Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Скачкообразная пластическая деформация кристаллических материалов 9
1.1. Классификация макроскопических неустойчивостей пластической деформации 9
1.2. Основные экспериментальные данные о скачкообразной деформации 10
1.2.1. Эффект Савара - Массона 10
1.2.2. Эффект Портевена-Ле Шателье 19
1.3. Модели скачкообразной пластической деформации 22
1.3.1. Диффузионная модель 22
1.3.2. Релаксационная модель 24
1.3.3. Модель Пеннинга 26
1.3.4. Модель Кубена-Эстрина 29
1.3.5. Другие модели 30
1.4. Постановка задачи 33
Глава 2. Методические вопросы исследования 35
2.1. Метод ЭМЭ в диэлектрических материалах 35
2.2. Комплекс in situ методов исследования нестационарной пластической деформации и разрушения моно-и поликристаллического льда 36
2.3. Метод ЭМЭ в металлах 39
2.4. Оригинальный комплекс in situ методов исследования скачкообразной деформации металлов 41
2.5. Выводы 49
Глава 3. Исследование динамики мезодефектов в моно- и поликристаллическом льде методом электромагнитной эмиссии 50
3.1. Идентификация распространяющихся полос скольжения и трещин в моно-, бикристаллическом и поликристаллическом льде по электромагнитному сигналу 50
3.2. Анализ связи электромагнитного сигнала с динамикой скоплений заряженных дислокаций во льде 60
3.2.1. Динамическая поляризация льда активным дислокационным скоплением и трещиной 60
3.2.2. Сравнение форм электромагнитных сигналов с моделями эволюции дислокационных скоплений 64
3.3. «Альбом» ЭМЭ-отображений 72
3.4. Идентификация СОК по электромагнитному сигналу 75
3.5. Выводы 80
Глава 4. Исследование связи эффекта Савара - Массона с динамикой полос деформации в сплавах Al-Mg 82
4.1. Эффект Савара-Массона в сплавах Al-Mg. Юіассификация скачков деформации 84
4.2. Общая характеристика эволюции полос деформации при испытании в мягкой машине 87
4.3. Расширение одиночной полосы деформации. Электромагнитный и акустический отклик 93
4.4. Взаимодействие полос деформации 96
4.5. Связь прочности на разрыв сплавов Al-Mg с динамическим взаимодействием полос деформации 101
4.6. Выводы 103
Глава 5. Влияние термообработки на кинетику скачков деформации и распространение деформационных полос в сплавах Al-Mg 105
5.1. Постановка задачи 105
5.2. Влияние продолжительности старения на кривую нагружения 107
5.3. Влияние продолжительности старения на тонкую структуру скачков деформации 119
5.4. Влияние температуры отжига на скачкообразную деформацию сплава АМгб 123
5.5. Исследование эффекта Савара-Массона в сплавах Al-Mg методом динамического анализа 128
5.6. Выводы 134
Выводы 135
Литература 137
Приложение 149
- Комплекс in situ методов исследования нестационарной пластической деформации и разрушения моно-и поликристаллического льда
- Анализ связи электромагнитного сигнала с динамикой скоплений заряженных дислокаций во льде
- Расширение одиночной полосы деформации. Электромагнитный и акустический отклик
- Влияние продолжительности старения на тонкую структуру скачков деформации
Введение к работе
Актуальность темы. Пространственно-временная неоднородность пластической деформации кристаллических материалов заключена в самой ее природе. Типичными проявлениями неустойчивости пластического течения на макроуровне являются такие явления как образование шейки перед разрушением, зуб текучести и скачкообразная пластическая деформация, которая выражается в повторяющихся падениях нагрузки на кривых деформирования в «жесткой» испытательной машине (эффект Портевена - Ле Шателье [1], низкотемпературная прерывистая пластическая деформация металлов) или в виде скачков деформации при нагружении в «мягкой» деформационной машине (эффект Савара - Массона [2]). Несмотря на многолетнюю историю изучения механизмов скачкообразной деформации, в последнее время к ним наблюдается повышенный интерес в области прикладных и фундаментальных исследований. Первое связано с тем, что скачки пластической деформации затрудняют обработку металлических сплавов, ухудшают механические свойства и качество поверхности промышленных изделий. Второе связано с бурным развитием нелинейной динамики диссипативных систем, эволюция которых, как предполагается, носит универсальный характер. В связи с этим предпринимаются попытки применения теории динамических систем к анализу устойчивости макроскопического ансамбля дислокаций деформируемого кристалла с учетом корреляции дислокационных процессов [3,4]. Такой подход требует экспериментальной информации in situ о процессах потери устойчивости дислокационной структуры кристалла на разных пространственно-временных уровнях, связанных с динамикой линий и полос скольжения, полос деформации и т.д., а также корреляций между мезо- и макродинамикой деформируемого кристалла. Поэтому динамический подход, развиваемый в настоящее время в физике прочности и пластичности, ставит актуальной задачей разработку новых in situ методов исследования динамики мезо- и макроансамблей дислокаций, обладающих достаточным быстродействием и пространственным разрешением.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию эффекта Савара - Массона на мезо- и макроуровне пластического течения материалов с различным типом межатомного взаимодействия. С целью выяснения общности этого явления и возможной роли границ зерен, содержания и состояния примесей на скачкообразную деформацию на различных масштабных уровнях в качестве объектов исследования были выбраны образцы монокристаллического и крупнозернистого льда, которые не демонстрируют макроскопические скачки деформации, а также традиционные материалы для исследования прерывистого течения на макроуровне - ультрамелкозернистые сплавы алюминия с магнием АМгЗ, АМг5 и АМгб, которые имеют важное перспективное применение в промышленности из-за уникального сочетания высокой прочности, пластичности, сваріге^едо<щи^9ВД}(ЩноЙ стойкости.
