4.5 Еволюція деформаційної структури bNсф в процесі термобаричного спікання

Рентгенівськими [14, 37, 147] і електронно-мікроскопічними [50, 137, 148, 156] дослідженнями було визначено, що при високому тиску пластична деформація частинок BN_сф в умовах формування полікристалічних зразків відбувається як при кімнатній, так і при високих температурах. За результатами електронно-мікроскопічних досліджень в [50] було визначено найбільш типові субструктури, які формуються в частинках BN_сф в інтервалі температур 1200-2600 К при р=7,7 ГПа. Показано також, що формування деформаційних дефектних субструктур обумовлено розвитком двох елементарних механізмів пластичних зсувів:

а) розщеплення дислокацій в базисних (111) шарах з утворенням дефектів упаковки та їх пакетів в формі тонких двійників;

б) ковзання повних дислокацій в небазисних площинах.

В роботі [50] також відзначено, що процеси динамічного повернення в BN_сф проявляються слабо навіть при температурі Т=2500 К.

З результатів останніх рентгенівських досліджень [57] (і раніше відомих даних [157]) можна зробити висновок, що при тиску 7,7 ГПа, починаючи з 1573 К, ширина лінії 311 BN_сф зменшується, а також зменшується концентрація дефектів упаковки. Такі дані свідчать про перебудову дефектної структури BN_сф, а саме: звуження ліній може бути викликано зменшенням величини дальнодіючих напруг, обумовлених присутністю неупорядкованих груп дислокацій. Звідси випливає припущення про розвиток, починаючи з 1600 К, релаксаційної перебудови дислокаційної структури.

Зменшення концентрації дефектів упаковки повинно бути повязано з трансформацією мікродвійникової субструктури. Тому, приймаючи до уваги дані рентгенівських досліджень, було проведено дослідження дефектної структури BN_сф з метою деталізації особливостей еволюції дислокаційної і двійникової складових такої структури в інтервалі 1600-2500 К (р=7,7 ГПа). Далі викладено результати таких досліджень. Слід відзначити, що при 2300-2500 К в локальних обємах полікристалічних зразків відбувається первинна динамічна рекристалізація. Такі процеси тут не розглядатимуться.

Дослідження проведено на зразках, отриманих з вихідних мікропорошків режиму В, зернистістю 7/5 (див. розд. 4.1).

Спікання проводили при тиску 7,7 ГПа. Пористість зразків, одержаних при температурах спікання 1700, 2000, 2300 і 2500 К, складала 7, 6, 4 і 2% відповідно. В зразках, одержаних при таких температурах, не визначено фазу BN_г.

Структурні дослідження методом просвічуючої електронної мікроскопії тонких фольг проводили на приладах JEM-100CX i ПЕМ-У. Фольги одержували методом іонного травлення. Субструктуру зерен досліджували в перетинах (110) або близьких до них. В таких площинах спостерігався контраст мікродвійників і небазисних дислокацій.

За результатами досліджень можна виділити чотири інтервали температур спікання зразків: 1600-1700, 1800-2000, 2100-2300, 2500 К. В кожному з інтервалів субструктура зерен має загальні характерні особливості. Розглянемо складові субструктур для кожного інтервалу температур спікання.

Температура спікання 1600-1700 К. Найбільш типовими елементами субструктури в зернах BN_сф є велика кількість паралельних мікродвійників по одній площині типу (111), або по площинах такого типу, що перетинаються. Їх товщина складає від одиниць до 10-20 нм. Мікродвійники перетинали зерна від границі до границі. В зернах з високою щільністю двійників часто виявлялися смуги, де контраст двійників був послаблений або зовсім відсутній. Такі смуги містили дрібні екстинкційні контури згину (рис. 4.33-а).

Границі двійників містили дислокації. Ясно видимий контраст таких дислокацій (рис. 4.33-б) свідчить, що вони не власно зернограничні, а вбудовані з обєму кристала в границю. (Відомо [158], що зернограничні дислокації через малу величину вектору Бюргерса виявляються слабо).

Другою складовою субструктури зерен BN_сф в зразках такого типу є повні дислокації. Вони розташовані у вигляді груп в просторі між двійниками (рис. 4.33-в), часто утворюють скупчення різної щільності, що сприяє поділу зерен на розорієнтовані області за рахунок плавних згинів площин (рис. 4.33-г). Підтвердженням цього є те, що на мікроелектронограмах від таких ділянок поодинокі рефлекси розмиваються в дужки. Крім того, на темнопольних зображеннях розорієнтованих фрагментів спостерігається плавне ослаблення контрасту від центру до границі і його переміщення при нахилі. Такі фрагментовані субструктури (згідно класифікації [159], запропонованої для деформаційних субструктур в металічних матеріалах) носять назву розорієнтованих з плавно змінюваною розорієнтацією.

