METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
STUDIUM STRUKTURNÍCH A VYBRANÝCH FYZIKÁLNÍCH A MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ MONOKRYSTALŮ NÍZKOLEGOVANÝCH SLITIN WOLFRAMU STUDY OF STRUCTURAL AND SELECTED PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF LOW-ALLOYED TUNGSTEN SINGLE CRYSTALS Kateřina Bujnoškováa Jaromír Drápalaa O. I. Zaporozhetsb a
VŠB – Technická Univerzita Ostrava, Katedra neželezných kovů, rafinace a recyklace, 17.listopadu 15, 708 33, Ostrava – Poruba, ČR,
[email protected],
[email protected] b G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics, N.A.S.U., 36 Academician Vernadsky Blvd., UA-252680 Kiev-142, Ukraine Abstrakt V příspěvku je diskutován vliv rhenia a molybdenu a krystalografické orientace na vybrané strukturní, fyzikální a mechanické vlastnosti monokrystalů nízkolegovaných slitin wolframu, připravených metodou plazmové a elektronové metalurgie. Byla použita světelná optická mikroskopie a Berg-Barrettova metoda rtg. topografie pro určení strukturní dokonalosti monokrystalů a charakteru, velikosti a úhlové desorientace subzrn. Bylo provedeno měření podélných vl a příčných vt rychlostí ultrazvuku (UZ) v hlavních krystalografických směrech [100], [110], [111] a hustoty vzorků monokrystalů wolframu s obsahem od 0 do 5 hm.% Re a polykrystalické slitiny W – 27 hm.% Re. Ze získaných údajů byly vypočteny koncentrační závislosti elastických koeficientů krystalů, faktorů anizotropie, Youngových modulů a modulů ve smyku pro dané směry, dále střední hodnoty podélných a příčných rychlostí UZ podle metody Fochtu-Roisu-Chilly, Youngova modulu, modulu ve smyku, Poissonovy konstanty a Debyeovy teploty. Měření rychlosti UZ se provádělo s frekvencí 10 – 30 MHz pomocí impulsního zařízení. Abstract This contribution deals with the influence of rhenium and molybdenum and crystallographic orientation on selected structural, physical and mechanical properties of lowalloyed tungsten single crystals prepared by plasma metallurgy and electron beam zone method. The light optical microscopy and X-ray Berg-Barrett topography method were used for the determination of the structural perfection and character, dimension and angular disorientation of subgrains. The measurement of longitudinal and transversal rates of ultrasound in major crystallographic directions [100], [110], [111] and density of tungsten single crystal specimens alloyed with from 0 to 5 wt.% Re and polycrystalline alloy of W-27 wt.% Re was performed. Concentration dependencies of crystal elastic coefficients, anisotropy factors, Young modulus and shear modulus for given crystallographic directions, and mean values of longitudinal and transversal rates of ultrasound according to FochtuRoisu-Chilly method, Young modulus, shear modulus, Poisson ratio and Debye temperature were calculated from the obtained data. The measurement of ultrasound rates was realized by means of pulse apparatus with the frequency of 10 to 30 MHz.
