Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пластическая деформация металлических материалов. Акустическая эмиссия при пластической деформации 10
1.1. Пластическая деформация металлических материалов 10
1.1.1. Пластическая деформация при ползучести 10
1.1.2. Низкотемпературная деформация 22
1.1.3. Высокотемпературная деформация 28
1.1.4. Границы зерен в процессах пластической деформации 34
1.2. Акустическая эмиссия при пластической деформации 56
1.2.1. Введение 56
1.2.2. Основные понятия и определения метода акустической эмиссии 57
1.2.3. Физическая природа и модели источников акустической эмиссии 60
1.2.4. Выводы 67
Глава 2. Материалы и методика экспериментов 70
2.1. Материалы и образцы 70
2.2. Методы исследования 72
2.2.1. Метод акустической эмиссии 72
2.2.2. Метод циклов в термомеханических испытаниях 75
2.2.3. Метод структурных исследований 79
Глава 3. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия и меди в условиях сложного термомеханического нагружения 80
3.1. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия 80
3.1.1. Неизотермические циклы 80
3.1.2. Изотермические циклы 85
3.2. Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения меди 88
3.2.1. Неизотермические циклы 88
3.3. Заключение к главе 3 91
Глава 4. Активационные параметры в процессах высокотемпературной деформации 92
4.1. Методика определения активационных параметров по среднеквадратичному напряжению акустической эмиссии 92
4.2. Энергия активации в процессах высокотемпературной деформации в неизотермическом термомеханическом цикле 97
4.3. Активационный объем в процессах высокотемпературной деформации в изотермическом термомеханическом цикле 103
4.4. Заключение к главе 4 105
Глава 5. Структурный фактор акустической эмиссии 107
5.1. Введение 107
5.2. Акустическая эмиссия и накопление деформации в термомеханическом цикле 108
5.3. Структура деформированного алюминия 109
5.4. Формирование акустических сигналов при высокотемпературной деформации алюминия 113
5.5. Заключение к главе 5 115
Основные результаты и выводы 117
Список используемых источников 119
- Границы зерен в процессах пластической деформации
- Метод циклов в термомеханических испытаниях
- Энергия активации в процессах высокотемпературной деформации в неизотермическом термомеханическом цикле
- Формирование акустических сигналов при высокотемпературной деформации алюминия
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал по проблеме пластической деформации, что подчёркивает важность и сложность проблемы, но и констатирует её незавершённость. Существует много неясностей как при объяснении природы разрушения при высокотемпературном нагружении в ходе ползучести металлов и сплавов, так и физики предшествующего разрушению процесса накопления деформации. Работы последних лет указывают на весьма сложную совокупность процессов, протекающих на разных уровнях структурных превращений (микро-, мезо- и макромасштабных уровнях) в условиях термомеханического нагружения, приводящих к сложной иерархии диффузионных, дислокационных и зернограничных процессов.
Проблема накопления деформации при термомеханическом нагружении, остаётся актуальной до настоящего времени, не смотря на многолетнею историю проведения исследований. Решение задачи важно для повышения надёжности конструкций, находящихся в условиях сложного термомеханического нагружения, исключение катастрофического развития ситуаций в ходе эксплуатации таких механизмов.
Теперь уже нет сомнений, что пластические свойства, в рамках дислокационной модели, за исключением ранних стадий пластического течения в монокристаллах, определяются свойствами не отдельных дислокаций, а их коллективным поведением. Высокотемпературная деформация не сводится только к дислокационным процессам. Большая роль в развитии деформации при высоких температурах принадлежит зернограничным процессам. Известно, что в отличие от низких температур, где границы при деформации упрочняют материал, при высоких, наоборот, они способствуют его разупрочнению. Такое изменение роли границ обусловлено изменением действующих на границах деформационных процессов.
