СОДЕРЖАНИЕ
Введение........................................................................... 4
Глава I. Неустойчивая пластическая деформация
и вязкое разрушение металлов............................................ 9
1.1. Классификация пластических неустойчивостей.................................. 9
1.1.1. Неустойчивость и структурные уровни деформации........................ 9
1.1.2. Макроскопические неустойчивости................................... 11
1.1.3. Классификация макропдастических неустойчивостей...................... 12
1.2. Критическое состояние микроструктуры поликристалла......................... 14
1.2.1. Понятие критической фрагментированной структуры...................... 14
1.2.2. Источники напряжений в поликристаллах и образование микротрещин... 15
1.2.3. Механизмы зарождения микротрещин в поликристаллах.................... 17
1.2.4. Критическая концентрация вакансий и микротрещин...................... 19
1.2.5. Механизмы зарождения, роста и объединения нор........................ 20
1.2.6. Механизмы докритического роста трещины............................... 24
1.3. Образование шейки и вязкое разрушение...................................... 27
1.3.1. Феноменология образования шейки. Условие Консидере................... 27
1.3.2. Макрополосы локализованной деформации и образование шейки перед разрывом поликристаллов..................................................... 30
1.3.3. Полосы деформации и вязкое разрушение алюминиевых сплавов............ 34
1.4. Постановка задачи исследования......................................... 39
Глава 2. Методические вопросы исследования......................................... 41
2.1. Мягкая деформационная машина............................................... 41
2.2. Видеосъемка полос деформации и трещин...................................... 43
2.3. Электромагнитный метод..................................................... 46
2.4. Материалы исследования. Исходная структура и механические свойства 48
2.5. Выводы..................................................................
54
Глава 3. Влияние полос деформации на вязкое разрушение сплава А1-Мй................ 55
3.1. Динамика полос деформации и неустойчивая деформация перед разрывом 55
3.2. Корреляция динамики полос деформации и магистральной трещины в сплаве АМгб с преципитатной микроструктурой........................................... 61
3.2.1. Первичная полоса и магистральная трещина............................. 61
3.2.2. Статистика полос деформации и разрушение............................. 65
2
3.2.3. Механизмы разрушения сплава Л1-№^ с преципитатной
микросфуктурой....................................................... 67
3.3. Корреляция динамики полос деформации и магистральной трещины в сплаве А1-М§ с рекристаллизованной микроструктурой................................... 68
3.3.1. Пространственно-временная корреляция между полосой Людерса
и полосой Савара-Массона............................................. 69
3.3.2. Корреляционная диаграмма полос деформации и разрушение сплава AI-Mg с рекристаллизованной структурой.................................. 71
3.4. Полосы деформации и динамика образования шейки перед разрывом............ 75
3.5. Выводы................................................................... 77
Глава 4. Исследование пространственно - временных неустойчивостей
деформации перед разрушением методом динамического анализа............... 79
4.1. Роль смены угла полосы в развитии пластических неустойчивостей перед разрушением.................................................................. 79
4.2. Кинетика смены угла полосы. Фазовый портрет «ф-(р»..................... 81
4.3. Степенной закон распределения на стадии предразрушения................... 83
4.4. Спектральный и динамический анализ неустойчивой деформации............... 84
4.5. Выводы................................................................... эд
Глава 5. Исследование неустойчивой деформации и разрушения
сплава А1-№^ электромагнитным методом.................................... 92
5.1. Электрический отклик на скачкообразную деформацию металла................ 92
5.2. Собственное электромагнитное излучение при неустойчивом
пластическом течении и разрушении сплава А1-К^ в условиях оледенения 97
5.2.1. Особенности методики............................................... 97
5.2.2. Связь сигнала ЭМЭ с прерывистой деформацией сплава АМгЗ,
покрытого слоем льда................................................. 99
5.3. Выводы.................................................................. 103
Выводы по работе............................................................... 104
Список литературы.............................................................. 106
Приложение...................................................................... 123
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Алюминиевые сплавы используют для изготовления легких конструкций. Алюминий-магниевые сплавы, обладающие сочетанием высокой прочности, свариваемости, коррозионной стойкости и низкой платности, нашли применение в авиационной технике, судостроении, автомобильном и химическом машиностроении. Однако эти сплавы демонстрируют прерывистую деформацию, связанную с макролокализацией пластического течения в статических и распространяющихся полосах деформации [1-4], которые, с одной стороны, ухудшают качество поверхности промышленных изделий, а с другой - снижают пластичность сплавов Al-Mg [5, б]. Последнее непосредственно связано с влиянием полос деформации на механизмы разрушения. В условиях проявления прерывистой деформации сплавы Al-Mg демонстрируют, как правило, вязкое разрушение. Теория вязкого разрушения, однако, не учитывает локализацию деформации в макроскопических полосах деформации, а основана на представлении о зарождении деформационных и/или диффузионных пор, их коалссценции и слиянии в магистральную трещину [7, 9].