1
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 1. ÚVOD Vzhledem k vysoké teplotě taní, minimálnímu koeficientu délkové roztažnosti, vysoké elasticitě a pevnostním vlastnostem se jeví wolfram jako perspektivní materiál pro přípravu žáruvzdorných a žáropevných slitin se zadanými fyzikálními vlastnostmi. K jeho negativním charakteristikám však patří lámavost za studena, snadná oxidace a špatná svařitelnost, které brání jejich širším aplikacím v moderní technice. Různými moderními technologiemi, jako je elektronové zonální tavení (metoda floating zone) či plazmová metalurgie, lze získat wolfram a jeho slitiny v monokrystalické formě, které ve srovnání s polykrystalickými materiály technické čistoty vykazují vyšší užitné vlastnosti. Legování wolframu různými prvky vede ke zvýšení nejen houževnatosti a žáropevnosti, ale i žáruvzdornosti a plasticity [1, 2]. Většina slitin na bázi wolframu je tvořena tuhými roztoky, které jsou zpevněny disperzními částicemi nekovových sloučenin. Jako legující prvky se aplikují chrom, molybden, tantal, titan, niob, zirkonium aj., jejichž množství nepřevyšuje obvykle 5 hm. %. Vyšší obsahy legujících prvků vedou k prudkému snížení technologické plasticity. Výjimku tvoří slitiny ze systému W-Re. V důsledku velmi nízké rozpustnosti uhlíku a kyslíku ve wolframu se ve výchozím stavu nachází vždy určité množství karbidické a oxidické fáze, které se vylučují v krajně nepříznivé formě. Jak vyplývá ze studia pomocí rastrovací elektronové mikroskopie [1, 3], mohou se oxidy nacházet v podobě tenké vrstvy na hranicích zrn, karbidy ve formě jehlic jak na hranicích, tak i uvnitř zrn. Proto při navrhování wolframových slitin s požadovanými pevnostními a plastickými charakteristikami je nutné neutralizovat zkřehávací účinek příměsí (C, O2), čehož se dosáhne hlubokou rafinací wolframu nebo změnou složení, formy a charakteru vyloučených fází [1]. 2. VLIV RHENIA A MOLYBDENU NA STRUKTURNÍ CHARAKTERISTIKY MONOKRYSTALŮ WOLFRAMU 2.1 Experimentální vzorky Experimentální vzorky monokrystalů vybraných slitin byly připraveny metodou plazmové metalurgie (obloukové tavení) v Institutu metalurgie a materiálových věd im. A.A. Bajkova RAN (IMET) v Moskvě, Ruská federace a elektronovým zonálním tavením metodou Floating Zone (EBFZM) na Katedře neželezných kovů, rafinace a recyklace Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava a rovněž v IMET. Jejich nominální chemické složení, technologie přípravy, orientace osy růstu, délka, průměr a hmotnost krystalů a hodnoty Vickersovy mikrotvrdosti, zjišťované při zatížení 50 g, jsou uvedeny v tab. 1. Monokrystaly čistého wolframu (vzorek č. 1 a 2) byly získány metodou plazmové metalurgie při aplikaci směsi inertních plynů – helia a argonu (v objemovém poměru 1:5). Na rozdíl od elektronového zonálního tavení, kde se uplatňuje boční ohřev přetavované tyče, se v případě plazmového tavení používá čelní ohřev, kdy vzniká roztavená lázeň kovu, do níž se po malých dávkách přivádí výchozí materiál [4]. Pro přípravu monokrystalů nízkolegovaných slitin wolframu s rheniem resp. molybdenem (vzorky č. 3 až 6) s orientací <100> a <110> byla vypracována metodika, podle které se k výchozí přetavované tyči wolframu o průměru 4 ÷ 5 mm připevnil drát, zhotovený z molybdenu či ze slitin W – Re nebo Mo – Re v množství, odpovídající vypočtenému složení konkrétní slitiny. Takto kombinované tyče se pak přetavovaly v plazmovém oblouku s dávkováním do lázně taveniny, zabezpečující výrobu monokrystalů slitin zadaného složení. Rychlost průchodu roztavené zóny ingotkem byla zvolena 1.5 ÷ 2 mm/min. Při přípravě vzorků monokrystalů nízkolegovaných slitin W - 2 % Re, W - 10 % Re a W – 27 % Re (vzorky č. 8 až 10) byl použit jako plazmotvorný plyn argon bez helia z důvodu nutnosti získat monokrystaly o poměrně malém průměru (10 až 15 mm). Přítomnost helia
2
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ vede ke zvýšení teploty plazmového ohřevu a v konečném důsledku i ke zvětšení průměru rostoucího krystalu. Většina vzorků monokrystalů byly méně kvalitní z hlediska dodržení technologických operací plazmového tavení. Byly pozorovány značné nepravidelnosti jak v průřezu, tak i na povrchu, což svědčí o značné nestabilitě růstových parametrů. Tabulka 1. Nominální chemické složení monokrystalů nízkolegovaných slitin wolframu, jejich výchozí rozměry a zjištěná mikrotvrdost Table 1. Nominal chemical composition of low-alloyed tungsten single crystals, their initial proportions and determined micro-hardness Vzorek č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nominální chemické složení [hm. %] W W W - 2 % Re W - 2 % Re W - 1 % Mo - 1 % Re W - 1 % Mo - 1 % Re W - 1 % Re W - 2 % Re W - 10 % Re W - 27 % Re
Průměr
Hmotnost
Osa růstu
Délka [mm]
[mm]
[g]
<100> <110> <110> <100> <100> <110> <100> <110> <110>
158 175 153 155 155 150.5 129 146.9 140.8 141.2
11.8 11.8 11.5 10.8 11.8 11.5 11.9 10.7 16.2 13
378.36 394.5 338.98 317.3 345.37 354.67 195.74 270.77 547.46 364.73
HVm0.05 387 398 394 384 400 400 395 392 428 486
Použitá technologie
Plazmová metalurgie
EBFZM Plazmová metalurgie
2.2 Metalografická a rtg. analýza vzorků Vyvolání struktury monokrystalů wolframu, legovaných rheniem, bylo dosaženo střídavým chemickým leptáním v roztoku Muracami (30 % K3Fe(CN6) + 10 % NaOH) po dobu asi 10 s v kombinaci s elektrolytickým leštěním a leptáním v 4 % roztoku NaOH (U = 17 ÷ 18, resp. 8 ÷ 10 V, t = 6 s). Vybrané snímky mikrostruktur jsou dokumentovány na obr. 1 až 6.