Пластическая деформация, в том числе и при высоких температурах,
5 сопровождается диссипацией энергии, запасённой материалом, путём излучения механических колебаний. Это явление получило название акустическая эмиссия. Именно эволюция дефектной структуры определяет продуцирование акустической энергии. Метод, основанный на регистрации акустических сигналов, называется методом акустической эмиссии. Использование метода акустической эмиссии в качестве тонкого инструмента для исследования кинетики развития дефектной структуры материала даёт возможность в реальном времени регистрировать происходящие в материале процессы. Несмотря на то, что этот метод активно используется на практике в качестве метода неразрушающего контроля и в * физических исследованиях, до настоящего времени природа явления акустической эмиссии изучена недостаточно полно. Исследование закономерностей акустической эмиссии при пластической деформации, а позволяет получить взаимодополняющую информацию о механизмах пластической деформации и о природе акустической эмиссии.
Цель исследования. Изучение закономерностей акустической эмиссии в процессах высокотемпературной деформации металлов с ГЦК - решёткой. * Для достижения указанной цели в диссертационной работе требовалось решить следующие задачи:
1. Исследовать накопление деформации и акустическую эмиссию в ц условиях неизотермического цикла в алюминии и меди. т 2. Исследовать накопление деформации и акустическую эмиссию в условиях изотермического цикла в алюминии. % 3. Исследовать активационные параметры (энергия активации, активационный объём) при высокотемпературной деформации в условиях термомеханического нагружения алюминия.
4. Установить связь акустической эмиссии со структурными параметрами деформируемого материала на примере высокотемпературной деформации алюминия.
Научная новизна:
В работе впервые установлено, что в условиях термомеханического нагружения ГЦК-металлов накопление деформации имеет монотонный и макроскопически скачкообразный характер. Монотонное накопление деформации в термомеханическом цикле сопровождается монотонным ростом среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии, а скачкообразное накопление - единичными акустическими импульсами аномально большой амплитуды.
Установлено, что на стадии скачкообразного накопления деформации в термомеханическом цикле квадрат амплитуды акустических сигналов линейно зависит от скорости деформации.
Впервые показано, что монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии подчиняется соотношению Аррениуса. Рассчитанные активационные параметры свидетельствуют: в термомеханическом цикле активационный объем растет с ростом температуры экспоненциально, что соответствует росту масштаба элементарного деформационного акта; в термомеханическом цикле энергия активации на высокотемпературной стадии свидетельствует о превалировании зернограничных процессов.
Установлено, что в термомеханическом цикле накопление деформации в высокотемпературной области представляет собой квазипериодическое чередование монотонного и скачкообразного процессов, что соответствует чередованию зернограничного проскальзывания и формирования полос деформации.
Достоверность полученных результатов обеспечивается физической корректностью постановки и решения задач диссертации, статистической обработкой экспериментальных данных, соответствием основных экспериментальных результатов с результатами других авторов.
Практическая значимость работы. Предложенная в работе методика определения активационных параметров (энергия активации, активационный объём) по регистрируемому среднеквадратичному напряжению акустической эмиссии, может быть использована в исследованиях процессов структурной перестройки материалов.
Использованный в работе метод термомеханических циклов нагрев-охлаждение от комнатных до предплавильных температур, может применяться в качестве метода упрочнения металлических материалов.
Возникающие на определённой стадии структурного упрочнения материала скачки деформации, коррелирующие с акустическими сигналами, свидетельствуют о катастрофичности развития деформационного процесса в материале. Поэтому этот эффект может быть использован как один из видов контроля структурного состояния металлов в условиях термомеханического нагружения.
Вклад автора. Участие в планировании, разработке и проведение эксперимента. Составление программ по обработке экспериментальных данных, расчёт активационных параметров. Участие в обсуждении экспериментальных, расчётных данных, а также в формулировании основных результатов и выводов.
На защиту выносятся следующие положения:
Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения в процессах пластической деформации ГЦК - металлов в термомеханическом цикле. Влияние энергии дефекта упаковки на параметры акустической эмиссии и процесс деформации.
