blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-7-549-555blackmet-1128Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЦК СПЛАВА НА МЕЗОУРОВНЕSTRAIN HARDENING OF MONOCRYSTALS OF ALLOY FCC AT MESOLEVELТепляковаЛ. А.TeplyakovaL. A.

д.ф.-м.н., профессор кафедры физики

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor of the Chair of Physics

lat168@mail.ruКуницынаТ. С.KunitsynaT. S.

к.ф.-м.н., доцент кафедры высшей математики

Cand. Sci. (Phys.-math.), Assist. Professor of the Chair of Advanced Mathematics

kma11061990@mail.ruКоневаН. А.KonevaN. A.

д.ф.-м.н., профессор кафедры физики

Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor of the Chair of Physics

koneva@tsuab.ruКашинА. Д.KashinA. D.

студент

Student

Томский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian Federation201719082017607549555Copyright © Теплякова Л.А., Куницына Т.С., Конева Н.А., Кашин А.Д., 20172017Теплякова Л.А., Куницына Т.С., Конева Н.А., Кашин А.Д.Teplyakova L.A., Kunitsyna T.S., Koneva N.A., Kashin A.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1128

Проведен анализ закономерностей деформационного упрочнения в монокристаллах однофазного разупорядоченного сплава Ni3Fe. Исследованные монокристаллы были деформированы сжатием при комнатной температуре. Ось сжатия монокристаллов была параллельна кристаллографическому направлению [001]. Для кривой деформации [001]-монокристаллов сплава Ni3Fe характерна стадийность. Смена стадий обусловлена определенной последовательностью субструктурных превращений. Сплав Ni3Fe в состоянии с ближним атом-ным порядком является сплавом со средним значением энергии дефекта упаковки и в нем при пластической деформации реализуется низкоэнергетическая ветвь эволюции субструктуры: плоские скопления → сетчатая субструктура → полосовая структура. Линейная стадия деформационного упрочнения этого сплава связана с формированием неоднородной сетчатой дислокационной структуры. По электронно- микроскопическим снимкам сетчатой субструктуры в работе были измерены длины свободных сегментов дислокаций между различными видами стопоров, образующихся вдоль линии дислокаций в результате пересечения дислокаций различных систем. На основе комплекса измеренных характеристик сетчатой субструктуры, формирующейся в исследованных монокристаллах в пределах стадии II, проведены оценки вкладов различных механизмов деформационного упрочнения в напряжение течения, а именно, пересечение дислокаций; волочение порогов; создание и разрыв дислокационных реакций; преодоление дислокационных барьеров Ломера–Коттрелла, Хирта; генерация точечных дефектов. Изучены закономерности формирования дальнодействующих напряжений и упругое взаимодействие дислокаций. Определены вклады статических и динамических напряжений. Для того, чтобы учесть неоднородность сетчатой субструктуры, вклады были определены отдельно для плотных и неплотных ее участков. На основе проведенных оценок парциальных вкладов всех рассмотренных механизмов установлено, что основной вклад в сопротивление деформированию высокосимметрично ориентированных монокристаллов разупорядоченного сплава Ni3Fe вносит механизм торможения дислокаций, обусловленный контактным взаимодействием движущихся дислокаций с дислокациями леса. Возрастание с деформацией плотности стопоров вдоль линии дислокации (как порогов, так и реакций) является первопричиной деформационного упрочнения ГЦК сплава с ближним атомным порядком. 

The paper presents the analysis of strain hardening in monocrystals of single-phase disordered alloy Ni3 Fe. These monocrystals are subjected to compression at room temperature. The compression axis is parallel to [001] crystallographic direction. The strain curve of monocrystals with [001] orientation is characterized by several stages conditioned by a certain sequence of substructural transformations. Ni3 Fe alloy with monocrystals of atomic short-range order possesses an average value of stacking fault energy. Plastic deformation enables the low-energy evolutionary branch of substructure: plane dislocation clusters → knitted structure → striple structure. The linear stage of the alloy strain hardening is connected with the formation of non-homogeneous knitted dislocation structure. TEM images of this structure allow measuring the free distances between the different dislocation locks formed along the dislocation line due to the dislocation intersections of different slip systems. Using the parameters measured for the monocrystal knitted structure, the contribution of strain-hardening mechanisms to shear stress was evaluated. These mechanisms include dislocation intersection, threshold creep, formation and destruction of dislocation junctions, crossing of Lomer–Cottrell and Hirth dislocation barriers and spot defect generation. The formation laws for long-range stresses and elastic interaction between dislocations were studied and the static and dynamic stress contribution to the total stress was determined. To consider the non-homogeneity of knitted dislocation structure, the contributions are detected individually for its dense and loose areas. The estimation of partial contribution made by each mechanism indicates that the main impact to deformation resistance of monocrystals oriented for multiple slip is made by the dislocation hindering, caused by contact interaction between moving and forest dislocations. The deformation growth enables the density increase in the dislocation locks (thresholds and junctions) along the dislocation line, caused by strain hardening of alloy FCC having an atomic short-range order. 