Температура спікання 1800-2000 К. В зернах BN_сф вище згадані субструктури зустрічаються рідко. Зерна містять різновидності нових субструктур, які також формуються на основі сполучень повних дислокацій і мікродвійників. Основні з них такі. Тонкі двійники з високою щільністю налиплих і розташованих біля границі дислокацій (рис. 4.34-а), двійники з бахромою дуже дрібних (у формі напівсфер) екстинкційних контурів згину (рис. 4.34-б). Субструктури останнього типу містять і більш потужні екстинкційні контури. В ділянках, де вони є, контраст двійників зникає. Це свідчить про мікрозгини зерен і відповідно локальну переорієнтацію.

На ділянках між двійниками містяться групи окремих дислокацій (див. рис. 4.34-а), а також знаходяться зерна, де на таких ділянках є фрагменти взаємодіючих дислокацій, асоційованих з дрібними екстинкційними контурами згину (рис. 4.34-в). В такому випадку мікродвійники містять високу щільність дислокацій і фактично являють собою обємні субграниці (рис. 4.34-г).

В деякій частині зерен на ділянках з невисокою щільністю мікродвійників спостерігаються двійники, що закінчуються в обємі "факелом" дислокацій (рис. 4.35). За класифікацією [160] це є обірвані границі. Згущення дислокацій в "факелі" утворює області з плавними згинами площин.

Виявляється також новий вид субструктури, що містить поруч з описаними елементами (перебудованими дислокаційними згущеннями і двійниками) видовжені дислокаційні групи, не привязані до будь якого кристалографічного напрямку. Вони часто мають округлу форму і ділять ділянки зерен на розорієнтовані області. Це видно на рис. 4.36-а, де по один бік такого згущення видно контраст двійників, а на протилежному боці його немає. Такі смуги іноді мають значну ширину. При цьому орієнтація ділянки зерна в такій смузі завжди відрізняється від тої частини, що залишається (рис.4.36-б).

Розглянуті нові види субструктури є розорієнтованими з розорієнтацією, що неперервно змінюється. Таким чином, на цьому етапі фрагментація зерен здійснюється за рахунок формування видовжених дислокаційних згущень.

Температура спікання 2100-2300 К. На цьому етапі спікання основні елементи субструктури в зернах – це описані вище трансформовані групи дислокацій і двійників. Але з’являються ділянки з двійниками, які повністю перебудовані в систему субграниць в формі плоских скупчень дислокацій (рис. 4.37-а), частіше – їх обємних нагромаджень (рис. 4.37-б). В деяких випадках на фоні таких нагромаджень виявляється смугастий контраст (див. рис. 4.36-б). Є області, де в тонкому двійнику видно смугастий контраст. При цьому ділянки матриці по обидва боки від такого двійника мають різну орієнтацію. Це означає, що двійник фактично стає висококутовою границею.

Зявляються нові особливості зміни контрасту, що свідчать про перебудову двійників. Це порушення паралельності дислокаційних згустків, зосереджених в двійниках одної системи (рис. 4.37-в), повне руйнування двійників з утворенням видовжених ділянок взаємодіючих дислокацій (рис. 4.37-г).

В цілому щільність двійників в зернах менша. В них з’являються ділянки з високою щільністю дислокацій, асоційованих з екстинкційними контурами згину, іноді дислокації практично не розділяються на фоні множини екстинкційних контурів (рис. 4.38).

а	б
в	г

Рис. 4.33 Типова деформаційна субструктура зерен BN_сф, що формується при Т_сп=1600-1700 К: мікродвійники (а, б), мікродвійники з однорідно розподіленими дислокаціями (в), мікродвійники з густими утвореннями дислокацій, які обумовлюють розорієнтацію (г).

а	б
в	г

Рис. 4.34 Типові деформаційні структури зерен BN_сф, що формуються при температурі спікання 1800-2000 К (а-г).

Рис. 4.35 Деформаційні мікродвійники, що обриваються в обємі зерен BN_сф.

а	б

Рис. 4.36 Нагромадження дислокацій в деформованих зернах BN_сф (які містять мікродвійники і дислокації), що викликають розорієнтацію ділянок в зернах (а, б).