Методика определения активационных параметров пластической деформации путём анализа акустической эмиссии, регистрируемой в ходе термомеханического цикла. Энергия активации и активационный объём в термомеханическом цикле.
83. Структурные факторы акустической эмиссии при высокотемпературной деформации ГЦК - металлов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях: XV международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", Тольятти, 2003; III международной конференции "Фазовые превращения и прочность кристаллов", Черноголовка, 2004; I международной школе "Физическое материаловедение", Тольятти, 2004; Одиннадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных, Екатеринбург, 2005; VIII международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в * конденсированных средах", Барнаул, 2005.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 11 таблиц, список литературы состоит из 123 наименований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в отечественных изданиях. * Во введении обосновывается актуальность темы, выбор метода исследования, формулируется цель диссертационной работы, представлены защищаемые положения, отмечена научная новизна и практическая ценность
I результатов л Первая глава носит обзорный характер. В ней приведены сведения о высокотемпературной и низкотемпературной пластической деформации, в у том числе и при ползучести. Рассмотрены основные механизмы пластической деформации, реализующиеся на мезоскопическом уровне и связанные с дислокационными и зернограничными процессами.
Во второй главе обосновываются методы исследования.
В третьей главе рассмотрены закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения алюминия и меди в условиях сложного
9 термомеханического нагружения.
В четвертой главе проведен анализ активационных параметров в процессах высокотемпературной деформации.
В пятой главе проведен анализ взаимосвязи акустических сигналов и структуры алюминия, которая формируется в ходе высокотемпературной деформации.
Границы зерен в процессах пластической деформации
Граница зерен представляет собой поверхность раздела, по которой сопрягаются два различно ориентированных кристалла. Для описания такой поверхности достаточно знать взаимную ориентацию сопрягающихся кристаллов и ориентацию граничной поверхности в кристаллической решетке каждого зерна (макроскопические параметры). Для описания структуры границы на атомном уровне применяют микроскопические параметры, характеризующие взаимный жесткий сдвиг зерен друг относительно друга при заданной разориентировке зерен и ориентации границы, а также конкретное положение границы относительно узлов кристаллической решетки. В самом общем случае граница зерен имеет 9 кристалл огеометрических параметров (степеней свободы): 5 макроскопических и 4 микроскопических. Для границ зерен в большинстве металлических материалов имеется только 3 независимых микроскопических параметра, т.е. кристаллография таких границ исчерпывающе описывается восемью параметрами. Эти параметры, естественно, не учитывают локальные смещения атомов по сравнению с их позициями в положении жесткой стыковки двух сопрягающихся кристаллов. Следовательно, структура границы описывается кристаллографическими параметрами с точностью до доли межатомного расстояния [31,32,33].
Разориентировку зерен, т.е. взаимную ориентацию двух соседних кристаллов описывают как поворот одного кристалла относительно другого, приводящий к совмещению решеток кристаллов, на угол (угол разориентировки) вокруг общей для обоих зерен кристаллографической оси (ось разориентировки). Вектор оси разориентировки выбирают единичной длины, следовательно, его достаточно задать двумя компонентами. Таким образом, в целом разориентировка зерен задается тремя скалярными параметрами: один определяет угол разориентировки, а два - ось разориентировки [29, 31].
Ориентацию поверхности границы характеризуют единичной нормалью п к этой границе. Только две из трех компонент вектора п являются независимыми, поскольку третья компонента получается из условия нормировки, т.е. с ориентацией граничной поверхности связаны две степени свободы границы. Любая криволинейная граница, по-видимому, состоит из набора фасеток плоских в том или ином масштабе. В этом случае каждую фасетку следует характеризовать своей единичной нормалью. Достаточно описать плоскость границы в индексах кристаллической решетки одного из зерен, поскольку в системе координат второго зерна эта плоскость однозначно индицируется через заданную разориентировку зерен [32].
