Ступенчатая ползучесть свинца

Приведены результаты исследования ступенчатой ползучести поликристаллического свинца в условиях
 действия сдвигового напряжения. Предложен механизм, в рамках которого ступенчатая деформация объясняется периодическим размножением дислокаций вследствие диффузионных процессов, происходящих в&a...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Вопросы атомной науки и техники
Дата:2009
Автор: Могильникова, Т.Т.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2009
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90705
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Ступенчатая ползучесть свинца / Т.Т. Могильникова // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 42-46. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860175769711411200
author Могильникова, Т.Т.
author_facet Могильникова, Т.Т.
citation_txt Ступенчатая ползучесть свинца / Т.Т. Могильникова // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 42-46. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Приведены результаты исследования ступенчатой ползучести поликристаллического свинца в условиях
 действия сдвигового напряжения. Предложен механизм, в рамках которого ступенчатая деформация объясняется периодическим размножением дислокаций вследствие диффузионных процессов, происходящих в
 ядре дислокации. Приведені результати дослідження ступінчастої повзучості полікристалічного свинцю в умовах дії напруги зсування. Запропонований механізм, в межах якого ступінчаста деформація пояснюється періодичним
 розмноженням дислокацій унаслідок дифузійних процесів, що відбуваються в ядрі дислокації. The results of research of step creep of polycrystalline lead are presented the conditions of action of a shear
 stress. A mechanism, within the framework of which the step deformation is explained by periodic reproduction of
 dislocations because of diffusive processes, what be going on in the dislocation core.
first_indexed 2025-12-07T18:00:10Z
format Article
fulltext 42 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2009. №6. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (18), с. 42-46. УДК 539.434 СТУПЕНЧАТАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ СВИНЦА Т.Т. Могильникова Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина Приведены результаты исследования ступенчатой ползучести поликристаллического свинца в условиях действия сдвигового напряжения. Предложен механизм, в рамках которого ступенчатая деформация объяс- няется периодическим размножением дислокаций вследствие диффузионных процессов, происходящих в ядре дислокации. ВВЕДЕНИЕ Одним из видов макроскопического проявления неоднородности деформации является ступенчатая ползучесть. Проявление ступенчатой ползучести заключается в том, что при постоянной нагрузке и температуре скорость ползучести изменяется немо- нотонно. Периодические колебания скорости опре- деляют ступенчатый характер ползучести. Такое состояние возникает лишь в узком диапазоне усло- вий деформирования (при определенном сочетании напряжения и температуры, характерных для данно- го материала). Временная длительность деформаци- онной ступеньки может составлять для различных металлов от нескольких секунд до десятков минут. Ступенчатая ползучесть исследовалась многими авторами, однако до сих пор вопрос о природе элементарных физических процессов, вызывающих немонотонное изменение деформации, остается дискуссионным. Авторы ряда работ считают, что наличие скачков обусловлено задержкой и после- дующим преодолением дислокациями различного рода препятствий, имеющихся в структуре мате- риала, а также возникающих в процессе деформи- рования [1,2]. В работах последних лет немонотон- ное течение в процессе ползучести под действием постоянных сжимающих напряжений при комнат- ной температуре наблюдалось на ряде металлов (Al, Ag, Bi, Cu, Pb, Zn Sn), а также на кристаллах фтористого лития и полимерных материалах [3,4]. Периодическое изменение скорости ползучести авторы объясняют гетерогенностью структуры ма- териала. Ранее при исследовании поликристаллического свинца в условиях чистого сдвига при комнатной температуре скачкообразной деформации обнару- жено не было. Рожанский при растяжении моно- кристалла свинца на кривой ползучести наблюдал неоднородности деформации длительностью в не- сколько секунд. В работе [4] наблюдалось перио- дическое появление скачков ползучести крупно- зернистого свинца при действии постоянных сжи- мающих напряжений, не превосходящих предел текучести. Были определены средние значения скачков деформации при различных степенях об- щей деформации. Величину скачков деформации авторы связывают с размерами неоднородностей, характерных для данного материала. Рожанский в работе [5] отмечал, что нестабильность деформа- ции при ступенчатой ползучести несколько секунд и более, вероятно, вызывается не только прорывом дислокаций через препятствия, но и временной ак- тивностью дислокаций. Настоящие исследования проводились с целью выявления особенностей ползучести свинца при напряжениях как значительно меньше, так и превос- ходящих предел текучести. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Исследования ползучести проводились на свинце чистоты 99,98%. Проволочные образцы диаметром 2,9 мм, длиной рабочей части 60 мм получали путем выдавливания на прессе при помощи матрицы и пуансона. Образцы отжигались в вакууме порядка 10-5мм рт. ст. при температуре 160 °C в течение двух часов. После отжига средний размер зерна составлял 20…25 мкм. Измерения проводились при комнатной температуре в атмосфере воздуха при действии на образец постоянного касательного напряжения на установке, описанной в [6]. Интервал напряжений 0,82...8,01 МПа. Для определения деформации в процессе ползучести использовалась зеркальная система. Разрешающая способность такой системы составляла 6,6·10-7 отн. ед. Измерения проводились в течение 1 ч с интервалом в 1 мин. При каждом напряжении выполнялись 3 опыта. Графики по- строены по усредненным результатам этих опытов. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ На рис. 1 показана типичная кривая ползучести свинца при напряжении ниже предела текучести, построенная в координатах "деформация-время". Кривая ползучести носит ступенчатый характер. В результате проведенных опытов установлен ряд закономерностей. 1. Ступеньки появляются на стадии установив- шейся ползучести при напряжениях 0,82...5,31 МПа. Скорость ползучести при этом резко возрастает. Этот процесс периодически повторяется. 2. Время от начала ползучести до появления первой ступеньки t0 ("инкубационный период") за- висит от приложенного напряжения (рис. 2). По ме- ре увеличения напряжения от 0,82 до 5,13 МПа t0 возрастает от 5 до 20 мин. 3. Протяженность участков с минимальной ско- ростью Δt при одном и том времени от начала про- цесса ползучести зависит от напряжения (рис. 3). Время деформирования между ступеньками при возрастании напряжения резко сокращается, частота образования ступенек становится настолько боль- шой, что они сливаются друг с другом. При напря- жении выше 5,13 МПа кривая ползучести приобре- тает плавный ход без признаков ступенчатости. 0 300 600 900 1200 1500 0 2 4 6 8 10 12 tc γc Δt γ⋅ 10 6 t, сек Рис. 1. Кривая ползучести свинца 0 2 4 6 240 480 720 960 t 0, ñå ê 1200 τ, Ì Ï à Рис.2. Зависимость "инкубационного периода" t0 от напряжения τ 1 2 3 4 5 6 0 720 480 τ, Ì Ï à Δ t, ñå ê 240 Рис. 3. Зависимость Δt от напряжения τ 4. Протяженность Δt при постоянном напряже- нии зависит также от времени и меняется в процессе ползучести. На рис. 4 приведена зависимость Δt от времени ползучести t при напряжении 2,04 и 3,63 МПа. Из графика следует, что Δt с течением времени повышается от ~2 до 10 мин, т.