2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ...........................................................................5
1.АКУСТОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В КРИСТАЛЛАХ (ОБЗОР)..................................10
1.1. Введение......................................................................-
1.2. Экспериментальные исследования акустонластического эффекта...................14
1.2.1. Влияние амплитуды колебательного нагружения.................................-
1.2.2. Влияние частоты колебательного нагружения..................................16
1.2.3. Влияние температуры........................................................18
1.2.4. Влияние скорости квазистатического деформирования..........................21
1.2.5. Влияние степени предварительной деформации.................................23
1.2.6. Кинетика акустонластического эффекта.......................................25
1.2.7. Влияние примесей...........................................................26
1.2.8. Влияние кристаллографической ориентации....................................28
1.2.9. Влияние размера зерна в поликристаллах.....................................30
1.2.10. Акустопластический эффект при различных механизмах деформирования.........30
1.2.11. Микроскопические исследования структуры кристаллов, подвергнутых совместному действию статических и колебательных напряжений.......................34
1.2.12. Дислокационное внутреннее трение в процессе деформирования кристаллов 36
1.3. Механизмы акустопластического эффекта........................................38
1.3.1. Суперпозиция напряжений.....................................................-
1.3.2. Суперпозиция деформаций....................................................42
1.3.3. Энергетический подход......................................................44
1.3.4. Релаксация внутренних напряжений как причина АПЭ...........................46
1.3.5. Другие механизмы...........................................................52
1.4. Выводы по главе 1............................................................56
1.5. Постановка задачи............................................................58
3
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИКА
ИССЛЕДОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ.................................................60
2.1. Методика исследований аку стопластическо го эффекта.......................62
2.2. Комплекс аппаратуры для одновременного исследования АПЭ и акустических
характеристик твёрдых тел в процессе квазистагического деформирования....65
2.2.1. Принцип действия и состав автоматизированной установки для одновременного
исследования АПЭ и акустических характеристик твёрдых тел в процессе деформирования...........................................................66
2.3. Характеристика исследованных образцов.....................................70
2.4. Порядок измерений.........................................................73
3. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА АКУСТОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ.....................................................................74
3.1. АПЭ и внутреннее трение на различных стадиях деформирования кристаллов.....-
3.2. Влияние скорости квазистагического деформирования на АПЭ и внутреннее
трение в процессе деформирования кристаллов..............................96
3.3. Температурные зависимости АПЭ и внутреннего трения в процессе
деформирования кристаллов...............................................104
3.3.1. Аномальный амплитудный гистерезис внутреннего трения и дефекта модуля
Юнга в щелочно-галоидных кристаллах.....................................115
3.3.2. Анализ влияния температуры на АПЭ и АЗВТ в процессе деформирования
кристаллов..............................................................122
3.4. Влияние концентрации примеси в твёрдом растворе на АПЭ и внутреннее трение
в процессе деформирования кристаллов....................................131
3.5. Кинетика акустопластического эффекта.....................................142
3.6. Влияние состояния примеси на АПЭ и внутреннее трение в процессе
деформирования кристаллов...............................................161
4
3.7. Анализ микрострукгурнь1х уровней и механизмов, ответственных за АПЭ
и внутреннее трение в процессе деформирования кристаллов................175
3.8. Анализ зависимостей величины АПЭ и внутреннего трения от амплитуды
колебательного напряжения...............................................181
3.8.1. Структурное ЛЗВТ в процессе деформирования кристаллов....................-
3.8.2. Амплитудная зависимость величины АПЭ...................................185
3.8.3. Критическая амплитуда АЗВТ и пороговые амплитуды АПЭ...................191
4. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ДЕФОРМАЦИОННЫЕ
ПРОЦЕССЫ В СПЛАВАХ С ТЕРМОУПРУГИМ МАРТЕНСИТНЫМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ..............................................................197
4.1. Акусто-псевдоупругий эффект и внутреннее трение при термоупругом
мартенситном превращении под нагрузкой....................................-
4.2. АПЭ и внутреннее трение при деформировании маргенситных кристаллов.......207
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................220
Приложение. Список статей по теме диссертации.................................223
Литература....................................................................225
5
ВВЕДЕНИЕ
Акустопластический эффект (АПЭ) проявляется при наложении механических колебаний на квазистатическую механическую нагрузку' как ускорение ползучести или как уменьшение напряжения течения при активном деформировании. Этот эффект нашёл широкое применение в металлообработке. Имеются также попытки его использования в фундаментальных матсриаловсдчсских исследованиях. Однако до сих пор существуют противоположные точки зрения на механизмы и микроструктурные уровни, с которыми связан АПЭ. Это обусловлено в первую очередь тем, что экспериментальные исследования АПЭ имеют несистематический характер. Накопленный экспериментальный .материал по влиянию различных экспериментальных параметров на АПЭ зачастую противоречив (например, данные но влиянию температуры или скорости деформирования), а в ряде случаев совершенно недостаточен (например, практически отсутствуют данные по влиянию концентрации и состояния примесей, слабо исследована кинетика АПЭ). Значительным пробелом в экспериментальных исследованиях является также отсутствие работ, посвящённых влиянию механических колебаний на специфические деформационные процессы в кристаллах, испытывающих термоупругое мартенситное превращение. Имеющиеся теоретические подходы к описанию АПЭ являются феноменологическими и обычно нс рассматривают каких-либо микроструктурных механизмов АПЭ. Они не могут объяснить всей совокупности экспериментальных данных. Для построения микроскопической теории АПЭ необходимо знание микроструктурных механизмов эффекта и оценка их вклада в зависимости от параметров эксперимента и особенностей дефектной структуры кристаллов.