Прерывистую деформацию различают па эффект Портевена-JIe Шателье (ПЛШ), который выражается в появлении скачков разгрузки на кривых деформирования с постоянной скоростью ё0 = const в «жесткой» испытательной машине и эффект Савара-Массона - появление ступеней деформации на кривых нагружения с постоянной скоростью роста напряжения &0 = const в «мягкой» деформационной машине 11]. При «жестком» режиме растяжения разрушение происходит по одной из статических полос деформации ПЛШ, которые накапливаются в ходе деформирования. Ключевая роль полос макролокализованной деформации, самосогласованных по схеме «креста» на стадии образования шейки перед разрывом была недавно выявлена в [10] на некоторых сплавах, не демонстрирующих прерывистую деформацию при «жестком» режиме растяжения. В условиях проявления эффекта Савара-Массона статических полос не наблюдается, с течением времени полосы дел окал изуются, так как представляют собой расширяющиеся шейки [11] и механизм разрушения в этом случае должен существенно отличаться от механизма разрушения сплава, проявляющего эффект ПЛШ в условиях жесткого режима деформирования.
Таким образом, механизмы вязкого разрушения металлических сплавов, демонстрирующих прерывистое течение в настоящее время неизвестны. Исследование
природы вязкого разрушения материалов с учетом локализации деформации в статических и распространяющихся полосах деформации представляет актуальную проблему. Особенно она важна для промышленных алюминиево-магниевых сплавов с содержанием магния от 2 до 6%, широко используемых при производстве автомобилей и авиационной техники. Кроме того, эти сплавы традиционно являются модельными материалами для изучения природы прерывистой деформации металлических сплавов, деформируемых скольжением.
Цель диссертационной работы: на основе данных скоростной видеосъемки динамики поверхности исследовать роль распространяющихся полос деформации в образовании шейки и макроразрушении сплава А1-М§, демонстрирующего прерывистую деформацию Савара-Массона.
В соответствии с поставленной цслыо были сформулированы следующие задачи исследования:
- разработать методический подход для исследования предвестников макроразрушения металла, деформируемого в условиях проявления эффекта Савара-Массона;
-с помощью скоростной видеосъемки провести исследования динамики полос макролокализованной деформации на стадии предразрушения сплава А1-М&;
-провести анализ пространственно-временных структур полос деформации, включая стадию образования шейки перед разрывом, с цслыо выявления предвестников разрушения и разработки алгоритма прогноза позиции и момента начала закритичеекого разрушения;
-разработать механизмы макроразрушения сплава, демонстрирующего прерывистую деформацию Савара-Массона;
- провести измерения и исследования собственного электромагнитного излучения в ходе прерывистой деформации сплава А1^^ в условиях оледенения.
Научная новизна результатов, изложенных в диссертации:
1. В сплаве АМгб с прецииитатной микроструктурой, полученной искусственным старением, предвестником макроразрушения является первичная полоса локализованного сдвига, распространяющаяся со скоростью ~ 1 м/с - триггер развития последнего скачка деформации амплитудой до ~ 10 %: магистральная трещина проходит по полосе локализованного сдвига, несмотря на сложную динамику деформационных полос и образование шейки.
5
2. Предложен механизм разрушения, состоящий в том, что в результате динамического взаимодействия полосы локализованного сдвига с преципитатами вблизи последних образуются микротрещины, которые подрастают при последующем взаимодействии с распространяющимися полосами деформации Савара-Массона и сливаются в магистральную трещину.
3. В сплаве АМгб с рекристаллизовашюй зереиной структурой, разрушение происходит в результате развития каскада размножения полос деформации с последующей сменой поступательного движения полосы на осциллирующее на стадии формирования шейки.
4. Установлено, что сплав АМгЗ, демонстрирующий ступенчатую кривую нагружения, в условиях оледенения генерирует характерные сигналы электромагнитной эмиссии на фронте каждого скачка пластической деформации. Обнаружено, чго электромагнитные сигналы возникают одновременно с расширением полос деформации вдоль поверхности контакта и обусловлены движением заряженных дислокаций во льде, образованием трещин и отслаиванием льда от металлической подложки.
Научная ценность к практическая значимость работы.