При образовании границы зерен кроме взаимного разворота двух частей кристалла, возможно, их взаимное смещение. Жесткий сдвиг является тождественным преобразованием, если рассматривать кристалл как континуальную однородную среду, т.е. с макроскопической точки зрения. Однако при учете дискретного строения кристалла, т.е. с точки зрения микроскопической, оказывается, что сдвиг одного кристалла по отношению к другому приводит к новой структуре границы при тех же самых макроскопических параметрах - разориентировке зерен и ориентации поверхности границы. Относительная трансляция, в принципе, может иметь любую величину и направление, т.е. с ней связаны три микроскопические степени свободы границы [33]. Взаимодействие границ зерен и решеточных дефектов Взаимодействие границ зерен с точечными, линейными и планарными дефектами решетки играет важную роль во многих процессах, определяющих свойства металлов.
Активное взаимодействие вакансий и межзеренных границ проявляются в двух основных видах: границы зерен, во-первых, являются наиболее эффективными источниками вакансий в поликристаллах и, во-вторых, представляют собой места ускоренной диффузии [13,34].
Межзёренные границы действуют как источники и стоки вакансий и, что обычно именно благодаря действию границ как источников и стоков вакансий, их концентрация в материале становится равновесной при данной температуре. К настоящему времени экспериментально установлено, что эффективность действия как источников (стоков) вакансий зависит от типа границ: произвольные границы являются высокоэффективными источниками (стоками) [29].
Дислокационные модели стока (генерации) вакансий в (из) границ зерен. В этих моделях предполагается, что абсорбция (генерация) вакансий происходит при переползании в границе дислокации с ненулевой нормальной к плоскости границы компонентой вектора Бюргерса. Мак Лин еще в начале 70-х годов на основе качественного рассмотрения сделал вывод, что в качестве таких переползающих зернограничных дислокаций могут выступать структурные и внесённые зернограничные дислокации, причём последние наиболее эффективны для абсорбции (генерации) вакансий. По-видимому, именно внесенные зернограничные дислокации и должны быть наиболее эффективны для абсорбции (эмиссии) вакансий, поскольку они в общем случае более подвижны, чем собственные зернограничные дислокации, представляющие собой элемент равновесной структуры.
Под взаимодействием границ зерен с дислокациями понимают действие большеугловых границ как источников и стоков для дислокаций решетки. Решеточные дислокации, попадая в границу, остаются дискретными дефектами кристаллического строения и взаимодействие дислокаций с границами должно заключаться в достаточно сложных структурных перестройках [29, 31].
На самом деле просто оборваться на границе дислокация не может -она должна продолжиться в границе зернограничной дислокацией - одной или несколькими. В поликристалле решеточные дислокации вместе с зернограничными должны образовывать единую замкнутую систему. Следовательно, взаимодействие решеточных дислокаций с большеугловыми границами сводится, по существу, к взаимным превращениям внутризеренных и зернограничных дислокаций. Как и при всяких дислокационных реакциях здесь действуют законы непрерывности дислокационной линии, сохранения вектора Бюргерса, а кроме то-го -правило сохранения высоты ступенек, связанных с зернограничными дислокациями [29].
Метод циклов в термомеханических испытаниях
Для практического применения материалы выбирают в зависимости от их механических свойств. Основными механическими свойствами металлов являются прочность, упругость, пластичность, твердость и вязкость. Как правило, эти свойства определяют при испытаниях на разрывных машинах. Такие машины состоят из двух основных узлов: нагружающего устройства, обеспечивающего плавное деформирование образца с постоянной скоростью, силоизмерительного механизма, с помощью которого измеряется сила сопротивления образца создаваемой деформации. Результатом таких испытаний являются кривые или диаграммы растяжения, записываемые в координатах нагрузка - деформация. По диаграммам растяжения определяют механические свойства материалов. Таким образом, в теории пластической деформации исходными служат кривые напряжение-деформация (кривые упрочнения), показывающие какое сдвиговое напряжение необходимо приложить, чтобы вызвать дальнейшую пластическую деформацию при данной плотности дислокаций и их распределении. Определяются механизмы пластической деформации в ходе нагружения с постоянной скоростью. Многие промышленные объекты находятся в эксплуатации при постоянной нагрузке, то есть, подвержены ползучести. Поэтому другой подход к изучению механизмов пластической деформации, связан с исследованиями прочностных характеристик металлов, при постоянной нагрузке.
