книги из ГПНТБ / Монокристаллы молибдена и вольфрама

§ 21. Действие циклических теплосмен

на монокристаллы в интервале 17— 700°С

В явлении термической усталости металлов эволюция исходной дислокационной структуры и механизм образования из нее впо­ следствии специфической усталостной субструктуры изучены весь­ ма слабо. Одна из причин этого — отсутствие надлежащих травителей, выявляющих дислокации в термоциклированном металле. В молибдене нам удалось это сделать с помощью электролита, состоящего из 20 мл метилового спирта и 80 мл концентрированной серной кислоты [100]. Никакими другими известными травителями происходящие при данном режиме дислокационные изменения выявить не удавалось. Для вольфрама удобным оказался травитель Вольфа [292], действие которого не связано с эффектом деко­ рирования дислокаций примесями.

Использование указанных травителей дало возможность де­ тально проследить за последовательно протекающими дислокаци­ онными изменениями в монокристаллах при их термоциклировании

в литературе еще не описаны.

Дислокационная перестройка субструктуры. Мы будем опи­ раться на данные по монокристаллам молибдена, изученным наи­ более подробно и после большего числа циклов теплосмен, лишь в нужных местах оттеняя некоторые моменты размножения дислока­ ций микрофотографиями со шлифов термоциклированных моно­ кристаллов вольфрама.

При циклическом термическом воздействии по режиму 17^=!: 700°С в монокристаллах с первых же циклов теплосмен начи­ нается интенсивное размножение дислокаций [93, 100]. Внутри блоков мозаики контрольных образцов ямки травления располо­ жены довольно редко и хаотично. Субграницы выявляются в виде рядов или цепочек из ямок травления. Уже после 10 циклов тепло­

среди множества новых ямок травления. Однако границы блоков еще не теряют своей индивидуальности.

После 25 циклов теплосмен размножение дислокаций в моно­ кристаллах начинает приобретать характерную для этого процесса гнездообразность (фото 20 6). Большая часть границ блоков «раз­ мывается» {полностью, поскольку субграницы служат мощными генераторами новых дислокаций, которые мы назовем дислокация­ ми «деформации». Размытие субграниц монокристаллов наглядно иллюстрируются фото 21, где при большом увеличении показан участок размывающейся субграницы после 150 циклов теплосмен, В результате непрекращающегося размножения дислокаций исход­ ные субграницы превращаются в широкие полосы, составленные из

110

граней (100) были выведены направления [010] и [001]. Углы между этими направлениями и границами полигонов оказались равными О, 45 и 90°. Это доказывает, что протравленные границы полиго­ нов— следы выхода дислокаций, лежащих в плоскостях (ПО) и (112). Последние наклонены к поверхности исследуемых шлифов иод углом 35°.

Возникающая в процессе циклических термических воздействий полигональная субструктура монокристаллов, как показали даль­ нейшие исследования, оказывается нестабильной. На тех же шли­ фах, на которых после 3500 циклов теплосмен видна четкая полигонизация, можно обнаружить, особенно на участках, близких к поверхности обрабатываемых монокристаллов, что полигоны теря­ ют свою первоначальную четкую огранку (фото 23 е). Большинст­ во из них замыкается, приобретает округлую форму и разориендируется, что доказывается снятыми рентгенограммами и сильно протравляемыми границами. Действующие в кристаллах знакопе­ ременные термические напряжения, непрекращающееся размно­ жение дислокаций и вакансий, миграция субграниц расшатывают и изменяют со временем полигональную субструктуру монокри­ сталлов.

После 7000 циклов теплосмен в монокристаллах тугоплавких металлов на основе полигональной структуры возникает новая дис­ локационная конфигурация (фото 24 а), доказывающая подвиж­ ность полигонизационных границ. Границы у большинства блоков становятся криволинейными и сплошными при вытравливании. Средняя ширина потерявших четкую огранку полигонов достигает 15—16 мкм. Увеличение размеров и изменение формы блоков после 7000 теплосмен хорошо видно при сравнении фото 24 а и 23 в.

Непрерывный приток новых дислокаций увеличивает разориентацию и повторно размывает вновь возникшие субграницы (поме­ чены на фото 24а стрелками). Процесс повторяется: снова возни­ кают области кристалла с повышенной плотностью дислокаций; в

из трансформированных полигонов, согласно рентгеновским дан­ ным, достигает 2—3°. При травлении такие границы выявляются уже в виде черных по фону, достаточно широких линий. Попереч­ ный размер блоков достигает 20—22 мкм.