100 µm
100 µm
Obr. 2. Mikrostruktura monokrystalu slitiny W–2 hm. % Re, připraveného s orientací <110> - vzorek č. 10 Fig. 2. Microstructure of W–2 wt. % Re single crystal prepared with crystallographic orientation <110> - specimen No. 3
Obr. 1. Mikrostruktura monokrystalu wolframu, připraveného s orientací <100> vzorek č. 1 Fig. 1. Microstructure of tungsten single crystal prepared with crystallographic orientation <100> - specimen No.1
3
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
200 µm
100 µm
Obr. 3 Mikrostruktura monokrystalu slitiny Obr. 4. Mikrostruktura monokrystalu slitiny W– W–2 hm. % Re, připraveného s orientací 2 hm. % Re–1 hm. % Mo, připraveného <100> - vzorek č. 4 s orientací <110> - vzorek č. 6 Fig. 3. Microstructure of W–2 wt. % Re Fig. 4. Microstructure of W–2 wt. % Re–1 wt. % single crystal prepared with crystallographic Mo single crystal prepared with crystallographic orientation <100> - specimen No. 4 orientation <110> - specimen No.6 Na obr. 1 je uvedena mikrostruktura čistého wolframu s orientací <100> (vzorek č. 1), která je tvořena subzrny I. řádu a II. řádu s úhlem dezorientace několik minut. Analogicky vypadala i mikrostruktura monokrystalu wolframu, připraveného s orientací <110>. Legování wolframu 2 hm. % Re (vzorek č. 3 a 4) vyvolalo drobení subzrn a zvětšení jejich úhlu dezorientace. Subzrna jsou protáhlá ve směru růstu, dezorientace subzrn I. řádu se nachází v rozmezí 1 až 100´, jejich rozměr podél osy růstu dosahuje několik centimetrů a v příčném směru několik milimetrů. Uvnitř subzrn I. řádu se vyskytují subzrna II. řádu s dezorientací 5 ÷ 10´. Legování vzorku W – 1 hm. % Re malým množstvím molybdenu (vzorek č. 5 a 6) nemělo podstatný vliv na změnu struktury monokrystalů ve srovnání se ostatními vzorky, jak je patrné z obr. 4.
