Деформационный рельеф в кристаллах как способ релаксации напряжений

Е.А. Алфёрова1, Д.В. Лычагин1,2
1Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, 634050, Томск, Россия
2Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, 634050, Томск, Россия
Аннотация
В настоящей работе формирование деформационного рельефа кристалла рассматривается как способ релаксации приложенного напряжения. Показано, что процесс самоорганизации следов сдвига в структурные элементы деформационного рельефа качественно нового уровня (пачки следов, мезо- и макрополосы) направлен на снижение локальных напряжений в зоне их формирования по сравнению с областью, занятой следами сдвига. Установлено, что формирование квазипериодического деформационного рельефа происходит в условиях нестабильности Азаро-Тиллера-Гринфельда, рассчитаны критические длины волны возмущений поверхности λc для пачек следов, мезо- и макрополос. Показано, что каждый тип структурных элементов деформационного рельефа вызывает определенную локальную кривизну поверхности и повышает величину локального напряжения в месте своего формирования. На примере монокристаллов никеля выявлено, что максимальное повышение напряжения в 8.2 раза в месте выхода на поверхности создают следы сдвига, макрополосы повышают локальное напряжение в 6.3 раз, а минимальное значение характерно для мезополос (в 3.3 раза). Радиус кривизны в зоне выпуклости для макрополос самый большой (r=0.40±0.04 μm), что способствует релаксации напряжений, а для мезополос самый маленький (r=0.050±0.003 μm). Показано, что процесс самоорганизации деформационного рельефа способствует увеличению размера области со взаимосогласованной деформацией, что способствует более длительному сохранению целостности кристалла при пластической деформации. На примере ГЦК-монокристаллов никеля, алюминия, а также упорядоченного и неупорядоченного сплава Ni3Fe показано, что самоорганизация следов сдвига в пачки снижает локальное напряжение в зоне формирования пачки в 1.8 – 3.5 раза по сравнению со следами сдвига. Установлена общность выявленных закономерностей для материалов с разными значениями ЭДУ, типом скользящей дислокации (степени порядка) и кристаллографическими особенностями.
Получена: 22 марта 2017   Исправлена: 26 апреля 2017   Принята: 26 апреля 2017
Просмотры: 29   Загрузки: 12
Ссылки
1.
S. Khoddam, H. Beladi, P. D. Hodgson, A. Zarei-Hanzaki, Surface wrinkling of the twinning induced plasticity steel during the tensile and torsion tests // Mater. Des. Elsevier Ltd, 2014. Vol. 60. P. 146 – 152.
2.
D. V. Lychagin, E. A. Alfyorova Folding in FCC metal single crystals under compression // Phys. Solid State. 2015. Vol. 57, № 10. P. 2034 – 2038.
3.
D. V. Lychagin, S. Yu. Tarasov, A. V. Chumaevskii, E. A. Alfyorova Strain-induced folding on [111] copper single crystals under uniaxial compression // Appl. Surf. Sci. Elsevier B. V., 2016. Vol. 371. P. 547 – 561.
4.
M. Cai, S. C. Langford, J. Thomas Dickinson Orientation dependence of slip band formation in single-crystal aluminum studied by photoelectron emission // Acta Mater. Acta Materialia Inc., 2008. Vol. 56, № 20. P. 5938 – 5945.
5.
G. Girardin, C. Huvier, D. Delafosse, X. Feaugas Correlation between dislocation organization and slip bands: TEM and AFM investigations in hydrogen-containing nickel and nickel-chromium // Acta Mater. Acta Materialia Inc., 2015. Vol. 91. P. 141 – 151.
6.
S. Ha, К. Kim Heterogeneous deformation of Al single crystal: Experiments and finite element analysis // Math. Mech. Solids. 2011. Vol. 16, № 6. P. 652 – 661.
7.
D. E. Kramer, M. F. Savage, L. E. Levine AFM observations of slip band development in Al single crystals // Acta Mater. 2005. Vol. 53, № 17. P. 4655 – 4664.
8.
Tatsuya Okada, Mitsuyoshi Utani, Atsushi Osue, Nobukazu Fujii Minoru Tagami and Fukuji Inoko Slip Morphology and Recrystallization in Copper Single Crystals Tensile-Deformed along (011) and (001) Direction // Mater. Trans. 2005. Vol. 46, № 3. P. 602 – 607.
9.
L. A. Teplyakova, I. V. Bespalova, D. V. Lychagin Spatial organization of deformation in aluminum [112] single crystals in compression // Phys. Mesomech. 2009. Vol. 12. P. 166 – 174.
10.
H. S. Ho, M. Risbet, X. Feaugas, G. Moulin The effect of grain size on the localization of plastic deformation in shear bands // Scr. Mater. 2011. Vol. 65, № 11. P. 998 – 1001.