монокристаллсплавпластическая деформациядислокационная структураплотность дислокациймеханизмы деформационного упрочненияmonocrystalalloyplastic deformationdislocation structuredislocation densitystrain hardening mechanismsReferencesПанин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел // Изв. вуз. Физика. 1982. № 6. С. 5 – 27.Panin V.E., Grinyaev Yu.V., Elsukova T.F., Ivanchin A.G. Structural levels of deformation in solids. Soviet Physics Journal. 1982, vol.  25, no. 6, pp. 479–497.Тушинский Л.И., Батаев А.А., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. – Новосибирск: Наука, 1993. – 380 с.Tushinskii L.I., Bataev A.A., Tikhomirova L.B. Struktura perlita i konstruktivnaya prochnost’ stali [Perlite structure and structural strength of steel]. Novosibirsk: Nauka, 1993, 380 p. (In Russ.).Козлов Э.В. Параметры мезоструктуры и механические свойства однофазных металлических материалов // Вопросы металловедения. 2002. № 1 (29). С. 50 – 112.Kozlov E.V. Mesostructure parameters and mechanical properties of single-phase metallic materials. Voprosy metallovedeniya. 2002, no. 1 (29), pp. 50–112. (In Russ.).Teplyakova L., Gershteyn G., Popova N. etc. Scale-dependent hierarchy of structural elements in the microstructure of thermomechanical treated ferritic steels with residual austenite // Mat.- wiss.u.Werkstofftech. 2009. Vol. 40. No. 9. P. 704 – 712.Teplyakova L.A., Popova N.A., Kozlov E.V. Hierarchy of the scale levels of defective and carbide subsystems of medium-alloyed steels with a tempered martensite structure. Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2009, vol. 6, no. 2, pp. 76–86. (In Russ.).Panin V.E., Egorushkin V.E. Basic physical mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids as hierarchically organized nonlinear systems // Physical mesomechanics. 2015. Vol. 18. No. 4. P. 377 – 390.Panin V.E., Egorushkin V.E. Basic physical mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids as hierarchically organized nonlinear systems. Physical Mesomechanics. 2015, vol. 18, no. 4, pp. 377–390.Panin V.E., Panin A.V., Elsukova T.F., Popkova Y.F. Fundamental role of crystal structure curvature in plasticity and strength of solids // Physical mesomechanics. 2015. Vol. 18. No. 2. P. 89 – 99.Panin V.E., Panin A.V., Elsukova T.F., Popkova Y.F. Fundamental role of crystal structure curvature in plasticity and strength of solids. Physical Mesomechanics. 2015, vol. 18, no. 2, pp. 89–99.Thomas H.C. Mechanical behavior of materials. – McGRAW – Hill International Editions, 2000. – 733 p.Thomas H.C. Mechanical behavior of materials. McGRAW – Hill International Editions, 2000, 733 p.Hockauf M., Meyer L.W. Work-hardening stages of AA1070 and AA6060 after severe plastic deformation // J Mater. Sci. 2010. Vol. 45. No. 17. P. 4778 – 4789.Hockauf M., Meyer L.W. Work-hardening stages of AA1070 and AA6060 after severe plastic deformation. J Mater. Sci. 2010. vol.  45, no. 17, pp. 4778–4789.Westermann I., Hopperstad O.S., Marthinsen K., Holmedal B. Work-hardening behavior of a heat-treatable АА71108 aluminium alloy deformed to intermediate strains by comhression // J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. No. 19. P. 5323 – 5331.Westermann I., Hopperstad O.S., Marthinsen K., Holmedal B. Work-hardening behavior of a heat-treatable АА71108 aluminium alloy deformed to intermediate strains by comhression. J. Mater. Sci. 2010, vol. 45, no. 19, pp. 5323–5331.Kuhlmann-Wilsdorf D. The theory of dislocation-based crystal plasticity // Philosophical Magazine. 1999. Vol. 79. No. 4. P. 955 – 1008.Kuhlmann-Wilsdorf D. The theory of dislocation-based crystal plasticity. Philosophical Magazine. 1999, vol. 79, no. 4, pp. 955–1008.Модели пластической деформации материалов с ГЦК-структурой / В.А. Старенченко, О.Д. Пантюхова, Д.Н. Черепанов, Ю.В. Соловьева, С.В. Старенченко, М.И. Слободской. – Томск: изд- во НТЛ, 2011. – 242 с.Starenchenko V.A., Pantyukhova O.D., Cherepanov D.N., Solov’eva  Yu.V., Starenchenko S.V., Slobodskoi M.I. Modeli plasticheskoi deformatsii materialov s GTsK-strukturoi [Models of plastic deformation of materials with FCC structure]. Tomsk: izd-vo NTL, 2011, 242 p. (In Russ.).Трусов П.В., Волегов П.С. Физические теории пластичности: теория и приложения к описанию неупругого деформирования материалов. Ч. 3. Теории упрочнения, градиентные теории // Вестник ПГТУ. Механика. 