а	б
в	г

Рис. 4.37 Електронно-мікроскопічні зображення ділянок субструктури зерен BN_сф, які ілюструють різні випадки перебудови деформаційних двійників. (Т_сп=2100-2300 К): плоскі скупчення дислокацій на основі мікродвійників (а); обємні нагромадження дислокацій (І) і фрагмент смугастого контрасту висококутової границі (ІІ) в мікродвійнику (б); руйнування мікродвійників з утворенням груп дислокацій (в, г).

Рис. 4.38 Субструктура зерен BN_сф, що ілюструє руйнування деформаційних двійників і дефекти, які утворюються внаслідок взаємодії дислокацій.

а	Б

Рис. 4.39 Нагромадження дислокацій у вигляді "потоків", що формуються в деформованих зернах BN_сф (містять двійники і дислокації), викликають розорієнтацію областей в зернах і руйнування мікродвійників.

Як і для зерен зразків, отриманих при Т_сп=1800-2000 К, характерною є субструктура, яка має перебудовані дислокаційні групи і двійники з видовженими обємними утвореннями дислокацій, які викликають розорієнтацію в зернах. Особливістю є те, що такі утворення найчастіше спостерігаються в формі "потоків" паралельних дислокацій. В ділянках перетину таких потоків відбувається руйнування двійників (рис. 4.39). Це також підтверджує, що проходження таких потоків сприяє розорієнтації і в мікрообємах.

Температура спікання 2500 К. В зернах зразків поряд з описаними вище субструктурами, які формуються при спіканні в інтервалі 2100-2300 К, зявляються суттєво нові. В першу чергу це нагромадження взаємодіючих дислокацій і контурів, яких перетинає система широких екстинкційних контурів (рис. 4.40-а) і видовжені ділянки смугастого контрасту (рис. 4.40-б). В ділянках перетину контраст двійників зникає. В цілому щільність двійників в зернах менша. Області між ними заповнені групами взаємодіючих дислокацій .

а	б

Рис. 4.40 Субструктури зерен BN_сф, що ілюструють пластичні повороти окремих ділянок (а, б).

З викладених даних видно, що в дослідженому інтервалі температур спікання полікристалів BN_сф (1600-2500 К) перебудова сформованої деформаційної субструктури починається з 1700 К. Це означає, що субструктура стає термічно нестабільною в полі зовнішнього тиску.

Перебудова субструктури іде за рахунок таких процесів:

1. Трансформація мікродвійників до їх руйнування.

2. Взаємодія дислокацій.

3. Формування обємних некристалографічних нагромаджень дислокацій , що викликає фрагментацію зерен.

4. Розвиток мікрозгинів різних масштабів.

Розглянемо природу і можливі механізми протікання таких процесів.

Як видно з експериментальних даних , двійники в зернах BN_сф в вигляді нагромаджень високої щільності є не тільки потужними барєрами для ковзання дислокацій, а і стоками для дислокацій. Саме такі фактори і обумовлюють далі руйнування двійників. Дійсно, внаслідок високої щільності двійників довжина ковзання дислокацій є малою, тому має місце локалізована деформація. Це означає, що вимушено відбувається взаємодія дислокацій і мікродвійників. За нашими даними реалізується чотири механізми взаємодії:

Перший механізм: перехід (перерізання) дислокацій через двійник (див. рис. 4.34-а).

Другий механізм: вбудови дислокацій в двійник з релаксацією напруг (це виявляється в формуванні по ходу двійника накопичень екстинкційних контурів згину різних масштабів (див. рис. 4.34-б).

Третій механізм: Формування потужних обємних нагромаджень в двійнику і приграничній області (рис. 4.34-г).

Четвертий механізм: формування упорядкованих дислокаційних границь (див. рис. 4.36-а) і ділянок висококутових границь (див. рис. 4.37-б).

Подальше руйнування двійників викликано, найімовірніше, рухом дислокацій або їх груп (зосереджених в двійниковому прошаруванні) під впливом зовнішнього тиску.

В звзку з локалізацією ковзання (а далі і повного його блокування) в просторі між двійниками відбувається взаємодія дислокацій. Це супроводжується формуванням складних дислокаційних структур, асоційованих з екстинкційними контурами згину різних масштабів (див. рис. 4.38).