yaygj
з с« о»
Цель настоящей диссертационной работы заключалась в исследовании с высоким временным разрешением кинетики скачкообразной деформации в этих материалах и взаимосвязи скачков деформации с динамикой дислокационных скоплений и полос деформации в условиях проявления эффекта Савара - Массона.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
разработать и изготовить комплекс in situ методов исследования на мезо- и макроуровне неустойчивой скачкообразной деформации кристаллических материалов, основанный на синхронном использовании основных современных методов: акустической и электромагнитной эмиссии, оптических методов измерения деформации, включая лазерную спекл-интерферо-метрию в сочетании с традиционным методом регистрации скачков деформации на кривых нагружения в мягкой деформационной машине;
исследовать с высоким временным разрешением мезоскопические скачки пластической деформации монокристаллического льда и проанализировать их связь с моделями динамики дислокационных скоплений;
исследовать экспериментально с использованием методов динамической фотоупругости и электромагнитной эмиссии роль границ зерен в зарождении и иммобилизации дислокационных скоплений и трещин в бикристал-лическом и поликристаллическом льде;
исследовать экспериментально взаимосвязь между макроскопическими скачками пластической деформации ультрамелкозернистых сплавов Al - Mg, деформируемых в условиях эффекта Савара - Массона, и динамикой макроскопических полос деформации;
исследовать влияние концентрации и состояния примеси магния на характеристики скачкообразной деформации сплавов Al-Mg; на основе сравнения параметров временных рядов, связанных со скачкообразной деформацией, выявить наиболее чувствительную функцию отклика неустойчивой деформации на изменение состояния примеси в сплаве.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые:
разработан и использован для изучения неустойчивой пластической деформации металлов комплекс быстродействующих in situ методов исследования скачкообразной деформации и динамики деформационных полос, включающий в себя оптические методы, в том числе спекловую интерферометрию, синхронно с методами электромагнитной и акустической эмиссии в сочетании с традиционным методом регистрации скачков на кривых нагружения в мягкой деформационной машине;
обнаружен и исследован эффект Савара - Массона на монокристаллическом льде, состоящий в появлении повторяющихся мезоскопических скачков пластической деформации на кривых нагружения в мягкой испытательной машине с постоянной скоростью возрастания нагрузки;
- составлен ««альбом» сигналов электромагнитной эмиссии,
отображающих нестационарные процессы пластической деформации, связанные с динамикой скопления заряженных дислокаций, а также с эволюцией микро- и макротрещин; установлено, что по форме фронта электрических сигналов можно идентифицировать и исследовать с высоким временным разрешением динамику полос скольжения и консервативных скоплений дислокаций;
обнаружено и исследовано явление динамической делокализации макроскопической пластической деформации сплавов Al - Mg, заключающееся в спонтанном зарождении и последующем расширении на весь объем деформируемого одноосным растяжением образца одиночной полосы деформации на фронте макроскопического скачка деформации в мягкой испытательной машине;
обнаружено и исследовано влияние температуры отжига и времени старения на характеристики скачкообразной деформации сплавов АМгЗ, АМг5 и АМгб.
