Введение
СОДЕРЖАНИЮ
4
Глава 1. Неустойчивая пластическая деформация
и проблема деформационных полос........................................ 9
1.1. Классификация пространственно-временных неустойчивостей макропластической деформации металлов.................................. 9
1.1.1. Феноменологическая классификация Эстрина............................ 9
1.1.2. Неустойчивость, связанная с деформационным разупрочнением............. ю
1.1.3. Неустойчивость, связанная со скоростным разупрочнением.............. 11
1.1.4. Тепловая неустойчивость.............................................. 14
1.1.5. Классификация Кокса.................................................. 15
1.2. Полосы Людерса........................................................... 16
1.2.1. Зуб текучести и полоса Людерса....................................... 16
1.2.2. Структура полос Людерса.............................................. 17
1.2.3. Распространение полос Людерса........................................ 20
1.2.4. Механизмы распространения фронта Людерса............................. 23
1.3. Эффект Портевена-Ле Шателье.............................................. 27
1.3.1. Феноменология эффекта ПЛШ............................................ 27
1.3.2. Релаксационные осцилляции............................................ 31
1.3.3. Распространение полос ПЛШ. Проблема пространственной связи........... 33
1.4. Эффект Савара-Массона.................................................... 39
1.5. Постановка задачи исследования........................................... 41
Глава 2. Комплекс in situ методов исследования
скачкообразной деформации металлов.................................... 42
2.1. Мягкая деформационная машина............................................. 42
2.2. Оптические и акустические методы..................................... 43
2.3. Материал исследования.................................................... 45
2.4. Выводы................................................................... 52
Глава 3. Зарождение п начальные стадии
распространения полос деформации....................................... 54
3.1. Первая критическая деформация............................................ 54
3.2. Кинетика и геометрия первых полос деформации в сплаве АМгб
с преципигатиой микроструктурой........................................... 56
3.3. Кинетика и геометрия первых полос деформации в сплаве АМгб
с рекристаллизованной структурой.......................................... 62
2
3.3.1. Докритичсский и закритичсский рост полосы Людерса.................. 62
3.3.2. Структура и кинетика ветвления фронта Людерса...................... 66
3.3.4. Фрактальный анализ ветвящегося фронта Людерса...................... 69
3.4. Подвижность деформационных полос и скоростная чувствительность......... 69
3.5. Механизмы потери устойчивости пластической деформации
в сплаве АМгб с различной исходной микроструктурой...................... 77
3.6. Выводы................................................................. 80
Глава 4. Кинетика и морфология полос деформации Савара-Массона................. 81
4.1. Классификации полос Савара-Массона. Морфологическая диаграмма.......... 81
4.2. Механизм пространственной связи. Каскадное размножение полос........... 86
4.3. Акустический и оптический мониторинг полос деформации Савара-Массона 92
4.3.1. Динамика деформационных полос и АЭ в сплаве АМгб
с преципитатной микроструктурой..................................... 94
4.3.2. Динамика деформационных полос и АЭ в сплаве АМгб
с рекрнсталлизованной структурой.................................... 100
4.4. Выводы................................................................... 108
Глава 5. Неустойчивая сверхпластичность сплава АМгб............................ 109
5.1. Введение............................................................... 109
5.2. Особенности методики................................................... 111
5.3. Монотонная и скачкообразная составляющая кривой нагружения............. 112
5.3.1. Идентификация свсрхпластичного состояния........................... 114
5.3.2. Эволюция скачкообразной составляющей СПД........................... 117
5.4. Анализ корреляции нестационарных процессов СПД......................... 119
5.5. Выводы................................................................. 122
л
Выводы по работе............................................................... 123
Литература..................................................................... 125
Приложение..................................................................... 143
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Пластический деформируемый кристалл представляет собой пример нелинейной неравновесной (диссипативной) системы - ансамбля дефектов кристаллической решетки. При определенных условиях такие системы демонстрируют явление самоорганизации на различных масштабных уровнях. В последнее время возрос интерес к изучению нелинейных аффектов в макрокинетике пластически деформируемого кристалла, обусловленных пространственно-временной самоорганизации движения больших групп дислокаций - основных носителей пластического течения.