е. в 5 раз (кривая 1). Чем выше напряжение, тем меньше раз- ница между Δt на начальной стадии ползучести и на более поздней стадии процесса (кривая 2). 0 600 480 360 240 120 36002400 Δ t, ñ åê ê 1 2 1200 6 t, ñå Рис. 4. Зависимость Δt от времени ползучести t: 1 – 2,04 МПа; 2 – 3,63 МПа 5. Средняя протяженность ступеньки tc при по- стоянном напряжении изменяется во времени от 2 до 7 мин в зависимости от приложенного напряже- ния. В интервале напряжений 0,82...5,31 МПа изме- нение tc носит немонотонный характер (рис. 5). При напряжении 2,85...3,63 МПа tc достигает максималь- ного значения как в начале ползучести, так и по ис- течении длительного времени (1 ч). 6. Деформация, обусловленная появлением сту- пеньки γс, практически не изменяется в процессе ползучести при постоянном напряжении, но зависит от приложенного к образцу напряжения. При на- пряжении 0,82...2,85 МПа значение γс постоянно, при 2,85...3,63 МПа происходит резкое увеличение γс (в 2 раза), при более высоких значениях напряже- ний высота ступеньки остается неизменной (рис. 6). 2 4 240 360 t ñ, ñå ê à 1 2 120 τ, Ì Ï Рис. 5. Зависимость протяженности ступеньки tc от напряжения τ: 1- в начале процесса ползучести; 2 – на более позднем этапе ползучести t, с Δ t, с t, с t 0, с τ, МПа t, с Δt , с τ, МПа τ, МПа 43 0 1 2 3 4 5 1,0 1,5 2,0 τ, Ì Ï à γ ñ ·1 06 Рис. 6. Зависимость высоты ступеньки γс от напряжения τ Возрастание "инкубационного периода" t0 с уве- личением напряжения вызвано упрочнением образ- ца, возникающего под действием приложенного груза. "Мгновенная деформация" при напряжении 0,82...5,13 МПа возрастает от 0,82·10-5 до 3,7·10-4 соответственно, значительно превышая деформа- цию на неустановившейся стадии ползучести. Чем больше "мгновенная деформация", тем больше вре- мени на стадии неустановившейся ползучести необ- ходимо для формирования дислокационной струк- туры, характерной для стадии установившейся пол- зучести, обусловливающей изменение скорости пол- зучести от напряжения. Первая ступенька на кривой ползучести образу- ется при наименьшем напряжении 0,82 МПа спустя 5 мин от начала ползучести. Это напряжение соот- ветствует величине микроскопического предела уп- ругости τS свинца, т.е. минимальному напряжению, характеризующему начало развития необратимых процессов в образце [7]. В работе [8] установлено, что потери на микропластическую деформацию обусловлены в основном размножением дислока- ций. Это дает возможность считать, что появление ступеньки связано с размножением дислокаций. Уп- рочнение образца, вызванное "мгновенной дефор- мацией", приводит к увеличению микроскопическо- го предела упругости (рис.7). Это обусловливает повышение напряжения, при котором образуется первая ступенька. Это согласуется с тем, что повторное нагружение образца в пределах микроупругости приводит к по- вышению микроскопического предела упругости [9]. Зависимость микроскопического предела упру- гости от "мгновенной деформации" аналогична за- висимости τS для никеля и меди от предварительной пластической деформации, не превышающей де- формацию, соответствующую III стадии упрочнения [10]. Одним из возможных механизмов образования новых дислокаций является механизм Франка-Рида. Алефельд и Бауэр предложили рассматривать про- цесс освобождения дислокационных сегментов как постепенное диффузионное перераспределение то- чечных дефектов под влиянием внешнего напряже- ния. Вследствие перераспределения точечных де- фектов увеличивается эффективная длина дислока- ционного сегмента. Таким образом, при действии на образец постоянного напряжения протекают два различных, но связанных между собой процесса: направленная диффузия в ядре дислокации, приво- дящая к увеличению длины дислокационных сег- ментов, и размножение дислокаций, если прило- женное напряжение достаточно для того, чтобы об- разовавшиеся