100 µm
100 µm
Obr. 5. Mikrostruktura monokrystalu slitiny Obr. 6. Mikrostruktura slitiny W – 27 hm. % Re - vzorek č. 10 W–10 hm.% Re, připraveného s orientací Fig. 6. Microstructure of W–27 wt. % Re <110> - vzorek č. 9 alloy - specimen No. 10 Fig. 5. Microstructure of W–10 wt. % Re single crystal prepared with crystallographic orientation <110> - specimen No. 9 Vzorky slitin W – 10 % Re a W – 27 % Re mají hrubozrnnou strukturu a vykazují značnou pórovitost (velikost pórů cca 20 ÷ 40 µm) – viz obr. 5 a 6. Ve slitině W – 27 % Re
4
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ byla nalezena buněčná struktura růstu. U těchto vzorků dochází ke zvětšení rozměrů subzrn a zmenšení úhlu dezorientace jejich subhranic, což zřejmě souvisí se vzájemným působením wolframu, rhenia a uhlíku, tzv. rheniový efekt. Ke stanovení dokonalosti substruktury těchto monokrystalů byla použita metoda rtg. topografie se skenováním, spočívající v diskrétním natáčení zkoumaného vzorku při jeho ozáření charakteristickým CuKα1,2 zářením v zadaném úhlovém intervalu pro odraz typu <200> pro roviny (100) a <220> pro roviny (110). Získané topogramy vybraných vzorků monokrystalů jsou uvedeny na obr. 7a, b. Na základě výpočtů z rtg. topogramů byla stanovena střední velikost subzrn a úhel dezorientace jejich hranic na začátku a konci vzorků monokrystalů wolframu a jeho slitin (vzorky č. 1 až 6) – viz tab. 2. Výsledky rtg. analýzy vzorků monokrystalů slitin W - 1% Re, W - 2 % Re, W - 10 % Re a W – 27 % Re (vzorky č. 7 až 10) ukázaly, že poměrně nejdokonalejší strukturu z těchto vzorků vykazuje monokrystal slitiny W – 1 % Re, připravený elektronovým zonálním tavením. Odchýlení b) a) osy růstu tohoto vzorku od směru <100> se Obr. 7. Rtg. topogramy příčných řezů pohybuje v rozmezí 4°, střední dezorientace monokrystalů W–2 hm. % Re s orientací <100> subzrn I. řádu dosahuje hodnoty 20 ÷ 40´, u (a) a čistého wolframu s orientací <110> (b) subzrn II. řádu 5 ÷ 10´. Vzorek W – 2 % Re, Fig. 7. X-ray topograms of cross section of W- připravený s orientací <110> vykazuje 2 wt.% Re single crystal with orientation <100> prakticky nulový odklon od tohoto směru. (a) and pure tungsten single crystal with Dezorientace hranic subzrn I. řádu je 30 ÷ orientation <110> (b) 50´ a II. řádu 10 ÷ 20´. Vzorky monokrystalů wolframu s obsahem rhenia 10 a 27 % byly z hlediska kvality značně horší než v případě předchozích vzorků. Osa růstu ve vzorku slitiny W – 10 % Re byla odchýlena od směru <110> v rozmezí 7° a monokrystal vykazoval velmi rozvinutou substrukturu: dezorientace hranic subzrn I. řádu byla několik stupňů a úhel dezorientace subzrn II. řádu se prakticky nepodařilo stanovit. Vzorek slitiny W – 27 % Re představuje typický hrubozrnný polykrystal s rozměrem jednotlivých zrn od 0.05 do 0.5 mm, přičemž takováto struktura slitiny byla v krystalu pozorována v blízkosti zárodku. Tabulka 2. Střední velikost a úhel dezorientace subzrn monokrystalů wolframu a jeho nízkolegovaných slitin Table 2. Mean dimension and angle disorientation of subgrains of tungsten and its lowalloyed alloys single crystals Vzorek č.
Nominální složení [hm. %]
Velikost subzrn [mm]
Krystalografická orientace
začátek
konec
začátek
konec
15÷30 od 10´ do 3° 15÷30 3÷5° 15÷40 15÷40
do 1° od 10´ do 3° 1,5÷2° do 3° 1÷3° 5÷7°
1
W
<100>
1÷3
1÷3
2
W
<110>
0.5÷3
0.5÷3
3 4 5 6
W – 2 Re W – 2 Re W – 1 Re – 1 Mo W – 1 Re – 1 Mo
