НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

“ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

СИТІН Володимир Іванович

УДК 669.35:539.5

ВПЛИВ ТЕПЛОВОЇ ТА МЕХАНІЧНОЇ ДІЇ НА ПРУЖНОПЛАСТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МІКРОЛЕГОВАНОЇ ІТРІЄМ МІДІ

01.04.13. – “Фізика металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” Національної академії наук України.

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук

ВОЄВОДІН Віктор Миколайович, Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій ННЦ ХФТІ, заступник директора, м. Харків.

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

ЛЕБЕДЄВ Віктор Прохорович, Харківський Національний університет ім. В.Н. Каразіна, декан фізичного факультету, м. Харків;

кандидат фізико-математичних наук

ПОХІЛ Юрій Онисимович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, заступник директора по науковій роботі СКТБ, м. Харків.

Провідна установа: | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 29 ” березня 2005 р. о “ 1400 ” годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .845.01 у Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1, конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці ННЦ ХФТІ за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

Автореферат розісланий “ 23 ” лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д .845.01

доктор фізико-математичних наук, професор Айзацький М.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В області фізики металів актуальним є розвиток наукового напрямку, спрямованого на дослідження впливу зовнішніх дій на структуру та фізико-механічні властивості кристалічних матеріалів. Реальні кристалічні метали, за окремими винятками, є полікристалічними, тобто агрегатами, що складаються з великої кількості зерен, які накладають обмеження на деформацію один одного. Складність такої системи, якою є полікристалічний матеріал, обумовлює доцільність розгляду, як на мікро-, так і макрорівнях. Розробляються методи теоретичного та експериментального досліджень механізмів пластичної деформації. Актуальною залишається задача адекватної математичної апроксимації діаграм деформування, які є практично єдиним доступним джерелом експериментальної інформації про механічні властивості металевих матеріалів.

Ефективне використання металів, зокрема міді, попит на яку зростає, є однієї зі складових технічного прогресу. Перевагою міді є її висока електропровідність і теплопровідність у широкому інтервалі температур. Мідь розглядається як перспективний матеріал компонентів ліміторів і диверторів термоядерного реактора, використовується як демпфіруючий прошарок у шаруватих композиційних матеріалах.

Поряд з позитивними властивостями чиста мідь має і ряд недоліків. Зменшення загального вмісту домішок у високочистій міді викликає природне зниження її температури рекристалізації, зниження міцності, неоднорідну крупнозеренну структуру. Істотно змінювати структуру та пружнопластичні властивості полікристалічної міді можна шляхом мікролегування.

У Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” розроблено і впроваджено у виробництво ряд мікролегованих рідкоземельними металами сплавів на основі міді, зокрема, мідь, мікролегована ітрієм. При цьому вплив зовнішніх дій на пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм міді мало досліджено.

Викладене вище визначає актуальність даної дисертаційної роботи, спрямованої на вивчення впливу теплової та механічної дії на структуру і пружнопластичні властивості полікристалічної мікролегованої ітрієм міді.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Дослідження, які склали зміст дисертації, проведені здобувачем у відділі фізики радіаційних явищ та радіаційного матеріалознавства Інституту фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій ННЦ "Харківський фізико-технічний інститут". Дисертаційна робота, підготовлена в рамках наукових програм відділу, де здобувач приймав участь як виконавець, “Програми проведення фундаментальних досліджень по атомній науці та техніці Національного наукового центру Харківський фізико-технічний інститут” згідно розпорядження Кабінету міністрів України від 13 вересня 2001р. № 421-р. і проекту НТЦУ №1760.

Мета і задачі досліджень.

Мета роботи - визначити вплив теплової і механічної дії на корозійне поводження та пружнопластичні характеристики мікролегованої ітрієм міді; виявити залежність між пружнопластичними характеристиками мікролегованої ітрієм міді.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- дослідити механічні та теплові впливи на корозійне поводження і схильність мікролегованої ітрієм міді до “водневої крихкості”;

- дослідити вплив попередніх деформацій і відпалів на межу міцності і подовження мікролегованої ітрієм міді при різній орієнтації зразків стосовно напрямку попередньої деформації при одноосному деформуванні;

- провести математичну обробку експериментальних діаграм деформування зразків мікролегованої ітрієм міді;

- виявити залежність між пружнопластичними характеристиками мікролегованої ітрієм міді; визначити значення модуля нормальної пружності мікролегованої ітрієм міді;

- дослідити площинну анізотропію модуля нормальної пружності, що виникає при механічній і термічній обробках стрічок мікролегованої ітрієм міді.