свободные сегменты могли испускать дислокации. γ с ·1 06 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 2 3 4 5 6 τ S , Ì Ï à γì ã⋅105 Рис. 7. Зависимость микроскопического предела упругости τs от "мгновенной деформации" γмг τ, МПа τ s , М П а ·105γмг Для протекания процесса перераспределения то- чечных дефектов вдоль дислокации необходимо, чтобы диффузия в ядре дислокации происходила легче, чем обмен точечными дефектами между дис- локацией и объемом зерна. По-видимому, это требо- вание достаточно хорошо выполняется при описан- ных условиях эксперимента. Подтверждением этому служит тот факт, что энергия активации диффузии в ядре дислокации в 2,6 раза ниже энергии активации объемной самодиффузии в свинце [11]. Более низ- кие энергии активации дают основание предполо- жить, что скорость ползучести при промежуточных температурах (0,3 Тпл< T <0,6 Тпл) контролируется диффузией вдоль дислокационных ядер [12]. На- блюдаемые закономерности немонотонной ползуче- сти можно качественно объяснить в рамках зарож- дения дислокаций в процессе ползучести в структу- ре, возникшей под действием "мгновенной дефор- мации" и температуры. Источниками дислокаций могут служить свободные дислокационные сегмен- ты. Длина сегментов изменяется в зависимости от приложенного напряжения, предыстории образца, а также вследствие диффузии в ядре дислокации. Ес- ли длины свободных дислокационных сегментов сравнимы по величине с длиной источника Франка- Рида, происходит генерация дислокаций при раз- личных уровнях напряжения. Исходя из этого, дли- на свободного дислокационного сегмента, способ- ного активироваться при заданном уровне напряже- ния, была оценена по формуле: 44 C S G bl τ = , где Sτ - микроскопический предел упругости. По- лученные значения приведены в таблице. Cl Длина свободного дислокационного сегмента свинца при разных напряжениях τ, МПа Cl , мкм 0,82 2,04 5,13 2,56 1,03 0,356 Естественно, что более длинные сегменты акти- вируются раньше, чем более короткие. Вновь образовавшиеся дислокации при скольже- нии на своем пути встречают различного рода пре- пятствия. В процессе деформации дислокации за- тормаживаются. Локальное поле напряжений затор- моженных дислокаций будет возрастать с увеличе- нием деформации пропорционально числу затормо- женных дислокаций. Когда поле напряжений дос- тигнет уровня, необходимого для преодоления поля напряжения препятствия, направленного против приложенного напряжения, происходит прорыв дислокаций. Это приводит к появлению ступеньки на кривой ползучести. При напряжениях, ниже мак- роскопического предела упругости, высота ступень- ки γст равна 10-6, при напряжениях, превосходящих макроскопический предел упругости, значение γст возрастает в 2 раза и при дальнейшем увеличении напряжения остается неизменным (см. рис. 6). Ав- торы работы [4] наблюдали увеличение колебания скорости ползучести на мелкозернистом алюминии, соответствующее скачку деформации, от 1,2 мкм при очень низких напряжениях до 1,7 мкм при на- пряжениях, составляющих почти половину предела текучести. Высота ступеньки при относительной деформации 10-6 соответствует сдвигу на поверхно- сти образца 1,3 мкм, что находится в хорошем со- гласии с работой [4]. Песчанская с сотрудниками также определили изменения скачков деформации при разных степенях общей деформации: для моно- кристалла алюминия минимальный скачок состав- лял 1,1...0,8 мкм, для олова с величиной зерна 50…70 мкм – 1,4; 1,2 мкм. У крупнозернистого свинца (90…110 мкм) минимальный скачок равен 1,3; 0,9 мкм, максимальный – 100; 120 мкм. Авторы сделали вывод о том, что максимальный пробег дислокации равен размеру зерна. Минимальное зна- чение пробега может означать, что барьеры для движущейся дислокации могут создаваться в про- цессе деформирования и действующего напряжения, недостаточного для продвижения дислокации через все