Следует отметить, что испытания при постоянной скорости деформации, дающие кривые сг(є) и испытания на ползучесть не имеют принципиального различия. Ещё Орован [97] указал, что пластические свойства материала невозможно описать с помощью кривых у(є) (как это дается в теории пластичности). Напротив, это описание должно основываться на данных о скорости течения при различных напряжениях, температурах и состояниях деформационного упрочнения, которые зависят не только от напряжения, но и от всей предыдущей истории нагружения образца [6].
В общем виде, соотношение, связывающее скорость пластической деформации с температурой, напряжением и состоянием структурного упрочнения можно записать в виде где а, Т, Р, - переменные внешнего состояния, описывающие состояние всей системы (напряжение, температура, гидростатическое давление, соответственно); % - переменная внутреннего состояния (характеризуется структурой материала), учитывающая предысторию образца.
Поэтому для исследования пластических свойств материалов, по аналогии с термодинамическим циклом, в экспериментах был использован метод термомеханических циклов, параметрами которого являются температура и напряжение. Данный подход был реализован по двум вариантам: 1- неизотермический цикл, при котором внешняя нагрузка в цикле, прикладываемая к образцу, была постоянна, а температура менялась от комнатной до температуры плавления; 2- изотермический цикл, в котором температура в цикле была постоянна, а нагрузка линейно увеличивалась от половины предела текучести до максимальной. Фактически такой подход позволял за один цикл проанализировать весь спектр деформационных характеристик материала.
Закономерности акустической эмиссии и деформационного поведения в процессах пластической деформации металлов исследовали в испытаниях при растяжении и кручении. Испытание на растяжение проводили на разрывной машине ИМАШ-5С-65, а испытание на кручение на установке, собранной в лабораторных условиях.
Блок-схема экспериментальной установки для регистрации акустической эмиссии в процессе деформации в неизотермических и изотермических условиях представлена на рис.2.3. Установка для регистрации акустической эмиссии при двух схемах нагружения имела конструктивные отличии, связанные главным образом, с эффективностью регистрации акустической эмиссии. При испытаниях на растяжение использовался волновод, которым служила проволока диаметром 4 мм и длиной 400 мм из аустенитной стали. Неподвижный держатель образца через резьбовое отверстие акустически был связан с образцом 1. Концы волновода полировались и отжигались при 1200 ОС для снятия напряжения. При испытаниях на кручение длина образца составляла 35 см, что позволяло использовать часть образца в качестве волновода. Один конец образца полировался. В качестве нагревателя использовалась электропечь для микроанализа типа СУОЛ-0.15 4. Регистрацию температуры осуществляли с помощью АЦП с термопарой группы ХА 6, а контроль осуществляли потенциометром КСП-4 с термопарой группы ХА. Пьезопреобразователь из пьезокерамики ЦТС-19 был выполнен совместно с предварительным усилителем 7, который имел коэффициент усиления около 3 и позволял размещать пьезопреобразователь на нужном расстоянии от основного усилителя 8 (селективный усилитель У2-8). Общий коэффициент усиления в экспериментах составил 120 дБ. В качестве датчика деформации 5 использовался измеритель малых перемещений типа ИМП-3.
Обработку потока сигналов проводили с помощью линейного детектора (селективный усилитель У2-8) 8, на выходе которого измеряли среднеквадратичное напряжение.
Регистратором среднеквадратичного напряжения, сигналов с термопары и датчика деформации служил компьютер с помощью аналогоцифрового преобразователя.