Об’єкт дослідження – явище пружності та пластичності мікролегованої ітрієм міді.

Предмет дослідження – зміна пружнопластичних характеристик мікролегованої ітрієм міді під впливом теплової і механічної дії.

Методи дослідження. Методи досягнення поставленої мети включають експериментальне дослідження пружнопластичних властивостей мікролегованої ітрієм міді; одержання, систематизацію, теоретичну обробку та узагальнення даних про вплив попередніх деформацій і відпалів на пружнопластичні характеристики; порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних результатів.

Наукова новизна отриманих результатів.

- Вперше приведена оцінка розчинності ітрію в міді при кімнатній температурі.

- Одержали подальший розвиток уявлення про критичне напруження плину при одноосному деформуванні; виміряні значення ефективного критичного напруження плину мікролегованої ітрієм міді.

- Вперше досліджено вплив попередніх деформацій і відпалів на модуль нормальної пружності мікролегованої ітрієм міді; проведено аналіз експериментальних і теоретичних значень модуля нормальної пружності; показано, що теплові і механічні дії можуть істотно впливати на пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм міді.

- Одержали розвиток уявлення про функціональну залежність між пружно-пластичними характеристиками для мікролегованої ітрієм та вакуумплавленої міді.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень і висновків підтверджується відповідністю прийнятих допущень характеру розв'язуваних задач; достатнім обсягом вибірки результатів експериментальних досліджень, коректністю прийнятих теоретичних передумов, які підтверджені експериментальними дослідженнями і позитивними результатами апробації на наукових конференціях і симпозіумах.

Практичне значення роботи. Виявлена в дисертаційній роботі залежність між ефективним критичним напруженням плину, межею міцності, рівномірним подовженням і модулем нормальної пружності розширює уявлення про особливості формування комплексу фізико-механічних властивостей і може бути використана при дослідженні і розробці нових металевих матеріалів. Накопичені й узагальнені знання про пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм міді мають як прикладний, так і фундаментальний характер і сприяють рішенню принципових питань фізики металів.

Отримані наукові результати можуть бути використані при оптимізації режимів механіко-термічних обробок мікролегованої та вакуумплавленої міді.

Особистий внесок. Обговорення цілей і задач дисертаційної роботи проводилося з науковим керівником, обговорення результатів досліджень, опублікованих в основних статтях по темі дисертації, проводилося як з науковим керівником, так і з співавторами. Особистий внесок автора в статтях по темі дисертації полягає в тому, що у роботах [1, 2, 6, 7, 8] розвинуто уявлення про критичне напруження плину, введено поняття ефективного критичного напруження плину, виміряні значення ефективного критичного напруження плину та модуля нормальної пружності мікролегованої ітрієм та вакуумплавленої міді при одноосному деформуванні. Автором виявлена залежність між ефективним критичним напруженням плину, модулем нормальної пружності, межею міцності та рівномірним подовженням, проведено аналіз результатів впливу попередніх деформацій і відпалів на критичне напруження плину і модуль нормальної пружності мікролегованої ітрієм та вакуумплавленої міді при різних орієнтаціях зразків відносно напрямку попередньої деформації. Автором [3, 4, 5, 9] проведено оцінку межі розчинності ітрію в міді при кімнатній температурі та аналіз результатів впливу теплової і механічної дії на структуру та корозію міді.

Автор зробив висновки за результатами досліджень, підготував текст дисертації, сформулював наукову новизну отриманих ним результатів. Особистий внесок автора у дисертаційну роботу є визначальним.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені та обговорені на: XIV Міжнародній конференції по фізиці радіаційних явищ і радіаційному матеріалознавству (2000 р., м. Алушта, Україна ); VII Міжнародному симпозіумі “Чисті метали” (2001 р., м. Харків, Україна); IX Міждержавній конференції “Радиационная повреждаемость и конструкционная способность материалов” (2001, м. Бєлгород, Росія); XV Міжнародній конференції по фізиці радіаційних явищ і радіаційному матеріалознавству (2000 р., м. Алушта, Україна ); European Congress on Advanced Materials and Processes (2003 y., Lausanne, Switzerland); III Міжнародній конференції “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений” (MPFP) (2003 р., м. Тамбов, Росія).

Публікації. Основні наукові результати дисертації опубліковано в 9 роботах, з яких 5 1-5 є науковими статтями, що задовольняють вимогам ВАК України, 4 [6-9] публікацій є матеріалами конференцій і симпозіумів. Опубліковані роботи відповідають темі дисертації та відображають її зміст.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 121 сторінку друкованого тексту, містить 25 рисунків, 17 таблиць і список використаної літератури із 105 назв.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і задачі роботи, визначені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, а також представлені дані про апробацію результатів і публікації по темі досліджень.

