blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-1-62-69blackmet-2480Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПараметры субструктуры в деформированных сплавах Cu – Mn с ГЦК решеткойParameters of substructure in wrought Cu – Mn alloys with FCC latticehttps://orcid.org/0000-0002-2724-0691ТришкинаЛ. И.TrishkinaL. I.

Людмила Ильинична Тришкина, д.ф.-м.н., профессор кафедры физики, химии и теоретической механики

Россия, 634003, Томск, пл. Соляная, 2

Lyudmila I. Trishkina, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Chair of Phy­sics, Chemistry, and Theoretical Mechanics

2 Solyanaya Sqr., Tomsk 634003, Russian Federation

trishkina.53@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3690-0436КлопотовА. А.KlopotovA. A.

Анатолий Анатольевич Клопотов, д.ф.-м.н., профессор кафед­ры прикладной механики и материаловедения

Россия, 634003, Томск, пл. Соляная, 2

Anatolii A. Klopotov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Chair of Applied Mechanics and Materials Science

2 Solyanaya Sqr., Tomsk 634003, Russian Federation

klopotovaa@tsuab.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5330-9093ПотекаевА. И.PotekaevA. I.

Александр Иванович Потекаев, д.ф.-м.н., профессор кафедры общей и экспериментальной физики

Россия, Томск, 634050, Томск, пр. Ленина, 36

Aleksandr I. Potekaev, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof. of the Chair of Gene­ral and Experimental Physics

36 Lenina Ave., Тomsk 634050, Russian Federation

potekaev@spti.tsu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5330-9093ЧеркасоваТ. В.CherkasovaT. V.

Татьяна Викторовна Черкасова, к.ф.-м.н., доцент кафедры физики, химии и теоретической механики

Россия, 634003, Томск, пл. Соляная, 2

Tat’yana V. Cherkasova, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assist. Prof. of the Chair of Physics, Chemistry, and Theoretical Mechanics

2 Solyanaya Sqr., Tomsk 634003, Russian Federation

cherkasova_tv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4111-4712БородинВ. И.BorodinV. I.

Владислав Иванович Бородин, генеральный директор

Россия, 634029, Томск, пр. Фрунзе, 9

Vladislav I. Borodin, General Director

9 Frunze Ave., Tomsk 634029, Russian Federation

v.borodin@gtt.gazprom.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian FederationНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian FederationООО «Газпром Трансгаз Томск»РоссияJSC Gazprom TransgazRussian Federation2023010320236616269Copyright © Тришкина Л.И., Клопотов А.А., Потекаев А.И., Черкасова Т.В., Бородин В.И., 20232023Тришкина Л.И., Клопотов А.А., Потекаев А.И., Черкасова Т.В., Бородин В.И.Trishkina L.I., Klopotov A.A., Potekaev A.I., Cherkasova T.V., Borodin V.I.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/2480

Развитие и успехи физической науки о прочности и пластичности позволяют сформулировать основные аспекты дислокационной физики. В настоящей работе рассмотрено современное состояние этого вопроса в рамках многоуровневого подхода: закономерности накопления дислокаций в материале после деформации с различными степенями. Основным механизмом упрочнения металлического поликристалла является накопление в его зернах дислокаций, а основным параметром упрочнения – средняя скалярная плотность дислокаций. Скалярная плотность дислокаций разделяется на компоненты: плотность статистически запасенных (ρS ) и плотность геометрически необходимых (ρG ) дислокаций. Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии (ПЭМ) исследуются этапы развития типов дислокационной субструктуры (ДСС) в сплавах Cu – Mn в зависимости от концентрации легирующего элемента при активной пластической деформации. Исследуются поликристаллические сплавы в широком концентрационном интервале: от 0,4 до 25 % Mn (ат.). По полученным на электронном микроскопе снимкам измерен ряд параметров дислокационной субструктуры: средняя скалярная плотность дислокаций <ρ>, плотность статистически запасенных (ρS ) и геометрически необходимых (ρG ) дислокаций, кривизна-кручение кристаллической решетки (χ), плотность микрополос (Рполос. ), плотность оборванных субграниц (Моб.гр ). Установлена последовательность превращений типов ДСС при увеличении степени деформации и количества второго элемента на формирование типа субструктуры и ее параметров. Экспериментально определено влияние концентрации второго элемента и размера зерна на среднюю скалярную плотность дислокаций и ее составляющих. Наличие разориентировок в субструктуре в процессе деформации базируется на основе измерения этих параметром методом ПЭМ.