Энергия активации в процессах высокотемпературной деформации в неизотермическом термомеханическом цикле
Пластическая деформация, связанная с эволюцией дефектной структуры металлов, сопровождается диссипацией акустической энергии. Можно считать, что акустическая эмиссия, обусловленная локальной, динамической перестройкой структуры, является мерой процессов, протекающих в ходе пластической деформации. Так как метод акустической эмиссии является высокочувствительным, то из анализа регистрируемого параметра акустической эмиссии можно получить более точную информацию. В частности, точность определения активационных параметров по среднеквадратичному напряжению акустической эмиссии, может быть выше, чем по деформационной характеристики.
Исходя из выше сказанного, была разработана методика определения активационных параметров (энергия активации, активационный объём) путём анализа среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Данная методика была разработана для определения механизмов, ответственных за процессы пластической деформации, путём расчёта активационных параметров.
Пластическое поведение металлов в процессе высокотемпературной деформации (в условиях ползучести) определяется термически активируемыми дислокационными и зернограничными процессами. Электронномикроскопические исследования свидетельствуют, что для металлов с ГЦК решеткой дислокационные процессы в ходе ползучести проявляются в формировании следов скольжения и полос деформации (полос сброса) по кристаллографической системе скольжения {111} 110 [2]. Следы скольжения в алюминии состоят из линий скольжения, представляющие элементарные ступеньки при выходе на поверхность кристалла дислокаций одной системы скольжения. При повышении температуры при постоянном напряжении наблюдается возрастание числа элементарных плоскостей в следах скольжения и формирование полос скольжения. Так как ступеньки являются следствием выхода дислокаций на поверхность кристалла, то согласно исследованиям [52, 104] условия формирования акустических сигналов выполняются.
Можно считать, что развитие каждого следа скольжения представляет собой выход на поверхность кристалла коррелированного дислокационного ансамбля мезоскопического (или даже макроскопического в случае полосы скольжения) масштаба. Известно, что при выходе дислокационных ансамблей на поверхность кристаллов продуцируется акустический сигнал большой амплитуды, на порядки величины превышающий амплитуду сигнала, обусловленного единичным актом выхода дислокации на поверхность [52, 104-106].
Макроскопическая пластическая деформация обусловлена протеканием в объеме кристаллитов большого числа дислокационных событий. Лишь только часть из них, отвечает условиям формирования акустического сигнала, регистрируемого в экспериментах [104, 105]. Оценка энергии акустического сигнала от выхода единичной дислокации на поверхность кристалла дает значение около 10"15 Дж [107]. В экспериментах регистрировался акустический сигнал, сформированный при выходе на поверхность не менее чем 103 дислокаций.
Кинетика пластической деформации подчиняется аррениусовскойзависимости [1], в связи, с чем скорость пластической деформации Q В ходе ползучести определяется соотношениемгде - АНо-оЬЛВ - энтальпия активации, тождественная «кажущейся энергии активации», АНо - энтальпия активации (при нулевом приложенном напряжении), obAB - работа, которую совершает приложенное напряжение а, помогая элементу дислокации преодолеть барьер, Ъ — вектор Бюргерса, ЛВ — площадь в плоскости скольжения, которую заметает элемент дислокации (площадь активации).
Предэкспоненциальный множитель є0, в теории термоактивируемых процессов, непосредственно связан с числом структурных элементов, вовлекаемых в элементарный акт пластической деформации [108]
Здесь и-число энергетических барьеров АНо, атакуемых с частотой v (частота тепловых колебаний атомов), Ає - прирост деформации за элементарный деформационный акт. Величина предэкспоненциального множителя может изменяться в широких пределах, характеризуя масштаб событий в ходе ползучести [2].
При определении активационных параметров использовали формулу, которая связывает мощность акустической эмиссии со скоростью деформации при формировании деформационной полосы [109] где а = J для винтовых дислокаций и а = у4+1 для краевых дислокаций (у - отношение продольной и поперечной скоростей распространения волн в кристалле), р- плотность материала, Ъ - вектор Бюргерса, v - скорость перемещения дислокаций, / - размер кристалла, S - площадь поверхности деформированной части образца, которую можно связать с площадью деформационной полосы, є - скорость деформации.
