Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): Использование сплавов циркония и титана в атомной энергетике, космической индустрии предъявляет к свойствам данных материалов повышенные требования. Известно, что метастабильная барическая ω-фаза, образующаяся в данных материалах при интенсивном воздействии, по сравнению со стабильной α-фазой, более плотная, обладает повышенной твердостью и хрупкостью. Для того чтобы минимизировать охрупчивающее влияние ω-фазы и предотвратить разрушение конструкций, изготовленных как из чистых металлов, так и их сплавов, после интенсивного воздействия возникает необходимость подробного исследования устойчивости метастабильной ω-фазы. Цель работы: Исследование структурных изменений в образцах псевдомонокристаллического циркония, подвергшихся нагружению в камере Бриджмена, при повышении температуры испытаний от комнатной до 300°С. Используемые методы (эксперименты): Используя метод бестигельной электронно-лучевой зонной плавки, были получены образцы исходного йодидного псевдомонокристалла α-циркония. Пластическую деформацию дисковых образцов осуществляли в твердосплавных наковальнях Бриджмена при давлении 8 ГПа с угловой скоростью ω=1,0 об/мин. Испытания проводили при комнатной температуре и при температурах 70, 100 и 300°С. Угол поворота наковален составлял φ=1080 град. Структурно-фазовое состояние образцов деформированного циркония исследовали электронно-микроскопически на просвет тонких фольг в микроскопе JEM-200CX и с использованием рентгеноструктурного метода на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматизированном CuKα-излучении. Результаты: В результате испытаний нами было выявлено, что по завершении нагружения и после охлаждения испытанных образцов от температур испытания 70, 100 и 300°С до комнатной температуры ω-фаза частично сохранятся во всех образцах, несмотря на наблюдаемые процессы динамической и постдинамической рекристаллизации. При этом впервые было показано, что температура 70°С является стабилизирующей температурой для метастабильной ω-фазы. Практическая значимость: Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования конструкционной долговечности оборудования, применяемого в аэрокосмической и атомной индустрии.
Ключевые слова
Псевдомонокристалл циркония, деформация, высокое квазигидростатическое давление, α ↔ ω фазовые переходы.
1. Isothermal transformation of titanium-chromium alloys / P.D. Frost, W.M. Parris, L.L. Hirsch, J.R. Doig, C.M. Schwartz // Trans. Asm. 1954. P. 231.
2. B.S. Hickman. The formation of omega phase in titanium and zirconium alloys: A review. Journal of Materials Science. June 1969, Volume 4, Issue 6, pp. 554–563.
3. K. Sikka, Y. K. Vohra and R. Chidambaram. Omega phase in materials. Progress in Materials Science. 1982. Vol. 27, pp. 245–310. DOI:10.1016/0079-6425(82)90002-0
4. Orientation Relations During the α-ω Phase Transition of Zirconium: In Situ Texture Observations at High Pressure and Temperature / H.-R. Wenk, P. Kaercher, W. Kanitpanyacharoen, E. Zepeda-Alarcon and Y. Wang// Рhysical review letters. PRL 111, 195701 (2013). DOI:10.1103/PhysRevLett.111.195701
5. Experimental constraints on the phase diagram of elemental zirconium/Jianzhong Zhanga, Yusheng Zhao, Cristian Pantea, Jiang Qian, Luke L. Daemen, Paulo A. Rigg, Robert S. Hixson, Carl W. Greeff, George T. Gray III, Yunpeng Yang, Liping Wang, Yanbin Wang, Takeyuki Uchid. Journal of Physics and Chemistry of Solids 66 (2005) 1213–1219. DOI: 10.1016/j.jpcs.2005.03.004
6. K. Edalati, Z. Horita, S. Yagi, E. Matsubara. Allotropic phase transformation of pure zirconium by high-pressure torsion. Materials Science and Engineering A. 523 (2009) рр. 277–281. DOI: 10.1016/j.msea.2009.07.029
7. Hongxiang Zong, Dezhen Xue, Xiangdong Ding and Turab Lookman. Phase transformations in Titanium: Anisotropic deformation of ω phase. Journal of Physics: Conference Series. 2014. V.500. P. 112042. DOI: 10.1088/1742-6596/500/11/112042/
8. Cerreta E.K., Escobedo J.P., Rigg P.A., Trujillo C.P., Brown D.W., Sisneros T.A., Clausen B., Lopez M.F., Lookman T., Bronkhorst C.A., Addessio F.L. The influence of phase and substructural evolution during dynamic loading on subsequent mechanical properties of zirconium. Acta Materialia. 2013. V. 61. P. 7712 – 7719. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.09.009
9. Обратимое мартенситное ω α-превращение в Ti и Zr / Ю.Л. Альшевский, Б.А. Кульницкий, Ю.С. Коняев, А.Л. Ройтбурд // ДАН. 1985. Т.285. №3. С. 619–621.
10. G.T. Gray, C.E. Morris, and A.C. Lawson. Omega phase formation in titanium and titanium alloys, in Titanium '92: Science and Technology, ed. F.H. Froes and I.L. Caplan, (Warrendale, PA, Minerals Metals & Materials Society), pp. 225–232 (1993).
11. Цирконий и его сплавы: технологии производства, области применения: обзор /В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, С.Д. Лавриненко, К.А. Линдт, А.П. Мухачев, Н.Н. Пилипенко. Харьков: ННЦ ХФТИ, 1998. 89 с.
12. Эволюция структуры никеля в ходе деформации сдвигом под высоким давлением при 150° / М.В. Дегтярев, Л.М. Воронова, Т.И. Чащухина, В.П. Пилюгин, Н.Н. Реснина // ФММ. 2017. Т. 118. № 3. С. 270–277.
13. Формирование макро- и микроструктуры при бета-альфа превращении в монокристаллах циркония / Ю.В. Хлебникова, В.А. Сазонова, Д.П. Родионов, Н.Ф. Вильданова, Л.Ю. Егорова, Ю.В. Калетина, И.Л. Солодова, В.М. Умова // ФММ. 2009. Т. 108. № 3. С. 267–275.
14. Егорова Л.Ю., Хлебникова Ю.В., Пилюгин В.П. Влияние величины деформации на эволюцию структуры монокристаллического циркония при сдвиге под давлением // Письма о материалах. 2016. V. 6. P. 237–242.
15. Черняева Т.П., Грицина В.М. Характеристики ГПУ-металлов, определяющие их поведение при механическом, термическом и радиационном воздействии // Вопросы атомной науки и техники. 2008. №2. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (92). С 15–27.
16. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов: монография. М.: МИСиС, 2005. 432 с.
17. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов: учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. М.: МИСиС, 1998. 440 с.
18. Свойства элементов: справ. изд. /под ред. Дрица М.Е. М.: Металлургия, 1985. 672 с.
19. A. Rabinkin, M. Talianker and O. Botstein. Cristallography and amodel of the α→ω phase transformation in zirconium. Acta Metallrgica. 1981, V. 29, pp. 691–698.
20. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан; под ред. Л.М. Утевского. М.: Мир, 1968. 573 с.