Организация пластической деформации в монокристаллах меди при одноосном сжатии и трении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ЧУМАЕВСКИЙ АНДРЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ОРГАНИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ МЕДИ ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ И ТРЕНИИ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2014

005557766

005557766

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Лычагин Дмитрий Васильевич

Научный консультант:

доктор технических наук Тарасов Сергей Юльевич Официальные оппоненты:

Коновалов Сергей Валерьевич, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», профессор кафедры физики им. В.М. Финкеля

Макаров Сергей Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный университет», доцент кафедры общей и экспериментальной физики

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита состоится «12» декабря 2014 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, проспект Академический, 2/4, e-mail: ovs@ispms.tsc.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН и на сайте http://www.ispms.ru.

Автореферат разослан « о » ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Сизова О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Современные требования к деталям, работающим в парах трения машин и механизмов, становятся всё более жесткими. Это обусловлено постоянно растущей нехваткой ресурсов и миниатюризацией узлов и агрегатов в машинах и механизмах. Одним из направлений исследований, необходимых с точки зрения совершенствования трибосопряжений, является изучение закономерностей организации пластической деформации в зоне фрикционного контакта. Организация пластической деформации - совокупность деформационных процессов, происходящих в материале под действием локальных напряжений и развивающихся на различных структурно-масштабных уровнях. Важной задачей является исследование условий развития ротационной пластичности на разных масштабных уровнях в локальных областях материала, установление областей повышенной кривизны кристаллической решетки и факторов, способствующих инициации ротационных мод пластической деформации. Особенно важно влияние ротационной пластичности при деформации трением. Для выявления факторов, определяющих закономерности деформационного поведения материалов при трении скольжения, необходимо разделить влияние на процесс трения нормальной составляющей нагрузки и компоненты трения. С этой целью необходимо сравнение деформационного поведения монокристаллов при трении и при одноосном сжатии. Медь является широко используемым материалом в парах трения, а применение монокристаллов позволяет проанализировать влияние кристаллографической ориентации оси сжатия и поверхности трения на развитие деформации.

Степень разработанности темы исследования. На настоящее время накоплен большой объем данных по исследованию процессов пластической деформации на микро-, мезо- и макроуровнях. При одноосном растяжении и сжатии пластическая деформация при умеренных температурах и скорости деформации ГЦК-металлов и сплавов со средним и высоким значением энергии дефекта упаковки на микроуровне обусловлена в основном дислокационным скольжением. Изучению поэтапной эволюции и смены дислокационных субструктур посвящены работы как зарубежных (И. Кавасаки, А. Зеегер, X. Муграби, А.Х. Котрелл и др.), так и отечественных ученых (Э.В. Козлов, H.A. Конева и др.). На макроуровне действие механизмов пластической деформации проявляется в формировании на поверхности боковых граней деформационного рельефа - совокупности следов скольжения, следов сдвига, макро- и мезополос деформации и деформационных складок. Исследования деформационного рельефа отражены еще в работах Р. Хоникомба, Р. Бернера, Г. Кронмюллера, А. Зегера, Т. Табаты и др. Подробное исследование организации деформационного рельефа в зависимости от кристаллографической ориентации монокристаллов ГЦК-металлов и сплавов при одноосном сжатии в Томской школе в последние десятилетия было сделано в работах коллектива Томского государственного архитектурно-строительного университета. Для описания взаимосвязи процессов пластической деформации на микро-, мезо- и макроуровне эффективным является методологический подход, предложенный и развиваемый В.Е. Паниным с коллегами в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, в котором кристаллическое твердое тело рассматривается как иерархически организованная система. В этом подходе важное место отведено кривизне кристаллической решетки и развитию ротационных мод пластической деформации в полях внешних воздействий. В изучении проблем пластической деформации и износа в зоне фрикционного контакта достигнуты существенные результаты как в классических

работах (И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, Д.Тейбор и др.), так и в современных трудах (Д.А. Ригни, В.М. Рейнфорт и др.). В отечественной науке в настоящее время проблемы пластической деформации в приповерхностной области при трении в основном рассматриваются в ИФПМ СО РАН (A.B. Колубаев, С.Ю. Тарасов и др.). Следует выделить недостаточное количество комплексных исследований закономерностей развития пластического течения материала в условиях сжатия и трения в сопоставлении со схемой напряженного состояния и кристаллографической ориентацией на различных масштабных уровнях, что является темой настоящего исследования.

Цель диссертационной работы: выявление закономерностей организации пластической деформации монокристаллической меди при трении и одноосном сжатии в зависимости от схемы напряженного состояния и кристаллографической ориентации монокристаллов.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние кристаллографической ориентации и схемы напряженного состояния на развитие пластической деформации на различных структурно-масштабных уровнях при одноосном сжатии.

2. Классифицировать деформационные складки, формируемые на боковых гранях монокристаллов при сжатии и выявить физическую природу их образования.

3. Провести комплексный анализ организации пластической деформации в монокристаллах меди при трении скольжения. Исследовать макрофрагментацию подповерхностной деформации, закономерности переориентации и фрагментации в поверхностных слоях монокристаллов.

Научная новизна работы. Установлено влияние кристаллографической ориентации монокристаллов на активизацию ротационных мод пластической деформации при одноосном сжатии и закономерностей изменения ориентации в соседних макрообластях кристалла.