<100> <110> <100> <110>
1÷2 1÷3 1÷3 2÷5
1÷4 1÷3 1÷3 2÷5
5
Úhel dezorientace [úhl. min, resp. °]
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 3. VYBRANÉ FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI MONOKRYSTALŮ WOLFRAMU A JEHO NÍZKOLEGOVANÝCH SLITIN S RHENIEM Při zkoumání vlastností monokrystalů vysokotavitelných kovů, které mají široké technické uplatnění, je nutné se zabývat i vlivem příměsí a krystalografické orientace na jejich fyzikální, zejména komplexní elastické vlastnosti [5 až 7]. V souvislosti s tím jsou velmi zajímavé monokrystaly wolframu, u nichž se faktor anizotropie blíží jedné [8 až 10]. Strukturně necitlivé fyzikální vlastnosti jsou dány pouze zvláštnostmi atomové stavby kovů, charakterem a silou meziatomové vazby a nereagují na jakékoliv strukturní změny. Strukturně citlivé fyzikální vlastnosti naopak reagují na veškeré změny ve struktuře materiálu. Silně strukturně závislé vlastnosti, jako jsou elektrické vlastnosti, reagují i na malé strukturní změny, např. na změnu koncentrace vakancí, hustoty dislokací aj. Na slabě strukturně citlivé vlastnosti, jako modul pružnosti, koeficient tepelné roztažnosti, hustota aj., mají vliv pouze značné změny ve struktuře materiálu, vyvolané např. vysokým stupněm plastické deformace. 3.1 Studium elastických vlastností monokrystalů na bázi wolframu Podle současné teorie pevných látek souvisí hodnoty elastických konstant s elektronovou strukturou kovu. Zatím však nejsou známy možné způsoby kvantitativních výpočtů těchto konstant, vycházejících z představ o elektronové struktuře kovů (Fermiho hladiny, Brillouinovy zóny apod.). Předmětem studia byly monokrystaly nízkolegovaných slitin wolframu s obsahem rhenia 0 až 5 hm. % a polykrystalická slitina W – 27 hm. % Re, připravené plazmovým obloukovým tavením na IMET RAN v Moskvě a monokrystaly wolframu s krystalografickou orientací osy růstu <100>, <111> a obecnou orientací ležící mezi směry <210> a <411>, získané elektronovým zonálním tavením (metoda FZ) na Katedře neželezných kovů, rafinace a recyklace. Pomocí nedestruktivní ultrazvukové metody kontroly čistoty a napěťového stavu kovů a slitin s anomálními elastickými vlastnostmi byly stanoveny v daných vzorcích podélné vl a příčné vt rychlosti ultrazvuku (UZ) v hlavních krystalografických směrech [100], [110] a [111]. Tato metoda dovoluje stanovit stupeň čistoty kovů a slitin, kontrolovat fyzikálněchemické nehomogenity a napěťový stav materiálu, zaznamenávat změny v elastických vlastnostech při tepelně-mechanickém zpracování aj. Měření UZ se provádělo s frekvencí 10 ÷ 30 MHz pomocí impulsního zařízení, vyvinutého v Institutu fiziki metallov NAN (G.V. Kurdyumov Institute of Metal Physics N.A.S.U.) na Ukrajině [11, 12]. Chyba přístroje při měření absolutních hodnot rychlostí UZ nepřekročila 10-4 při časové základně 10 µs; při měření relativních hodnot byla řádově nižší. Diferenciální metodou hydrostatického vážení byla za použití etalonů křemene a germania stanovena hustota vzorků ρ s přesností 10-4 při hmotnosti vzorku 10 g. Měření se provádělo při teplotě T = 293 ± 1 K. Stanovené hodnoty podélných vl a příčných vt rychlostí UZ v daných krystalografických směrech a hodnoty měrných hmotností ρ pro čisté monokrystaly wolframu jsou shrnuty v tabulce 3. Pro monokrystaly W-Re jsou tyto údaje v závislosti na koncentraci rhenia uvedeny v tabulce 4 [13]. Pomocí zjištěných podélných vl a