Для выявления микроструктурных механизмов АПЭ представляется необходимым, кроме непосредственной регистрации АПЭ, использование дополнительных косвенных методов исследования эффекта. К таким методам можно отнести: 1) микроскопические исследования структуры образцов, подвергнутых совместному влиянию колебательных и статических нагрузок; 2) совместная регистрация АПЭ и поглощения энергии механических
6
колебаний, вызывающих эффект. Первый метод даёт дополнительную информацию только при высоких амплитудах колебаний или достаточно длительных временах динамического на1ружения. Однако АПЭ наблюдается и в условиях, когда не удаётся выявить каких-либо структурных изменений. Более информативным представляется второй метод, но таких исследований к настоящему времени имеется явно недостаточно для достоверных выводов о микроструктурных механизмах АПЭ. В то же время механическая спектроскопия кристаллов (метод внутреннего трения) является очень чувствительным методом матсриаловсдческих исследований, применение которого в исследованиях АПЭ представляется весьма перспективным.
ЗАДАЧА работы состояла в комплексном исследовании влияния различных экспериментальных параметров (амплитуда колебательной деформации, температура, степень деформации, скорость деформирования, концентрация и состояние примеси, длительность ультразвукового воздействия) на величины АПЭ и поглощения энергии ультразвуковых колебаний, вызывающих этот эффект, при деформировании широкого круга монокристаллов.
ОСНОВНОЙ ЦЕЛЬЮ работы являлось выявление микроструктурных механизмов, ответственных за АПЭ, и оценка их вклада в зависимости от параметров эксперимента и особенностей дефектной структуры кристаллов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что в ней:
- впервые проведены комплексные исследования влияния различных экспериментальных параметров (амплитуда колебательных напряжений, температура, степень деформации, скорость деформирования, концентрация и состояние примеси, длительность воздействия) на величину АПЭ и поглощение ультразвуковых колебаний, вызывающих этот эффект, для широкого круга монокристаллов;
- впервые исследовано влияние ультразвуковых колебаний на специфические
7
деформационные процессы в кристаллах, испытывающих термоупругое мартен ситное превращение (псевдоупругое деформирование, мартенситная пластичность);
- на основе анализа экспериментальных данных выявлены основные компоненты и микроструктурные механизмы акустопластического эффекта.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ работы состоит в следующем:
1. Выявление основных компонент и микроструктурных механизмов акустопластического эффекта будет способствовать более эффективному практическому использованию АПЭ в металлообработке и материаловсдчсских исследованиях.
2. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на специфические деформационные процессы в кристаллах с термоупругим мартенситным превращением (псевдоупругость превращения, мартенситная пластичность) дало новую информацию об особенностях механического поведения этого практически важного класса материалов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы изложены в 13 статьях, список которых приводится в Приложении 1, и 9 тезисах докладов. Они докладывались на Международном семинаре "Релаксационные явления в твёрдых телах" (Воронеж, Россия, 1995), XI Международной конференции “Внутреннее зрение и затухание ультразвука в твёрдых телах” ЮРиАБ-П (Пуатье, Франция, 1996), IX Международной конференции “Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твёрдых телах” (Тула, Россия, 1997), I Международном семинаре “Актуальные проблемы прочности” им. В.А. Лихачева и XXXIII семинаре “Актуальные проблемы прочности” (Новгород, Россия, 1997), XXXIV Международном семинаре “Актуальные проблемы прочности” (Тамбов, Россия, 1998), а также на научных семинарах лаборатории Физики профилированных кристаллов ФТИ им. А.Ф. Иоффе и лаборатории Атомной техники Федеральной политехнической школы (Лозанна, Швейцария).