У першому розділі розглянуто розвиток уявлень про основні характеристики пружнопластичного поводження металевих матеріалів, викладено сучасний стан уявлень про природу пружних та пластичних характеристик моно- і полікристалічних металевих матеріалів. Обговорено питання, пов'язані з впливом домішок і мікродобавок на механічні властивості міді. Проведено аналіз науково-технічної і патентної літератури по впливу режимів деформацій і відпалів на анізотропію механічних властивостей міді. На основі аналізу літератури показано, що домішки і мікродобавки істотно впливають на фізико-механічні і технологічні характеристики міді.

На основі узагальнення наявних у літературі експериментальних даних і аналізу теоретичних уявлень про пружнопластичні характеристики сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі приведено опис матеріалів, устаткування і методів досліджень, які було використано при виконанні дисертаційної роботи. Основними матеріалами для досліджень були вакуумплавлена та мікролегована ітрієм мідь. Також досліджувалися й інші марки міді. Вакуумплавлена та мікролегована ітрієм мідь виготовлена виробничим об'єднанням “Сигма” на основі катодної міді М0к. Методом штампування готувалися зразки для фізико-механічних досліджень.

Іспити на схильність до “водневої крихкості” проводили на зразках, термооброблених як у вакуумі 2,710-3 Па, так і в атмосфері водню, при температурах 850, 950, і 1020С впродовж 0,5 години.

Порівняльні іспити корозійного поводження проводили на повітрі при температурах 100, 200 і 250С. Іспитам піддавали зразки як у термообробленому (520С, 1 година), так і в деформованому (на 50%) стані. Окислення проводили в розігрітій до заданої температури горизонтальній муфельній печі, через яку пропускали осушене повітря.

Металографічні дослідження структури матеріалів проводили на подовжніх і поперечних шліфах з використанням мікроскопа МІМ-8М. Тонку структуру матеріалів вивчали за допомогою електронного мікроскопа JEM100 CX.

Механічні іспити проводили при кімнатній температурі зі швидкістю деформування 2,8510-3 с-1. Перед іспитами на одноосне деформування матеріали піддавалися попереднім деформаціям на 25, 40, 60 і 90% та термічній обробці при різних температурах протягом однієї години. Досліджувані зразки мали робочу частину 11,5x3,3x0,5 мм. При дослідженні площинної анізотропії пружнопластичних характеристик зразки для іспитів вирізували під кутами 0, 15, 30, 45, 60, 75, і 90 стосовно напрямку попередньої деформації. При дослідженні механічних характеристик на кожний іспит використано по 3-4 зразки. При термообробках температура вимірялася з похибкою 20С. Невизначеність ступеня попередньої деформації складала 2%.

Похибки значень пружнопластичних характеристик, наведені в дисертаційній роботі, містять похибки всіх стадій обробки, виготовлення та іспитів зразків.

У третьому розділі приводяться результати експериментальних досліджень по визначенню теплового та механічного впливу на схильність мікролегованої ітрієм міді до “водневої крихкості”, на корозійне поводження, а також приведена оцінка розчинності ітрію в міді при кімнатній температурі.

В результаті проведених досліджень встановлено, що вакумплавлена і мікролегована ітрієм мідь виявляють, у порівнянні з безкисневою міддю марки М0б, більш високу корозійну стійкість. Вакуумплавлена мідь має більш низькі показники міжкристалічної корозії, а також знижену на 20-25% швидкість загальної корозії. Мікролегована мідь із вмістом ітрію 0,02-0,03% не виявляє схильності до міжкристалічної корозії і при вмісті ітрію 0,015-0,02% має в 3-4 рази більш низьку швидкість загальної корозії, у порівнянні з безкисневою міддю марки М0б. Таке поводження різних сортів міді пов'язано зі зміною за рахунок вакуумного переплаву і мікролегування енергетичного спектра неоднорідностей поверхні матеріалу (мікровключень, дислокацій, сегрегацій домішок, границь зерен і блоків), відповідальних за протікання корозійних процесів на міді. Дослідження “водневої крихкості” при підвищених температурах показали, що мікролегована мідь з добавками 0,01 і 0,02% ітрію як після відпалу у вакуумі, так і після відпалу у водні дефектів поверхні не виявляє.