příčných vt rychlostí UZ a hustot ρ byly dále vypočteny podle vztahů (1) až (13) koncentrační závislosti elastických koeficientů krystalů Cij, modulu všestranného tlaku B, faktoru anizotropie A , Youngových elastických modulů (Е[100], E[110], E[111]) a modulů ve smyku (G[100], G[110], G[111]) pro dané směry, dále střední hodnoty podélných ( vl ) a příčných ( vt ) rychlostí UZ podle metody Fochtu-Roisu-Chilly (FRCh), Youngova elastického modulu ( E ) a modulu ve smyku ( G ), Poissonovy konstanty ( σ ) a Debyovy teploty ( Θ D) pro jednotlivé vzorky monokrystalů. Výsledky výpočtů pro 6
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ monokrystaly W-Re jsou uvedeny v tabulce 5 a 6, pro čisté monokrystaly wolframu v tabulce 3. ρ v l2 [ 001] = C11 (1) CL= ρ v l2 [110] = (C11 + C12 + 2 C44)/2
(2)
ρ v l2 [111] = (C11 + 2 C12 + 4 C44)/3
(3)
ρ v t2
[100 ]
= C44
(4)
ρ v t2
[ 001] [110 ]
= C44
(5)
[110 ] [110 ]
(6)
C’ = ρ v t2 ρ v t2
[111]
= (C11– C12)/2
= (C11 + C44 – C12)/3
(7)
А = 2 C44/(C11 – C12) B = (C11 + 2 C12)/3
(8) (9)
E = ρ vt 2 (3 a2 – 4)/(a2 – 1)
G = ρ vt
(10)
2
(11)
η = (a2 – 2)/2 (a2 – 1), a = vl / vt 1
h 9 N ρ 3 Θ D = k 4 π A∑
1 2 + 3 3 vt vl
(12)
1 − 3
(13)
Tabulka 3. Naměřené hodnoty νl, νt , Cij, B, E a G v monokrystalech W pro různé krystalografické směry a stanovené hustoty ρ při t = 20 °C Table 3. Determined values of νl, νt in tungsten single crystals for various crystalographic directions and their density ρ at t = 20 °C Označení ρ vzorků [g.cm3] W[100] W[111] W[210][411]
19.174 19.252 19.167
Směr šíření UZ [100] [111] [210][411]
vl [m.s-1]
C11 C12 vt [m.s-1] [GPa] [GPa]
C 44 [GPa]
В E [GPa] [GPa]
G [GPa]
ν
5261.1 2890.7 530.7 5275.6 2889.6 535.8
210.3 160.2 317.1 214.3 160.75 321.5
411.4 160.2 0.284 413.4 160.75 0.286
5278.8 2895.9 534.1
212.6 160.74 319.8
413.0 160.74 0.285
Ze získaných hodnot v tab. 4 a 5 je patrné, že při zvýšení koncentrace rhenia ve wolframu (cRe = 0 → 5 hm. %) vzrůstá hustota i faktor anizotropie А=2С44 /(С11-С12) slitin podle kvazilineárního zákona. Podélné a příčné rychlosti UZ, polarizované ve směru [110], s rostoucím obsahem rhenia klesají, avšak příčná rychlost, polarizovaná ve směru [001] se nepatrně zvyšuje. Přitom se koeficient C11 snižuje a koeficienty C12 a C44 stoupají přibližně o 0.5 %. Youngovy elastické moduly a moduly ve smyku krystalů W-Re kvantitativně a kvalitativně závisí na volbě krystalografického směru. Jestliže se moduly Е[100], G[110] a G[111] s rostoucím obsahem Re s různou intenzitou snižují, pak G[100] vzrůstá a křivky Е[110](cRe) pro cRe ~ 2.5 hm. % a Е[111](cRe) pro cRe ~ 3.2 hm. % prochází přes rozsáhlá maxima. Střední hodnoty podélných ( vl ) a příčných ( vt ) rychlostí UZ, stanovených podle metody FRCh, modulů E , G , B a Debyovy teploty ( Θ D) se v rozsahu koncentrací rhenia cRe= 0 až 5
7
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ hm. % snižují. Střední hodnota Poissonovy konstanty činí σ = 0.281±0.001. V tabulce 4 až 6 jsou pro srovnání se středními akustickými a elastickými parametry monokrystalů uvedeny údaje i pro polykrystalickou slitinu W – 27 hm. % Re. Je patrné, že stanovené hodnoty vt , E, G a V pro polykrystalickou slitinu jsou značně vyšší než v případě monokrystalů W – (0 až 5) hm. % Re a Poissonova konstanta činí η = 0.24, tj. je podstatně nižší. Tento jev může být objasněn vlivem hranic zrn na elastické a mechanické vlastnosti slitin W-Re. Tabulka 4. Naměřené hodnoty νl, νt v monokrystalech W-Re pro různé krystalografické směry