Научная ценность и практическая значимость работы. Научная ценность полученных результатов заключается в том, что выявленная связь между скачками пластической деформации и динамикой полос деформации в сплавах Al - Mg, деформируемых в мягкой машине в условиях эффекта Савара - Массона, существенно отличается от связи между нерегулярностями на кривых деформирования и динамикой полос деформации при деформировании в жесткой машине в условиях эффекта Портевена - Ле Шателье. Основное отличие состоит в спонтанном зарождении расширяющихся полос деформации, реализующих переход от макроскопически локализованной нестационарной деформации к макроскопически делокализованной однородной и квазистационарной деформации. Этот экспериментальный факт противоречит моделям скачкообразной деформации, рассматривающим полосу деформации в виде макроскопического солитона, на переднем и заднем фронте которого происходят коллективные процессы открепления и закрепления дислокаций на примесях замещения и поэтому ставит открытые вопросы в теории неустойчивой пластической деформации металлов. Практическая значимость работы связана с возможностью использования ее результатов для разработки бесконтактных методов in situ мониторинга нагруженных узлов конструкции, выполненных из высокотехнологичных сплавов Al - Mg, а также ледяных сооружений и геофизических объектов, содержащих большие массы льда.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Экспериментальный комплекс in situ методов исследования нестационарной пластической деформации твердых материалов, основанной на использовании мягкой деформационной машины и сочетании быстродействующих методов, включая методы акустической и электромагнитной эмиссии, лазерной спекл-интерферометрии, метод динамической
фотоупругости и т.д.
Альбом сигналов электромагнитной эмиссии, генерируемых при деформировании монокристаллического, бикристаллического и поликристаллического льда, позволяющий по форме электрических сигналов непосредственно в ходе деформирования контролировать популяции дефектов определенного типа (полос скольжения, консервативных скоплений дислокаций, мезо- и макротрещин).
Обнаруженный переход от локализованной к делокализованной макроскопической деформации на фронте скачков деформации сплавов А1 -Mg, деформируемых в мягкой испытательной машине с постоянной скоростью нагружения <70 = const.
Обнаруженный эффект влияния состояния примесей магния в сплавах А1 - Mg, контролируемого термообработкой, на характеристики скачкообразной деформации на мезо- и макроуровне: количество мезо- и макроскачков, подвижность полос деформации и степень локализации деформации в полосе.
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах:
Fourth International Conference (Obninisk: SSC IPPE, 2001): Всероссийская конференция «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002); X Национальная конференция по росту кристаллов НКРК-2002 (Москва, 2002); Ш Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP) на базе XLI Международного семинара «Актуальные проблемы прочности» (Тамбов, 2003); Вторая Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященная памяти М.П. Шаскольской (Москва, 2003); Международный междисциплинарный симпозиум «Фракталы и прикладная синергетика» ФиПС-03 (Москва, 2003); III Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», посвященная памяти академика Г.В. Курдюмова (Черноголовка, 2004); XXI Международная конференция «Нелинейные процессы в твердых телах» (Воронеж, 2004).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и 18 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка цитированной литературы, содержащего 162 наименования и приложения. Полный объем составляет 156 страниц машинописного текста, в том числе 54 иллюстрации и приложение.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертационной работе. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка результатов, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.
Комплекс in situ методов исследования нестационарной пластической деформации и разрушения моно-и поликристаллического льда
В настоящее время экспериментально установлено, что пластическая деформация кристаллов происходит неравномерно и неоднородно на различных масштабных уровнях, от атомного до макроуровня. Принято считать, что пространственно-временная неоднородность пластической деформации является фундаментальным свойством устойчивости материала к механической нагрузке. Различают три основных типа неоднородности деформации на макроуровне: - глобальная потеря устойчивости деформируемого материала перед разрушением, которая выражается в образовании шейки - локального сужения поперечного сечения образца перед разрывом; этот вид неустойчивости характерен практически для всех материалов, деформируемых одноосным растяжением [5]; - зуб текучести, который выражается в однократном резком падении приложенного напряжения и, соответственно, наличием верхнего и нижнего пределов текучести. Зуб текучести связывают с прохождением через образец макроскопической полосы деформации, так называемой полосы Людерса, на фронте которой, как предполагается, происходит интенсивное размножение дислокаций [5-16]. Зуб текучести характерен для таких технологически важных материалов как кремний, кремнистое железо и ряд других; - скачкообразная или прерывистая пластическая деформация металлов, выражаемая в появлении почти периодических скачков на кривых нагружен ия, рассматриваемых как автоколебания материала под нагрузкой. Различают низкотемпературную скачкообразную деформацию металлов, которая наблюдается при температурах, значительно меньших дебаевской температуры [17-27], и прерывистую деформацию, наблюдаемую при температурах выше или порядка дебаевской [28—46]. Последняя, в свою очередь, имеет два основных вида: а) появление ступеней на кривых нагружения в мягкой деформационной машине с постоянной скоростью возрастания приложенного напряжения - эффект Савара Массона [23, 38]; б) появление скачков (зубцов, т.е. падений напряжения) на кривых деформирования в жесткой испытательной машине с постоянной скоростью деформирования - эффект Портевена - Ле Шателье [1,28,46]. Скачкообразная деформация характерна для широкого круга металлов и сплавов, в том числе высокотехнологичных, таких как сплавы Al - Mg. Ее исследование имеет очень важное значение для промышленности, так как скачкообразная деформация ухудшает механические свойства и качество поверхности промышленных изделий, получаемых штамповкой, волочением и т.д. Несмотря на многолетние исследования скачкообразной деформации металлов, ее механизмы до конца остаются не ясными. В то же время, вопросы неоднородности деформации становятся все более актуальными и в практическом плане. Неоднородность деформации, с одной стороны, оказывает сильнейшее влияние на технологические свойства (штампуемость, обрабатываемость, свариваемость), а с другой стороны - во многом определяет эксплуатационные (в том числе такие, как качество поверхности) и механические свойства материалов в изделиях [47—53].