Для вирішення ряду наукових і практичних задач необхідно мати відомості про межу розчинності добавки ітрію в мідь при кімнатній температурі. Залежність електроопору від добавки, що міститься в мікролегованому матеріалі, дає можливість оцінити межу її розчинності. У дисертаційній роботі показано, що приріст питомого електроопору міді в залежності від концентрації добавки ітрію (CY) описується степеневою залежністю:

, (1)

де - приріст електроопору, обумовлений як різниця між питомими електроопорами мікролегованої (m) і нелегованої міді (); і – коефіцієнти, які для мікролегованої ітрієм міді рівні 106,210-9 Омм і 0,77.

Виходячи із правила Маттісона, можна чекати для розведених твердих розчинів лінійну залежність електроопору твердого розчину від його концентрації:

, (2)

де m, і d - значення питомих електроопорів досліджуваного твердого розчину, вихідного матеріалу розчинника і матеріалу, що розчиняється; С - концентрація розчину.

Спільне рішення рівнянь (1) і (2) при відомих значеннях m і d дає можливість у рамках моделі, для якої справедливо правило Маттісона, одержати оцінку граничної концентрації добавки (CL), що знаходиться в міді у твердому розчині:

(3)

Використовуючи співвідношення (3) і приймаючи згідно літературних даних питомий електричний опір ітрію при кімнатній температурі d = 6510-8 Омм і = 16,79910-8 Омм, маємо: CL=1,3910-3 %. В результаті теоретичного аналізу експериментальних даних отримано співвідношення, яке дало можливість визначити, що в термообробленій при 550С мікролегованій міді при кімнатній температурі може знаходитися в метастабільному твердому розчині 1,3910-3 % по масі ітрію.

У четвертому розділі представлено результати експериментальних досліджень впливу механічної та теплової дії на структуру, міцнісні та пластичні властивості вакууплавленої і мікролегованої ітрієм міді; розглянуто математичний опис експериментальних діаграм деформування; встановлено функціональний зв'язок між пружнопластичними характеристиками для мікролегованої ітрієм та вакуумплавленої міді.

Головною особливістю реальних конструкційних матеріалів, є неоднорідність їхньої будови. Неоднорідність будови реальних кристалічних матеріалів проявляється, насамперед, у їх пружних, пластичних і міцносних властивостях, а також в анізотропії зміцнення окремих кристалітів (зерен), що складають конструкційний матеріал.

В результаті проведених досліджень встановлено, що значення межі міцності міді та подовження в залежності від ступеня попередньої деформації, температури відпалу і мікродобавки ітрію істотно змінюються (рис.1).

Рис.1. Зміна значень межі міцності міді під впливом мікродобавки ітрію, механічної та теплової дії: а - в= в (Cu+0,01% Y) – в (Cu); б - в= в (Cu+0,02% Y) – в (Cu). Відносна похибка значень межі міцності не перевищує 1,5%.

Електронно-мікроскопічними та металографічними дослідженнями підтверджено, що структура мікролегованої ітрієм та вакуумплавленої міді від впливом механічної та теплової дії суттєво змінюється. В структурі мікролегованої ітрієм міді (рис.2-а) виявляються виділення, до складу яких входять ітрій і супутні міді мікродомішки, що ілюструє рафінуючу дію мікродобавки ітрію. Для мікролегованої ітрієм міді спостерігається зменшення середнього розміру зерна (у 1,5-2 рази) (рис.2-в) у порівнянні з вакуумплавленою (рис.2-б) після однакових попередніх деформацій і відпалів.

Рис.2. Структура міді: а, в – мікролегованої 0,02% по масі ітрію, б – вакуумплавленої.

Таким чином, перерозподіл домішок в процесі механічної та теплової дії, а також вплив мікродобавки ітрію можуть викликати зміну значень межі міцності та подовження міді.

Розглянуто математичний опис експериментальних діаграм деформування в істинних координатах. Для математичного опису діаграм деформування використовується степенева, а також комбінації лінійної і степеневої функцій. Прямолінійна початкова частина кривої на діаграмі деформування характеризує область пружних деформацій. У цій області справедливий закон Гука:

, (4)

де Е – модуль нормальної пружності, S - напруження плину, – подовження.