Предложена классификация деформационных складок, образующихся на боковых гранях [Ти]-монокристаллов меди при активной пластической деформации. Определена связь образования деформационных складок и полос переориентации. Предложена концептуальная модель формирования складок и полос переориентации на различных масштабных уровнях.

В работе экспериментально показана ориентационная зависимость пластической деформации в поверхностных слоях монокристаллов меди с различной кристаллографической установкой.

Научная значимость работы. Для деформации одноосным сжатием установлены основные физические закономерности организации деформации в монокристаллах с разной ротационной устойчивостью и с учетом областей, имеющих разную схему главных напряжений. Экспериментальные исследования позволили выявить основные факторы, влияющие на склонность к переориентации и фрагментации сдвига. Выявленные закономерности деформационного поведения при фрикционном контакте показывают различную устойчивость к подповерхностной деформации и переориентации в поверхностных слоях монокристаллов с различной кристаллографической ориентацией. Полученные данные являются важными для уточнения модельных представлений деформации зерен поликристалла при различных способах нагружения.

Практическая значимость работы. Выявление условий образования складок на поверхности монокристаллов позволяет выработать рекомендации по устранению

внутризеренного складкообразования при гнутье или штамповке. Экспериментально показана различная устойчивость к подповерхностной деформации при трении скольжения монокристаллов меди в зависимости от кристаллографической установки. Определение закономерностей переориентации и фрагментации поверхностных слоев в монокристаллах разных кристаллографических ориентации при трении дает возможность рекомендовать предпочтительные текстуры поверхности для трибосопряжений.

Методология и методы исследования.

Для деформации монокристаллических образцов меди выбраны два метода нагружения - одноосное сжатие и трение. Исследование деформированных монокристаллов осуществляли с применением оптической, растровой электронной, интерференционной и атомно-силовой микроскопии и методом анализа картин дифракции обратно-рассеянных электронов. Работа выполнена на экспериментальном оборудовании Томского государственного архитектурно-строительного университета и центра коллективного пользования «Аналитический центр геохимии природных систем» национального исследовательского Томского государственного университета.

Положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности организации пластической деформации в монокристаллах меди при одноосном сжатии в зависимости от кристаллографической ориентации, заключающиеся в том, что в [110]- монокристаллах меди происходит макрофрагментация путем сдвиговой деформации, а в [711]-монокристаллах помимо трансляционных мод пластической деформации активизируются ротационные. Прослежена взаимосвязь переориентации кристаллической решетки со схемой главных напряжений.

2. Классификация и масштабная иерархия деформационных складок, образующихся при одноосном сжатии на поверхности боковых граней [Тп]-монокристаллов меди. Установлено, что деформационные складки на поверхности монокристаллов формируются на разных масштабных уровнях следующим образом. Макроскладки или наплывы образуются в приторцевой области в результате реализации схемы неравномерного всестороннего сжатия. Мезоскладки I формируются по контуру наплыва и в областях изгиба образца. В стесненных условиях между мезоскладками образуются микроскладки и более мелкие мезоскладки II. Дополнительно складки классифицированы по количеству систем следов сдвига на поверхности, замкнутости границ и взаимному расположению.

3. Концептуальная модель процесса переориентации и образования деформационных складок на различных масштабных уровнях путем реализации заторможенного сдвига и переориентации мезообъемов за счет распространения вглубь монокристалла полос переориентации. Первичные полосы переориентации образуются в течении стадии II внутри макрополос деформации и являются следствием заторможенного сдвига по плоскостям скольжения. При переходе к стадии III кривых упрочнения накопление разориентировок приводит к формированию крупных мезополос переориентации и формированию макрофрагментов переориентации.

4. Ориентационная зависимость деформации монокристаллов меди, заключающаяся в том, что при трении [Тп]-монокристаллов плоскость фрикционного контакта становится плоскостью сдвига, при этом облегчается формирование пластинчатых частиц износа, уменьшается степень подповерхностной деформации и глубина деформированного слоя в отличие от [110]-монокристаллов, где достигается наибольшая глубина деформированного слоя. При этом переориентация кристаллической решетки в по-

верхностных слоях монокристаллов меди происходит наиболее благоприятно поворотом вокруг оси, перпендикулярной оси трения и оси сжатия, и лежащей в плоскости контакта.

Степень достоверности и апробация работы.

Достоверность полученных экспериментальных результатов и выводов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач, применением комплексного многоуровневого подхода к исследованиям и большим объемом экспериментальных данных, повторяемостью основных выявленных закономерностей на всех образцах в аналогичном исходном состоянии.

Основные результаты работы представлены на следующих международных и всероссийских конференциях и семинарах: «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Москва, 2011, 2013), «Развитие нанотехнологий» (г. Барнаул,

2012), «Инновации в машиностроении» (г. Юрга, 2012), «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2013), «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск,

2013), «Инженерия поверхности и реновация изделий» (г. Ялта-Киев, 2012), «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (г. Томск, 2013); «Проблемы машиноведения: Трибология — машиностроению» (г. Москва, 2012); «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (г. Томск, 2012); школе-семинаре «Исследование и метрология функциональных материалов» (г. Томск, 2012), Петербургских чтениях по проблемам прочности (г. Санкт-Петербург, 2012), научных чтениях им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов» (г. Москва, 2012).