Материал диссертации изложен в четырёх главах. Первая глава содержит обзор и анализ имеющихся экспериментальных данных по влиянию различных экспериментальных
8
параметров на АПЭ и подходов к теоретическому описанию эффекта. В конце первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы и обоснован выбор объектов исследования. Во второй главе приводится описание экспериментальной методики, предлагается эмпирический критерий, позволяющий сравнивать величины АПЭ, измеренные на различных кристаллах, даётся характеристика исследованных кристаллов. В третьей главе представлены экспериментальные данные по влиянию различных экспериментальных параметров (амплитуда колебательных напряжений, температура, степень деформации, скорость деформирования, концентрация и состояние примеси, длительность воздействия) на величину АПЭ и поглощение ультразвуковых колебаний, вызывающих этот эффект, для широкого круга монокристаллов. На основании этих результатов проведён анализ микроструктурных уровней и механизмов, ответственных за АПЭ, и сделаны качественные оценки их вклада в зависимости от параметров эксперимента. В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния ультразвуковых колебаний на специфические деформационные процессы в кристаллах Си-А1-Ы1 с термоупругим мартенситным превращением (пссвдоупругость превращения и мартснситную пластичность) и сделаны заключения относительно микроструктурных механизмов такого влияния.
В заключении сформулированы основные выводы и основные результаты работы.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Выявлены основные микроструктурные механизмы АГ1Э. В отсутствие размножения дислокаций ультразвуком АПЭ на ультразвуковых частотах обусловлен необратимым высокоскоростным движением дислокаций через нескомпенсированные дальнодействующие поля напряжений дислокационного ансамбля. Если колебательная подвижность дислокаций ограничена мощными стопорами, такими как кластеры точечных дефектов или преципитаты, происходит смена основного механизма АПЭ с активации движения имеющихся подвижных дислокаций на дислокационное размножение.
2. Выделены две компоненты АПЭ: “мгновенная” и релаксационная. Первая компонента обусловлена движением дислокаций в первую нагружающую четверть цикла
9
колебаний. Вторая компонента накапливается при последующем циклировании нагрузки и обусловлена ускорением релаксации дальнодействующих полей внутренних напряжений дислокационною ансамбля под действием механических колебаний.
3. Пластическая деформация кристаллов при наложении ультразвуковых колебаний определяется не зависимостью скорости движения дислокаций от напряжения, а длинами свободных пробегов дислокаций между сильными дальнодейсгвующими стопорами. В качестве основных параметров теории АПЭ следует использовать статистические характеристики дислокационной структуры (плотность и распределение дислокаций).
4. Обнаружено, что ультразвуковые колебания с амплитудой, превышающей пороговую, ускоряют такие специфические деформационные процессы в кристаллах, испытывающих термоупругое мартснситное превращение, как мартснситная пластичность и псевдоупругость превращения.
10
1. ЛКУСТОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В КРИСТАЛЛАХ (ОБЗОР)
1.1. Введение
В 1921 году Арчбатт [1] обнаружил, что наложение механических вибраций приводит к ускорению процесса ползучести свинцовых оболочек электрических кабелей под действием статической нагрузки. Последовавшие в 1930-50-е годы исследования поведения различных сталей и сплавов при циклических механических нагрузках были ориентированы на практические цели и имели поэтому прикладной характер (см. обзоры ранних работ по динамической ползучести в |2-5]). В 1955 году Блаха и Лангенекер [6], пропуская мощные ультразвуковые колебания частотой 800 кГц через заполненную четырёххлористым углеродом ванну, в которую было погружено деформирующее устройство, обнаружили уменьшение деформирующего напряжения при растяжении монокристалла цинка. Это открытие повлекло за собой интенсивные экспериментальные и теоретические исследования воздействия колебательных механических нагрузок на процессы квазистатического пластического деформирования, а также многочисленные работы, посвящённые практическому применению этого эффекта в металлообработке. Имеется ряд обзоров [7-14], посвящённых фундаментальным и/или прикладным исследованиям эффекта. Далее мы ограничимся только фундаментальными аспектами.