a stanovené hustoty ρ při t = 20 °C Table 4. Determined values of νl, νt in W-Re single crystals for various crystalographic directions and their density ρ at t = 20 °C
cRe [hm.%] 0
Směr Polarizace šíření UZ příčné UZ vlny vlny [001] [110] [ 110 ] [001]
vl [m/s]
vt [m/s]
5246.6 5241.6
2898.7 2879.5 2894.4
5246.8; 5242.3 5218.8 5229.5
2893.4 2902.1 2896.2 2875.0 2897.7
ρ Poznámka 3
[g/сm ] 19.259
monokrystal
19.270
-“-
19.271
-“-
0.10
[110]
0.95
[001] [110]
2.00
[110]
[ 110 ] [001]
5242.6; 5231.8
2872.1 2907.7
19.292
-“-
5.00
[110]
5222.0
-
2834.7 2907.7 2991.2
9.328 (р) 19.640
-“-
27.0
[ 110 ] [001] -
[ 110 ] [001] [ 110 ] [001]
5112.9
polykrystal
Legování monokrystalů W rheniem je značně anizotropním jevem, který různým způsobem ovlivňuje koncentrační závislost rychlosti UZ, jednotlivé složky tenzoru elastických koeficientů a pevnostních modulů. Se zvýšením koncentrace rhenia ve slitině W-Re se naměřené a střední hodnoty rychlosti UZ podle metody FRCh, moduly pro dané směry Eijk a Gijk, střední hodnoty Youngových modulů, modulů ve smyku a všestranném tlaku mění různým způsobem a faktor anizotropie se zvyšuje, tj. krystal se stává anizotropnějším, což je nutné brát v úvahu při hodnocení mechanických vlastností těchto slitin. Pozorované efekty mohou být spojeny se zvláštnostmi anizotropie vzájemného působení meziatomových sil. Avšak pro objasnění její podstaty je nutné provést komplexní pozorování s využitím strukturních a jiných metod. Na základě stanovených hodnot elastických koeficientů monokrystalů wolframu, připravených s krystalografickou orientací osy růstu <100>, <111> a <210>-<411> nebyly
8
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ pozorovány velké rozdíly v anizotropii krystalografické orientaci vzorků.
mechanických
vlastností
v závislosti
na
cRe [hm. %] 0 0.10 0.95 2.00 5.00
C11 [GPа]
C12 [GPа]
C44 [GPа]
C´ [GPа]
CL [GPа]
B [GPа]
A
527.47 528.95 524.49 526.27 518.95
208.10 206.30 205.92 207.99 208.34
161.34 162.86 161.81 163.11 163.41
159.68 161.32 158.28 159.14 155.31
529.12 530.48 527.02 530.24 527.06
314.56 313.85 312.11 314.08 311.88
1.0104 1.0095 1.0159 1.0249 1.0522
381.57 383.28 381.58 382.36 380.56
monokrystal
Tabulka 5. Hodnoty Cij, C’, CL, B, A a ΘD monokrystalů W-Re Table 5. Values of Cij, C’, CL, B, A a ΘD for W-Re single crystals
27.0
-
-
-
-
-
279.13
1.0000
395.31
Polykrystal
ΘD [K]
Pozn.
Tabulka 6. Hodnoty vl , vt , E , G , η a E , G monokrystalů W-Re pro základní krystalografické směry Table 6. Values of vl , vt , E , G , η a E , G of W-Re single crystals for basic crystallographic directions cRe [hm.%]
vl
vt
[m/s]
0 0.10 0.95 2.00 5.00 27.0
5239.9 5245.3 5227.0 5238.6 5213.6 5112.9
[m/s]
E [GPa]
G [GPa]
η
2888.4 2901.6 2888.6 2893.4 2878.3 2991.2
411.91 415.18 411.69 413.63 410.17 435.74
160.68 162.24 160.80 161.51 160.12 175.73
0.282 0.280 0.280 0.280 0.281 0.240
[100] 409.73 413.18 408.39 408.44 399.59 -
E [GPa] [110] 412.44 415.68 412.51 417.12 412.76 -
[111] 413.36 416.52 413.91 419.91 417.35 -
[100] 161.34 162.86 161.81 163.11 163.41 -
G [GPa] [110] 160.51 162.09 160.54 161.10 159.26 -
[111] 160.23 161.83 160.12 160.44 157.92 -