Личный вклад автора состоит в совместной с научным руководителем постановке задач исследования, формулировке выводов и положений, написании статей по теме научной работы, проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных.

Публикации. По результатам проведенной работы опубликовано 19 тезисов и докладов в сборниках трудов конференций и 9 статей в рецензируемых отечественных и международных журналах.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертация по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.1. «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотропного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 Физика конденсированного состояния.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из введения, пяти разделов, заключения (выводов) и списка литературы из 209 наименований. Работа изложена на 190 страницах, содержит 105 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, определена цель проведения настоящей работы, научная новизна, основные положения и представлена структура диссертации.

В первом разделе приведен литературный обзор исследований организации пластической деформации на различных структурно-масштабных уровнях. Проведен

обзор работ по складкообразованию при одноосном сжатии. Проанализированы основные механизмы ротационной пластичности металлов и сплавов. Рассмотрены наиболее значимые работы в области пластической деформации при фрикционном контакте. На основе обзора литературных данных сформулированы цели и задачи ис-! следования.

Во втором разделе описан материал исследования, кристаллографические характеристики монокристаллов, условия проведения механических испытаний и структурных исследований. Для исследований выбраны две кристаллографические ориентации оси деформации [110] и [111]. Данные ориентации отличаются как различными структурными элементами деформационного рельефа, так и параметрами стадий кривых деформации и деформационного упрочнения. Использованные монокристаллы выращены по методу Бриджмена. В работе проведены исследования деформированных одноосным сжатием и трением образцов с применением оптической (Leica DM2500P), растровой электронной (Tescan Vega II LMU), атомно-силовой (SOLVER PRO 47H) и интерференционной (NewView 7200) микроскопии и EBSD-анализа (HKL-detector к растровому микроскопу). Деформацию сжатием осуществляли на машине Instron Electropuls El0000 со скоростью 0,3 мм/мин при 20°С, трение проводили без смазки на трибометре Tribotechnic по схеме «диск-палец» (скорость скольжения -500 мм/с, нагрузка - 12 Н, путь трения - 200 м) и на возвратно поступательное трение (скорость скольжения - 10 мм/с, нагрузка - 12 Н, путь трения - 6 м).

В третьем разделе приведены результаты исследований организации пластической деформации монокристаллов меди при одноосном сжатии. Обнаружено, что при сжатии [110]-монокристаллов пластическая деформация приводит к разделению объема образца на домены сдвига, характеризующиеся различной организацией сдвига по плоскостям скольжения на мезоуровне (рис. 1).

kl_у "^''Тййай^д^ _—я—к Y—j—v

а (112) а (112) а (112) а (112) а (112)

Рис. 1. Макрофрагментация [110]-монокристаллов в интервале 10-17% (а-г) и кристаллографическая схема [110]-монокристаллов (д)

Следы сдвига по плоскости (111) занимают в основном объем «облегченного» сдвига, в приторцевых доменах расстояние между следами значительно выше. Следы сдвига по плоскости (111) наоборот, занимают большей частью объемы «частично стесненного» сдвига, а в области «облегченного» сдвига существенно уступают следам от сдвига по плоскости (1И). Таким образом, при деформации монокристалл разбивается на деформационные домены: объем «облегченного» сдвига по плоскости (111) и объемы «частично стесненного» сдвига по плоскости (111). На пересечении

данных объемов и в свободных областях формируются вторичные деформационные домены.

Домен на рисунке 1, а характеризуется крупными мезопачками следов сдвига по плоскости (111) и короткими тонкими следами по плоскости (111). Данный домен ограничен пересечением областей «облегченного» сдвига для обеих плоскостей скольжения. В доменах, изображенных на рисунке 1, б, мезопачки следов сдвига в основном образуются по плоскости (111) от торцевых ребер образца, являющихся местами повышенных напряжений. Данные домены ограничены пересечением областей «частично стесненного» сдвига для двух плоскостей скольжения.

Смешанная картина наблюдается в доменах, изображенных на рисунке 1, в, г. Домены, полученные пересечением области «облегченного» сдвига для плоскости (111) и областей «частично стесненного» сдвига для плоскости (111) характеризуются высокой плотностью следов сдвига по обеим плоскостям (рис. 1, в). В них первоначально образуются мезопачки по плоскости (111), а при 10% из приторцевых областей начинают развиваться мезопачки по плоскости (111). В доменах (рис. 1, г), полученных пересечением областей «затрудненного» сдвига для плоскости (111) и «облегченного» для плоскости (111), наблюдаются мезопачки по плоскости (111) и следы сдвига по плоскости (111). Сдвиг по плоскости (111) в них развивается после сдвига по плоскости (111).

Такая картина макрофрагментации обусловлена возможностью выхода дислокаций на боковые грани образца, в результате чего наблюдается макрофрагментация сдвига, и ротационные моды пластической деформации не активизируются. При деформации монокристаллов с ориентацией, препятствующей в отдельных областях выходу дислокаций на боковые грани, картина деформационного рельефа существенно отличается.