Эффект воздействия механических колебаний на процессы квазистатического деформирования твёрдых тел до настоящего времени не имеет общепризнанного наименования. Обычно предлагавшиеся наименования (циклическая ползучесть, динамическая ползучесть, виброползучесть, эффект акустического разупрочнения, Блаха-эффект и др.) ограничивались каким-либо одним проявлением эффекта. Не так давно [15,16], но аналогии с электрон ласти ческим и фотопластическим эффектами, было предложено называть эффект воздействия механических колебаний на процессы квазистатического деформирования акустоп ласти ческим эффектом (АПЭ). Это наименование получило некоторое распространение и кажется автору наиболее подходящим.
и
Обычно в экспериментах по ЛПЭ используются гармонические колебания, однако в ряде работ [17-24] форма низкочастотного колебательного нагружения была отличной от гармонической (пилообразной и др.). Имеется также большое разнообразие в типах как квазистатического, так и колебательного нагружения: растяжение/сжатие + продольные колебания, изгиб + продольные колебания, растяжение/сжатие + крутильные колебания, кручение + продольные колебания и т.д. В низкочастотных экспериментах часто и статическое, и динамическое нагружение производится одним и тем же деформирующим устройством, т.е. осуществляется униполярное циклическое нагружение, которое можно представить в виде суммы статического и знакопеременного. Близкими к такому типу экспериментов являются исследования так называемого эффекта Кеннеди [25-28], заключающегося в ускорении ползучести при периодическом кратковременном снятии статической нагрузки. Биполярное несимметричное циклическое нагружение также может приводить при определенных условиях к циклической ползучести [12]. Согласно [12], в зависимости от температуры и соотношения статической и колебательной компонент напряжения при таком характере нагружения может развиваться как усталость, так и циклическая ползучесть. Различие между этими явлениями проявляется в характере излома при разрушении и уровне накопленной пластической деформации. В результате циклической ползучести разрушение происходит после интенсивного макропластического деформирования материала, а усталостное разрушение обусловливается локальным микропластичсским деформированием [12].
АПЭ исследовался, в основном, в процессе ползучести или активного деформирования. Имеется только одна работа [29], в которой АПЭ исследовался в режиме релаксации напряжений. В качестве экспериментальных характеристик АПЭ чаще всего используют следующие величины: 1) I€5, где С5 и Ьхг - скорости ползучести при статическом и динамическом (статическое плюс колебательное) нагружении, соответственно; 2) Аа = - сгу - величина падения напряжения течения при активном
деформировании. Однако скорость динамической ползучести сравнивается со скоростью
12
ползучести под действием статической нагрузки, величина которой равна как среднему, так и амплитудному значению динамической нагрузки. При этом в первом случае почти всегда (кроме данных [30] и случаев низких статических напряжений [31] или низких амплитуд колебаний [32]) £у(£3> 1, а во втором наблюдается как ускорение циклической ползучести (£у/£5 > 1), так и её замедление (£у/£5 < 1) [19,22,24,33]. В ряде работ [2,12,34] сравнение статической и динамической ползучести осуществлялось посредством введения такого понятия, как эквивалентное статическое напряжение, г.е. постоянное напряжение, приложение которого вызывает деформацию, равную деформации циклической ползучести, за равный промежуток времени. Однако такой метод сравнения не получил широкою распространения.
Величина Лет определяется различными способами. В одних случаях, не прерывая квазистатическою деформирования, амплитуду колебаний последовательно увеличивают от нуля до некоторого максимального значения с последующим обратным уменьшением амплитуды (или выключением колебаний) и дальнейшим квазистатичсским деформированием без наложения колебаний до следующего измерения Лет. В других случаях, в промежутках между измерениями, производимыми с некоторой постоянной амплитудой колебаний, производится выключение колебаний и квазистатическое нагружение до восстановления предшествующего наложению колебаний уровня напряжения течения. Сопоставимость результатов, полученных этими двумя методами неочевидна и требует экспериментальной проверки. В ряде работ [10,11,35-38] был использован другой подход: сравнивались деформационные кривые, полученные в отсутствие колебаний и с наложением механических колебаний постоянной фиксированной амплитуды в течение всего процесса деформирования на различных, но идентичных образцах из одною материала. При этом ряд авторов [10,11] интересовался влиянием наложения механических колебаний не на всю деформационную кривую, а только на ряд её характеристик (предел прочности и др.), что гораздо менее информативно. Ясно, что данные, полученные этим методом, трудно сравнивать с результатами двух предшествующих.
