Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Неустойчивая пластическая деформация и проблема деформационных полос 9
1.1. Классификация пространственно-временных неустойчивостей макропластической деформации металлов 9
1.1.1. Феноменологическая классификация Эстрина 9
1.1.2. Неустойчивость, связанная с деформационным разупрочнением
1.1.3. Неустойчивость, связанная со скоростным разупрочнением 11
1.1.4. Тепловая неустойчивость 14
1.1.5. Классификация Кокса 15
1.2. Полосы Людерса 16
1.2.1. Зуб текучести и полоса Людерса 16
1.2.2. Структура полос Людерса 17
1.2.3. Распространение полос Людерса 20
1.2.4. Механизмы распространения фронта Людерса 23
1.3. Эффект Портевена-Ле Шателье 27
1.3.1. Феноменология эффекта ПЛШ 27
1.3.2. Релаксационные осцилляции 31
1.3.3. Распространение полос ПЛШ. Проблема пространственной связи 33
1.4. Эффект Савара-Массона 39
1.5. Постановка задачи исследования 41
Глава 2. Комплекс in situ методов исследования скачкообразной деформации металлов 42
2.1. Мягкая деформационная машина 42
2.2. Оптические и акустические методы 43
2.3. Материал исследования 45
2.4. Выводы 52
Глава 3. Зарождение и начальные стадии распространения полос деформации 54
3.1. Первая критическая деформация 54
3.2. Кинетика и геометрия первых полос деформации в сплаве АМгб с преципитатной микроструктурой 56
3.3. Кинетика и геометрия первых полос деформации в сплаве АМгб с рекристаллизоваиной структурой 62
3.3.1. Докритический и закритический рост полосы Людерса 62
3.3.2. Структура и кинетика ветвления фронта Людерса 66
3.3.4. Фрактальный анализ ветвящегося фронта Людерса 69
3.4. Подвижность деформационных полос и скоростная чувствительность 69
3.5. Механизмы потери устойчивости пластической деформации в сплаве АМгб с различной исходной микроструктурой 77
3.6. Выводы 80
Глава 4. Кинетика и морфология полос деформации Савара-Массона 81
4.1. Классификации полос Савара-Массона. Морфологическая диаграмма 81
4.2. Механизм пространственной связи. Каскадное размножение полос 86
4.3. Акустический и оптический мониторинг полос деформации Савара-Массона 92
4.3.1. Динамика деформационных полос и АЭ в сплаве АМгб с преципитатной микроструктурой 94
4.3.2. Динамика деформационных полос и АЭ в сплаве АМгб с рекристаллизованной структурой 100
4.4. Выводы 108
Глава 5. Неустойчивая сверхпластичность сплава АМгб 109
5.1. Введение 109
5.2. Особенности методики 111
5.3. Монотонная и скачкообразная составляющая кривой нагружения 112
5.3.1. Идентификация сверхпластичного состояния 114
5.3.2. Эволюция скачкообразной составляющей СПД 117
5.4. Анализ корреляции нестационарных процессов СПД 119
5.5. Выводы 122
Выводы по работе 123
Литература 125
Приложение 143
- Феноменологическая классификация Эстрина
- Оптические и акустические методы
- Кинетика и геометрия первых полос деформации в сплаве АМгб с преципитатной микроструктурой
- Механизм пространственной связи. Каскадное размножение полос
Введение к работе
Актуальность темы. Пластический деформируемый кристалл представляет собой пример нелинейной неравновесной (диссипативной) системы - ансамбля дефектов кристаллической решетки. При определенных условиях такие системы демонстрируют явление самоорганизации на различных масштабных уровнях. В последнее время возрос интерес к изучению нелинейных эффектов в макрокинетике пластически деформируемого кристалла, обусловленных пространственно-временной самоорганизации движения больших групп дислокаций - основных носителей пластического течения.
При изучении процессов переноса в нелинейных системах различают две задачи: прямую, когда заданы силы, а откликом являются неустойчивые потоки и обратную, в которой заданы потоки носителей переноса, а исследуется сложный силовой отклик системы. Соответственно, неустойчивая пластическая деформация твердых тел на макроуровне проявляется в двух ситуациях: 1) при нагружении с постоянной скоростью роста напряжения а0 = const регистрируется ступенчатая кривая деформации e(t) с амплитудой скачков до ~ 10 % (эффект Савара-Массона[1]); 2) при деформировании с постоянной скоростью є0= const регистрируется зубчатая кривая изменения напряжения u(t) с повторяющимися скачками разгрузки («зубцами») системы машина-образец амплитудой до нескольких процентов (эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) [1, 2]). В обеих ситуациях самоорганизация во времени сопровождается пространственной самоорганизацией — локализацией пластической деформации в статических или распространяющихся полосах деформации [2-4].