зерно. Период времени ∆t следует рассматривать как время, необходимое для образования свободных дислокационных сегментов, способных генериро- вать дислокации. При постоянном напряжении ∆t с течением времени возрастает (см. рис.4). Сначала активируются более длинные дислокационные сег- менты. Для активации более коротких сегментов необходимо образование свободных сегментов, длина которых удовлетворяет условиям Франка- Рида. Время для образования таких сегментов ∆t возрастает. При увеличении напряжения величина ∆t, наоборот, снижается (см. рис. 3), так как состав- ляющая напряжения вдоль дислокации, под дейст- вием которой происходит перемещение точек за- крепления в ядре дислокации, увеличивается. Сту- пенька определяется двумя параметрами: высотой γс и протяженностью tc. Протяженность ступеньки, по- видимому, характеризует процесс размножения дислокаций. Однако при увеличении напряжения tc изменяет- ся немонотонно как в начале процесса ползучести, так и на более позднем этапе. При повышении на- пряжения в пределах макроупругости tc возрастает от 2 до 5 мин, при τ~3,5 МПа tc достигает макси- мального значения (7 мин), при дальнейшем повы- шении τ величина tc резко снижается и составляет 2 и 4 мин в начале и конце процесса соответственно. Из графиков (см. рис. 5, 6) следует, что при дости- жении напряжения, равного пределу текучести, как высота, так и протяженность ступеньки резко воз- растают. Оценка количества дислокаций, обусловливаю- щих появление ступеньки величиной 10-6, дает зна- чение 103. Это не противоречит оценочным данным, приведенным в работах [13,14]. Естественно, что такое количество дислокаций обеспечивается рабо- той многих источников. Деформация, приходящаяся на участки с уско- ренной ползучестью, зависит от напряжения. При напряжении 2,04 МПа деформация, вызванная сту- пеньками в течение 1 ч, достигает ~50% общей де- формации. Остальная доля общей деформации свя- зана, по-видимому, с другими механизмами ползу- чести. ВЫВОД Ступенчатая ползучесть обусловлена периодиче- ским размножением дислокаций вследствие диффу- зионных процессов, протекающих в ядре дислока- ции. ЛИТЕРАТУРА 1. В.Н. Рожанский, Ю.В. Горюнов, Е.Д. Щукин. Исследование скачкообразной деформации методом электропроводности // ФММ. 1956, т. 3, в. 1, с. 113- 126. 2. Л.Н. Быстров, Л.И. Иванов, Д.А. Прокошкин. Ползучесть меди и сплавов медь-никель при круче- нии // Известия Академии наук СССР, ОТН. Метал- лургия и топливо. 1962, № 5, с. 197-209. 3. В.В. Шпейзман, Н.Н. Песчанская, Б.И. Смир- нов. Немонотонность ползучести кристаллов LiF с разным содержанием Mg // ФТТ. 1998, т. 40, № 4, с. 690-693. 4. Н.Н. Песчанская, В.В. Шпейзман, А.В. Сина- ни, Б.И. Смирнов. Скачки деформации микронного уровня на разных стадиях ползучести кристалличе- ских тел // ФТТ. 2004, т. 46, в. 11, с. 1991-1995. 45 10. Т.Т. Могильникова, Т.А. Молодкина, Л.М. Нероденко, Б.А. Мовчан. Сравнительный ана- лиз влияния пластической деформации на микро- скопический предел упругости меди и никеля // Проблемы прочности. 1988, № 7, с. 47-49. 5. В.Н. Рожанский. Неравномерности пластиче- ской деформации кристаллов // УФН. 1958, т. LXV, № 3, с. 388-406. 6. Р.И. Гарбер, Т.Т. Могильникова, Г.Г. Чечель- ницкий, В.И. Коваленко. Установка для исследова- ния внутреннего трения при крутильных колебаниях // Машины и приборы для испытания материалов. М.: «Металлургия», 1968, с. 119-121. 11. Р.И. Гарбер, Т.Т. Могильникова. Частотная зависимость микропластических потерь в свинце // Взаимодействие между дислокациями и атомами примесей и свойства металла. Тула: Изд-во Туль- ского политехнического института, 1974, с. 122-127. 7. Р.И. Гарбер, Т.Т. Могильникова. К вопросу об определении предела упругости реальных твер- дых тел // ФММ. 1962, т. 13, в. 2, с. 314-315. 12. S.L. Robinson, O.D. Sherly. Mechanical behav- ior of polycrystalline tungsten at elevated temperature // Acta Metallurgyca. 