При изучении процессов переноса в нелинейных системах различают две задачи: прямую, когда заданы силы, а откликом являются неустойчивые потоки и обратную, в которой заданы потоки носителей переноса, а исследуется сложный силовой отклик системы. Соответственно, неустойчивая пластическая деформация твердых тел на макроуровне проявляется в двух ситуациях: 1) при нагружении с постоянной скоростью роста напряжения сг0 = const регистрируется ступенчатая кривая деформации /;(/) с амплитудой скачков до ~ 10 % (эффект Савара - Массона [ 1 ]); 2) при деформировании с постоянной скоростью /:0= const регистрируется зубчатая кривая изменения напряжения cr(t) с повторяющимися скачками раз1рузки («зубцами») системы машина-образец амплитудой до нескольких процентов (эффект Поргсвена-Лс Шателье [1, 2]). В обеих ситуациях самоорганизация во времени сопровождается пространственной самоорганизацией - локализацией пластической деформации в статических или распространяющихся полосах деформации [2-4].
Типичными модельными материалами для исследования прерывистой деформации являются пол «кристаллические сплавы Al-Mg с содержанием магния 2-6 %. Полосы макролокализованной деформации создают1 технологический брак при производстве листового проката алюминиевых сплавов: они портят качество поверхности
промышленных изделий и могут вызвать преждевременную коррозию и разрушение.
Ранние представления о прерывистом течении связывали его с механизмом динамического деформационного старения (ДДС) дислокаций. Однако модели, развитые на этой основе, создавали проблему отбора скорости и ширины деформационной полосы, которые оставались неопределенными. В последующих нелокальных моделях исследовалась природа пространственной связи, обеспечивающей распространение полосы с определенной скоростью и шириной [5-10]. В качестве механизмов связи
рассматривались: двойное поперечное скольжение [5], концентрация локальных напряжений в полосах деформации [2, 7J, трехмерные напряжения (фактор Бриджмена) [5,7], внутренние напряжения, связанные с макронеоднородностями пластической деформации [8, 10] и неоднородным распределением теплового поля [9], дальнодействующее скоррелированное движение большого количества дислокаций [6, 7]. Однако из-за отсутствия систематического экспериментального тестирования этих механизмов многие вопросы остаются неясными. Наиболее важными среди них являются механизмы зарождения полос и роль размножения дислокаций в развитии прерывистой деформации. Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию in situ динамики зарождения, размножения и распространения полос макролокализованной деформации в условиях нагружения с постоянной скоростью &0 = const (прямая задача) промышленного алюминий-магниевого сплава АМгб, применяемого в автомобильной промышленности и авиационной технике.
Цель работы: на основе комплексного анализа данных скоростной видеосъемки распространяющихся полос макролокализованной деформации, сигналов акустической эмиссии и данных измерений деформационных скачков исследовать динамику и механизмы неустойчивой деформации промышленного сплава АМгб при растяжении с постоянной скоростью роста напряжения.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
- разработать методический подход для исследования динамики полос макролокализованной деформации с временным и пространственным разрешением, достаточным для выявления тонких деталей их эволюции, включая зарождение, взаимодействие друг с другом и т.д. и позволяющим количественно оценивать роль полос в скачкообразной деформации металла, деформируемого с постоянной скоростью роста напряжения, т.е. в условиях проявления эффекта Савара-Массопа;
-исследовать in situ кинетику и морфологию процессов зарождения и распространения полос Савара - Массона в сплаве АМгб методами высокоскоростной видеосъемки и акустической эмиссии;
-исследовать влияние исходной микроструктуры сплава АМгб на кинетику и морфологию полос макролокализованной деформации; экспериментально построить морфологическую диаграмму полос деформации Савара-Массона;
5
- выявить и исследовать скачкообразную составляющую сверхпластнчсской деформации сплава ЛМгб;
- разработать механизмы прерывистого течения сплава А1-Гу^, деформируемого с постоянной скоростью возрастания нагрузки.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые:
-с временным разрешением 0.2 мс и пространственным 10 мкм исследован переход между устойчивым и неустойчивым деформационным поведением сплавов АМгб с преципитатной и рекристаллизоваиной микроструктурами и выявлен бифуркационный переход в окрестности температуры ограниченной растворимости (температуры сольвус ТЗУ »275 °С) между плоской и дендритонодобной морфологией фронта Людерса;
-установлено, что кинетика полосы Савара-Массона характеризуется двумя противоположно направленными скоростями бокового роста, составляющими несколько см/с и скоростью вершины, достигающей и 10 м/с;
- установлено, что полосы Савара-Массона размножаются по механизму «цепной реакции»: границы расширяющейся полосы генерирует вторичные полосы, границы вторичных полос генерируют полосы третьего поколения и т.д. В результате эволюция неустойчивой деформации на фронте макроскопического скачка описывается бифуркационной диаграммой, характерной для нелинейных неравновесных динамических систем. Показано, что основная доля деформации в скачке амплитудой ~ 1-10 % осуществляется эстафетной передачей деформации в соседние области поликристалла за счет каскадного размножения полос Савара-Массона;
- экспериментально получена морфологическая диаграмма полос деформации Савара-Массона;
-установлено, что зарождение полос и скачки скорости полос сопровождаются всплесками сигналов акустической эмиссии, позволяющими исследовать тонкую временную структуру скачков пластической деформации;
- вьгявлена скачкообразная составляющая скорости сверхпластической деформации сплава АМгб со степенным спектром мощности, указывающем на ее фликкер-шумовую структуру с флуктуирующим временем корреляции.
