Макролокализация пластической деформации в монокристаллах чистых металлов

ОГ ДАВЛЕНИЕ
2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ЕЕ ПРИРОДА 9
1.1 Этапы развития теории пластической деформации 9
1.2 Уровни пластической деформации твердых тел 13
1.3 Процессы самоорганизации в твердых телах на разных
масштабных уровнях 18
1.4 Феноменология макроскопической локализации и
упорядоченности картин распределения деформации 20
1.5 Кинетика зон локализации деформации и автоволновая природа
макроскопической неоднородности пластической деформации 28
1.5.1 Скорость распространения волн локализации макродеформации 28
1.5.2 Длина волны локализации деформации и масштабный эффект 31
1.5.3 Зависимость длины волны локализации от размера зерна 32
1.5.4 Модель возникновения пространственного периода за счет акустической эмиссии от источников сдвигов 34
1.6 Постановка задачи 35
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ' 38
2.1 Обоснования выбора материалов 38
2.2 Рентгенографический метод 39
2.3 Механические испытания 43
2.4 Метод спеклинтерферометрии 45
2.5 Определение периода, ориентации и скорости движения очагов
локализации макродеформации 49
2.6 Материалы исследования 57
3
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ЧИСТЫХ ГЦК МЕТАЛЛОВ МЕДИ И НИКЕЛЯ 66
3.1 Результаты механических испытаний 66
3.2 Характер локализации макродеформации в ГЦК
МОНОКРИСТАЛЛАХ МЕДИ И НИКЕЛЯ 73
3.3 Анализ результатов 88
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ГПУ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ЦИНКЕ 95
4.1 Результаты механических испытаний 95
4.2 Характер локализации макродеформации в
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ЦИНКЕ 101
4.3 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 118
ЛИТЕРАТУРА
120
ВВЕДЕНИЕ
На основе большого числа экспериментальных данных в настоящий момент установлен факт, что явление макролокализации пластической деформации наблюдается на широком круге материалов и имеет место на всех этапах формоизменения под нагрузкой, начиная с предела текучести, и до разрушения. Еще в 60-80-е годы был выполнен обширный цикл работ по изучению пространственной неоднородности распределений деформации на различных стадиях активного нагружения и ползучести различных сплавов на основе железа, алюминия и других металлов. Однако вопросы кинетики этого явления пластичности не затрагивались.
Использующийся в лаборатории физики прочности ИФПМ СО РАН метод двухэкспозиционной спекли нгерферометрии, позволил значительно расширить наши представления о макролокализации деформации. Было установлено, что в большинстве случаев, картины распределения зон локализации деформации упорядочены в пространстве и во времени. Кроме этого, тип локализации определяется законом пластического течения, то есть, деформационной диаграммой материала. Согласно проведенному анализу природа указанных явлений обусловлена процессами самоорганизации в виде автоволн и едина для всех нагружаемых объектов и материалов.
Однако все данные о характере развития макролокализации при пластическом течении получены либо на чистых поликристаллических материалах (алюминий), либо на монокристаллах высоколегированных сплавов, либо на материалах, объединяющих то и другое. Поэтому всегда остается возможность альтернативного объяснения указанных особенностей эволюции макролокализации деформации. В связи с этим, для прямого экспериментального подтверждения автоволновой природы актуальными являются исследования макролокализации на монокристаллических образцах чистых металлов, где микромеханизмы пластической деформации хорошо изучены, и которые являлись базовыми при создании теории пластичности кристаллических твердых тел.
Цель работы состоит в исследовании характера макроскопической локализации пластической деформации на монокристаллических образцах чистых металлов меди, никеля и цинка. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Установить качественно и описать количественно тип локализации пластической деформации на всех стадиях кривых пластического течения чистых монокристаллов меди, никеля и цинка.
2. Сравнить автоволновые характеристики эволюции макролокализации пластического течения в чистых ГЦК монокристаллах меди и никеля и П ГУ монокристаллах цинка с данными, полученными на монокристаллах сплавов.
3. Проанализировать общие закономерности и частные особенности кинетики локализованной на макроскопическом уровне пластической деформации в монокристаллических чистых металлах, в монокристаллах высоколегированных сплавов и в поликристаллических материалах.
4. Подготовить и аттестовать образцы монокристаллов меди никеля и цинка. Определить количественные характеристики стадий пластического течения и обосновать связь деформационного поведения с кристаллогеометрическими характеристиками образцов.