Формирование акустических сигналов при высокотемпературной деформации алюминия
Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования свидетельствуют об иерархичности процессов пластической деформации металлических материалов и эффектах самоорганизации дислокационных ансамблей в макроскопических масштабах [119]. Об индивидуальном поведении дислокаций как элементарном акте пластической деформации можно говорить лишь на ранних стадиях деформации. При больших деформациях дислокации ансамбля сильно взаимодействуют, поэтому пластическая деформация определяется их коллективным поведением. При этом коллективное поведение таково, что имеет смысл говорить о когерентных кооперативных состояниях дислокационных ансамблей в ходе пластической деформации металлических материалов [120]. Например, хорошо известен эффект Портевена - Ле Шателье, представляющий собой неустойчивость пластического течения в условиях макроскопической скачкообразной деформации металлов, связанной с когерентным скольжением больших групп дислокаций. В ходе скачкообразной деформации формируется деформационная полоса, представляющая собой выход дислокационного ансамбля на границу [121].
Существенным элементом в деформационных процессах являются границы зерен, которые могут играть роль не только естественных барьеров для скольжения дислокаций, но и служить источниками и стоками дислокаций. Моделирование механизмов трансформации вблизи границ зерен в ГЦК металлах показало, что кооперативное смещения атомов при пластической деформации в условиях растяжения начинались, как правило, на зернограничных дислокациях вдоль плотноупакованных плоскостей [120]. Следствием таких кооперативных смещений атомов является эмиссия решеточных дислокаций, осуществляющих внутризеренное скольжение. Увеличение величины деформации приводит к зернограничному проскальзыванию, осуществляемое преимущественно вдоль ядер зернограничных дислокаций [122, 123].
Зернограничное скольжение и эмиссия решеточных дислокаций являются главным элементом в модели сверхпластической деформации нанокристаллических материалов [117]. Процесс деформации развивается как эмиссия большого числа решеточных дислокаций на тройных зерногараничных стыках в поле внешних напряжений, их скольжения и поглощения противоположной границей. Пластическая деформация представляет собой совокупность решеточного скольжения и зернограничного проскальзывания.
Деформационное поведение алюминия в термомеханических циклах в условиях растяжения определяется явно выраженными монотонным и скачкообразным характером накопления деформации при высоких температурах (рис. 5.1 и рис. 5.2). Характер накопления деформации хорошо коррелирует с монотонной или импульсной температурной зависимостью среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. На рис. 5.1 показано, что деформационным скачкам в температурном интервале выше 500 С при нагружении механическим напряжением в интервале 30-35 МПа соответствуют акустические импульсы аномально большой амплитуды. При превышении порога механических напряжений скачкообразный характер накопления деформации меняется на монотонный (рис. 5.2). Монотонному характеру накопления деформации в цикле отвечает монотонный рост среднеквадратичного напряжения акустической эмиссии. Отметим, что и при нагрузках ниже этого порога в цикле наблюдается монотонный характер накопления деформации.
На рис. 5.3 приведена структура деформационных полос, соответствующая скачкообразной стадии накопления деформации при напряжении 30 МПа. Структура полос синхронизирована с температурой 600, 620, 630 и 650 С. На рис. 5.4 приведена структура полос деформации при напряжении 40 МПа и температурах 600, 620, 640 и 650 С, соответствующая монотонному характеру накопления деформации.
Температурные точки формирования структуры соответствуют выделенным точкам на рис. 5.1 и 5.2. Приведенные данные свидетельствуют о существенном повышении плотности полос деформации при переходе к монотонному накоплению деформации Действительно, как показано в табл. 5.1, плотность полос деформации, измеренная для области скачков на порядок ниже, чем плотность полос деформации для этой температуры, но для монотонного накопления деформации.