13
При исследованиях Л11Э в процессе активного деформирования (деформирования с постоянной скоростью перемещения деформирующих опор) исходно сложились две противоречащих друг другу точки зрения на причину падения деформирующей нагрузки при наложении механических колебаний. Согласно одной из них, наложение колебаний вызывает дополнительную пластическую деформацию образца Лер. В этом случае Аа ос Абру т.к. образец разгружается квазиупруго (при быстрой разгрузке и регистрации величины Аа можно пренебрег неупругими процессами, связанными как с продолжающимся накоплением деформации, так и с её возвратом при большой глубине разгрузки). Но другой версии, средняя за период колебаний скорость деформации образца при наложении колебаний не меняется, а падение среднего за период значения деформирующей нагрузки обусловлено асимметрией упругопластического деформирования, т.е. упругими разгрузками образца в тс полупериоды колебаний, для которых направление колебательных смещений образца совпадают с направлением перемещений деформирующих приспособлений. Первая версия получила прямое экспериментальное подтверждение в тех работах [39,40], где непосредственно регисгрировалась пластическая деформация образца, хотя авторам [41] не удалось зарегистрировать дополнительную пластическую деформацию при АПЭ.
Если носителями пластической деформации являются дислокации, то можно утверждать, что дополнительная пластическая деформация при АПЭ обусловлена либо необратимым движением имеющихся дислокаций, либо комбинацией дислокационного движения и размножения. Ещё в ряде ранних работ [4,35,42-45] предполагалось, что колебания помогают дислокациям преодолевать барьеры, однако механизм движения дислокаций, дающих вклад в АПЭ, и тип преодолеваемых ими барьеров остаются невыясненными. Чаще всего полагают, что за АПЭ ответственно термоактивированное преодоление короткодействующих стопоров (точечных дефектов или дислокаций леса).
Круг материалов, на которых проводились исследования АПЭ, достаточно широк: металлы (моно- и поликристаллы): Ag [36], А1 [10,11,16-19,36,40,43,46-60], Си [10,11,22,27, 28,33,36,39,44,49,53,61-72], Сб [43], Ее [10,11,73-77], Мо [38], РЬ [25,78-81], Та [29,48,61], Zn
14
[6,30,32,35,43,45-47,51,82,83], стали и сплавы [2-4,10-12,21,23,24,26,27,31,36,37,41,42,53,59-61,74,84-90), щелочногалоидные кристаллы: NaBr [91-92], NaCI [15,91-94], NaF [95], KBr [92], KCl [91,92,94,96-100], композиционные материалы: Al-AbCu [101].
1.2. Экспериментальные исследования акусгопластического эффекта
1.2.1. Влияние амплитуды колебательного нагружения
Несмотря на различие способов регистрации величины Аа (см. раздел 1.1), в большинстве работ, исследовавших влияние амплитуды колебательной деформации (напряжения) £т ((Ут) на величину АПЭ при активном деформировании [36,39,42,48,50-52,54,58,68,74-76,87,94], имеется достаточно общее согласие относительно линейности амплитудной зависимости АПЭ: Асг= к сгт, где к - численный коэффициент, зависящий от материала, либо к = 1, как полагали некоторые авторы. Нелинейная (предположительно квадратичная [48,50-52]) стадия амплитудной зависимости АПЭ была отмечена в ряде работ при низких амплитудах колебаний [48,50-52,58,68,94].
Большинство авторов полагало (или подразумевало), что разупрочняющее действие колебаний проявляется при любых амплитудах. Однако в ряде работ [14-16,39,76,83,95,101-104] указывалось на существование некоторой критической или пороговой амплитуды, при превышении которой ультразвуковые колебания начинают оказывать влияние на процессы пластического дефомирования. Отметим, что экспериментальные данные в работе [102] отсутствуют, а в [39,76] - недостаточны для такого вывода. В частности, в [76] вывод о существовании пороговой амплитуды АПЭ был сделан на основе экстраполяции линейной амплитудной зависимости АПЭ при высоких амплитудах колебаний r область низких амплитуд, однако такая экстраполяция неправомерна, поскольку зависимость АПЭ от амплитуды часто нелинейна в этой области. Только в работах Лебедева и др. [14-16,83,95,101,103] существование пороговой амплитуды продемонстрировано достаточно убедительно, благодаря тщательным измерениям АПЭ при низких амплитудах колебаний.