5. Усовершенствовать методику обработки полей векторов смещений деформируемых объектов для повышения быстродействия алгоритма определения пространственных и временных параметров автоволн пластической деформации.
Научная новизна работы. На основе метода двухэкспозиционной спеклинтерферометрии впервые исследован характер локализации макродеформации в монокристаллах чистых ГЦК (Си, N1) и ГПУ металлов. Установлено, что основные типы локализации пластической деформации: одиночный движущийся фронт на стадии легкого скольжения, система равномерно движущихся эквидистантных очагов на стадии линейного упрочнения, стационарная система очагов деформации на
параболической стадии, а так же появление преобладающего максимума локализации деформации в месте будущего разрушения, наблюдаются и на этих монокристаллах, которые были главными экспериментальными материалами при создании физической теории пластичности. Скорости автоволн локализации на стадиях легкого скольжения и линейного упрочнения, чистых ГЦК (Си, N0 и ГПУ (Ъп) монокристаллов соответствуют ранее установленным зависимостям кинетических характеристик процессов локализации от приведенного коэффициента упрочнения. Обнаружено, что особенности локализации деформации в ГПУ монокристаллах 7л\ обусловлены образованием сбросов, которые разбивают образец на части, где деформационные процессы развиваются независимо.
Научная ценность работы. Научная ценность работы заключается в том, что ее результаты демонстрируют необходимость учета автоволнового характера макролокализации пластической деформации при описании формоизменения любых металлических материалов, в том числе и тех, которые были базовыми при создании дислокационной теории пластичности.
Практическая значимость работы. Полученные в работе данные о типах локализации макродеформации должны учитываться на практике при решении производственных задач при обработке металлов давлением и при создании систем диагностики напряженно-деформированного состояния деталей и конструкций, находящихся в процессе эксплуатации.
Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе сделан обзор работ по проблеме деформирования и разрушения твердых тел. Проведен анализ работ по теории дислокаций. Рассмотрено понятие многоуровневости пластической деформации лежащее в основе нового научного направления - физическая мезомеханика. Рассмотрена проблема неоднородности протекания деформации во времени и локализации в пространстве, как проявление самоорганизации в открытых системах. Сформулирована цель работы и поставлены задачи исследования.
Вторая глава посвящена описанию методик эксперимента и обоснованию выбора материалов исследования. Здесь так же описаны предложенные улучшения в обработке данных о полях векторов смещений и способе представления результатов.
В третьей и четвертой главе изложены результаты по исследованию характера макролокализации пластической деформации в монокристаллах чистых металлов меди, никеля и цинка совместно с результатами механических испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментальные доказательства:
- существования в монокристаллах Си, N1' и Ъс\, послуживших базой для создания дислокационной теории пластичности, общих со всеми ранее исследованными материалами закономерностей эволюции картин макромасштабной локализации пластического течения;
- необходимости учета автоволновой природы макролокализации пластического течения в описании деформационного упрочнения этих монокристаллов.
2. Объяснение роли процесса сбросообразования при деформации ГПУ монокристаллов цинка, состоящей в том, что за его счет образец разделяется на зоны, в каждой из которых автоволновые процессы макромасштабной локализации пластического течения протекают независимо.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V Международной школе - семинаре: Эволюция дефектных структур в конденсированых средах, г. Барнаул 2000; XIV научной конференции филиала ТПУ, посвященной 300-летию инженерного образования России, г. Юрга. 2001; III, IV, V Всероссийской конференции молодых ученых: Физическая мезомеханика материалов, г. Томск. 2000, 2001, 2003; 13-ой зимней школе по механике сплошных сред, г. Пермь. 2003; II Всероссийской конференции молодых ученых:
Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии, г. Томск. 2003; 9-ой Международной конференции по механическому поведению материалов, г. Женева. Швейцария. 2003; 9-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. Москва. 2004.
1 МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ЕЕ ПРИРОДА
1.1 Этапы развития теории пластической деформации
Весь XIX век и до середины XX столетия, проблемы деформации и разрушения твердых тел, как правило, решались исключительно в рамках механики сплошной среды. Это были феноменологические подходы на макромасштабном уровне, которые позволяли успешно решать широкий круг инженерных задач. На этом этапе на основе различных испытаний образцов и изделий были сформулированы основные макроскопические закономерности деформации и разрушения, введены характеристические напряжения, развита линейная теория упругости. Так для описания явления разрушения были определены следующие характеристики: предел прочности, вязкость разрушения, а для процесса деформирования - предел текучести, коэффициент упрочнения и т.д.