Научная ценность полученных результатов состоит в установленном различном характере связи между динамикой полос деформации и разрушением алюминий-магниевого сплава с преципитатной микроструктурой и со структурой собирательной рекристаллизации, а также в обнаруженном впервые собственном электромагнитном излучении при распространении деформационных полос на поверхности металла в условиях оледенения. Практическая значимость результатов работы определяется важностью проблемы механической устойчивости и прочности промышленных сплавов системы А1-М§, используемых при производстве летательных аппаратов и автомобилей; кроме того, полученные результаты могут быть использованы при разработке электромагнитных методов раннего выявления повреждения металлических поверхностей, покрытых слоем льда.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Обнаруженные структурно-чувствительные корреляции между пространственно-временной структурой полос деформации Савара-Массона и магистральной трещиной в сплаве АМгб:
а) в сплаве с преципитатной микроструктурой, полученной искусственным старением, поверхность магистральной трещины с точностью до размера зерна (^ 10 мкм)
б
совпадает с поверхностью распространения полосы локализованного сдвига, с которой начинается развитие последнего скачка деформации;
б) в сплаве с рекристаллизованной зереиной структурой магистральная трещина распространяется в сечении, через которое прошло максимальное количество полос деформации;
в) переход между различными видами корреляций (а) и (б) происходит, как установлено, в узком интервале температур отжига вблизи температуры ограниченной растворимости Tsv, что указывает на существенное влияние динамического взаимодействия полос деформации с частицами Р (АЬМ&)-фазы на природу вязкого разрушения сплава АМгб.
2. Механизмы разрушения сплавов Al-Mg с прецинитатной и рекристаллизованной микроструктурой, демонстрирующих прерывистое течение при растяжении с постоянной скоростью роста напряжения.
3. Собственное электромагнитное излучение в ходе скачкообразной пластической деформации сплава Al-Mg в условиях оледенения.
Апробации 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 и 2008); XLVI Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 2005); 45-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006); IV Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (MPFP - 2007) (Тамбов. 2007 г.); XVIII Петербургские чтения (Санкт-Петербург 2008); Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММ'П 2009)» (Санкт-Петербург. 2009 г.); XLVI11 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», посвященная памяти М.А. Криштала (Тольятти, 2009).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4 сштьях в журналах перечня ВАК и 10 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.
Достоверность результатов. Выводы диссертации основаны на проведении комплексных исследований, включающих экспериментальные исследования in situ динамики полос деформации и трещин в сочетании с методами корреляционного и спектрального анализа полученных данных; не противоречат известным положениям
7
физики и согласуются с теоретическими сведениями и экспериментальными результатами других исследователей.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации,
состоит в разработке и изготовлении экспериментальных установок, проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных, а также в обсуждении результатов и написании статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, приложения и содержит 134 страницы текста, в том числе 50 рисунков, 1 таблицу и список цитированной литературы из 228 наименований.
8
Глава I. НЕУСТОЙЧИВАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И ВЯЗКОЕ РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Согласно современным представлениям вязкое разрушение металлов имеет дислокационную природу: на всех масштабных уровнях ему предшествует пространственно-временная локализация пластической деформации от заторможенного скопления нескольких десятков дислокаций до полос макролокализованной деформации на завершающей стадии образования шейки перед макроразрушением. Это подтверждает основопологающее положение Л.В. Степанова [12] о том, что разрушению предшествует пластическая деформация. Присущая пластической деформации неустойчивость (прерывистость) и неоднородность (локализация) обусловливает сложную иерархию структурных уровней деформации и связанную с ней многомасштабность процесса вязкого разрушения. В представленном ниже обзоре раскрывается связь неустойчивой деформации и разрушения на разных уровнях, от микротрещин и пор до макроразрушения поликристаллических металлов.
1.1. Классификация пластических неустойчивостей
1.1.1. Неустойчивость и структурные уровни деформации
Длительное время процессы пластической деформации связывались с эволюцией различных дефектов кристаллического строения, которые, взаимодействуя между собой и испытывая действия внешних полей, оставались самостоятельными структурными образованиями, обладающими присущими им свойствами. В рамках такой концепции пластическая деформация образца представлялась как результат поведения системы дефектов, а с другой стороны, предполагалось отсутствие иерархической соподчинсниости в поведении дефектов - оно задавалось только силовыми полями и действием термостата. В результате эволюция системы дефектов представлялась как цепочка процессов термофлуктуациониого преодоления барьеров потенциального рельефа кристалла с временами релаксации, определяемыми аррениусовским соотношением. Такая картина реализуется при малых степенях пластической деформации. В противоположном случае, а именно он, как правило, реализуется на практике -плотность дефектов достигает столь высоких значений, что проявляются коллективные эффекты в их поведении [13-26].