Аналіз експериментальних даних по дослідженню механічних властивостей металевих матеріалів показує, що для полікристалічної міді, як і для більшості полікристалічних металів, при одноосному деформуванні з постійною швидкістю найбільш прийнятної для математичного опису діаграм деформування в області рівномірного пружнопластичного подовження може бути степенева функція виду:

, (5)

де n - показник зміцнення, D - коефіцієнт пропорційності. При постійній швидкості і незмінній температурі деформування значення D і n – постійні. Для реальних кристалічних матеріалів, при невеликих пластичних деформаціях, експериментальна крива деформування може відрізнятися від кривої, що відповідає рівнянню (5). Таке розходження зв'язується з наявністю в структурі реального полікристалічного матеріалу сітки висококутових границь, домішок, мікродефектів, а також несталою динамічною рівновагою між рухливими і заблокованими дислокаціями. Пластична деформація, що відбувається в реальній пружній полікристалічній матриці, характеризується неоднорідністю розподілу мікронапружень, що обумовлює неоднорідність мікропроцесів пружної і пластичної деформацій матеріалу.

Звертається увага на те, що діаграма деформування в процесі іспиту конструкційного матеріалу фіксує пересічні ефективні значення напружень і подовжень. Ефективне критичне напруження плину Si і відповідне йому значення ефективного критичного пружного подовження i визначалися по перетину пружної та пластичної дільниць істинної діаграми, які апроксимовані рівняннями (4) і (5). Параметри Si і i задовольняють як закону Гука (4), так і співвідношенню (5). Виходячи з цього, встановлено функціональну залежність між основними пружнопластичними параметрами:

(6)

З врахуванням того, що для міді, як і для більшості металевих матеріалів при одноосному деформуванні, значення показника зміцнення n чисельно дорівнює максимальному значенню рівномірного подовження b , маємо:

, (7)

де Sb - межа міцності, а b - максимальне рівномірне подовження.

Співвідношення (7) дає можливість, використовуючи конкретні експериментальні дані з діаграм деформування, визначати чисельні значення модуля нормальної пружності досліджуваного матеріалу. Таким чином, співвідношення (6, 7) надають можливість, використовуючи конкретні експериментальні дані з діаграм деформування, визначити чисельні значення пружнопластичних характеристик.

В п’ятому розділі приводяться результати експериментальних досліджень впливу механічні і теплової дії на анізотропію пружнопластичних властивостей вакуумплавленої та мікролегованої ітрієм міді. На підставі співвідношення) визначено модуль нормальної пружності при різній орієнтації зразків стосовно напрямку попередньої деформації при одноосному деформуванні. Проведено порівняльний аналіз значень модуля нормальної пружності для вакуумплавленої та мікролегованої ітрієм міді, які були одержані з використанням співвідношення (7) та конкретних експериментальних даних з діаграм деформування і даних, що витікають з теорії пружності анізотропного тіла.

Більшість реальних матеріалів і виробів з них мають анізотропію механічних властивостей. В результаті проведених досліджень встановлено, що для стрічок мікролегованої ітрієм і вакуумплавленої міді спостерігається зміна межі міцності та подовження в залежності від орієнтації зразка стосовно напрямку попередньої деформації. Отримані результати показують, що широко розповсюджений спосіб оцінки анізотропії механічних властивостей листових матеріалів, заснований на контролі у подовжньому і поперечному напрямку стосовно напрямку прокатки, може приводити до недостовірних результатів.

Модуль нормальної пружності є параметром аналітичного апарату фізичної теорії деформації і руйнування твердого тіла, входить до більшості рівнянь фізики металів і служить основним параметром у конструкторських розрахунках споруджень, машин і механізмів. Проте, для модулів пружності полікристалічних тіл, як ні для інших фізичних параметрів твердого тіла, характерні широкі межі розсіювання експериментальних значень. Використовуючи співвідношення (7) були обчислені значення модуля нормальної пружності мікролегованої ітрієм та вакуумплавленої міді в залежності від орієнтації зразка стосовно напрямку попередньої деформації, температури відпалу та ступеню попередньої деформації. Показано, що значення модуля нормальної пружності мікролегованої ітрієм і вакуумплавленої міді (рис.3) істотно змінюються після теплових, механічних впливів та в залежності від орієнтації зразків. Такі зміни пов'язані з тим, що пластична деформація викликає в металі структурні зміни, що включають зміну форми кристалітів, їхнього кристалографічного просторового орієнтування і внутрішньої будови кожного кристаліта. Основна зміна форми кристалітів полягає в тому, що вони витягаються в напрямку головної деформації. При пластичній деформації в кристалічних ґратках зерен виникає переважне просторове орієнтування – текстура деформації. Характер текстури деформації залежить від виду й умов деформування, від типу кристалічних ґраток і енергії дефектів упакування. В процесі пластичної деформації і наступних теплових впливів відбувається перерозподіл мікродомішок і мікродобавок, формуються текстури.