В настоящей работе на базе литературных данных систематизированы основные механизмы скачкообразной пластической деформации металлов.
После классических экспериментов, проведенных в 1813 г. Дюло, впервые описавшим нерегулярности, наблюдаемые при измерении деформаций в процессе испытаний с помощью мертвой нагрузки, едва ли не каждое десятилетие приносило новые данные о явлении прерывистости деформирования. Если нагружение производится мертвой нагрузкой, эта прерывистость проявляется в виде ступенек в графике функции отклика, что при описании поведения образца привело к использованию термина «феномен ступенек». Трактовки явления менялись, начиная от данной Массоном (Masson, 1841]), ссылавшимся на то, что в 1837 г. Савар рассматривал явление как фундаментальное свойство стабильности материала и до Вертгейма (Wertheim 1844), предположившего, что соответствующий выбор условий опыта позволит исключить эффект. Поскольку «жесткие» испытательные машины, созданные в конце XIX века, могли скрыть это явление и, за исключением особых обстоятельств, обеспечивали гладкие кривые, удобные для промышленности, в основном решили, что прерывистость была связана с несовершенством испытательных машин и имеет малое или, во всяком случае, не фундаментальное значение [28].
Портевен и Ле Шателье (Portevin et Le Chatelier) предприняли в 1923 г. первую попытку изучения прерьшистости, рассматривая ее как основную цель работы, и это через 86 лет после утверждения Савара о том, что указанный вопрос имеет фундаментальное значение. Портвен и Ле Шателье не ссылались на Савара или на Массона. В своих опытах со сплавами: алюминий 4.5% меди и алюминий 4.5% меди 0.5% магния, используя «жесткую» испытательную машину при скорости деформирования 8% в минуту, они заметили появление отметок на образце и эпизодически возникавшие внятные звуки, связанные с появлением каждой ступени прерывистости [46].
Для мягкого нагружения с помощью «мертвой» нагрузки, когда задана история нагружения, а деформация — регистрируемая переменная, прерывистости проявляются в форме, показанной на рис. 1.1., в условиях растяжения алюминия низкой чистоты с постоянной скоростью нагружения или на основании опытов на кручение образцов из того же материала при медленном нагружении, проведенных Диллоном (Dillon, 1963, 1964, 1966, 1967) и Кенигом и Диллоном (Kenig and Dillon, 1966), в условиях последовательного, очень малого приращения нагрузки (Рис. 1.2). Скорее обнаруживаются ступени в графике зависимости напряжение — деформация при использовании машин с нагружением мертвой нагрузкой, чем зубчатость в графике этой зависимости при использовании жесткой испытательной машины; это делает «машины» первого типа более подходящими для изучения прерывистости в протекании деформации образца.
В двадцатом столетии первым экспериментальным исследованием прерывистых шагов при (мягком) нагружении мертвой нагрузкой была работа Хансона и У илера. На протяжении примерно полутора лет (573 дня) они добавляли с интервалами во времени очень малые грузы к растягиваемому образцу из поликристаллического алюминия [28]. Первые систематические исследования эффекта Савара - Массона были проведены Э. МакРейнольдсом в 1949 г. [38]. Опыты МакРейнольдса с использованием машины с мягким нагружением мертвой нагрузкой проводились при различной температуре окружающей среды. Его опыты послужили моделью для большей части интенсивно проводившихся в 60-х гг. исследований феномена ступенек. Большинство основных свойств прерывистости конечной деформации было обнаружено впервые МакРейнольдсом, включая его фундаментальное открытие медленной волны, которая сопутствует прерывистому деформированию и теперь носит его имя.