Научная ценность и практическая значимость работы. Научная ценность полученных результатов состоит в том, что при растяжении материала с постоянной скоростью роста напряжения, основным механизмом развития скачка деформации амплитудой ~ 1-10 %, как установлено в работе, является каскадное размножение полос
деформации Савара-Массона; в результате эволюция пластических неустойчивостей описывается бифуркационным «деревом», типичным для диссипативных систем. Выявленный механизм пластической неустойчивости принципиально отличается от механизмов распространения солитоноподобных полос ПЛШ в условиях заданного потока £0 ~ const, поскольку эти механизмы рассматривают динамику консервативного
(без размножения и аннигиляции) ансамбля дислокаций. Практическая значимость результатов работы определяется важностью проблемы устойчивости деформационного поведения сплава АМгб в связи с его широким применением в авиационной технике и автомобильном машиностроении. Полученные в работе результаты представляются важными при выборе оптимальных режимов термомеханической обработки сплава АМгб, а также для мониторинга и прогнозирования его деформационного поведения в реальных условиях эксплуатации.
На защиту выносится следующие основные положения и результаты.
1. Структурно-чувствительный переход от евклидовой к фрактальной форме фронта полосы Людерса в сплаве АМгб, вызванный растворением вторичной ДА1зМ§2)-фазы после отжига выше температуры сольвус Tsv «275 °С; переход сопровождается скачком
подвижности и фрактальной размерности фронта Людерса и определен как кинетический (неравновесный) морфологический переход первого рода.
2. Эстафетный механизм распространения пластической деформации за счет каскадного размножения полос Савара-Массона с коэффициентом размножения около двух.
3. Морфологическая диаграмма полос деформации Савара-Массона, которая насчитывает шесть морфологических типов полос. Экспериментально показано, что эволюция некоторых наиболее быстрых типов полос идентифицируется по сигналу акустической эмиссии.
4. Неустойчивый, скачкообразный характер сверхпластической деформации сплава АМгб со степенным законом спектра мощности шума мгновенной скорости деформации, свидетельствующим о ближней и дальней корреляции пространственно-временной структуры сверхпластической деформации.
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах:
IV и V Международные конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», посвященная памяти академика Г.В. Курдюмова (Черноголовка, 2006, 2008); XV
7
Петербургские Чтения (Санкт-Петербург, 2005); ПТ-я евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2006 (Москва, 2006); 45-я международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006); XI Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 2007); Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММ'П 2009)» (Санкт-Петербург, 2009 г.); ХЬУШ Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», посвященная памяти М.А. Криштала (Тольятти, 2009).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в журналах перечня ВАК и 9 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.
Достоверность результатов. Выводы диссертации основаны на проведении комплексных исследований, включающих сопоставление данных исходной структуры материала с характеристиками скачкообразной деформации и результатами изучения in situ нелинейной динамики распространяющихся полос деформации методами высокоскоростной видеосъемки и акустической эммисии; не противоречат известным положениям физики и согласуются с теоретическими и экспериментальными результатами других исследователей.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертационной работе. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка результатов, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и приложения. Полный объем составляет 149 страниц текста, в том числе 57 рисунков и список цитированной литературы, содержащий 268 наименований.