При исследовании картины деформационного рельефа на боковых гранях [Tll]-монокристаллов обнаружено два параллельных процесса фрагментации. Первый из них заключается в образовании систем следов сдвига и макрополос деформации и, также как в случае [110]-монокристаллов, обуславливает фрагментацию сдвига. Второй процесс заключается во включении в деформацию ротационных мод. По отклонениям макрополос деформации и следов от сдвига по плоскости (1 1 1) от их теоретических выходов на боковые грани проведено измерение отклонения ориентации кристаллической решетки. По полученным данным построена объемная картина макрофрагментации [Ti 1]-монокристаллов (рис. 2, а). Кристаллографическая схема [Tll]-монокристаллов приведена на рис. 2, в. Наибольшие отклонения расположения макрополос характерны для фрагментов II и V, средние - для фрагмента III и наименьшие -для фрагментов I и V (значения отклонений приведены справа от рисунка 2, а).

Для выявления закономерностей переориентации данные монокристаллы исследованы с применением EBSD-анализа. Карта изменения ориентации оси деформации в полосе, проходящей вдоль центральной части образца между фрагментами / и V при деформации 25% со стороны боковой грани b (110), представлена на рисунке 2, б. При деформации до 25% поворот кристаллической решетки приводит к тому, что ось деформации в центральном фрагменте смещается к направлению [773], а в приторцевых остается [Til]. Во фрагментах II и IV кристаллическая решетка продолжает поворот вокруг оси [110] до изменения ориентации оси сжатия с [Til] на [по]. Граница между фрагментами является плавной. На рисунке 2, б переходные области между I к II

фрагментом выделены во фрагмент а\, а между IV и Уво фрагмент а2- Переориентация в переходных фрагментах а/ и а2 накапливается до 35° и происходит в последовательности, представленной на рисунке 2, б. Между центральным и соседними фрагментами переходные области не настолько ярко выражены, ориентация оси деформации в них изменяется от [ПО] до [773], а угол разориентировки составляет 17°. Примечательно, что данные, полученные из EBSD-анализа и из анализа отклонений следов сдвига по плоскости (111), согласуются.

Рис. 2. Макрофрагментация [111]-монокристаллов, определенная из картины деформационного рельефа (а), данные ЕВвВ-анализа в центральной вертикальной полосе на грани (110) (б) и кристаллографическая схема [Т11]-монокристаллов (в)

В четвертом разделе проведены исследования деформационных складок, образующихся на боковых гранях монокристаллов с ориентацией оси сжатия [Г 11]. Предложена классификация и масштабная иерархия складок. Разделение видов складок по структурно-масштабным уровням представлено на рисунке 3, а.

Макроскопические складки (наплывы) формируются в приторцевой области в результате действия приторцевого трения. Мезоскладки I образуются первично на ме-зоуровне II, и формируют системы мезоскладок, в основном в переориентированных фрагментах II, III и IV. Мезоскладки II и микроскладки формируются на мезоуровне I и мезоуровне II. Микроскладки имеют наименьший размер из всех элементов складчатой структуры. Системы мезоскладок имеют макроскопический размер. Вдоль границы наплыва, и между фрагментами формируются наиболее плотные системы складок -изгибные полосы. Они имеют в длину макроскопический размер, а в ширину находятся на мезоуровне II.

По второму признаку - количеству систем следов от сдвига на поверхности складки подразделяются на складки с одной и двумя системами следов (рис. 3, б). По третьему признаку - четкости границ - различаются складки с резкими и плавными границами. Складки со следами от сдвига по одной плоскости (рис. 3, б) формируются на боковых гранях в областях, свободных от деформационного рельефа. В отдельных складках обнаруживаются вторичные следы, образованные при дальнейшей деформа-

«(112)

а(И2)

Ь(110)

ции. Для таких складок в основном обе границы являются резкими. Складки со следами от сдвига по двум плоскостям (рис. 3, в) образуются в области, в которой прошел сдвиг по одной из плоскостей скольжения. На начальном этапе в области второй системы следов от сдвига прослеживаются искаженные следы от сдвига по исходной системе. В дальнейшем следы сдвига по первичной системе в данной области не наблюдаются. Для данных складок одна граница является четкой, а вторая - плавной. Микроскладки имеют размер порядка расстояния между следами сдвига, соответственно, сами следы в них наблюдаться не могут. Микроскладки всегда имеют две четких границы. Размер микроскладок близок к размеру разориентированных групп дислокационных ячеек (0,5-2 мкм). По четвертому признаку - взаимному расположению складок, складки разделены на составные, экструзивные и ступенчатые складки.

I, ММ -

5-

10

10

10

, макроскладки (наплывы) изгионые полосы _ \

мезоскладки I

мезоскладки

следы^двш*****

С

системы мезоскпадок

системы микроскладок

экетрузиониые складки

микроскладки

0

мгао I

10

10'

макро 5

следы сдвига !

) следы сдвига /», мм

10" 10 1

плавная граница

Рис. 3. Классификация и масштабная иерархия деформационных складок, образующихся на боковых гранях [Тп]-монокристаллов при сжатии

Впервые экспериментально методом ЕВЗБ-анализа показано, что формирование складок сопровождается образованием полос переориентации, распространяющихся от складок на поверхности вглубь материала (рис. 4).