Анализ связи электромагнитного сигнала с динамикой скоплений заряженных дислокаций во льде
Эффект Портевена - Ле Шателье (ПЛШ) наблюдается при деформировании многих разбавленных сплавов. Он проявляется в ограниченной области температур и скоростей деформации и не связан с какими-либо кристаллографическими ориентациями. Со времени первого описания этого явления А. Ле Шателье (Andre Le Chatelier) в 1909 г. [54] и затем более подробного Портевеном (Portevin) и Ле Шателье в 1924 г. [46] оно представляет объект многочисленных экспериментальных и теоретических исследований. В настоящее время признано, что неустойчивость ПЛШ связана с эффектом динамического деформационного старения (ДЦС) [55-61], в основе которого лежит взаимодействие подвижных дислокаций и атомов растворенной примеси. В некоторых условиях на процесс динамического старения может накладываться процесс разрезания преципитатов дислокациями. В то же время, несмотря на значительные усилия, прилагаемые в теоретической области, еще не существует модели, способной адекватно описать все экспериментальные результаты.
Макроскопически эффект ПЛШ характеризуется неоднородностью деформации в пространстве и во времени. Временная неоднородность проявляется в виде особенностей на кривой деформации. При растяжении образца на жесткой машине (режим постоянной скорости деформации є) кривая демонстрирует серию зубцов. В режиме деформации с постоянной скоростью каждый сброс связан с возникновением отдельной полосы, в пределах которой скорость пластического точения значительно превышает скорость деформации окружающего материала.
Теоретически проще описать режим с постоянным &, поскольку в случае с постоянным є регистрируется отклик деформационной машины, а не внутренняя характеристика процесса. Однако режим с постоянным є был наиболее подробно исследован экспериментально, и, кроме того, в этом случае на кривой деформации разрешаются более мелкие события (связанные с возникновением отдельных полос).
Различают несколько типов неустойчивости, связанной с эффектом ПЛШ [37, 42]. Все типы могут наблюдаться на одних образцах, переходя друг в друга при изменении экспериментальных параметров. Как показали прямые наблюдения поверхности образцов в процессе деформации, каждый тип кривой связан с определенной картиной локализации деформации. Обычно рассматривают три типа деформационных кривых (рис. 1.11).
Тип А. Этот тип характеризуется распространением деформационных полос, которые образуются периодически в одном и том же месте, обычно на конце, и распространяются вдоль образца. Резкое возрастание и последующий сброс напряжения отмечают инициацию полосы, затем следует относительно гладкий участок кривой, соответствующий ее распространению.
Тип В. При этом типе неустойчивости наблюдается относительно регулярное следование скачков, напряжение возрастает выше уровня кривой и падает ниже ее уровня. Деформация локализована, места появления полос коррелируют между собой, каждая последующая полоса возникает по соседству с предыдущей. Когда серия полос доходит таким образом до края образца, инициация новой серии отмечается некоторым поднятием среднего уровня кривой деформации.
Тип С. Кривая этого типа имеет характерный пилообразный вид, относительно периодические скачки падают ниже ее основного уровня, соответствующего устойчивым участкам. Каждый скачок напряжения связан с инициацией локализованной полосы деформации, возникающей каждый раз в произвольном месте.
Классификация типов неустойчивости носит иерархический характер, при деформации одних и тех же образцов изменение внешних параметров (скорости деформации, температуры) приводит к последовательным переходам одного типа в другой. Приблизительная диаграмма существования описанных типов неустойчивости пластической деформации в пределах области проявления эффекта ПЛШ представлена на рис. 1.12. В литературе встречаются также и некоторые другие, более редкие типы, которые наблюдаются при специальных условиях деформации [62].