1969, v. 17, № 2, р. 109-125. 8. Р.И. Гарбер, Т.Т. Могильникова. Размноже- ние дислокаций при совместном воздействии пе- риодических и нарастающих напряжений // Кри- сталлография. 1969, т. 14, № 1, с. 137-139. 13. В.И. Лихтман, Е.Д. Щукин, П.А. Ребиндер. Физико-химическая механика металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1962, 303 с. 9. Р.И. Гарбер, Т.Т. Могильникова. Влияние предварительной деформации на истинный предел упругости и микроскопические потери твердого те- ла // Механизмы внутреннего трения в твердых те- лах. М.: «Наука», 1976, с. 85-87. 14. Л.Н. Загоруйко, А.Н. Осецкий, В.П. Солдатов. Скачкообразная деформация монокристаллов цинка в условиях ползучести // ФММ. 1977, т. 43, в. 5, с. 1079- 1087. Статья поступила в редакцию 31.03.2009 г. СТУПІНЧАСТА ПОВЗУЧОСТЬ СВИНЦЮ Т.Т. Могильнікова Приведені результати дослідження ступінчастої повзучості полікристалічного свинцю в умовах дії на- пруги зсування. Запропонований механізм, в межах якого ступінчаста деформація пояснюється періодичним розмноженням дислокацій унаслідок дифузійних процесів, що відбуваються в ядрі дислокації. STEP CREEP OF LEAD T.T. Mogilnikova The results of research of step creep of polycrystalline lead are presented the conditions of action of a shear stress. A mechanism, within the framework of which the step deformation is explained by periodic reproduction of dislocations because of diffusive processes, what be going on in the dislocation core. 46 Т.Т. Могильнікова T.T. Mogilnikova
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-90705
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:00:10Z
publishDate 2009
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Могильникова, Т.Т.
2016-01-02T13:24:30Z
2016-01-02T13:24:30Z
2009
Ступенчатая ползучесть свинца / Т.Т. Могильникова // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 6. — С. 42-46. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90705
539.434
Приведены результаты исследования ступенчатой ползучести поликристаллического свинца в условиях&#xd; действия сдвигового напряжения. Предложен механизм, в рамках которого ступенчатая деформация объясняется периодическим размножением дислокаций вследствие диффузионных процессов, происходящих в&#xd; ядре дислокации.
Приведені результати дослідження ступінчастої повзучості полікристалічного свинцю в умовах дії напруги зсування. Запропонований механізм, в межах якого ступінчаста деформація пояснюється періодичним&#xd; розмноженням дислокацій унаслідок дифузійних процесів, що відбуваються в ядрі дислокації.
The results of research of step creep of polycrystalline lead are presented the conditions of action of a shear&#xd; stress. A mechanism, within the framework of which the step deformation is explained by periodic reproduction of&#xd; dislocations because of diffusive processes, what be going on in the dislocation core.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Чистые материалы и вакуумные технологии
Ступенчатая ползучесть свинца
Ступінчаста повзучость свинцю
Step creep of lead
Article
published earlier
spellingShingle Ступенчатая ползучесть свинца
Могильникова, Т.Т.
Чистые материалы и вакуумные технологии
title Ступенчатая ползучесть свинца
title_alt Ступінчаста повзучость свинцю
Step creep of lead
title_full Ступенчатая ползучесть свинца
title_fullStr Ступенчатая ползучесть свинца
title_full_unstemmed Ступенчатая ползучесть свинца
title_short Ступенчатая ползучесть свинца
title_sort ступенчатая ползучесть свинца
topic Чистые материалы и вакуумные технологии
topic_facet Чистые материалы и вакуумные технологии
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/90705
work_keys_str_mv AT mogilʹnikovatt stupenčataâpolzučestʹsvinca
AT mogilʹnikovatt stupínčastapovzučostʹsvincû
AT mogilʹnikovatt stepcreepoflead