Поворот кристаллической решетки в полосах переориентации зависит от фрагмента монокристалла, в котором они образуются. В центральных фрагментах в полосах отмечается поворот вокруг оси [110], аналогичный повороту решетки на макроуровне в данных фрагментах. В приторцевых областях отмечается сложный поворот кристаллической решетки последовательно вокруг трех осей. Такое положение обусловлено реализацией в данной области схемы неравномерного всестороннего сжатия с тремя отличными от нуля главными компонентами тензора напряжений. Наличие небольших полос с переориентированной кристаллической решеткой отмечается в пределах второй стадии деформационного упрочнения. Крупные мезополосы с измененной ориентацией кристаллической решетки формируются на третьей стадии. Накопление полос происходит в течение третьей стадии деформационного упрочнения и к концу третьей стадии они занимают практически весь объем центральных фрагментов. Крупные мезополосы состоят из фрагментов, размер которых соответствует

размеру разориентированных групп ячеек дислокационной субструктуры. Изменение величины разориентации на границе полос переориентации происходит по экспоненциальной зависимости, а внутри - по полиномной (рис. 4, в).

/, мкм

Рис. 4. Карты полос переориентации на разных масштабных уровнях (а, б) и зависимости накопления разориентации в полосе (в) в [Тп]-монокристаллах меди при деформации 25%

В дальнейшей части работы проведено сопоставление образования полос переориентации с развитием разориентировок в образцах на различных структурно-масштабных уровнях и сформулирована концептуальная модель образования переориентированных полос и деформационных складок (рис. 5).

В пределах второй стадии деформационного упрочнения происходит скольжение дислокаций по плотноупакованным плоскостям и направлениям и формируется неразориентированная ячеистая субструктура. Скольжение дислокаций начинается от первичных концентраторов напряжений - торцевых ребер образца (рис. 5, а). В областях «стесненного» сдвига скольжение дислокаций от противоположных пуансонов приводит к реализации условий заторможенного сдвига (рис. 5, б, в). Образование условий заторможенного сдвига приводит к повороту кристаллической решетки на ме-зоуровне I в центральном объеме образца. Аналогичные условия создаются на границе области со схемой равномерного одноосного сжатия и области неравномерного всестороннего сжатия.

На третьей стадии деформационного упрочнения начинает формироваться разо-риентированная ячеистая субструктура и образуются мезополосы на мезоуровне I. Накопление мезополос приводит к формированию мезополос на уровне мезо II. При выходе на боковую грань такие полосы формируют деформационные складки соответствующего масштабного уровня (рис. 5, д, е).

Из литературных данных известно, что переориентируются ячейки группами, общий вклад в разориентацию группы ячеек находится на уровне 1°. В данном случае фрагменты мезополос переориентации состоят из нескольких групп ячеек, в которых достигается переориентация на больший угол (рис. 5, ж).

Накопление полос переориентации происходит неравномерно. Наиболее переориентированными являются фрагменты II и IV, находящиеся на границе областей с различной схемой напряженного состояния (рис. 5, з). Накопление полос переориентации обуславливает переориентацию в монокристаллах на макроуровне.

инициация поворота кристаллической решетки _на микроуровне

зона неравномерного всестороннего сжатия

микрополосы переориентации нтация поворот решетки ческ Г Ш на макроуровне з

0,3 мкм

ячейка

формирование из групп ячеек

мезополосы переориентациифрагмеиха мез0пол.осы переориентации Рис. 5. Концептуальная модель образования складок и переориентированных областей

в [Тп]-монокристаллах меди

Структурные изменения [110]- и [Ii 1]-монокристаллов были рассмотрены в сопоставлении со стадиями кривых деформационного упрочнения (кривые 1-4 на рис. 6, а). Известно, что деформационное упрочнение монокристаллов с ориентацией [111] на второй стадии отличается большим значением коэффициента деформационного упрочнения по сравнению с [110]-монокристаллами. При этом, расположение плоскостей сдвига в [Т11]-монокристаллах способствует накоплению избыточной плотности дислокаций одного знака по причине наличия областей «стесненного» сдвига. В результате накопления избыточной плотности дислокаций возрастает кривизна-кручение кристаллической решетки и активизируются ротационные моды деформации (рис. 6, а, в). Активизация ротационных мод пластической деформации в [Тп]-монокристаллах приводит к более интенсивному разупрочнению на третьей стадии кривых деформационного упрочнения по сравнению с [110]-монокристаллами. В пределах стадии Uli мезополосы переориентации образуются в основном во фрагментах II и IV, в Ш-м фрагменте полос образуется меньше, что обуславливает меньшую его переориентацию на макроуровне. На стадии III2 в [Ти]-монокристаллах происходит накопление полос во всех центральных фрагментах. Из анализа графика изменения разориентации на макроуровне в монокристаллах с ориентацией оси сжатия [111] можно установить, что

схема напряженного состояния обуславливает начало накопление разориентировок вблизи границы областей с различной схемой напряженного состояния, при этом скорость накопления разориентировок практически идентична для фрагментов //, III и IV (рис. 6, в). Изменение угла переориентации на макроуровне в процессе деформации подчиняется линейной зависимости.