9
Картина иерархического поведения дефектов при развитой пластической деформации в последние годы получила большое распросгранение. Полная картина пластической деформации обуславливается эволюцией дефектов, относящихся к различным структурным уровням. По характерному масштабу // принято выделять микроскопический уровень (««/,«с1\ а - межатомное расстояние, (1 — размер однородно ориентированной области типа ячейки или фрагмента), мезоскопический ((1«12«0; П - размер слаборазориентированной области, например зерна) и макроскопический (0«1У«Ь; Ь - характерный размер образца). На каждом из представленных уровней пластическая деформация осуществляется однородным течением дефектов - точечных, дислокаций, дисклинаций и т. д. При этом микроскопический уровень отвечает однородному распределению точечных дефектов, дислокаций и дисклинаций, мезоскопический - ячеек и фрагментов и, наконец, макроскопический -неоднородно ориентированным зернам, текстурным компонентам и т. д. [14].
Согласно представлениям, развитым в [13-15], с ростом степени пластической деформации каждый последующий уровень ’’зарождается в недрах предыдущего" [13, 15, 27]. Например, согласно [15], первые границы ячеек зарождаются, когда плотность дислокаций достигнет критического значения; границы фрагментов возникают при уменьшении размеров слаборазориентированых ячеек до предельного размера и т. д. Это связано с тем, что обусловленный пластической деформацией рост характеристического масштаба 1(е) выше критического /< приводит к неустойчивости однородного распределения дефектов на расстояниях л>/, и автолокализованному образованию носителя пластической деформации на (Л /)-м структурном уровне. Так, при 1(с)>1/ пластическая неустойчивость приводит к образованию дислокаций, дисклинаций и их комплексов, при /(£)>/? - полос сильных сдвигов-поворотов, при 1(£)>1з —
макроскопических ротационно-сдвиговых полей [16, 17]. Весьма существенно то обстоятельство, что включение каждого последующего структурного уровня в процессе пластической деформации не носит эволюционного характера, поскольку оно обусловлено спонтанным появлением новых трансляционных и ротационных мод в моменты, когда /(£)=/,-. После зарождения структуры, отвечающей (/+7)-му структурному уровню, с ростом пластической деформации занимаемый ею объем будет плавно вырастать за счет уменьшения объема структур более низких уровней, аналогично фазовому равновесию в термодинамике [28].
10
Несмотря на достигнутое понимание экспериментальной ситуации полная картина пластической деформации, учитывающая вклад всех структурных уровней, в настоящее время отсутствует. Три десятилетия назад стало ясно, что опираясь только на свойства отдельных дефектов и простые модели их взаимодействия друг с другом, не удается объяснить прочностные свойства и деформационное поведение реальных материалов и понять причины возникновения таких явлений, как стадийность кривых деформационного упрочнения кристаллов [29-32], локализация пластической деформации в виде системы линий и полос скольжения [33-58], формирование разнообразных дислокационных структур (блочных [15,31], разориентированных [59-61], фрагментированных [62-69], ячеистых [70, 71], аннигиляцнонных [25, 72], специфических структур при механической усталости кристаллов [25, 73], возникновение на макроуровне неоднородной
пластической деформации Людерса [51, 72, 74] и Портевена-JTc Шателье [75-89], деформационных волн Данилова-Зусва [90-93], полос адиабатического сдвига при низкотемпературной деформации [94-103] и высокоскоростном деформировании [25], нестабильность диа1рамм напряжение-деформация, свидетельствующая о временной и пространственной неустойчивости пластической деформации и возникновении режимов самоорганизующейся критичности и детерминированного хаоса [88, 89, 23, 3].
В результате интенсивных структурных исследований, использующих традиционные методы (избирательное травление [104-107], трансмиссионная электронная микроскопия [108, 109]), было установлено, что наблюдаемое разнообразие деформационных и дислокационных структур есть результат определенной, зависящей от структуры кристалла и условий деформирования, эволюции дислокационного ансамбля и развития в нем коллективных, кооперативных явлений.
1.1.2. Макроскопические неустойчивости
Различают три основных типа пространственно-временной неустойчивости деформации на макроуровне.
1. Образование шейки перед разрушением; этот вид неустойчивости характерен для пластичных металлов, деформируемых одноосным растяжением [110];
2. Зуб текучести - однократное резкое падение напряжения и, соответственно, наличие верхнего и нижнего пределов текучести. Зуб текучести связан с прохождением через образец полосы Людерса, на фронте которой, как предполагается, происходит
И
- Київ+380960830922