15
Пороговая амплитуда АПЭ хорошо видна также в дапных Эндо и др. [87], но авторы не обращают на неб внимания, потому, видимо, что её существование не объяснимо в рамках их модельных представлений.
В данных, полученных в процессе ползучести, согласия гораздо меньше. Согласно Фридриху и др. [51,52], экспериментальные данные для алюминия (продольные колебания частотой 2.5 кГц) хорошо согласуются с зависимостью, предсказываемой их теоретической моделью: £у! £5 « 1о(тт), где 1о - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка, тп, -амплитуда колебательного напряжения. Асимптотики функции Бесссля дают для низкоамплитудных колебаний зависимость £ £ 5 сс г,/, а для случая высоких амплитуд
£у/£л. « ехр(гт) / л/Тт [51,52]. Постников и др. [66] при наложении крутильных колебаний
частотой 1 Гц на статически растягиваемый образец меди обнаружили, что скорость ползучести пропорциональна квадрату амплитуды колебаний. В работе других авторов [18] скорость установившейся ползучести алюминия экспоненциально возрастала с ростом амплитуды динамической (не гармонической) нагрузки. Такая же зависимость наблюдалась для скорости неустановившейся ползучести меда при наложении продольных колебаний частотой около 21 кГц [67,71]. Но данным Кулёмина [56,65,104], полученным для продольных колебаний частотой 19.5 кГц, линейная амплитудная зависимость скорости ползучести наблюдалась при неустановившейся ползучести меди, а экспоненциальная - при установившейся ползучести алюминия. При этом изменение скорости ползучести наблюдалось при амплитудах колебаний выше некоторой пороговой, величина которой уменьшалась с ростом статического напряжения и становилась равной нулю при статических напряжениях выше предела текучести [65,104]. Иная картина наблюдалась [73], когда крутильные колебания частотой 25 Гц возбуждались в образце армко-железа, нагруженном растягивающей статической нагрузкой, уже после того, как деформация, обусловленная последней, прекращалась. В этом случае пороговая амплитуда не зависела от величины статической нагрузки и определялась пределом упругости на кручение. В экспериментах Камела и Бессы [32] влияние колебаний на ползучесть было двояким: колебания с низкими
16
амплитудами замедляли процесс ползучести, а с высокими - ускоряли, причём диапазоны соответствующих амплитуд зависели от частоты колебаний, температуры и размера зерна.
Кроме порох овой амплитуды начала проявления АПЭ в ряде работ обсуждается ещё одна критическая амплитуда, соответствующая изменению характера влияния механических колебаний на процесс пластического деформирования. Лангенскср [47] обнаружил при активном деформировании цинка, что, начиная с некоторой достаточно высокой амплитуды, напряжение течения не возвращается к исходному значению после снятия колебаний, как в случае более низких амплитуд, а становится выше, что свидетельствует об упрочнении кристалла при колебательном нагружении. Данные ряда авторов [39,59,67,71] свидетельствуют также, что при превышении некоторой амплитуды колебаний рост величины АПЭ (А(Тили £у/£$) с увеличением амплитуды усиливается.
1.2.2. Влияние частоты колебательного нагружения
Влияние частоты колебательного нагружения на величину АПЭ исследовано слабо. При активном деформировании влияние частоты не наблюдалось [42,43,88] в диапазонах частот: 15 - 80 кГц [42], 15 - 10000 Гц, а также 0.8 и 1 МГц [43], 0.5 - 20000 Гц [88]. Однако в одной из работ экспериментальные данные вообще отсугствуют [43], а в другой -представлены в виде, не позволяющем сделать какие-либо заключения [88]. Данные [42] приведены на рис. 1.1,а. В процессе ползучести влияние частоты колебаний обнаруживалось, но имело неоднозначный характер. В ряде работ наблюдалось увеличение скорости ползучести с ростом частоты в следующих диапазонах: 4-20 Гц [78], 10 - 90 Гц [81], 70 - 200 Гц [32] (см. рис. 1,6), 10 - 19 кГц [86]. В экспериментах [32] с ростом частоты также усиливачся эффект замедления ползучести при малых амплитудах колебаний (см. рис. 1.1,б). В других работах (см. обзор [4]) скорость ползучести убывала с ростом частоты в низкочастотном диапазоне и, проходя через минимум где-то в диапазоне нескольких сотен или тысяч Гц (по данным разных авторов), начинала возрастать с дальнейшим ростом частоты в звуковом диапазоне. В ультразвуковом диапазоне частотная зависимость
о
20 40 60
Ргедиепсу (КС)
80
ЭЬеог $1гот отрШи<1е, хЮ*4*
Рис. 1.1. Влияние частоты колебательного нагружения на характеристики акусгопластического эффекта.