Типичными модельными материалами для исследования прерывистой деформации являются поликристаллические сплавы Al-Mg с содержанием магния 2-6 %. Полосы макролокализованной деформации создают технологический брак при производстве листового проката алюминиевых сплавов: они портят качество поверхности промышленных изделий и могут вызвать коррозию и преждевременное разрушение.
Ранние представления о прерывистом течении связывали его с механизмом динамического деформационного старения (ДДС) дислокаций. Однако модели, развитые на этой основе, создавали проблему отбора скорости и ширины деформационной полосы, которые оставались неопределенными. В последующих нелокальных моделях исследовалась природа пространственной связи, обеспечивающей распространение полосы с определенной скоростью и шириной [5-10]. В качестве механизмов связи рассматривались: двойное поперечное скольжение [5], концентрация локальных напряжений в полосах деформации [2,7], трехмерные напряжения (фактор Бриджмена) [5,7], внутренние напряжения, связанные с макронеоднородностями пластической деформации [8, 9] и неоднородным распределением теплового поля [10], дальнодействующее скоррелированное движение большого количества дислокаций [6, 7]. Однако из-за отсутствия систематического экспериментального тестирования этих механизмов многие вопросы остаются неясными. Наиболее важными среди них являются механизмы зарождения полос и роль размножения дислокаций в
развитии прерывистой деформации. Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию in situ динамики зарождения, размножения и распространения полос макролокализованной деформации в условиях нагружения с постоянной скоростью &0~ const (прямая задача) промышленного алюминий-магниевого сплава АМгб, применяемого в автомобильной промышленности и авиационной технике.
Цель работы: на основе комплексного анализа данных скоростной видеосъемки распространяющихся полос макролокализованной деформации, сигналов акустической эмиссии и данных измерений деформационных скачков исследовать динамику и механизмы неустойчивой деформации промышленного сплава АМгб при растяжении с постоянной скоростью роста напряжения.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
-разработать методический подход для исследования динамики полос макролокализованной деформации с временным и пространственным разрешением, достаточным для выявления тонких деталей их эволюции, включая зарождение, взаимодействие друг с другом и т.д. и позволяющим количественно оценивать роль полос в скачкообразной деформации металла, деформируемого с постоянной скоростью роста напряжения, т.е. в условиях проявления эффекта Савара-Массона;
-исследовать in situ кинетику и морфологию процессов зарождения и распространения полос Савара - Массона в сплаве АМгб методами высокоскоростной видеосъемки и акустической эмиссии;
исследовать влияние искусственного старения и рекристаллизационного отжига холоднокатаного сплава АМгб на кинетику и морфологию полос макролокализованной деформации; экспериментально построить морфологическую диаграмму полос деформации Савара-Массона;
выявить и исследовать скачкообразную составляющую сверхпластической деформации сплава АМгб;
-экспериментально выявить механизмы прерывистого течения сплава Al-Mg, деформируемого с постоянной скоростью возрастания нагрузки.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые:
- с временным разрешением 0.2 мс и пространственным 10 мкм исследован
переход между устойчивым и неустойчивым деформационным поведением
сплавов АМгб с преципитатной и рекристаллизованной микроструктурами и
выявлен бифуркационный переход в окрестности температуры ограниченной
растворимости (температуры сольвус Tsv « 275 С) между плоской и
дендритоподобной морфологией фронта Людерса;
-установлено, что кинетика полосы Савара-Массона характеризуется двумя противоположно направленными скоростями бокового роста, составляющими несколько см/с и скоростью вершины, достигающей -10 м/с;
- установлено, что полосы Савара-Массона размножаются по механизму «цепной
реакции»: границы расширяющейся полосы генерирует вторичные полосы,
границы вторичных полос генерируют полосы третьего поколения и т.д. В
результате эволюция неустойчивой деформации на фронте макроскопического
скачка описывается бифуркационной диаграммой, характерной для нелинейных
неравновесных динамических систем. Показано, что основная доля деформации в
скачке амплитудой ~ 1-10 % осуществляется эстафетной передачей деформации в
соседние области поликристалла за счет каскадного размножения полос Савара-
Массона;
-экспериментально получена морфологическая диаграмма полос деформации
Савара-Массона;
-установлено, что зарождение полос и скачки скорости полос сопровождаются
всплесками сигналов акустической эмиссии (АЭ), позволяющими исследовать
тонкую временную структуру скачков пластической деформации;
- выявлена скачкообразная составляющая скорости сверхпластической
деформации сплава АМгб со степенным спектром мощности, указывающем на ее
фликкер-шумовую структуру с флуктуирующим временем корреляции.