Таким образом, в процессе циклических термических воздейст­ вий непрерывное размножение дислокаций, а также подвижность кх субструктурных порядков приводит к постепенному изменению микро- и макромозаики монокристаллов, к превращению монокри­ сталлов в поликристаллы со сверхмелким зерном. Легко заметить несколько характерных стадий или этапов, последовательно выте­ кающих один из другого, прежде чем ясно обозначится фрагмен­

112

тация исходного материала. В зависимости от особенностей дисло­ кационных преобразований, мы выделяй четыре таких этапа.

Первый этап изменений субструктуры термоциклируемых мо­ нокристаллов состоит в интенсивном размножении дислокаций (которое для данного режима термических воздействий в основном гнездообразное), размытии сетки субграниц блоков мозаики и повышении плотности дислокаций до максимальных значений.

Образование ячеистой субструктуры в результате перестройки и аннигиляции большого количества дислокаций составляет второй этап дислокационных перестроек.

Третий этап — это постепенное превращение ячеистой структу­ ры в полигонизованную.

На четвертой стадии непрекращающееся размножение дислока­ ций и миграция их субструктурных порядков приводит к огрубле­ нию полигональной субструктуры монокристаллов, к превращению монокристаллов в поликристаллы с микронными размерами зерен.

В явлении термической усталости металлов вопрос о механизме образования усталостной субструктуры не ясен в той мере, как например, это выяснено в явлении ползучести металлов [146].

Как известно, последовательное наблюдение изменений дисло­ кационной структуры металлов при ползучести, выполненное рядом авторов [221, 246, 265], позволило выдвинуть механизм образования субструктуры, основанный на явлении полигонизации кристаллов. Наши данные также убедительно показывают, что образование усталостной субструктуры есть одно из проявлений полиго­ низации, протекающей в монокристаллах под влиянием цикличе­ ских термонапряжений в результате размножения и перестройки большого количества дислокаций. Более того, закономерности изменения субструктуры в явлении термической усталости и пол­ зучести металлов с дислокационной точки зрения удивительно совпадают, что хорошо видно из сравнения наших данных и дан­ ных по ползучести монокристаллов [146].

Так же как и при термоциклировании монокристаллов туго­ плавких металлов, под действием высокотемпературного нагруже­ ния монокристаллов вначале плотность дислокаций повышается. Отсутствие развитой субструктуры, хаотическое распределение дислокаций доказывается размытием рентгеновских интерферен­ ционных пятен. Дальнейшее нагружение обязательно приводит к полигонизации. На ее основе затем образуются субзерна, разориентировка которых со временем увеличивается. На рентгено­ граммах, снятых к концу этой стадии, на месте бывших несколько размытых и растянутых пятен видны отдельные четкие рефлексы.

На следующих стадиях ползучести измельчаются фрагменты и растет разориентировка как между самими фрагментами, так и между блоками внутри них. Аналогия в закономерностях измене­ ния структуры очевидна. Тем самым подтверждается, что процес­ сы, лежащие в основе термической усталости металлов, во многом сходны с происходящими при высокотемпературной ползучести.

Ранее [54] полагали, что при термоциклировании структуры, по­ хожие на полигональные, развиваются лишь в некоторых метал­ лах, в частности, в уране. Однако в наших работах, а также в [8, 266] полигонизация под действием циклических теплосмен обнару­ живается в самых различных металлах, причем всякий раз перед образованием усталостной субструктуры. Из этого следует, что полигонизация металлов в процессе термоциклирования является одно из неотъемлемых стадий явления термической усталости іг именно она ответственна за дальнейшую фрагментацию материала.

Рентгенографические данные по изменениям субструктурыПятна рентгенограмм, снимавшихся с контрольных полированных граней (100) монокристаллов молибдена, были правильной формы

совершенстве строения монокристаллов в области падающего рент­ геновского пучка диаметром 0,6—0,8 мм. По мере увеличения количества термических циклических воздействий на монокристал­ лы пятна рентгенограмм постепенно уширялись и вытягивались в- определенных направлениях (фото 25 6). Первое свидетельствует о накоплении в процессе термоциклирования большого количества дефектов кристаллического строения в объемах кристаллов, а вто­ рое — о происходящей внутри кристалла направленной перестрой­ ке дефектов.