(а) Частотная зависимость величины уменьшения напряжения течения при фиксированной амплитуде колебаний для образца низкоуглеродиетой стали [42].
(б) Зависимости скорости установившейся ползучести поликристаллов цинка от амплитуды колебательной деформации при различных значениях частоты колебаний [32].
18
динамической ползучести не исследовалась.
Отметим, что при исследованиях АПЭ в процессе ползучести обычно производилось долговременное воздействие механических колебаний, тогда как при активном деформировании чаще использовалось кратковременное наложение колебаний. Это может быть ОДНОЙ ИЗ причин более ВЫСОКОЙ ЧуВСТВИТСЛЬНОСТИ величины 8 V / € *9 нежели Ао, к
частоте колебательного нагружения.
Влияние частоты механических колебаний на деформационные характеристики кристаллов при динамическом нагружении, т.е. специфика динамического нагружения в сравнении со статическим, обсуждалась рядом авторов. По мнению Вайтовека [3], с ростом частоты накопление деформации ползучести сначала ослабевает в результате увеличения скорости нагружения, а затем усиливается из-за разогрева образцов, обусловленного переходом от изотермических к адиабатическим условиям нагружения. Влияние скорости нагружения связывалось с ростом критического напряжения начала ползучести при увеличении частоты нагружения [3,4,5] и с зависимостью величины пластической деформации от времени действия нагрузки [5). Указывалось, что с ростом частоты колебаний ускоряются различные процессы в твердых телах, например, старение, преципитация, рекристаллизация и др., которые могут как увеличивать, так и уменьшать скорость ползучести [3]. Мелека [4] кроме того выдвинул предположение, что на низких частотах в полупериодах разгрузки действует некий механизм возврата, обусловливающий тем большую величину деформации в полупериодах нагружения, чем ниже частота, а на очень высоких частотах появление усталостных микротрещин может приводить к увеличению скорости ползучести.
1.2.3. Влияние температуры
Имеется значительное число работ, посвящённых влиянию тсмпсрат>гры на АПЭ как в процессе ползучести [2,19,32,57,59,60,86], так и при активном деформировании
[10,11,42,58,87]. Полученные результаты исчерпывают все возможные варианты влияния: 1)
19
усиление АПЭ с ростом температуры [И,32]; 2) ослабление АПЭ с ростом температуры
[2,19,57,59,60,86,87]; 3) отсутствие влияния температуры на АПЭ [10,42,58]. На рис. 1.2 приведены соответствующие примеры. Особый интерес представляют данные Эндо и др. [87], согласно которым АПЭ при активном деформировании сплава А1-Мё сильно ослабевает с ростом температуры опыта в диапазоне 400 - 600 К, причём при максимальной температуре АПЭ в исследованном диапазоне амплитуд колебаний не наблюдается вовсе (см. рис. 1.2,6). Авторы интерпретируют этот результат в рамках модели [74,105]. Согласно [87], чем меньше показатель степени т* в уравнении
где Те . эффективное напряжение, То - константа, V - скорость движения дислокаций, тем меньше величина АПЭ, причём АПЭ исчезает при высоких температурах, когда т* = 1. Согласно Северденко и др. [11|, воздействие ультразвуковых колебаний на прочностные характеристики металлов усиливается с ростом температуры в результате увеличения поглощения энергии колебаний в нагреваемом металле, хотя измерений поглощения авторы не проводили. Шеффлер [86] связывает температурную зависимость АПЭ с температурной зависимостью скоростной чувствительности напряжения течения.
Отметим, что большинство данных, демонстрирующих ослабление ЛГ1Э с ростом температуры, получено при достаточно высоких температурах, когда на величину АПЭ могут оказывать влияние такие диффузионно-контролируемые процессы, как динамическое деформационное старение и динамический возврат. Так авторы [19,57] объясняют свои результаты тем, что динамический возврат, усиливающийся с ростом температуры, приводит к формированию дислокационной структуры, более устойчивой к воздействию колебательной нагрузки. Омельяненко и др. полагают, что ослабление АПЭ с ростом температуры связано с уменьшением относительного вклада колебаний как в общую концензрацию точечных дефектов [59,60], так и в процесс релаксации внутренних напряжений [59].
