Введение к работе
Актуальность темы. ГПУ циркониевые сплавы являются основным конструкционным материалом для деталей активной зоны атомных энергетических реакторов. Дальнейшее повышение ресурсных характеристик циркониевых изделий может быть достигнуто путем оптимизации технологии их изготовления, в том числе, за счет увеличения пластичности материалов в процессе холодной обработки давлением. Для этого необходимо знание закономерностей деформационного поведения циркониевых сплавов, которые определяют способность к устойчивому пластическому течению без макроскопической локализации деформации.
В работах, выполненных в ИФПМ СО РАН, изучены макроскопические закономерности локализации пластического течения в различных материалах и установлено, что формы макролокализации различны и зависят от действующего на данной стадии закона деформационного упрочения. При этом обнаружено, что стадия потери устойчивости пластического течения и формирования очага предразрушення может иметь особенности. Так, с помощью метода двухэкспозиционной спекл-фотографии показано, что ГПУ сплавам циркония присуща колебательная неустойчивость пластического течения. Это явление проявляется на макроуровне на параболической стадии кривой пластического течения во взаимосогласованном периодическом изменении пространственно-временной картины распределения локальных деформаций и сопровождается периодическим накоплением деформации в ряде очагов устойчивой макролокализации, один из которых затем трансформируется в шейку. Физические причины обнаруженного немонотонного деформационного поведения и его взаимосвязь с процессами, протекающими на микро- и мезомасштабных уровнях деформации, остаются не вполне ясными.
К общим закономерностям неустойчивости пластического течения на макроуровне относят, в том числе, локальное изменение геометрии образца. Для анизотропных материалов геометрический фактор играет важігую роль, поскольку изменение напряженно-деформированного состояния и локализация течения в очаге порождают текстурную неоднородность. Механизмы текстурообразования ГПУ сплавов на основе циркония являются сложными и не до конца ясными, так как кристаллографическая переориентация зерен определяется сдвиговыми напряжениями в активизируемых системах скольжепия и двойникования. До сих пор не сложилось единого представления о возможных вторичных системах скольжения, роли базисного скольжения и двойникования в образовании и развитии текстур деформации. Отчасти это связано с преимущественным использованием для анализа текстурообразования методов, основанных на интегральном описании структуры, и недостатком экспериментальных данных об изменении в ходе деформации пространственного распределения ориентировок отдельных зерен, а также микроструктуры образца (степени дисперсности структуры, морфологии зерен и субзерен, спектра разориентаций границ). В то же время,
очевидно, что особенности эволюции микроструктуры и микротекстуры в материалах с выраженной анизотропией упругих и пластических свойств могут определять физические причины возникновения немонотонного деформационного поведения сплавов на основе циркония. Это определило цель настоящей работы: выявление взаимосвязи возникновения неустойчивости пластического течения при растяжении ГПУ сплавов циркония с кинетикой и механизмами их текстурообразования в очаге макролокализации деформации. В этой связи необходимым является решение ряда частных задач:
-
Исследовать эволюцию макролокализащш деформации на стадии образования шейки с помощью методов двухэкспозиционной спекл-фотографии и анализа профиля поверхности образца.
-
Методом дифракции обратно рассеянных электронов исследовать закономерности эволюции микротекстуры и микроструктуры и провести анализ изменения факторов Шмида для различных систем скольжения в процессе формирования очага макролокализации при растяжении сплава Zr-l%Nb.