После 1500 циклов теплосмен пятна рентгенограмм вытягива­ ются еще больше и расщепляются, хотя и не очень четко, на ряд темных и светлых промежутков (фото 25в). Наблюдаемые мелкие рефлексы относятся к образовавшимся во время термоциклирова­ ния субструктурным составляющим второго порядка. Указанная картина строения пятен рентгенограмм отражает происходящую фрагментацию материала, что хорошо подтверждается и субструк­ турой, непосредственно выявленной дислокационным травлением (фото 23 6).

С увеличением числа циклов теплосмен до 3500 пятна рентге­ нограмм разбиваются на ряд светлых и темных полосок (фото 25г). Подобное расщепление пятен подтверждает полигонизацию моно­ кристаллов.

После 7000 (фото 25 6) и 10 000 (фото 25 е) циклов пятна ди­ фракции расщепляются полностью. Полосчатость пятен становитсянеправильной, криволинейной и с изгибами, увеличиваются про­ светы между отдельными рефлексами. Разориентация субзерен после 10 000 циклов теплосмен, определенная по этим просветам,, достигает 2—3°.

Кроме расширения просветов между отдельными рефлексами, составляющими пятно, наблюдается увеличение их интенсивности- и четкости, свидетельствуя о том, что по мере увеличения разориентировки блоков происходит еще и их рост, сопровождающийсяискривлением формы.

114

Выводы, полученные на основании только анализа структуры пятен рентгенограмм, полностью соответствуют поэтапным дисло­ кационным изменениям, выявленным избирательным травлением. Но метод анализа рентгеновских пятен Лауэ обладает меньшей раз­ решающей способностью. Например, по составляющим пятно реф­ лексам трудно определить, состоят ли фрагменты монокристалла, отвечающие за данный рефлекс, из еще более мелких блоков или нет. Дислокационное же травление не только выявляет форму и размер блоков, их взаимную разориентировку, но и внутреннее строение. Избирательное травление в оптимальных условиях раз­ решает отдельные дислокации.

Особенно удобен метод дислокационного травления для иссле­ дования ранних стадий термической усталости металлов, когда процесс накопления дефектов кристаллического строения только еще начинается и на структуре пятен рентгенограмм не отра­ жается.

Макро- и микрофрактографические исследования. Структура поверхности транскристаллитных хрупких сколов находится в опре­ деленной зависимости от внутренней субструктуры монокристаллов [108]: наличия дислокаций, особенно винтовых, их субструктур­ ных порядков, включений второй фазы и других дефектов. Изуче­ ние сколов монокристаллов производится обычно без предвари­ тельной подготовки поверхности, что является преимуществом метода так называемой фрактографии, поскольку предметом изучения становится одно из слабых мест материала в том состоя­ нии, в каком оно возникает при разрушении. Однако работ, в кото­ рых для изучения термической усталости металлов (особенно моно­ кристаллов) использовались макро- и микрофрактография, пока не опубликовано.

Исследование строения поверхности хрупких транскристаллит­ ных сколов монокристаллов молибдена в зависимости от количе­ ства полученных термических циклических воздействий проводи­ лось на тех же образцах, с которых последовательно снимали реплики, рентгенограммы, фотографировали дислокационную структуру и измеряли микротвердость. Сколы получали разруше­ нием образцов при температуре жидкого азота.

Монокристаллы молибдена, а также вольфрама раскалывались обычно по плоскостям {100}, о чем свидетельствовали снимаемые с них рентгенограммы. Отклонение плоскостей скола от (100) обычно находилось в пределах 2°.

Характерной особенностью строения хрупких транскристаллит­ ных сколов монокристаллов, как показывают металлографические и электронномикроскопические исследования, является то, что по­ верхность разрушения всегда состоит из ступенек скола различной высоты и протяженности (фото 26). Даже на плоских блестящих участках поверхностей скола, на которые невозможно сфокусиро­ вать металлографический микроскоп, ступеньки все равно обнару­ живаются под электронным микроскопом.

При термоциклировании характер строения поверхности сколов монокристаллов постепенно меняется. После 500 циклов теплосмен ступеньки скола волнисты и слабо контрастны (фото 27а). Вдоль ступенек часто видны филаменты скола. Реплики с этих же ско­ лов, но только прополированных в концентрированной серной кис­ лоте, обнаруживают дисперсные включения квадратной или прямо­ угольной формы, повторяющие контуры границ ячеек (фото 27 6). Средний размер их колеблется от 0,35 до 0,5 мкм. Габитусными плоскостями выделений являются плоскости (100).

После 1500 циклов теплосмен картина поверхности сколов моно­ кристаллов становится упорядоченной и симметричной, что видно из фото 28 а. Ступеньки скола приблизительно одинакового разме­ ра и повторяются регулярно. Особенно хорошо это заметно при малых увеличениях.