2011. № 3. С. 146 – 197.Trusov P.V., Volegov P.S. Physical theories of plasticity: theory and applications to the description of inelastic deformation of materials. Part 3. Hardening theories, gradient theories. Vestnik PGTU. Mekhanika. 2011, no. 3, pp. 146–197. (In Russ.).Ma A., Roters F.A. A constitutive model for fcc single crystals based on dislocation densities and its application to uniaxial compression of aluminium single crystals // Acta Materialia. 2004. Vol. 52. P. 3603 – 3612.Ma A., Roters F.A. A constitutive model for FCC single crystals based on dislocation densities and its application to uniaxial compression of aluminium single crystals. Acta Materialia. 2004, vol.  52, pp. 3603–3612.Mahesh S., Tome C.N., McCabe R.J., Kaschner G.C., Beyerlein L.I. and Misra A. Application of a substructure-based hardening model to copper under loading path changes // Metallurgical and Mater. Trans. A. 2004. Vol. 35A. P. 3763 – 3774.Mahesh S., Tome C.N., McCabe R.J., Kaschner G.C., Beyerlein L.I. and Misra A. Application of a substructure- based hardening model to copper under loading path changes. Metallurgical and Mater. Trans. A. 2004, vol. 35A, pp. 3763–3774.Набарро Ф.Р.Н., Базинский З.С., Холт Д.В. Пластичность монокристаллов. – М.: Металлургия, 1967. – 214 с.Nabarro F.R.N., Basinski Z.S., Holt D.B. The plasticity of single crystals. London: Tailor and Francis Ltd, 1964. (Russ.ed.: Nabarro  F.R.N., Basinski Z.S., Holt D.B. Plastichnost’ monokristallov. Moscow: Metallurgiya, 1967, 214 p.).Teplyakova L.A., Kunitsyna T.S., Koneva N.A., Kozlov E.V. Regularities of formation of network dislocation structure in Ni3 Fe alloy single crustals // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2004. Vol. 68. No. 10. P. 1629 – 1635.Teplyakova L.A., Kunitsyna T.S., Koneva N.A., Kozlov E.V. Regularities of formation of network dislocation structure in Ni3 Fe alloy single crystals. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2004, vol. 68, no. 10, pp. 1629–1635.Teplyakova L.A., Kunitsyna T.S., Koneva N.A. Influence of crystals orientation on parameters of Ni3 Fe dislocation structure // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2015. Vol. 71. P. 012064.Teplyakova L.A., Kunitsyna T.S., Koneva N.A. Influence of crystals orientation on parameters of Ni3 Fe dislocation structure. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2015, vol. 71, pp. 012064.Teplyakova L.A., Kunitsyna T.S., Starenchenko V.A., Poltaranin M.A. Multiscale localization of shear deformation in single crystals of the alloy Ni3 Fe with short-range atomic order // Russian physics journal. 2014. Vol. 57. No. 2. P. 206 – 215.Teplyakova L.A., Kunitsyna T.S., Starenchenko V.A., Poltaranin  M.A. Multiscale localization of shear deformation in single crystals of the alloy Ni3 Fe with short-range atomic order. Russian physics journal. 2014, vol. 57, no. 2, pp. 206–215.Структурно-фазовые превращения в слабоустойчивых состояниях металлических систем при термосиловом воздействии / Н.А. Конева, Л.И. Тришкина, А.И. Потекаев, Э.В. Козлов. – Томск: изд-во НТЛ, 2011. – 242 с.Koneva N.A., Trishkina L.I., Potekaev A.I., Kozlov E.V. Strukturnofazovye prevrashcheniya v slaboustoichivykh sostoyaniyakh metallicheskikh sistem pri termosilovom vozdeistvii [Structural-phase transformations in weakly stable states of metallic systems under thermal and force effects]. Tomsk: izd-vo NTL, 2011, 242 p. (In Russ.).Starenchenko V.A. Orientation dependence of the yield stress and work-hardening rate of Ni3 Ge at different temperatures // Material Science and Engineering: A. 2008. Vol. 483-484. No. 1-2. P. 602 – 0606.Starenchenko V.A. Orientation dependence of the yield stress and work-hardening rate of Ni3 Ge at different temperatures. Material Science and Engineering: A. 2008, vol. 483-484, no. 1-2, pp. 602–606.Solov’eva Yu.V., Nikonenko E.L., Starenchenko S.V., Starenchenko V.A. Study of creep and features of the dislocation structure in single crystals of Ni3 Ge alloy // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2011. Vol. 75. No. 5. P. 673 – 676.Solov’eva Yu.V., Nikonenko E.L., Starenchenko S.V., Starenchenko V.A. Study of creep and features of the dislocation structure in single crystals of Ni3 Ge alloy. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2011, vol. 75, no. 5, pp. 673–676.Зегер А. Дислокации и механические свойства кристаллов. – М.: ИИЛ, 1960. – 170 c.Zeger A. Dislokatsii i mekhanicheskie svoistva kristallov [Dislocations and mechanical properties of crystals]. Moscow: IIL, 1980, pp.  179–289. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.