8
Глава 1. НЕУСТОЙЧИВАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И ПРОБЛЕМА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛОС
1.1. Классификация пространственно-временных неустойчивостей макропластической деформации металлов
В основе классификации явлений нестабильного пластического течения, предложенной Эстринмм [11], лежит соотношение между напряжением течения сг, уровнем пластической деформации с, скоростью пластической деформации с и температурой Т. В дифференциальной форме оно может быть выражено в виде
где И = дсг/дс, £ = да/д \пс и (р - да / дТ обозначают коэффициенты деформационною упрочнения и чувствительность напряжения течения к скорости деформации и температуре соответственно. Последний терм в (1.1) связан с тепловой неустойчивостью пластической деформации, которая существенна при низкотемпературной скачкообразной деформации металлов [12-14]. В дальнейшем ограничимся эффектами нестабильного пластического течения при температурах, сопоставимых или выше дсбасвской температуры. В [11] рассматривается линейный анализ стабильности уравнения (1.1). Нели поперечное сечение А в ходе растяжения испытывает локальное возмущение 8с = -8А/А, то в соответствии с уравнением (1.1)
С другой стороны, условие несжимаемости пластически деформируемого образца может быть записано в виде
Из уравнений (1.2) и (1.3) следует, что
В линейном анализе стабильности возмущение выбирается обычно в экспоненциальной форме & = (&)0схрЯ/. Знак величины Л определяет, будет ли начальное возмущение (8с)0 расти или затухать во времени. Из уравнения (1.4) следует, *гго
1.1.1. Феноменологическая классификация Эстрина
(1(Т = И(1б + \п£ + (р(1Т ,
(1.1)
Ас - Иде + Здс / с.
(1.2)
5<у — су 6с.
(1.3)
(1.5)
9
Очевидно, положительное значение параметра роста Я соответствует неустойчивому поведению. Это возможно в двух ситуациях:
/ксг (5 >0) (1.6)
или
5<0 (/2><т). (1.7)
Неустойчивость Л-типа (1.6) возникает, когда деформационное упрочнение подавлено, особенно, когда преобладает деформационное разупрочнение, как в случае распространения полос Людерса. Неустойчивость 5-гипа связана с отрицательной чувствительностью, приводящей к нерегулярному пластическому течению, известному как эффект Портевсна-Ле Шателье (ПЛШ). Предполагается, что оба типа неустойчивости дают локализацию деформации.
1.1.2. Неустойчивость, связанная с деформационным разупрочнением
Если исключить процессы двойникования, мартенситные превращения и распространение полос локализованного сдвига в аморфных материалах, то основными механизмами деформационного разупрочнения, которые обсуждаются в литературе, в связи с деформационным поведением Л -типа (“людерсово поведение”) являются следующие [2]:
1) Динамическая рекристаллизация, которая может привести к формированию больших зерен и, следовательно, к уменьшению вклада Холла-Петча, Дг„~</‘|/2, в
напряжение течения (здесь г- приведенное касательное напряжение, (I- размер зерна).
2) Быстрое размножение дислокаций. Этот механизм может быть эффективным при низкой начальной плотности дислокаций, в то время как чувствительность напряжения течения к скорости деформации и скорость размножения дислокаций достаточно велики. Эта ситуация типична для бездислокационных кристаллов. Более известный пример относится к монокристаллам полупроводников, в которых движение дислокации в значительной степени определяется напряжением Пайерлса. Кривые напряжения демонстрируют зуб текучести с последующей стадией упрочнения.
3) Открепление состаренных дислокаций. Этот механизм может играть роль в сплавах, где предварительно дислокации были закреплены примесными атомами, так что их освобождение от примесных атмосфер требует больших напряжений (выше предела текучести), чем напряжений, необходимых для движения со скоростями,
10
обеспечивающими постоянную скорость деформации, которая задается жесткой испытательной машиной.
4) Разрушение ближнего порядка. Распространение одной или двух дислокаций может локально разрушить ближний порядок и уменьшить сопротивление скольжению. Такая ситуация, как предполагается, может происходить в сплавах Си-Al и or-латуни.