Регулярность повторения ступенек скола еще больше усили­ вается к 3500 циклам термических воздействий (фото 28 6).

Поскольку за образование ступенек скола ответственны дисло­ кации, то можно считать приведенную выше картину строения поверхности следствием пересечения плоскости трещины с перио­ дически расположенными внутри тела монокристалла рядами дислокаций. Это подтверждается и картинами дислокационного травления.

Совершенно иной характер строения приобретают поверхности скола монокристаллов после 7000 и 10000 циклов теплосмен. По­ добный характер наблюдается лишь при исследовании поверхно­ стей разрушения поликристаллов [108]. Поверхности скола таких образцов состоят уже не из длинных ступенек скола, а из фасеток неправильной формы (фото 29а, б). Внутри каждой фасетки скола видны мелкие ступеньки, веерообразно расходящиеся в каждом случае от своего центра. Особенно четкими они получаются в монокристаллах, прошедших 10 000 циклов теплосмен (фото 29 6); после 7000 циклов фасетки скола более вытянуты.

Наблюдается полная аналогия между картинами дислокацион­

факт, что монокристаллические образцы в результате размножения дислокаций постепенно превращаются в квазиполикристаллы.

Изменение микротвердости. Для молибдена и вольфрама (рис. 28 6, в) наблюдается совпадение хода кривых, отображаю­ щих изменение микротвердости монокристаллов, в процессе их термоциклирования. Такое совпадение не случайно. Оно объясняет­ ся прежде всего одинаковым характером дислокационных изме­ нений, происходящих в монокристаллах при циклических темпера­ турных воздействиях.

116

В изменении микротвердости монокристаллов наблюдается несколько характерных этапов. Вплоть до 500 циклов теплосмен микротвердость постепенно увеличивается, затем резко падает. Прирост микротвердости для монокристаллов молибдена при 500 циклах теплосмен составил почти 10%, а для монокристаллов вольфрама — 17%. Разупрочнен"е после 1500 циклов теплосмен наиболее сильно выражено у монокристаллов молибдена и состав­ ляет, по сравнению с контрольными образцами, почти 9%. Моно­ кристаллы вольфрама после 1500 циклов теплосмен разупрочняются незначительно. Микротвердость падает с 420 до 396 кГ/мм2, что все же несколько выше контрольных значений.

После 1500 циклов теплосмен и до 3000—3500 циклов моно­ кристаллы снова начинают упрочняться. Затем от 3000 до 5000 циклов (для вольфрама) и от 3500 до 7000 циклов (для молибде­ на) микротвердость практически не меняется.

С увеличением числа термических воздействий до 8—10 тыс. микротвердость монокристаллов монотонно падает. Например, у молибдена микротвердость после 10 000 циклов теплосмен состав­ ляла 188 кГ/мм2, что на 7 кГ/мм2 ниже контрольных значений.

Изменение микротвердости монокристаллов хорошо объясняет­ ся теми дислокационными изменениями, которые происходят в об­ разцах во время циклических термических воздействий. Так, постепенный рост микротвердости до 500 циклов теплосмен соот­ ветствует процессу накопления размножающихся дислокаций. Максимальное упрочнение наступает тогда, когда возникает ячеи­ стая субструктура.

От 500 до 1500 циклов теплосмен ячеистая субструктура моно­ кристаллов в результате продолжающегося притока новых дисло­ каций постепенно меняется. Изменение обусловлено взаимодейст­ вием большого количества близко расположенных дефектов кри­ сталлической решетки и направлено в сторону ее упорядочения вследствие перераспределения дислокаций в рыхлых границах ячеек. Частично аннигилируя, дислокации перестраиваются в более узкие ориентированные ряды, в результате ячеистая структура кристаллов постепенно переходит в полигональную. Микротвер­ дость резко падает, монокристаллы разупрочняются. Поскольку в монокристаллах молибдена, как показывают данные дислокацион­ ного травления, перестраивание дислокаций более интенсивное, чем в монокристаллах вольфрама, то и разупрочнение первых вы­ ражено сильнее.

Незначительное увеличение микротвердости монокристаллов в интервале 1500—3500 циклов теплосмен и последующее ее моно­ тонное падение в интервале 8—10 тыс. объясняется ускоренными процессами роста полигонов, движением и искривлением их гра­ ниц, а также все более увеличивающейся взаимной разориентировкой формирующихся блоков.