-
Исследовать взаимосвязь колебательной неустойчивости пластического течения с закономерностями переориентации зерсн/субзерен в очаге макролокализации деформации в процессе его трансформации в шейку.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлено, что возникновение колебательной неустойчивости на параболической стадии пластического течения при показателе степени деформационного упрочнения п < 0,5 связано с началом локального неоднородного изменения геометрии деформируемого образца, приводящего к образованию одной или нескольких шеек. Впервые проведен анализ эволюции микротекстуры и факторов Шмида для различных систем скольжения в процессе растяжения сплава Zr-l%Nb в условиях формирования шейки. Определены механизмы деформации, ответственные за переориентацию базисных нормалей на последовательных стадиях формирования аксиальной текстуры в шейке. Установлено, что колебательная неустойчивость, которая сопровождается «упрочнением - разупрочнением» в очаге деформации, связана с геометрическим упрочнением (разупрочнешіем) и определяется переориентацией плоскостей скольжения относительно направления растягивающих и сжимающих напряжений. Выявлена связь активности различных систем скольжения с закономерностями эволюции количественных параметров микроструктуры: распределении зерен/субзерен по размерам, спектре распределения границ по разориептациям и осям разориентации, удельной и относительной доли протяженности малоугловых и большеугловых границ, параметрах и содержании специальных границ.
Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что получены экспериментальные данные о закономерностях эволюции микроструктуры и микротекстуры в процессе пластического течения сплавов циркония, которые определяют возникновение неустойчивости пластического течения и образование очага разрушения материала. Полученные в работе данные могут быть полезны для прогноза деформационного поведения сплавов
циркония при выборе режимов холодной обработки давлением в процессе производства оболочечных и канальных труб из сплавов Э110, Э125, Э635 и циркалой-2 для ядерных реакторов с целью обеспечения их высоких технологических и эксплуатационных свойств.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Возникновение колебательной неустойчивости на параболической стадии пластического течения ГПУ сплавов циркония связано с началом локального неоднородного изменения геометрии деформируемого образца, являющимся предвестником формирующейся шейки.
-
Нелинейный характер процесса «упрочнение-разупрочнение» в очаге макролокадизации, определяемый взаимосвязанным колебательным изменением максимальных поперечных и продольных деформаций в очаге макролокализации.
-
Колебательная неустойчивость пластического течения ^ режиме «упрочнение - разупрочнение» взаимосвязана с ориентационной неустойчивостью, обусловленной периодическим изменением факторов Шмида для призматической и сопряженных систем скольжения, которое обеспечивает увеличение или уменьшение действующих напряжений сдвига
-
Данные о количественных характеристиках микроструктуры (распределении зерен/субзерен по размерам, спектре распределения границ по разориентациям и осям разориептации, удельной и относительной доли протяженности границ, параметрах и содержании специальных границ), а также закономерностях их изменения в очаге деформации в процессе его трансформации в шейку.
Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач с использованием современных, апробированных методов исследования, анализом литературных данных, а также сравнением полученных результатов с данными других авторов.
Личный вклад заключается в литературном поиске и написании критического обзора по теме диссертации, обосновании выбора необходимых методик, личном участии в проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных, написании статей, а также в обсуждении результатов и формулировке выводов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: ХП, XIV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2006, 2008), XII Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2006), III Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» (Москва, 2006, 2010), 5 Международная научная конференция «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (Казахстан, Астана, 2006), Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006),
Международная конференция «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (Томск, 2006, 2009), Всероссийская научная конференция молодых ученых и специалистов «Материалы ядерной техники: от фундаментальных исследований к инновационным решениям» (МАЯТ-ОФИЭ 2006), (Агой, 2006), VI Всероссийская конференция молодых учёных «Проблемы механики: теория эксперимент и новые технологии», (Новосибирск, 2007), 15 зимняя школа по механике сплошных сред, (Пермь, 2007), XVIII сессия международной школы по моделям механики сплошной среды, (Саратов, 2007), Вторая международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», (Москва, 2007), Международная школа-семинар «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике», (Томск, 2008), VI Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики, (Томск, 2008), 15 Международная конференция по прочности материалов (ICSMA 15), (Германия, Дрезден, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы, в том числе 6 статей в журналах, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы из 185 наименований, всего 183 страницы, включая 6 таблиц и 56 рисунков.