Приведенная классификация хорошо изучена на поликристаллических образцах, в которых наблюдаются ярко выраженные типы деформационных кривых и пространственной корреляции процессов дислокационного скольжения. В то же время кривые деформации монокристаллов менее регулярны, и их не удается строго классифицировать. Природа отличий в проявлении эффекта ПЛШ в поли- и монокристаллах также остается неясной. Согласно работе [64] при є0 = const тип полос деформации (область макролокализации деформации) определяется в соответствии с типом зубцов прерывистой текучести. Для А1-5ai.%Mg наименьшим скоростям деформирования (є0 5-10 sc_l) отвечают наиболее широкие полосы деформации (тип С) с шириной и =1.5 мм (длина образца - 32 мм, поперечное сечение - 0.52x5 мм ). Ширина полос деформации уменьшается с ростом є , одновременно уменьшается величина зубцов до полного исчезновения, что соответствует w=0.3...0.5 мм (тип А). Первая полоса типов А, В, С всегда зарождается рядом с одной из галтелей образца. Для полос типа С следующие полосы образуются хаотично по длине образца, хотя в конечном итоге может образоваться пространственная периодическая полосовая макроструктура. Для полос типа В (КГ4 с-1 eQ КГ3с_) каждая последующая полоса зарождается рядом с предыдущей. Каждое плато на диаграмме «напряжение - время (деформация)» соответствует одной серии полос, заполняющей всю рабочую длину. Образование отдельных полос типов В и С приводит к срывам на деформационной кривой. Для полос типа А (е0 510"3с"1) быстрая смена моментов зарождения и роста пространственно связанных полос обусловливает формирование практически непрерывно распространяющегося фронта деформации. При этом продвижение фронта связано с зарождением и образованием каждой последующей полосы. Нерегулярности на диаграмме «напряжение - время (деформация)», при образовании зубцов типа А соответствуют изменениям в скорости распространения этого фронта, связанным с локальными неоднородностями или с отражениями фронта деформации от концов образца. В работе [65] для сплава Cu-2SA%Zn выделено два типа распространения полос и соответствующих им зубцов. При высокой температуре наблюдается деформационная кривая с зубчатостью типа В, которой соответствует последовательное образование полос по длине образца. Зарождение каждой новой полосы возможно лишь после повышения напряжения до величины, при которой произошел предыдущий срыв или выше. Авторы [30] называют такой тип распространения полос прерывистым. При низкой температуре кривая растяжения имеет вид с зубчатостью типа А. Ей соответствует непрерывное распространение деформационного фронта, зародившегося на концентраторе напряжений (у галтели образца), от одного конца образца к другому. В работе [65] распространение такого фронта связывают с непрерывным расширением одной полосы, хотя, по-видимому, здесь имеет место развитие деформации за счет распространения полос типа А [64].
Расширение одиночной полосы деформации. Электромагнитный и акустический отклик
Кубен и Эстрин считают, что отрицательная скоростная чувствительность связана с динамическим деформационным старением при взаимодействии подвижных дислокаций со стопорами типа дислокационного леса и примесными атомами. Подвижные дислокации вначале задерживаются на различных препятствиях, а потом дополнительно закрепляются примесными атмосферами, формирующимися из примесных атомов путем их диффузии либо из объема, либо по дислокациям леса («трубочная диффузия») [77]. Связывая микро- и макроскопические параметры, Кубен и Эстрин рассматривают вместе с диффузионными процессами кинетику эволюции плотностей подвижных дислокаций и дислокаций леса В работах других авторов [78, 79] также показано, что взаимодействие подвижных дислокаций с примесными атмосферами может приводить к аномальной скоростной зависимости сил трения, что, в свою очередь, вызывает появление скачкообразной деформации. В работе [80] степень развития динамического деформационного старения связывают одновременно с деформационной (обусловленной деформационным упрочнением) и фрикционной (определяемой взаимодействием дислокаций с примесными атомами) составляющими напряжения течения.
В некоторых моделях в качестве основного условия, вызывающего скачкообразную деформацию, принимается локализация деформации [83, 84]. Л.Е. Попов и Н.А. Александров [83] показали, что образование скачков напряжения можно объяснить, предположив, что во время деформирования в некоторых частях образца деформация может приостанавливаться. В то время как процесс деформации развивается в части А образца, неучаствующая в деформации часть В выдерживается под нагрузкой и упрочняется за счет старения. Это соответствует условию Аст(эА) Дсг , где А ТдА) — возрастание напряжения течения деформирующейся части А с момента прекращения деформации в части В, Асг -возрастание напряжения течения не деформирующейся части В. Образование скачка возникает в тот момент, когда Аст = Асг »т.е. начинается деформация в части В.