The development and success of the physical science of strength and plasticity allow the main aspects of dislocation physics to be proposed. This work considers the current state of this issue as part of a multilevel approach: patterns of dislocation accumulation in a material after deformation with various degrees. The main mechanism of hardening of a metal polycrystal is the accumulation of dislocations in its grains, while the main hardening parameter is the mean scalar density of dislocations. The scalar density of dislocations is divided into the following components: the density of statistically stored (ρS ); and the density of geometrically necessary (ρG ) dislocations. The transmission diffraction electron microscopy (TEM) is used to study the stages of dislocation substructure (DSS) types development in Cu – Mn alloys depending on the concentration of an alloying element during active plastic deformation. Polycrystal alloys are studied in a wide concentration range: from 0.4 to 25 % Mn (at.). A number of dislocation substructure parameters are measured using electron microscope images: mean scalar density of dislocations <ρ>; density of statistically stored (ρS ) and geometrically necessary (ρG ) dislocations; curvature-torsion of the crystal lattice (χ); density of microstrips (Pstrip ); and density of broken sub-boundaries (Mbr.  bnd. ). A sequence of transformations of the DSS types with an increase in the deformation degree and amount of the second element to form the substructure type and parameters was established. The influence of the second element and grain size on the mean scalar density of dislocations and its components was experimentally determined. The presence of disorientations in the substructure during deformation is based on the measurement of these parameters using the TEM.