Із отриманих результатів (рис.3) слідує, що мікролегування ітрієм значно впливає на модуль нормальної пружності міді. Зміна модуля нормальної пружності мікролегованої міді пов’язується з розмірною невідповідністю, рафінуючим та модифікуючим впливом мікродобавки ітрію, що підтверджують результати електронно-мікроскопічних та металографічних досліджень.

Рис.3. Модуль нормальної пружності міді після попередньої деформації на 90% в залежності від: а - температури відпалу; б - орієнтації зразків. Відносна похибка значень модуля пружності не перевищує 7%.

Дані рентгеноструктурного аналізу показують, що текстура прокатаної міді з деформацією до 90% наближається до системи {112}<111>, їй супутні сліди системи {100}<001>. У процесі термообробки протягом однієї години при 500-600С формується текстура куба {100}<001>. За літературними даними для монокристалу міді максимальне значення модуля пружності складає 190 ГПа в напрямку [111], а мінімальне - 66,6 ГПа в напрямку [100]. Таким чином, формуванням в результаті механічної і теплової дії визначеного виду та співвідношення текстур можна істотно впливати на пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм і вакуумплавленої міді, що має велике практичне значення.

Проведено порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних значень модуля нормальної пружності для вакуумплавленої та мікролегованої ітрієм міді при різній орієнтації зразків стосовно напрямку попередньої деформації.

Для ортотропного матеріалу, виходячи з уявлень теорії пружності анізотропного тіла, співвідношення, що визначає залежність модуля нормальної пружності від напрямку, записують у вигляді:

, (8)

де  кут між напрямком розтягування і напрямком попередньої деформації, E0, E90, E45 - модулі пружності в подовжньому, поперечному і діагональному напрямках, b і с - показники анізотропії модуля пружності, визначені як . Справедливість припущення про пружну ортотропність металевих матеріалів і застосовність до них співвідношення (8) експериментально підтверджена роботами багатьох вчених.

Розраховані з використанням співвідношень (7) та (8) значення модуля нормальної пружності мікролегованої та вакуумплавленої міді представлені на рис.4. Видно, що мікролегування міді ітрієм значно знижує площинну анізотропію.

а б

Рис.4. Залежність модуля нормальної пружності вакуумплавленої (а) та мікролегованої 0,02% ітрію (б) міді від орієнтації зразка (). Лінії - значення, розраховані по співвідношенню (8), крапки - дані, отримані по співвідношенню (7) (відпал при температурі 500С, попередня деформація на 90%).

Порівняння приведених результатів (рис.4) показує, що значення модуля нормальної пружності, розраховані на підставі співвідношення (8), одержаного в рамках моделі пружного тіла, і значення, розраховані з використанням співвідношення (7), одержаного на підставі уявлень про ефективне напруження плину, співпадають. В рамках сучасних уявлень, функціональна залежність (6) достовірно відображає пружнопластичні властивості полікристалічного металевого матеріалу, а також ті тенденції в змінах модуля нормальної пружності, що виникають в результаті механічного та теплового впливу.

На закінчення слід зауважити, що виявлені при невеликих пластичних деформаціях розбіжності між експериментальними кривими деформування та кривими, які відповідають співвідношенню (5), пов’язані з наявністю в структурі реального полікристалічного матеріалу сітки висококутових границь, домішок, мікродефектів, а також несталою динамічною рівновагою між рухливими та заблокованими дислокаціями, і потребують подальшого поглибленого вивчення впливу структурного фактора на формування властивостей металевих матеріалів при мікродеформаціях.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі проведено дослідження впливу теплової та механічної дії на структуру і пружнопластичні властивості полікристалічної мікролегованої ітрієм міді та вирішена наукова задача, що полягає у встановленні залежності між пружнопластичними характеристиками мікролегованої ітрієм міді.

Основні наукові та практичні результати роботи і висновки, що випливають з них, полягають у наступному:

1. На підставі аналізу діаграм деформування та уявлень про ефективне критичне напруження плину встановлено залежність між модулем нормальної пружності, ефективним критичним напруженням плину, межею міцності і рівномірним подовженням. Встановлена залежність надає можливість, використовуючи конкретні експериментальні дані з діаграм деформування, визначити чисельні значення модуля нормальної пружності мікролегованої ітрієм міді та розширює уявлення про особливості формування комплексу фізико-механічних властивостей металевих матеріалів.

2. Електронно-мікроскопічними і металографічними дослідженнями встановлено, що в структурі мікролегованої ітрієм міді виявляються дрібні (до 20 нм) виділення, до складу яких окрім ітрію входять супутні міді мікродоміш-ки. При однакових режимах обробки для мікролегованої міді спостерігається зменшення середнього розміру зерна (в 1,5-2 рази) у порівнянні з вакуумплавленою міддю. Отримані результати підтверджують рафінуючий та модифікуючий вплив мікродобавки ітрію.

