Введение к работе
Актуальность темы. Алюминиевые сплавы используют для изготовления легких конструкций. Алюминий-магниевые сплавы, обладающие сочетанием высокой прочности, свариваемости, коррозионной стойкости и низкой плотности, 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, 6]. 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 коалесценции и слиянии в магистральную трещину [7-9].
Прерывистую деформацию различают на эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ), который выражается в появлении скачков разгрузки на кривых деформирования с постоянной скоростью const в «жесткой» испытательной машине и эффект Савара-Массона - появление ступеней деформации на кривых нагружения с постоянной скоростью роста напряжения const в «мягкой» деформационной машине [1]. 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 статические полосы не наблюдаются, с течением времени полосы делокализуются, так как представляют собой расширяющиеся шейки [11] и механизм разрушения в этом случае должен существенно отличаться от механизма разрушения сплава, проявляющего эффект ПЛШ.
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 Al-Mg, демонстрирующего прерывистую деформацию Савара-Массона.
В соответствии с поставленной целью 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 Al-Mg;
– провести анализ пространственно-временных структур полос деформации, включая стадию образования шейки перед разрывом, с целью выявления предвестников закритического разрушения;
– экспериментально выявить механизмы макроразрушения сплава, демонстрирующего прерывистую деформацию Савара-Массона;
– провести измерения и исследования собственного электромагнитного излучения в ходе прерывистой деформации сплава Al-Mg в условиях оледенения.
Научная новизна результатов, изложенных в диссертации:
1. В сплаве АМг6 с преципитатной 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.
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 АМг6 с рекристаллизованной зеренной 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 АМг3, демонстрирующий ступенчатую кривую нагружения, в условиях оледенения генерирует характерные сигналы электромагнитной эмиссии на фронте каждого скачка пластической деформации. Обнаружено, что 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 и 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 Al-Mg, 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.
-
Обнаруженные структурно-чувствительные корреляции между пространственно-временной структурой полос деформации Савара-Массона и магистральной трещиной в сплаве АМг6:
а) в сплаве с преципитатной микроструктурой, полученной искусственным старением, поверхность магистральной трещины с точностью до размера зерна ( мкм) совпадает с поверхностью распространения полосы локализованного сдвига, с которой начинается развитие последнего скачка деформации;
б) в сплаве с рекристаллизованной зеренной 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 , что указывает на существенное влияние динамического взаимодействия полос деформации с частицами (Al3Mg2)-фазы на природу вязкого разрушения сплава АМг6.
-
Механизмы разрушения сплавов Al-Mg с преципитатной и рекристаллизованной микроструктурой, демонстрирующих прерывистое течение при растяжении с постоянной скоростью роста напряжения.
-
Собственное электромагнитное излучение в ходе скачкообразной пластической деформации сплава Al-Mg в условиях оледенения.
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 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 (СММТ’ 2009)» (Санкт-Петербург. 2009 г.); XLVIII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», посвященная памяти М.А. Криштала (Тольятти, 2009).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4 статьях 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 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.