В работе [84] также теоретически показано, что отрицательная скоростная чувствительность сопротивления деформированию не всегда является необходимым условием появления зубчатости. Дубик и Корбел [85—87], экспериментально определившие, что скачкообразная деформация может возникать при положительной величине скоростной чувствительности сопротивления деформированию, предложили схему, согласно которой отрицательная чувствительность, наблюдающаяся в ряде случаев при скачкообразной деформации, является лишь кажущейся величиной. Согласно их модели, эффективное напряжение Оф, которое необходимо для образования полосы деформации, складывается из приложенного аа и внутреннего аы: а = та+ аш. При этом аы зависит от времени релаксации. Очевидно, что при меньшей скорости нагружения уменьшение аы будет более заметным, что вызовет необходимость увеличения аа для достижения критического значения а . Таким образом, модели, предложенные в [83, 84], и, главным образом, экспериментальные результаты, изложенные в [85-87], противоречат положению о том, что отрицательная скоростная чувствительность является необходимым условием появления прерывистой текучести. Ряд теорий рассматривает прерывистую текучесть как результат коллективного или самосогласованного поведения дислокаций [71, 81]. При этом обычно анализируются дифференциальные уравнения, описывающие изменение скорости или плотности дислокаций, а также концентрации точечных дефектов. Как коллективное рассматривается поведение дислокаций при прерывистой текучести в работах Кубена и Эстрина [77, 78]. В работе [88] делается вывод о том, что скачкообразная деформация соответствует макроскопически когерентным типам дислокационного скольжения, обусловленным аномальной скоростной чувствительностью напряжения течения, которая вызывает рост флуктуации напряжений до макроуровня. При этом используется статистический подход к описанию мезоскопических флуктуации деформации и напряжения с учетом дислокационной динамики. Как коллективное описывается поведение дислокаций в предложенной ранее М.А. Кришталом и А.Н. Харитоновым [89] модели изменения дислокационной плотности со временем. Изменение дислокационной плотности р в локальном объеме, в котором наряду с процессом размножения дислокаций происходит их блокировка и аннигиляция, согласно [89], описывается нелинейным дифференциально-разностным уравнением где pt, и р, определяются в данный момент времени, a pt_h получено ранее при t -10; рг -предельное значение плотности дислокаций, r0 = const. Такое уравнение дает три вида изменения от времени: 1) плотность дислокаций монотонно увеличивается, приближаясь к предельному значению; 2) плотность дислокаций совершает затухающие колебания относительно предельного значения; 3) колебания плотности нарастают. В работе [81] предлагается механизм потери устойчивости, согласно которому пластическая деформация в зонах локализованной деформации обеспечивается взаимно связанной эволюцией ансамбля подвижных дислокаций плотности р и неравновесных вакансий концентрации п. При этом для определения зависимостей p(t) и n(t) записываются уравнения в виде p = f(p,n), n = f(n,p). Такая система описывает взаимосогласованное поведение в ансамбле движущихся дислокаций и вакансий. Авторы [81] дают каждому члену полученных уравнений трактовку с привлечением микромеханизмов пластической деформации и анализируют характер решения полученной системы, зависящего от соотношения различных параметров. Отдельно следует выделить работы по численному моделированию скачкообразной деформации и локализации деформации, сочетающие физические подходы и различные вариации метода конечных элементов [90-92]. В таких моделях образец разбивается на конечные элементы заданной формы. Поведение материала внутри таких элементов описывается в микроскопических и/или мезоскопических терминах. Затем вводится начальная неоднородность как результат случайного распределения по элементам образца отклонений деформаций или напряжений от среднего значения. Начальное возмущение может бьпъ введено также в один из элементов при сохранении однородного состояния по остальным элементам. Далее пошагово рассчитывается развитие изменений распределения напряжений и деформаций по образцу (для моделирования локальной неоднородности) и их средних значений (для моделирования деформационных кривых).
В целом такие модели позволяют описать прерывистую текучесть и эволюцию локализации деформации во времени. Безусловный интерес представляют полученные в работе [90] результаты моделирования локализации деформации в полосах деформации. Основные физические представления закладываются здесь при описании поведения отдельных элементов. Так, в работе [91] описание сделано в терминах эволюции дислокационной плотности, эффективного времени старения при взаимодействии дислокаций с примесными атомами, а также «мгновенной» положительной скоростной чувствительности напряжения течения. При этом используется более 10 параметров, выбор которых достаточно произволен. В работе [92] в основе модели лежит приписываемая материалу зависимость напряжения течения от скорости деформирования с аномальным участком отрицательной скоростной чувствительности.
Влияние продолжительности старения на тонкую структуру скачков деформации
В отличие от диэлектрических материалов, в которых дислокации электрически заряжены и при своем движении генерируют легко измеряемые электромагнитные сигналы, обнаружить электромагнитные эффекты в металлах затруднительно из-за высокой проводимости и, соответственно, малых времен релаксаций заряда по сравнению с характерной длительностью скачков пластической деформации [3]. В настоящей работе исследовалась скачкообразная пластическая деформация сплавов Al-Mg новым бесконтактным электромагнитным методом, разработанным на базе метода ЭМЭ применительно к изучению нестационарных явлений пластического течения металлов, в сочетании с традиционными оптическими методами исследования кинетики скачков деформации и динамики деформационных полос.