3. Вперше приведено оцінку розчинності ітрію в міді при кімнатній температурі. В результаті теоретичного аналізу експериментальної залежності електроопору міді від вмісту в ній добавки ітрію отримано співвідношення, яке дало можливість одержати оцінку граничної концентрації добавки, що знаходиться в міді у твердому розчині. Встановлено, що в попередньо термообробленій при 550С міді при кімнатній температурі може знаходитися в метастабільному твердому розчині 1,3910-3 мас.% ітрію.

4. Вперше досліджено вплив попередніх деформацій та відпалів на модуль нормальної пружності мікролегованої ітрієм міді. Показано, що ступінь попередньої деформації, температура відпалу та орієнтація зразків істотно позначаються на пружнопластичних характеристиках, у тому числі і на конкретних значеннях модуля нормальної пружності. Зміни в значеннях модуля нормальної пружності, межі міцності та подовження мікролегованої ітрієм міді при кімнатній температурі пов'язані з перерозподілом домішок і мікродобавок у процесі попередніх механічного і теплового впливів, що приводять до формування анізотропії. Формуванням у результаті механічного і теплового впливів визначеного виду і співвідношення текстур можна істотно впливати на пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм та вакуумплавленої міді. Отримані наукові результати можуть бути корисними при оптимізації режимів механіко-термічних обробок мікролегованої та вакуумплавленої міді.

5. Проведено порівняння значень модуля нормальної пружності для мікролегованої ітрієм і вакуумплавленої міді в залежності від орієнтації зразка стосовно напрямку попередньої деформації. На підставі аналізу результатів досліджень показано, що значення модуля нормальної пружності, розраховані з використанням співвідношення із теорії пружності анізотропного тіла, і значення, розраховані з використанням залежності, одержаної на підставі уявлень про ефективне напруження плину, співпадають. В рамках сучасних уявлень, функціональна залежність достовірно відображає пружнопластичні властивості полікристалічного металевого матеріалу, а також ті тенденції в змінах модуля нормальної пружності, що виникають в результаті механічного та теплового впливу.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Неклюдов И.М, Сытин В.И., Воеводин, В.Н, Шевченко С.В. Влияние предварительных деформаций и отжигов на напряжение течения и модуль нормальной упругости микролегированной иттрием меди // ВАНТ Сер. “Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники” (13).- 2003. - №5. - С. 41-45.

2. Сытин В.И., Воеводин В.Н., Шевченко С.В., Рыбальченко Н.Д. Изменение модуля нормальной упругости меди в зависимости от направлений деформации // ВАНТ. Сер. ФРП и РМ (84). -2003. -№6. - С. 32-35.

3. Неклюдов И.М., Сытин В.И., Воеводин В.Н., Шевченко С.В., Лопата А.Т., Рыбальченко Н.Д. Коррозия микролегированной иттрием меди // Фіз.- хім. механіка матеріалів. - 2003. -Т. 39, № 5 - С. 111-113.

4. Шевченко С.В., Неклюдов И.М., Лопата А.Т., Воеводин В.Н., Сытин В.И. Влияние микродобавок иттрия на некоторые физико-химические свойства меди // Металлы. –2001. - №4. – С. 113-116.

5. Шевченко С.В., Неклюдов И.М., Лопата А.Т., Воеводин В.Н., Сытин В.И. Влияние микродобавок иттрия на структуру, механические свойства и электропроводность меди // Фіз.-хім. механіка матеріалів. –2000. -№6. - С. 90-96.

6. Сытин В.И., Соколенко В.И., Шевченко С.В. Влияние предварительных деформаций и отжигов на анизотропию механических свойств меди // Тезисы III Международной конференции “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений” (MPFP). – Тамбов. –2003. - С. 96-97.

7. Шевченко С.В., Сытин В.И., Соколенко В.И. Корреляция упругих и упругопластических свойств меди // Тезисы III Международной конференции “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений” (MPFP). - Тамбов. - 2003. - С. 116-117.

8. Сытин В.И., Неклюдов И.М., Шевченко С.В., Лопата А.Т. Влияние добавок редкоземельных элементов на механические характеристики меди // Труды XV Междунар. конф. по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. - Алушта. -2002. - С. 244-245.

9. Неклюдов И.М., Шевченко С.В., Лопата А.Т., Сытин В.И. Влияние добавок редкоземельных металлов на электропроводность меди // ВАНТ: Труды XIV Междунар. конф. по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. - Алушта. - 2000. - С. 204-206.