В [110]-монокристаллах изменения ориентации кристаллической решетки на ме-! зо- и макроуровне на стадии II не наблюдается. С помощью анализа картины рельефа в этих монокристаллах прослежено изменение расстояния между следами сдвига по j равнонагруженным плоскостям скольжения (кривые 5-6 на рис. 6, а). Изменение расстояния между следами сдвига по плоскостям скольжения в областях «облегченного» и «частично стесненного» сдвига происходит неравномерно (рис. 6, б). Наиболее интенсивно расстояние между следами уменьшается на второй стадии деформационного упрочнения и при переходе к третьей стадии упрочнения скорость уменьшения расстояний между следами существенно замедляется.

03

С 2 с

260-'

-1500

10 1000

« С CS So со

-«-(11

U)1 Щн ll)iii 101 1Щ

mi

600

Рис. 6. Кривые деформации (1,2) и деформационного упрочнения (3,4) монокристаллов меди с ориентацией оси сжатия [110] (1,3) и [Til] (2,4), изменение среднего расстояния между следами сдвига по плоскости (llT)-(5) и (111)-(6) в [110]-монокристаллах и изменение угла разориентации в [Тп]-монокристаллах (7) (а); изменение расстояния между следами сдвига в области «облегченного» сдвига (I) и областях «частично стесненного» сдвига (11,111) в [110]-монокристаллах (б); изменение угла переориентации в центральных фрагментах (II,III,IV) в [Т11]-монокристаллах (е)

Таким образом, в результате исследований деформации одноосным сжатием (раздел 3 и 4), выявлены характерные особенности протекания процесса пластической деформации в монокристаллах меди с наличием областей «облегченного» или «стесненного» сдвига в сопоставлении со стадиями пластической деформации и схемой напряженного состояния.

В пятом разделе представлены исследования организации пластической деформации при трении.

Макрофрагментация рельефа при трении исследованных монокристаллов опреде- ; ляется схемой напряженного состояния. Схема распределения напряжений при фрикционном контакте, по данным Джонсона, представляет асимметричное поле в направлении трения. Поэтому, при анализе деформации учитывали кристаллографическую ориентацию граней относительно направления трения. На рисунке 7, а изображено разбиение картины рельефа одного из образцов с ориентацией оси нормального давления [110] на фрагменты с различной плотностью следов сдвига по плоскостям скольжения. Наибольшая плотность следов сдвига по плоскостям скольжения в [110]-монокристаллах с ориентацией оси трения [111] достигается во фрагменте 1 расположенном на боковой грани, перпендикулярной направлению трения, в котором достигаются максимальные касательные напряжения. В данном фрагменте выделена область 1.1 с повышенной, относительно всего фрагмента, плотностью следов сдвига. Минимальная плотность следов сдвига во фрагментах 2 и 3, сдвиг по плоскостям скольжения в которых обусловлен в большей степени составляющей силы сжатия.

Рис. 7. Макрофрагментация деформационного рельефа на боковых гранях монокристаллов меди с ориентацией оси нормального давления [110] (а) и [Til] (б) после испытаний на трение

Характер макрофрагментации монокристаллов с ориентацией оси нормального давления [111] отличается от [110]-монокристаллов. Можно выделить по одному макрофрагменту на каждой грани (/ и 2 на рис. 7, б). Таких фрагментов, как 2 и 4 на рисунке 7, а в данных монокристаллах не образуется. Расстояние между следами во фрагментах в [Тп]-монокристаллах при увеличении расстояния от зоны трения увеличивается, но в отличие от монокристаллов с ориентацией оси нормального давления [110] расстояние между следами в данных фрагментах несколько выше. В монокристаллах с данной кристаллографической ориентацией за счет возможности сдвига по плоскости (111) деформационные процессы развиваются в более узком поверхностном слое.

При трении [110]- и [Тп]-монокристаллов в направлении [lT2] характер макрофрагментации деформационного рельефа более сложен в результате большего количества возможных систем сдвига.

Максимальная глубина деформированного слоя (~2 мм) приходится на монокристаллы с ориентацией оси сжатия [110] и оси трения [11 1 ], минимальная - на монокристаллы с ориентацией оси сжатия [110] и оси трения [1 1 2] и [Тп]-монокристаллы с направлением оси трения [110] и [1 12].

Определены закономерности переориентации кристаллической решетки в поверхностных слоях при трении. Проанализирована последовательность формирования фрагментированного слоя с микрокристаллической структурой.

При трении [110]-монокристаллов в направлении [111] переориентация кристаллической решетки возможна по различным вариантам. Наиболее часто встречается поворот вокруг оси [lT2] и более сложный поворот кристаллической решетки, со сменой всех направлений кристаллической решетки, аналогичный повороту в складках второго типа, образующихся в приторцевой области при деформации одноосным сжатием. В основном наблюдается от одного до трех переориентированных слоев с различным характером поворота кристаллической решетки. На рисунке 8, а представлена EBSD-карта одного из испытанных [110]-монокристаллов. Переориентация поверхностной области в данном образце отличается максимальной глубиной переориентированной области (50...75 мкм). Переориентация кристаллической решетки в слое А на рисунке 8, а характеризуется смещением направления оси нормального давления от <110> к <112>, оси трения — от <111> к <110>, а поперечного к оси трения направления - от <112> к <111>. В слоях В ориентация оси сжатия смещается снова в сторону <110>, оси трения - <001>, поперечного направления - <110>. В слое С накопление разориентировок начинает приводить к образованию замкнутых границ и формированию зеренно-субзеренной структуры. В структуре слоя А отчетливо выделяются фрагменты размером в среднем 5><6 мкм, ограниченные направлениями, совпадающими с положением плоскостей скольжения. В данном случае это плоскости (111) и (ill). Предположительно, сдвиг по плоскостям скольжения, наиболее интенсивно происходящий ближе к поверхности трения, приводит к переориентации в результате накопления избыточной плотности дислокаций.