Таким образом, в изменениях микротвердости и дислокацион­ ной структуры термоциклируемых монокристаллов наблюдается

117

хорошая корреляция. На кривых «микротвердость — количество теплосмен» насчитывается столько же этапов изменения, сколько мы наблюдали их при рассмотрении дислокационных перестроек субструктуры термоциклируемых монокристаллов.

Распределение дислокаций вокруг отпечатков микротвердости на плоскостях (100). С термоциклированием монокристаллов мо­ либдена и вольфрама в интервале 15—700°С связан интересный эффект, указывающий на то, что тугоплавкие металлы с ОЦК-ре- шеткой обладают анизотропией физико-механических свойств.

Неоднократно делались попытки обнаружить анизотропию распределения дислокаций вокруг отпечатков микротвердости ОЦК-металлов.

Так, в [56, 57], где исследовались свежие дислокации вокруг отпечатка индентора на плоскостях {001) монокристаллов молиб­ дена, не обнаружено кристаллографической анизотропии в их рас­ положении. Дислокации выявлялись электролитическим трав­ лением.

Анизотропия в распределении дислокаций вокруг отпечатков микротвердости на плоскостях (001) молибдена и вольфрама обна­ руживалась нами всякий раз, когда использовался не электролититический, а химический травитель: 30 г красно-кровяной соли, 10 г едкого натра и 100 мл дистиллированной воды.

Анизотропия распределения дислокаций выявлялась очень чет­ ко. Дислокации образовывали вокруг отпечатков микротвердости четыре «облака» под углом 90° друг к другу (фото 30).

Углы между направлениями [010] и [100] шлифа и направления­ ми «облаков» дислокаций по расчетам равны 45°.

Из этого следует, что дислокации, образующиеся в процессе локальной деформации, двигаются преимущественно по ортого­ нальным плоскостям {ПО), перпендикулярным к поверхности шли­

фа, либо по плоскостям (112), (112), (112) и (112), лежащим под углом 35° к плоскости шлифа, т. е. по плоскостям скольжения ОЦК-металлов. Структура дислокационных облаков, как видно на фото 30, неупорядочена. Это означает, что в процессе движения дислокации испытывают поперечное скольжение.

Высокая подвижность дислокаций по плоскостям (ПО) и (112) обусловливает наблюдаемую анизотропию механических свойств [116,156,236].

§ 22. Действие циклических теплосмен на монокристаллы молибдена и вольфрама

в интервале 100— 1900°С

Изменения структуры и физико-механических свойств тугоплав­ ких металлов при многократных резких теплосменах изучены весь­ ма слабо, что подтверждается, например, теми трудностями, кото­ рые неожиданно встали на пути использования монокристаллов

118

тугоплавких металлов в качестве высокотемпературных'подогрева­ телей ЭВП. Оказалось, что монокристаллы после нескольких сот включений и выключений превращались в поликристаллы и даже при незначительном сотрясении разрушались [155].

выраженное блочное строение. Внутри блоков дислокации распо­

С первых же циклов термических воздействий в монокристал­ лах заметно увеличивалась плотность дислокаций (фотО'ЗІа, б).

петель. Это хорошо видно по парным ямкам травления, выявлен­ ным после травления термоциклированных монокристаллов молиб­ дена (фото 32). •

По мере дальнейшего увеличения количества, термических цик­

Наиболее четко гнездообразное размножение дислокаций выяв­

Интересно выяснить вопрос о роли границ блоков и отдельных дислокаций роста в процессе размножения новых дислокаций или дислокаций деформации. Для этого было проделано следующее. Монокристаллы тугоплавких металлов до начала термоциклирования сначала полировались, а затем сильно протравливались, что­ бы выявить субграницы блоков и дислокации роста внутри них. После такого травления образцы термоциклировались хтупенчато вплоть до 40 циклов теплосмен, слегка полировались (чтобы оста­ лись сероватые ямки от местоположения прежних дислокаций) и снова протравливались. Такая последовательность операций по­ зволяла маркировать дислокации роста в виде больших серых ямок, а дислокации деформации, возникавшие в кристалле в ре­ зультате релаксации термических напряжений,— в виде'маленьких черных ямок.

Выяснилось, что после 30 циклов теплосмен субграницы бло­ ков уже не воспроизводятся (фото 33). Часть дислокаций, состав­

В промежутках между старыми ямками травления тоже возникали дислокации.

Размножение дислокаций приводило также к размытию субгра­ ниц блоков монокристаллов (фото 33, 34а). Наиболее стабильными

119