На следующем этапе стало ясно, что для понимания механизмов пластической деформации и разрушения необходимы физические подходы на микромасштабном уровне.
Со времен оформления материаловедения как науки было известно о неоднородном и локализованном характере пластической деформации кристаллических твердых тел. Еще Д.К. Черновым установлена решающая роль сдвиговых процессов при деформировании, которые проявляются в образовании деформационного рельефа [1]. На основе констатации связи этого рельефа с кристалло1рафическим строением материала была создана сдвиговая модель пластического течения [2], предложены механизмы реализации деформации трансляционным скольжением [3] и двойникованием [4].
В тридцатые-сороковые годы двадцатого столетия была создана теоретическая дислокационная модель сдвиговой деформации [5, 6]. Затем эта модель была экспериментально подтверждена методами избирательного
травления, рентгеновскими методами, наблюдениями за полосами скольжения и др. Электронная микроскопия позволила экспериментально подтвердить созданную на рубеже 70-х годов теорию индивидуальных дислокаций (например [7]), которая стала основой представлений о механических свойствах кристаллических материалов и, прежде всего металлических. Одним из первых ее достижений явилось объяснение причин различия между теоретической и реальной прочностью кристаллов [8-10].
В настоящее время большинством исследователей признается, что переход от упругого поведения твердого тела к пластическому может быть описан теорией дислокаций, а силовые параметры последних определяют величину предела текучести монокристаллов. Для достаточно широкого круга реальных монокристаллических материалов и условий деформирования критическое напряжение сдвига может быть рассчитано в рамках динамической дислокационной теории Гилмана и Джонстона [11], или теорией закрепления дислокаций атмосферами точечных дефектов Коттрелла [8, 12], или в рамках синтеза обеих с учетом природы объекта и конкретных условий [13, 14]. Температурные зависимости предела текучести (так же для реальных ситуаций) хорошо описываются либо барьерной теорией Пайерлса-Набарро [15], либо теорией примесного упрочнения [14], либо моделью редиссациации винтовых дислокаций (для ОЦК материалов) [16].
С большими сложностями связано описание предела текучести поликристаллических тел. Наличие границ зерен, которые, как принято считать, выступают в роли стопоров для движения дислокаций, приводит к повышению предела текучести сг, и напряжения микропластичности [10, 14]. Экспериментально зависимость предела текучести от размера зерна впервые была исследована в работах Хола, Петча и Лоу. Она представляется эмпирическим уравнением [17-19]:
(Т5=ст0+к!р‘а. 1.1
Здесь а0=Л/го выражено через критическое напряжение сдвига т0 для монокристалла и усредненный по всем зернам фактор ориентировки Тейлора М [10, 14], Ку - коэффициент зернограничного упрочнения, а О - размер зерна. Интерпретация Ку долгое время была предметом пристального внимания исследователей. Все выдвигаемые модели такого упрочнения базировались на дислокационных представлениях. Это и теория Коттрелла [12], Армстронга, Петча [20] о концентрациях напряжений за счет плоских скоплений у границ; и деформационная модель Конрада [21], в которой упрочнение контролируется плотностью дислокаций, нарастающей обратно пропорционально размеру зерна; и теория зернограничных источников Ли [22], где число их, а значит и величина упрочнения, пропорциональны отношению площади границ к объему зерна; и теория геометрически необходимых дислокаций Эшби, отвечающих за локализованную вблизи границ деформацию, чья плотность тоже должна быть обратно пропорциональна размеру зерна (цит. по [23] с. 182). Хотя все эти модели в целом, верно, отражали физические закономерности явления, они вынуждены были использовать эмпирические данные. Наиболее замкнутой оказалась созданная к концу 80-х годов модель В.И. Трефилова с сотрудниками [14, 24], рассматривающая границы зерен не как барьеры, а как границы областей с различными уровнями напряжений, что обусловлено разориентировкой кристаллитов. В этом случае, как и в модели Эшби Ку обусловлен протекающей локально у границы микродеформацией. В рамках модели Трефилова коэффициент зернограничного упрочнения выражается как Ку=ЗхоМго/2&т, где Ат- разность факторов Шмида [10] соседних зерен, усредненная по всему образцу. При хаотическом распределении ориентировок зерен она является своеобразной константой материала с заданной кристаллической решеткой. При наличии текстур определить Ат труднее, но эта задача является статистической и тоже выполнима. В настоящее время не имеет строгой интерпретации лишь константа г#, которая определяет ширину зоны локализации деформации у границы, то есть зоны,