5) Перерезание преципитатов. Перерезание небольших когерентных преципитатов одной дислокацией уменьшает их эффективный диаметр в плоскости скольжения на величину вектора Бюргерса, что уменьшает напряжение, необходимое для дальнейшего сдвига и производит сильную локализацию скольжения в сплавах, которые упрочнены преципитатами. Этот механизм эффективен, если радиус преципитата порядка 10 нм.
6) Кратковременное разупрочнение вследствие изменения характера деформации. Эта группа процессов наблюдается в металлах, которые были предварительно сдсформированы при определенных условиях и затем деформируются в других условиях, которые дают другую дислокационную структуру или активизируют другие системы скольжения. Это достигается путем изменения температуры и/или скорости деформирования.
1.1.3. Неустойчивость, связанная со скоростным разупрочнением
Во многих металлических сплавах при температурах 0.3-0.4 Тт (Тт - температура плавления) наблюдается прерывистое течение. Оно проявляется в появлении ступеней на кривых ползучести и кривых нагружения с постоянной скоростью возрастания напряжения <j0 = const (эффект «лестницы» или эффект Савара-Массона [1, 15, 16]) или в повторяющихся скачках разгрузки («зубцах») на кривых деформации с постоянной скоростью гг0 = const (эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) [17-30]). Первые наблюдения
прерывистой деформации датируются серединой 19 века и связаны с экспериментами Савара (1837) и Массона (1841) на медных, стальных, латуниевых образцах в условиях ползучести. Однако пластическая неустойчивость привлекла больше внимания после появления работы Лндрс Лс Шателье (1909), в которой он сообщил о повторяющихся пластических скачках в малоуглеродистых сталях, наблюдаемых при повышенных температурах (область синеломкости), и после работ Альберта Портевена и Франка Ле Шателье (1923-1924), которые наблюдали прерывистое течение в алюминиевых сплавах, деформируемых с различными скоростями при комнатной температуре. Уже Саваром было
11
замечено, что неустойчивое пластическое течение сочетается с неоднородной деформацией, поскольку пластическая деформация локализуется в полосах, которые могут быть статичными или перемещаться вдоль оси растяжения.
Теоретический анализ эффекта ПЛШ восходят к ранним работам [31-33]. На их базе была предложена модель, которая основана на А-образной зависимости напряжения течения от скорости деформации. Спадающая ветвь этой кривой соответствует отрицательной скоростной чувствительности и связана с прерывистым течением. Микроскопическое обоснование этой модели впервые предложено в работах Котгрела [34] и Фридсля [35]. Предполагается, что примесные атомы формируют атмосферы вокруг движущихся дислокаций, которые тормозят их до тех пор, пока скорость дислокаций не достигнет некоторого критического значения. Выше этой критической скорости коэффициент диффузии примеси оказывается недосгаточным для создания атмосферы, движущейся вместе с дислокацией и последняя открепляется от примесей. Это приводит к более низкому сопротивлению скольжения и, как следствие, к отрицательной чувствительности деформирующего напряжения к скорости дислокаций. Однако позже выяснилось [36, 37], что это описание не вполне адекватно, так как дислокационное движение не является непрерывным, как предполагалось в модели Котгрела. Во время ожидания дислокации перед препятствием примесные атомы диффундируют к дислокациям. Этот процесс, называемый динамическим деформационным старением, аналогичен дисперсионному старению в течение времени ожидания, которое обратно пропорционально скорости дислокации [38].
Модель скачкообразной деформации при деформировании с постоянной скоростью нагружения (т = const была впервые предложена Пешшнгом в 1972 г. [33]. Эта модель также основана на концепции отрицательной скоростной чувствительности напряжения течения [34, 35]. Подход Пеннинга основан на предположении, что постулируемая Копрслом и Фридслсм отрицательная чувствительность напряжения к скорости дислокаций отражается макроскопически в отрицательной скоростной чувствительности деформирующего напряжения S(s) = {дег / д1пЁ)с. Пеннинг показал, что условием возникновения прерывистого течения является сосуществование двух устойчивых деформационных режимов (называемых «медленным» и «быстрым» режимами) при одном и том же напряжении. Зависимость напряжения от скорости деформации демонстрирует характерную А-образную форму, а неустойчивая пластическая деформация характеризуется повторяющимися изменениями между медленным и
12
- Київ+380960830922