня прикладених напруг і розміру зерна. Так зменшення розміру зерна до 10 мкм
приводить до переважання ковзання по межах зерен, що дозволяє говорити про прояв надпластичної деформації.
FEATURES OF CREEP AND MECHANISMS OF A PLASTIC STRAIN OF POLYCRYSTALLIC
HAFNIUM IN THE INTERVAL TEMPERATURES 77…650 K
E.V. Karaseva, V.I. Sokolenko, K.V. Kovtun, R.V. Azhazha
Characteristics of creep of polycrystalline hafnium in the temperature range 77...650К are studied and with the help of ther-
moactive analysis the type of the barriers controlling plastic flow of a material is defined. Ground it mechanisms responsible for
plastic strains of hafnium in this range of temperatures are analyzed. It is shown, that observable creep is thermally activated pro-
cess and at all temperatures, except for nitrogenous, is featured by the power law that testifies to dynamic equilibrium between
processes of a strengthening and recovery during a strain. Action of these processes is stipulated by combined action of three
mechanisms - transversal slipping, diffusive creep and slipping at the grain boundaries. The contribution of each of these mecha-
nisms to a total strain of a material depends on test temperature, level of applied stress and grain size. So decrease of a grain size
up to 10 µm results in predominance of slipping at the grain boundaries, that allows to speak about exhibiting a superplastic
strain.
137
137
|