сплавыдеформациядислокационные субструктурыгеометрические необходимые дислокацииатомный объемзакон Зенаalloysdeformationdislocation substructuresgeometric necessary dislocationsatomic volumeZen’s lawРабота выполнена в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект РФ FEMN-2023-0003).The work was performed in the framework of the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (project RF RFMN-2023-0003).ReferencesДударев Е.Ф., Корниенко А.Л., Бакач Г.П. Влияние энергии дефекта упаковки на развитие дислокационной структуры, деформационное упрочнение и пластичность ГЦК твердых растворов. Известия вузов. Физика. 1991; 34(3): 35–46.Dudarev E.F., Kornienko A.L., Bakach G.P. Influence of energy of packaging defect on development of dislocation structure, deformation hardening and plasticity of the HCC of solid materials. Izvestiya vuzov. Fizika. 1991; 34(3): 35–46. (In Russ.).Панин В.Е., Дударев Е.Ф., Бушнев Л.С. Структура и механические свойства твердых растворов замещения. Москва: Металлургия; 1971: 204.Panin V.E., Dudarev E.F., Bushnev L.S. Structure and Mechanical Properties of Solid Substitution Solutions. Moscow: Metallurgiya; 1971: 204. (In Russ.).Koneva N.A., Trishkina L.I., Cherkasova T.V. Effect of stacking-fault energy on the accumulation of dislocations during plastic deformation of copper-based polycrystalline alloys. Letters on Materials. 2017; 7(3): 282–286. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-3-282-286Koneva N.A., Trishkina L.I., Cherkasova T.V. Effect of stacking-fault energy on the accumulation of dislocations during plastic deformation of copper-based polycrystalline alloys. Letters on Materials. 2017; 7(3): 282–286. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-3-282-286Конева Н.А., Козлов Э.В., Тришкина Л.И., Черкасова Т.В. Эволюция дислокационной структуры при деформации поликристаллических сплавов на основе меди и их плас­тичность. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2016; 13(2): 162–167.Koneva N.A., Kozlov E.V., Trishkina L.I., Cherkasova T.V. Evolution of dislocation structure during deformation of polycrystalline copper-based alloys and their plasticity. Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2016; 13(2): 162–167. (In Russ.).Конева Н.А., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации. В кн.: Структурные уровни пластической деформации и разрушения / Под ред. В.Е. Панина. Новосибирск: Наука; 1990: 123–186.Koneva N.A., Kozlov E.V. Physical nature of stages of plastic deformation. In: Structural Levels of Plastic Deformation and Destruction. Panin V.E. ed. Novosibirsk: Nauka; 1990: 123–186. (In Russ.).Foley D.L., Latypov M.I., Zhao X., Hestroffer J., Beyer­lein I.J., Lamberson L.E., Taheri M.L. Geometrically necessary dislocation density evolution as a function of microstructure and strain rate. Materials Science and Engineering: A. 2022; 831; 142224. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142224Foley D.L., Latypov M.I., Zhao X., Hestroffer J., Beyer­lein I.J., Lamberson L.E., Taheri M.L. Geometrically necessary dislocation density evolution as a function of microstructure and strain rate. Materials Science and Engineering: A. 2022; 831; 142224. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142224Hansen L.T., Fullwood D.T., Homer E.R., Wagoner R.H., Lim H., Carroll J.D., Zhou G., Bong H.J. An investigation of geometrically necessary dislocations and back stress in large grained tantalum via EBSD and CPFEM. Materials Science and Engineering: A. 2020; 772: 138704. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138704Hansen L.T., Fullwood D.T., Homer E.R., Wagoner R.H., Lim H., Carroll J.D., Zhou G., Bong H.J. An investigation of geometrically necessary dislocations and back stress in large grained tantalum via EBSD and CPFEM. Materials Science and Engineering: A. 2020; 772: 138704. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138704Dahlberg C.F.O., Saito Y., Öztop M.S., Kysar J.W. Geometrically necessary dislocation density measurements at a grain boundary due to wedge indentation into an aluminum bicrystal. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2017; 105: 131–149. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2017.05.005Dahlberg C.F.O., Saito Y., Öztop M.S., Kysar J.W. Geometrically necessary dislocation density measurements at a grain boundary due to wedge indentation into an aluminum bicrystal. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2017; 105: 131–149. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2017.05.005Lin P., Nie J., Liu Z., Zhuang Z. Study of two hardening mechanism caused by geometrically necessary dislocations in thin films with passivation layer. International Journal of Solids and Structures. 2019; 160: 59–67. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2018.10.015Lin P., Nie J., Liu Z., Zhuang Z. Study of two hardening mechanism caused by geometrically necessary dislocations in thin films with passivation layer. International Journal of Solids and Structures. 2019; 160: 59–67. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2018.10.015Ashby M.F. The deformation of plastically non-homogeneous materials. Philosophical Magazine. A Journal of Theoretical Experimental and Applied. 1970; 21(170): 399–424. https://doi.org/10.1080/14786437008238426Ashby M.F. The deformation of plastically non-homogeneous materials. Philosophical Magazine. A Journal of Theoretical Experimental and Applied. 1970; 21(170): 399–424. https://doi.org/10.1080/14786437008238426Ashby M.F. Strengthening Methods in Crystals. Kelly A., Nicholson R.B. eds. London: Applied Science Publishers LTD; 1971: 137–192.Ashby M.F. Strengthening Methods in Crystals. Kelly A., Nicholson R.B. eds. London: Applied Science Publishers LTD; 1971: 137–192.Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Москва: Металлургия; 1970: 376.Saltykov S.A. Stereometric Metallography. Moscow: Metallurgiya; 1970: 376. (In Russ.).Тришкина Л.И., Черкасова Т.В., Попова Н.А. и др. Дислокационный ансамбль: скалярная плотность дислокаций и ее компоненты. Томск: ТГАСУ; 2019: 120.Trishkina L.I., Cherkasova T.V., Popova N.A., etc. Dislocation Ensemble: Scalar Dislocation Density and its Components. Tomsk: Tomsk State University of Architecture and Building; 2019: 120. (In Russ.).Потекаев А.И., Клопотов А.А., Козлов Э.В. и др. Слабо­устойчивые предпереходные структуры в никелиде титана. Томск: НТЛ; 2004: 296.Potekaev A.I., Klopotov A.A., Kozlov E.V., etc. Weakly Stable Pre-Transition Structures in Titanium Nickelide. Tomsk: NTL; 2004, 296 p. (In Russ.).Пирсон У. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов. Ч. 1. Москва: Мир; 1977: 420.Pearson W.B. The Crystal Chemistry and Physics of Metals and Alloys. New York: Wiley; 1972: 806.Козлов Э.В., Дементьев В.М., Кормин Н.М., Штерн Д.М. Структуры и стабильность упорядоченных фаз. Томск: ТГУ; 1994: 247.Kozlov E.V., Dement’ev V.M., Kormin N.M., Shtern D.M. Structures and Stability of Ordered Phases. Tomsk: TSU; 1994, 247 p. (In Russ.).Zen E.-an. Validity of “Vegard’s Law”. American Mineralogist. 1956; 41(5-6): 523–524.Zen E.-an. Validity of “Vegard’s Law”. American Mineralogist. 1956; 41(5-6): 523–524.Massalski Т.В. Binary Alloy Phase Diagrams. American Socie­ty for Metals: Metals Park, Ohio; 1986, 1987; Vols. 1, 2: 2224.Massalski Т.В. Binary Alloy Phase Diagrams. American Socie­ty for Metals: Metals Park, Ohio; 1986, 1987; Vols. 1, 2: 2224.Барабаш О.М., Коваль Ю.Н. Структура и свойства металлов и сплавов. Кристаллическая структура металлов и сплавов. Справочник. Киев: Наукова думка; 1986: 600.Barabash O.M., Koval’ Yu.N. Structure and Properties of Me­tals and Alloys. Crystal Structure of Metals and Alloys. Reference book. Kiev: Naukova dumka; 1986: 600. (In Russ.).Landa A., Klepeis J.E., Rudd R.E., Caspersen K.J., Young D.A. Analytic binary alloy volume-concentration relations and the deviation from Zen’s law. Applied Sciences. 2021; 11(13): 6231. https://doi.org/10.3390/app11136231Landa A., Klepeis J.E., Rudd R.E., Caspersen K.J., Young D.A. Analytic binary alloy volume-concentration relations and the deviation from Zen’s law. Applied Sciences. 2021; 11(13): 6231. https://doi.org/10.3390/app11136231Маделунг О. Физика твердого тела. Локализованные состояния. Москва: Наука; 1985: 184.Magelung O. Festkörpertheorie III: Lokalisierte Zustände. Berlin etc., 1973. (In Germ.).Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела. Т. 1. Москва: Металлургия; 1995: 480.Fistul’ V.I. Physics and Chemistry of Solid State. Vol. 1. Moscow: Metallurgiya; 1995: 480. (In Russ.).

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