(1.1>
20
БІзеаг »ігоіп отрИІиве . >10'
і 2
ь о
ч
ь
673К
573К
/
/
473К
5 10
СГу°/МРо
15
20
5 000
4 000
о 3 000
2000
о Ю00
. 1 о
о— о
6
200 400
Тетрігоіиге, бед Свп»
600
Рис. 1.2. Влияние температуры на характеристики акустопластичсского эффекта.
(а) Зависимости скорости установившейся ползучести поликристаллов цинка от амплитуды колебательной деформации при различных температурах для двух значений среднего размера зерна [32].
(б) Зависимости величины уменьшения напряжения течения для образца сплава А1-5ат.%М§ от амплитуды колебательного напряжения при различных температурах и скоростях деформации, с'1: 10'4 (1); 4х10'4 (2); 10° (3) [87].
(в) Температурная зависимость величины уменьшения напряжения течения при фиксированной амплитуде колебаний для образца низкоуглеродистой стали [42].
21
1.2.4. Влияние скорости квазистатического деформирования
Данные по влиянию скорости деформирования (точнее, скорости перемещения деформирующих приспособлений) на величину ЛПЭ при активном деформировании кристаллов также противоречивы: 1) усиление АПЭ с ростом скорости деформирования [76,91]; 2) ослабление АПЭ с ростом скорости деформирования [36,54,74,85] (см. также ряд ссылок в обзоре [8]); 3) отсутствие влияния скорости деформирования на величину ЛПЭ [58,68]. Примеры различного поведения приведены на рис. 1.3 (на рис. 1.3,б, взятом из работы [68], видимо, имеется опечатка в легенде, поскольку в тексте статьи говориться только об ослаблении ЛПЭ с ростом скорости деформирования).
Отметим, что при высоких скоростях перемещения деформирующих опор “истинная” величина ЛПЭ занижается вследствие упругого нагружения, обусловленного продолжающимся движением опор. Это занижение тем сильнее, чем выше скорость опор и дольше продолжительность измерений АПЭ. Такое занижение отчётливо проявилось в экспериментах Постникова и др. [54], в которых величина Л<7 регистрировалась не как максимальная, а как средняя за несколько циклов колебаний низкой частоты. В работе [85] АПЭ не наблюдался, когда средняя скорость волочения проволоки превышает максимальную скорость колебательных смещений деформирующего инструмента, поскольку в этом случае колебания в образце не возбуждаются.
В рамках модельных представлений Эндо с соавторами [74,105], АПЭ ослабевает с ростом скорости деформирования, поскольку увеличивается доля эффективных напряжений в приложенных, а, следовательно, и скорость движения дислокаций. По данным Охгаку и
Такеучи [91], Дсг ос £г у где у - некая константа, для которой они путём нехитрых манипуляций получили следующее выражение: у = 1 / т* . Танибаяши [106] и Козлов с соавторами [107,108] попытались объяснить в рамках своих моделей противоположные тенденции результатов Эндо и Охгаку. Согласно Танибаяши, результаты Эндо объясняются скорее уменьшением активационного объёма с ростом скорости деформации, нежели скоростной зависимостью величины эффективных напряжений, а вот результаты Охгаку
22
м9
20
J6
■в
i_____________________!________u ____________L___________I
О 0.082 0,164 0.255
B'<7alE
20 15
3 2
- 10 ь*
<3
5 0
О 5 10 15 20 25
Ти (МРа)
Рис. 1.3. Влияние скорости квазистатической деформации на характеристики акустопластического эффекта.
(а) Зависимости величины уменьшения напряжения течения для образца поликристал-лического железа от амплитуды колебательного напряжения при различных скоростях деформации, с1.41х10'5 (1); 6.18х10'5 (2); 1.42х10'3 (3); б.ОхЮ'4 (4); 1.43х10'3 (5) [76].
(б) Зависимости величины уменьшения напряжения течения для образца сплава Fe-3Bec.%Si от амплитуды колебательного напряжения при различных скоростях деформации, с’1: З.ЗЗхЮ"4 (1); 1СГ4 (2); З.ЗЗхЮ'5 (3) [74].
р 1 SYMBOL € (l/min) 1 —0.020 ? —А— ОП6П Л / -
- о.ос )2 А Ш'Л /
/
J 'Л 5
.м»а