Сущность электромагнитного метода состоит в следующем. На металлический образец подается постоянное напряжение UQ. Образец приобретает заряд, распределенный по его поверхности в тонком слое толщиной, равной длине экранирования 8. В модели свободных электронов 8 «/у, где rf — фермиевский радиус экранирования [121]: - энергия Ферми, /і - концентрация электронов, є - элементарный заряд, є0- электрическая постоянная, а0 = 4/г0Й2/(/ие2)- боровский радиус, Й- квант действия, т - масса электрона. Для обычных металлов п » 1022-1023 см"3, поэтому типичное значение радиуса экранирования г/ 10"8 см, т.е. соизмеримо с межатомным расстоянием.
В результате выхода на поверхность кристалла дислокационного скопления из N дислокаций образуется ступенька высотой Ax=N-b„, где Ь„ - проекция вектора Бюргерса на нормаль к поверхности. Поэтому в условиях локализации пластической деформации на мезо-и макроуровне, когда N \02, Ах»г/, эволюция дислокационного ансамбля вызовет изменение электрического поля вблизи деформируемого образца, причем временная зависимость потенциала поля p(t) в фиксированной точке пространства будет отражать кинетику формоизменения поверхности с временем интегрирования, равным времени релаксации поверхностного заряда т, »{R0+R){C+CQ), где R0 и С0 — сопротивление и емкость образца, С - выходная емкость источника постоянного напряжения, R -сопротивление проводника, соединяющего источник напряжения с образцом. Для металлического образца сантиметровых размеров сечением 10 мм2 /? 10 5 Ом, CV-1 пФ, тогда как типичное значение /?—10"3 Ом. Принимая С 102 мкФ для оценки сверху времени релаксации заряда, получим г/ 10"7 с, что значительно меньше характерных времен формоизменения поверхности образца, связанных с коллективными дислокационными процессами на мезо- и макроуровне: типичное время эволюции дислокационного скопления, генерируемого источником Франка - Рида, или источником типа концентратора напряжений порядка 10"4 — 10"5 с [122] (мезоуровень), а время распространения полос Людерса или полос Портевена - Ле Шателье КГ -ІО"3 с [1] (макроуровень). Поэтому путем измерения потенциала электрического поля вблизи деформируемого заряженного образца в полосе частот 10-Ю5 Гц можно бесконтактно контролировать динамику его поверхности, связанную со скачками пластической деформации на мезо- и макроуровне.
Для измерения потенциала поля может быть использован емкостный зонд в виде расположенной на расстоянии d параллельно поверхности образца пластины, соединенной со входом высокоомного широкополосного вольтметра (Рис. 2.3). При смещении поверхности кристалла за время At« rd =Rj„ ш(Ср + Сы ) («электрометрический» режим измерения) по направлению нормали к зонду на величину Ax«d, на входе вольтметра возникнет сигнал где Ср 1 пФ - емкость системы зонд-образец, Сщ и Ru, - входная емкость и сопротивление вольтметра, Td — постоянная времени дифференцирования сигнала. Так как характерные частоты событий пластической деформации на мезо- и макроуровне находятся в интервале 10-105 Гц, то для исследования их кинетики данным методом необходимо использование широкополосных малошумящих вольтметров. При выполнении входного каскада на полевом транзисторе (расположенного в непосредственной близости от зонда) с Яы 1012—101 Ом и
Сл 10 пФ достигается полоса пропускания электрического канала регистрации от 10" — 10 Гц до 3 МГц со среднеквадратичным шумом в области низких частот 10 мкВ. Легко измеряемые сигналы А р 30 мкВ при /0 100Ви / 1 мм соответствуют, согласно формуле (2.2), смещению поверхности на расстояние Дх 10 нм, реализуемого при выходе дислокационного скопления из нескольких десятков дислокаций.
Для увеличения чувствительности к быстропротекающим нестационарным процессам пластической деформации, выявления и изучения тонкой временной структуры скачков деформации можно использовать «дифференциальный» режим измерения, устанавливая постоянную времени дифференцирования сигнала меньше характерного времени развития неустойчивости пластического течения, т.е. Td « А/. В этом случае электрический сигнал cp(f) будет пропорционален производной по времени смещения поверхности относительно зонда, т.е. средней по площади зонда мгновенной скорости движения боковой поверхности, связанного со скачком пластической деформации.