Рис. 8. Изменение ориентации кристаллической решетки (ЕВЗО-карты) построенные относительно ориентации оси сжатия для [110]- (я) и [111]-монокристаллов (б) и графики изменения угла разориентации (в)

10 20 30 40 50 /, мкм

При трении [Тп]-монокристаллов в направлении [1Т2 ] в поверхностных слоях наблюдается поворот кристаллической решетки вокруг оси [110] (рис. 8, б). Ориентация оси нормального давления в слое А смещается к направлению [ПО], ориентация оси трения - к направлению [001], ориентация поперечного к оси трения направления остается неизменной. Ниже расположен частично фрагментированный слой, в котором накопление разориентировок приводит к образованию замкнутых малоугловых границ и начинается поворот зерен относительно соседних. Ближе к поверхности расположен слой с мелкокристаллической структурой с размером зерен на уровне 4-5 мкм. Боль-шеугловые границы наблюдаются на границе слоев и в зеренно-субзеренной области.

Изменение ориентации кристаллической решетки в исследованных монокристаллах при трении происходит различным образом. Но, имеется общая закономерность, о которой упоминается еще в работах Д.А. Ригни, В.Е. Панина и др. Она заключается в том, что наиболее благоприятной осью поворота мезообъемов при трении является ось, перпендикулярная направлению трения и лежащая в плоскости контакта. В данном случае это подтверждается с помощью исследования монокристаллов с применением ЕВЗО-анализа.

Изменение угла переориентации при удалении от поверхности трения в [110]- и [Т11]-монокристаллах происходит по экспоненциальной зависимости (рис. 8, е). Влияние кристаллографической ориентириентации монокристаллов заключается в большей интенсивности изменения угла переориентации и меньшей глубиной переориентированных слоев в [Т11]-монокристаллах. Различия характерных особенностей изменения ориентации кристаллической решетки обусловлены различной ротационной устойчивостью [110]- и [7и]-монокристаллов. Как показывают исследования деформационного поведения монокристаллов при одноосном сжатии [Т11]-монокристаплы обладают наименьшей устойчивостью к изменению ориентации кристаллической решетки. При трении такое положение обуславливает локализацию поворотных мод вблизи поверхности трения, больший угол разориентировки и меньшую глубину переориентированного слоя по сравнению с [110]-монокристаллами.

Проведенные исследования показывают, что пластическая деформация монокристаллов меди при трении сопровождается сдвигом по плоскостям скольжения в широкой подповерхностной области, переориентацией кристаллической решетки в подповерхностных слоях и к образованию зеренно-субзеренного слоя вблизи поверхности.

В завершающей части работы проведен сравнительный анализ влияния схемы напряженного состояния и кристаллографической ориентации на деформационное поведение монокристаллов меди при одноосном сжатии и трении. При трении дополнительное влияние оказывает состояние поверхности контртела, приводящее к реализации как сухого, так и адгезионного трения. Проведенные исследования и анализ литературных данных показывают, что различие в деформации связано с такими эффектами, как наличие областей «стесненного» или «облегченного» сдвига при сжатии, возможностью сдвига по плоскости, параллельной плоскости фрикционного контакта при трении. Отдельным фактором в данном процессе является низкая ротационная устойчивость одних ориентировок и высокая у других. Совместное действие трансляционных и ротационных мод пластической деформации определяет организацию пластической деформации на различных структурно-масштабных уровнях при деформации сжатием или трением в зависимости от схемы напряженного состояния.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. При одноосном сжатии [110]-монокристаллов меди происходит макрофрагментация сдвига с образованием центрального домена с преобладающим сдвигом по плоскости (111). Сдвиг по плоскости (111) в приторцевых областях компенсирует избыточные смещения при сдвиге по плоскости (111) в центральном домене. На пересечении центрального домена и приторцевых образуются промежуточные домены, представленные смешанным характером распределения следов.

2. При деформации монокристаллов с ориентацией оси сжатия [111] помимо трансляционных мод пластической деформации активизируются ротационные, инициирующие поворот кристаллической решетки происходит вокруг оси [110]. Первичные полосы переориентации образуются в течение второй стадии внутри макрополос деформации и являются следствием заторможенного сдвига по плоскостям скольжения. При переходе к третьей стадии упрочнения накопление разориентировок приводит к формированию мезополос переориентации. В течение третьей стадии накопление мез-ополос приводит к формированию макрофрагментов переориентации.