4. ZÁVĚR V příspěvku byl diskutován vliv legujících prvků rhenia a molybdenu na struktruní charakteristiky monokrystalů wolframu. Při legování nízkými obsahy těchto prvků (do 1 hm.%) nebyl pozorován významný vliv na změnu mikrostruktury ve srovnání s monokrystaly čistého wolframu. Výraznější rozdíl byl zaznamenán až při vyšších obsazích Re (10 – 27 hm.% Re), kdy došlo k výraznému drobení subzrn a zvětšení úhlu desorientace jejich subhranic (až několik stupňů), což se projevilo i na zvýšení mikrotvrdosti. Na základě zjištěných údajů můžeme konstatovat, že ultrazvuková metoda může být použita ke kvalitativní kontrole čistoty monokrystalů wolframu a jeho nízkolegovaných slitin měřením útlumových efektů ultrazvukových vln v různých částech testovaných vzorků. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla v rámci řešení grantových projektů GA ČR č.106/03/0048 „Materiály na bázi vysoce čistých monokrystalů vysokotavitelných kovů pro funkční prvky elektrovakuových a kontrolně-měřicích přístrojů a GA ČR č.106/06/P288 „Příprava a studium
9
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ charakteristických vlastností monokrystalů binárních a ternárních slitin na bázi wolframu a molybdenu" a dále v rámci výzkumného záměru MSM 6198910013 „Procesy přípravy a vlastnosti vysoce čistých a strukturně definovaných speciálních materiálů“. LITERATURA [1] SAVICKIJ, E. M. i BURCHANOV, G. S. Redkie metally i splavy: Fiziko-chimičeskij analiz i metallověděnije. Moskva: Nauka, 1980, 255 s. [2] BILOUS, O. A., SOSNINA, Y. I. and TREFILOV, V. I. The effect of rhenium additions on the structure and mechanical properties of tungsten single crystals. In Rhenium and rhenium alloys. Warrendale: Minerals, Metals and Materials Society/AIME, 1997, p. 789-796. ISBN 0873393651. [3] CHALMERS, B. Teorija zatverdevanija. M.: Metallurgija, 1968, 287 s. [4] SAVICKIJ, J.M. a BURCHANOV, G.S. Plazměnnoje vyraščivanije monokristallov tugoplavkich metallov. Moskva, Metallurgija, 1981. [5] BOLEF, D. I. and De CLERK, J. Elastic Constants of Single Crystal Mo and W between 77 K and 500 K. J. Appl. Phys,1962, vol. 33, no. 7, p. 2311 – 2314. ISSN 0021-8979 [6] FEATHERSTON, F. H. and NEIGHBOURS, J. R.. Elastic Constants of Tantalum, Tungsten and Molybdenum. Phys. Rev., 1963, vol. 130, no. 4, p. 1324 – 1333. [7] BURCHANOV, G. S., KIRILLOVA, V. M., KUZMIŠČEV, V. A. et al. Polučenije monokristallov voľframa vysokoj čistoty. Vysokočistyje věščestva, 1995, no. 1, s. 18 – 21. [8] AYRES, R. A., SHANNETTE, G. W. and STEIN, D. F. Elastic Constant of Tungsten – Rhenium Alloys from 77 K to 298 K. J. Appl. Phys., 1975, vol. 46, no. 4, p. 1526 – 1530. [9] MASUDA, K., HAMADA, N. and TERAKURA, K. Calculation of Elastic Constants of BBC Transition Metals: Tightbinding Recursion Method. J. Phys. F.: Metal Phys.,1984, vol. 14, no. 1, p. 47 – 53. [10] SODERLIND, P., ERIKSSON, O., WILLS, J. M. and BORING, A. M.. Theory of Elastic Constants of Cubic Transition Metals and Alloys. Phys. Rev., vol. 48, 1993, no. 9, p. 5844 – 5851. [11] BALAN, V. Z., BOČKO, A. V., ŽOLUD´, V. V. et al. Ultrazvukovye issledovanija monokristallov wol’frama različnoj stěpěni čistoty. Metally, 2001, no. 1, s. 77 – 81. [12] ZAPOROZHETS, O. I., LICHKO, A. V., NEMOSHKALENKO, V. V. and NOSAR, A. I. A Technology for Non-destructive Testing of Metalworks. Met. Phys. Adv. Tech., 1999. vol. 17, p. 961 – 971. [13] ZAPOROZHETS, O.I., ŽOLUD´, V.V., DORDIENKO, N. A. et al. Uprugije konstanty monokristallov W-Re splavov. Gornyj informacionno-analitičeskij bjulleten, Moskva, 2005, p. 285-294. ISSN 0236-1493.
10