В умовах локалізації зсувів величина деформації () дуже мала. Це обумовлено її залежністю від довжини ковзання (l), щільності рухомих дислокацій () і вектора Бюргерса (b):

 =  b l (4.1)

Це означає, що при деформації в полі дії зовнішнього навантаження мусять реалізовуватися нові канали пластичності. В наших експериментах це має місце. А саме, починаючи з 1900 К, ідуть пластичні розвороти в зернах за рахунок формування видовжених обємних некристалографічних утворень дислокацій (див. рис. 4.36-а; 4.39-а, б). При 2300-2500 К такі розвороти реалізуються з участю груп екстинкційних контурів (див. рис. 4.40-б). Згідно [161] такі розвороти обумовлені моментними напругами, що виникають в зернах в звязку з блокуванням елементарних пластичних зсувів.

Можна виділити декілька випадків мікрозгинів, що відрізняються умовами виникнення:

А: в ділянках сильно взаємодіючих дислокацій (див. рис. 4.38).

Б: при взаємодії екстинкційних контурів з мікродвійниками (див. рис. 4.34-б).

В: при перерізанні мікродвійників обємним нагромадженням дислокацій, що викликає розорієнтацію в обємі зерна (див. рис. 4.39-а, б).

Отримані експериментальні дані про процеси перебудови деформаційної субструктури в зернах BN_сф пояснюють відомі дані про зменшення ширини рентгенівських ліній, починаючи з 1600 К, а також зниження концентрації дефектів упаковки при зростанні температури спікання.

З результатів структурних досліджень видно, що вже в інтервалі температур спікання 1600-1700 К має місце вбудова граточних дислокацій в границі мікродвійників (див. рис. 4.33-в). При зростанні температури такий процес інтенсифікується, тому що фіксуються по ходу двійників нагромадження дислокацій (див. рис. 4.34). Саме в таких нагромадженнях відбувається взаємодія дислокацій. Можливо, такий процес слід розглядати як релаксаційний, тому що він супроводжується формуванням великої кількості екстинкційних контурів згину – елементів субструктури, обумовлених релаксацією дальнодіючих напруг (див. рис. 4.34).

Оскільки далі йде руйнування двійників і утворення на їх основі дислокаційних груп, то фактично такі процеси – стік дислокацій в мікродвійники, їх взаємодія в обємі мікродвійника і нарешті формування їх окремих груп із зникненням двійникової розорієнтації – можна розглядати як особливий тип дислокаційного повернення, що реалізується в субструктурах, які мають високу щільність деформаційних двійників. Таке повернення відбувається в умовах локалізованої (внаслідок двійників) деформації і гальмування дифузійних процесів.

Мікродвійники – це фактично дефекти упаковки, що розташовані в пакеті паралельних сусідніх площин. Згідно [162], власне дефектами упаковки мікродвійникової субструктури вважають площини двійникування, що обмежують двійник з обох боків (тобто спряжені з матрицею). Виходячи з одержаних нами даних про руйнування мікродвійників, можна припустити, що концентрація дефектів упаковки при розвитку такого процесу із зростанням температури буде зменшуватися. Це корелює з викладеними в розділі 4.2 даними рентгенодифракційних досліджень.

Висновки.

При деформації зерен BN_сф в умовах дії високих тисків (7,7 ГПа), починаючи з Т = 1800 К проходить перебудова дефектної субструктури, сформованої за рахунок двійникування і ковзання. Основною мікроструктурною ознакою цього процесу є руйнування деформаційних мікродвійників. Це обумовлено стоком решіточних дислокацій у двійники. Причина останнього - локалізація пластичної деформації, що визначається присутністю в кристалах, що деформуються, високої щільності двійників і дислокацій як бар'єрів для ковзання дислокацій.

Руйнування мікродвійників відбувається не по всьому перетині зерна, а частіше всього локально. Цей процес включає ряд послідовних етапів: порушення когерентності спряження двійник - матриця, формування накопичень дислокацій в об’ємі двійника, взаємодія в системі таких накопичень дислокацій з утворенням нових елементів субструктури (групи протяжних скупчень дислокацій, автономні ансамблі дислокацій, ділянки плоских скупчень дислокацій і висококутових границь).

Трансформація дефектної субструктури зерен BN_сф проходить також і за рахунок розвитку пластичних поворотів, що сприяють їхній фрагментації

Зі збільшенням температури деформації до 2500 К кількість деформаційних двійників в кристалах зменшується, а кількість фрагментованих зерен і ступінь розорієнтації фрагментів зростають.