АНОТАЦІЯ

Ситін В.І. Вплив теплової та механічної дії на пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм міді. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 – Фізика металів. – Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, 2005.

Дисертаційна робота присвячена актуальній проблемі фізики металів - дослідженню впливу теплової та механічної дії на пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм міді і виявленню залежності між пружнопластичними характеристиками.

Приводяться результати досліджень впливу попередніх деформацій та відпалів на корозійне поводження, структуру, пружнопластичні характеристики мікролегованої ітрієм міді при різній орієнтації зразка стосовно напрямку попередньої деформації при одноосному деформуванні.

В роботі наведена залежність між ефективним критичним напруженням плину, модулем нормальної пружності, межею міцності та рівномірним подовженням. Досліджено площинну анізотропію модуля нормальної пружності мікролегованої ітрієм міді.

Показано, що пружнопластичні характеристики мікролегованої ітрієм міді істотно змінюються в залежності від ступеню попередньої деформації, температури відпалу, орієнтації зразків, що зумовлено перерозподілом в результаті механічної та теплової дії мікродомішок і мікродобавок, формуванням різного виду та співвідношення текстур.

Накопичені й узагальнені в дисертаційній роботі знання про пружнопластичні властивості мікролегованої ітрієм міді мають як прикладний, так і фундаментальний характер, сприяють рішенню принципових питань фізики металів і можуть бути корисними при дослідженні і розробці нових металевих матеріалів.

Ключові слова: мікролегована ітрієм мідь, напруження плину, модуль нормальної пружності, деформація, відпал, анізотропія.

АННОТАЦИЯ

Сытин В.И. Влияние теплового и механического воздействий на упруго-пластические свойства микролегированной иттрием меди. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 – Физика металлов. – Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”, Харьков, 2005.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме физики металлов - исследованию влияния теплового и механического воздействий на упругопластические свойства микролегированной иттрием меди и выявлению зависимости между упругопластическими характеристиками.

Приводятся результаты исследований влияния предварительных деформаций деформаций и отжигов на коррозионное поведение, структуру, упругопластические характеристики микролегированной иттрием меди при разной ориентации образца по отношению к направления предварительной деформации при одноосном растяжении.

В работе приведена зависимость между эффективным критическим напряжением течения, модулем нормальной упругости, пределом прочности и равномерным удлинением. Исследована плоскостная анизотропия модуля нормальной упругости микролегированной иттрием меди.

Показано, что упругопластические характеристики микролегированной иттрием меди существенным образом изменяются в зависимости от степени предварительной деформации, температуры отжига, ориентации образцов, что обусловлено перераспределением в результате механического и теплового воздействий микропримесей и микродобавок, формированием разного вида и соотношения текстур.

Накопленные и обобщенные в диссертационной работе знания об упругопластических свойствах микролегированной иттрием меди имеют как прикладной, так и фундаментальный характер, оказывают содействие решению принципиальных вопросов физики металлов и могут быть полезными при исследовании и разработке новых металлических материалов.

Ключевые слова: микролегированная иттрием медь, напряжение течения, модуль нормальной упругости, деформация, отжиг, анизотропия.

SUMMARY

Sytin V.I. Influence of thermal and mechanical actions on elastoplastic properties of yttrium doped copper. -Manuscript.

Ph. D. Thesis (Phys.-Math.) by specialty 01.04.13 Physics of metals. National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, 2005.

The thesis is devoted to an actual problem of metals physics: to researching of influence of thermal and mechanical actions on elastoplastic properties of yttrium doped copper and revealing of dependence between elastoplastic characteristics of yttrium doped copper.

The researches results of influence of predeformations and annealings on corrosive behaviour, structure and elastoplastic characteristics of yttrium doped copper at different orientation of sample in relation to direction of predeformation are adduced.

In thesis the dependence between effective critical tensile stress, modulus of elasticity, ultimate strength and elongation is determined. The in-plane anisotropy of modulus of elasticity of yttrium doped copper is investigated.

It is shown, that elastoplastic characteristics of yttrium doped copper essentially change depending on predeformation, temperature of annealing, orientation of samples that is conditioned by the redistribution of microimpurities and microadditives as a result of mechanical and thermal influences and by forming of various kinds and correlation of textures.

Stored and generalized knowledge about elastoplastic properties of yttrium doped copper have both applied and fundamental character, make for decision of basic questions of metals physics and can be useful at research and creation of new metal materials.

Key words: yttrium doped copper, tensile stress, modulus of elasticity, deformation, annealing, anisotropy.