11.
J. Man, P. Klapetek, O. Man, A. Weidner, K. Obrtlík, J. Polák Extrusions and intrusions in fatigued metals. Part 2. AFM and EBSD study of the early growth of extrusions and intrusions in 316L steel fatigued at room temperature // Philos. Mag. 2009. Vol. 89, № 16. P. 1337 – 1372.
12.
J. Man, M. Valtr, M. Petrenec, J. Dluhoš, I. Kubena, K. Obrtlík, J. Polák AFM and SEM-FEG study on fundamental mechanisms leading to fatigue crack initiation // Int. J. Fatigue. 2015. Vol. 76. P. 11 – 18.
13.
L. A. Teplyakova, E. V. Kozlov Formation of scale structural levels of plastic deformation localization in metal single crystals. I. Macrolevel // Phys. Mesomech. 2006. Vol. 9, № 1 – 2. P. 53 – 62.
14.
X. G. Wang, J. F. Witz, A. E. Bartali, A. Oudriss, R. Seghir, P. Dufrénoy, X. Feaugas, E. Charkaluk A dedicated DIC methodology for characterizing plastic deformation in single crystals // Exp. Mech. 2016. Vol. 56, № 7. P. 1155 – 1167.
15.
K. R. Magida, J. N. Florandob, D. H. Lassilab, M. M. LeBlancb, N. Tamurac and J. W. Morris Jr. Mapping mesoscale heterogeneity in the plastic deformation of a copper single crystal // Philos. Mag. 2009. Vol. 89, № 1. 77 – 107 p.
16.
Lychagin D. V., Alfyorova E. A., Starenchenko V. A. Effect of crystallogeometric states on the development of macrobands and deformation inhomogeneity in [111] nickel single crystals // Phys. Mesomech. 2011. Vol. 14, № 1 – 2. P. 66 – 78.
17.
D. V. Lychagin, S. Yu. Tarasov, A. V. Chumaevskii, E. A. Alfyorova Macrosegmentation and strain hardening stages in copper single crystals under compression // Int. J. Plast. Elsevier Ltd, 2015. Vol. 69. P. 36 – 53.
18.
D. Lychagin, A. Chumaevskiy, E. Alferova Laws of development of deformation folds in [111] copper single crystal at axis compression // Appl. Mech. Mater. 2014. Vol. 682. P. 448 – 452.
19.
D. J. Srolovitz On the stability of surfaces of stressed solids // Arta Met. 1989. Vol. 37, № 2. P. 621 – 625.
20.
M. A. Grinfeld (1986). 1 // Sov. Phys. Dokl. 31,. 1986. Vol. 31. P. 831 – 834.
21.
R. Asaro, W. Tiller Interface morphology development during stress corrosion cracking: Part I. Via surface diffusion // Metall. Trans. 1972. Vol. 3, № 7. P. 1789 – 1796.
22.
P. V. Kuznetsov, Yu. I. Tyurinb, I. P. Chernov, T. I. Sigfussonc Grinfeld instability as a mechanism of the formation of self-similar structures on aluminum single-crystal foils under cyclic tension // Phys. Solid State. 2012. Vol. 54, № 12. P. 2429 – 2436.
23.
P. V. Kuznetsov, V. E. Panin, I. V. Petrakova Grinfeld instability in the formation of a tweed structure at the Al crystal surface under cyclic tension // Phys. Mesomech. 2010. Vol. 13, № 1 – 2. P. 70 – 78.
24.
W. H. Yang, D. J. Srolovitz Surface morphology evolution in stressed solids: surface diffusion controlled crack initiation // J. Mech. Phys. Solids. 1994. Vol. 42, № 10. P. 1551.
25.
R. Spatschek, E. A. Brener Fracture and the Grinfeld instability // J. Cryst. Growth. 2005. Vol. 275, № 1 – 2. P. 307 – 311.
26.
D. H. Yeon, P. R. Cha, M. Grant Phase field model of stress-induced surface instabilities: Surface diffusion // Acta Mater. 2006. Vol. 54, № 6. P. 1623 – 1630.
27.
W. W. Mullins Theory of thermal grooving // J. Appl. Phys. 1957. Vol. 28, № 3. P. 333 – 339.
28.
L. A. Teplyakova, D. V. Lychagin, E. V. Kozlov Shear localization in deformed Al single crystals with a compression axis orientation [001] // Phys. Mesomech. 2003. Vol. 6, № 1 – 2. P. 19 – 24.
29.
D. V. Lychagin, E. A. Alfyorova, A. S. Tailashev Misorientation Development During the Formation of Macrobands in the [001] Nickel Single Crystals // Russ. Phys. J. 2015. Vol. 58, № 5. P. 717–723.