3. Деформационные складки на поверхности [Т11]-монокристаллов формируются различного структурно-масштабного уровня, обусловленного условиями их образования. Макроскладки или наплывы образуются в приторцевой области в результате действия силы торцевого трения и реализации схемы неравномерного всестороннего сжатия. По контуру наплыва и в областях изгиба формируются мезоскладки. В стесненных условиях между мезоскладками образуются микроскладки и более мелкие мезоскладки. Складки различаются по количеству систем сдвига на их поверхности, замкнутости границ и взаимному расположению.

4. Деформационные складки являются проявлением на поверхности ротационных мод пластической деформации. От складок вглубь монокристалла распространяются полосы с переориентированной кристаллической решеткой. В полосах первого типа, расположенных в центральных фрагментах монокристалла, происходит поворот кристаллической решетки вокруг оси [110]. Накопление переориентации в системе таких полос приводит к переориентации на макроуровне. В полосах второго типа, расположенных в приторцевой области, переориентация кристаллической решетки имеет бо-

ее сложный характер, что обусловлено схемой напряженного состояния, с наличием рех отличных от нуля компонент тензора напряжений.

5. Подповерхностная деформация при трении в монокристаллах меди развивается сдвигом по плотноупакованным {111} плоскостям и <110> направлениям. Введение дополнительной составляющей нагружения - силы трения - определяет включение в

еформацию дополнительных систем сдвига по сравнению с одноосным сжатием. Макрофрагментация рельефа определяется схемой напряженного состояния при фрикционном контакте.

6. Наибольшая глубина деформированного, фрагментированного и переориентированных слоев при трении достигается при нагружении [110]-монокристаллов. При трении [Тп]-монокристаллов плоскость фрикционного контакта является плоскостью сдвига, что облегчает формирование частиц износа и уменьшает степень подповерхностной деформации.

7. Переориентация кристаллической решетки в поверхностных слоях монокристаллов происходит наиболее благоприятно поворотом вокруг оси, перпендикулярной оси трения и оси сжатия, и лежащей в плоскости контакта.

8. На основе анализа литературных данных и проведенной работы установлено, что формирование сложной иерархически организованной пластической деформации при трении происходит в следующей последовательности: сдвиг по плоскостям скольжения; формирование плавных разориентировок в результате накопления избыточной плотности дислокаций; формирование одного или нескольких переориентированных слоев; накопление разориентировок в переориентированных слоях с образованием субграниц; формирование фрагментированного слоя с зеренно-субзеренной структурой; накопление разориентировок в зернах и их измельчение с образованием микрокристаллической или наноразмерной зеренно-субзеренной структуры.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В зарубежных научных изданиях

1. Tarasov S. Yu., Lychagin D.V., Chumaevskii A.V. Orientation dependence of subsurface deformation in dry sliding wear of Cu single crystals // Applied surface science. - 2013. - V.274. - P. 22-26.

2. Chumaevskii A.V., Lychagin D.V., Tarasov S.Y., Melnikov A.G. Fragmentation, Texturing and Plastic Flow in the Subsurface of Friction-Processed Copper Single Crystal // Advanced materials research. - 2013. - V.872. - P. 30-35.

В журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий

3. Чумаевский A.B., Лычагин Д.В., Тарасов С.Ю., Колубаев Е.А., Беляев С.А. Алферова Е.А. Сравнительный анализ картины сдвига в [110]- и [111]-монокристаллах меди при малых степенях деформации сжатием и трением // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. -2012. -Т.9. - №2. - С. 180-186.

4. Тарасов С.Ю., Лычагин Д.В., Чумаевский A.B., Колубаев Е.А., Беляев С.А. Подповерхностная деформация в монокристаллах меди при возвратно-поступательном фрикционном контакте // Физика твердого тела. - 2012. - Т.54. - №10. - С. 1909-1913.

5. Чумаевский A.B., Лычагин Д.В., Тарасов С.Ю., Колубаев Е.А., Беляев С.А. Различие в организации сдвига на гранях [110]- и [111]-монокристаллов меди при трении //Вестник Тамбовского госуниверситета. 2013.-Т.18.-№4.-С. 1635-1636.

6. Чумаевский A.B., Лычагин Д.В., Лычагин А.Д., Алферова Е.А. Развитие деформационного рельефа на различных масштабных уровнях при деформации [110]-монокристаллов меди // Вестник Тамбовского госуниверситета. - 2013. - Т. 18. - № 4. --С. 1637-1638.

7. Лычагин Д.В., Тарасов С.Ю., Чумаевский A.B. Складкообразование на поверхности боковых граней монокристаллов меди при одноосном сжатии и при трении // Письма о материалах. -Т.З.- №3.-2013. -С. 202-205.

8. Лычагин Д.В., Тарасов С.Ю., Чумаевский A.B., Беляев С.А., Колубаев Е.А. Ори-ентационные зависимости пластической деформации [110]-монокристаллов меди в условиях сухого трения // Известия ВУЗов. Физика. - 2013. - Т.56. - №12/2. - С. 160165.

9. Лычагин Д.В., Тарасов С.Ю., Чумаевский A.B., Беляев С.А., Колубаев Е.А. Закономерности организации сдвига в подповерхностной области [111]-монокристаллов меди при трении // Известия ВУЗов. Физика. - 2013. - Т.56. - №12/2. - С. 166-171.

Формат 60x84. Бумага офсет. Гарнитура Тайме.

Науч.-изд. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ № 301. Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ 634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15