Научная ценность и практическая значимость работы. Научная ценность полученных результатов состоит в том, что при растяжении материала с постоянной скоростью роста напряжения, основным механизмом развития скачка деформации амплитудой ~ 1-Ю %, как установлено в работе, является каскадное размножение полос деформации Савара-Массона; в результате эволюция пластических неустойчивостей описывается бифуркационным «деревом», типичным для диссипативных систем. Выявленный механизм пластической неустойчивости принципиально отличается от механизмов распространения солитоноподобных полос ПЛШ в условиях заданного потока 0= const,
поскольку эти механизмы рассматривают динамику консервативного (без размножения и аннигиляции) ансамбля дислокаций. Практическая значимость результатов работы определяется важностью проблемы устойчивости деформационного поведения сплава АМгб в связи с его широким применением в авиационной технике и автомобильном машиностроении. Полученные в работе результаты могут быть использованы для выбора оптимальных режимов термомеханической обработки сплава АМгб, а также для мониторинга и прогнозирования его деформационного поведения в реальных условиях эксплуатации.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
Структурно-чувствительный переход от евклидовой к фрактальной форме фронта полосы Людерса в сплаве АМгб, вызванный растворением вторичной /?(А13М2)-фазы после отжига выше температуры сольвус Tsv »275 С; переход сопровождается скачком подвижности и фрактальной размерности фронта Людерса и определен как кинетический (неравновесный) морфологический переход первого рода.
Эстафетный механизм распространения пластической деформации за счет каскадного размножения полос Савара-Массона с коэффициентом размножения около двух.
Морфологическая диаграмма полос деформации Савара-Массона, которая насчитывает шесть морфологических типов полос. Экспериментально показано, что эволюция некоторых наиболее быстрых типов полос идентифицируется по сигналу акустической эмиссии.
Неустойчивый, скачкообразный характер сверхпластической деформации сплава АМгб со степенным законом спектра мощности шума мгновенной
скорости деформации, свидетельствующим о ближней и дальней корреляции пространственно-временной структуры сверхпластической деформации.
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, 2008); XV Петербургские Чтения (Санкт-Петербург, 2005); Ш-я евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2006 (Москва, 2006); 45-я международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006); XI Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 2007); 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 9 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.
Достоверность результатов. Выводы диссертации основаны на проведении комплексных исследований, включающих сопоставление данных исходной структуры материала с характеристиками скачкообразной деформации и результатами изучения in situ нелинейной динамики распространяющихся полос деформации методами скоростной видеосъемки и акустической эмиссии; не противоречат известным положениям физики и согласуются с теоретическими и экспериментальными результатами других исследователей.
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.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и приложения. Полный объем составляет 149 страниц текста, в том числе 57 рисунков и список цитированной литературы, содержащий 268 наименований.
Феноменологическая классификация Эстрина
Если исключить процессы двойникования, мартенситные превращения и распространение полос локализованного сдвига в аморфных материалах, то основными механизмами деформационного разупрочнения, которые обсуждаются в литературе, в связи с деформационным поведением h -типа ("людерсово поведение") являются следующие [2]: 1) Динамическая рекристаллизация, которая может привести к формированию больших зерен и, следовательно, к уменьшению вклада Холла-Петча, Агн d U2, в напряжение течения (здесь г - приведенное касательное напряжение, d - размер зерна). 2) Быстрое размножение дислокаций. Этот механизм может быть эффективным при низкой начальной плотности дислокаций, в то время как чувствительность напряжения течения к скорости деформации и скорость размножения дислокаций достаточно велики. Эта ситуация типична для бездислокационных кристаллов. Более известный пример относится к монокристаллам полупроводников, в которых движение дислокации в значительной степени определяется напряжением Пайерлса. Кривые напряжения демонстрируют зуб текучести с последующей стадией упрочнения. 3) Открепление состаренных дислокаций. Этот механизм может играть роль в сплавах, где предварительно дислокации были закреплены примесными атомами, так что их освобождение от примесных атмосфер требует больших напряжений (выше предела текучести), чем напряжений, необходимых для движения со скоростями, обеспечивающими постоянную скорость деформации, которая задается жесткой испытательной машиной. 4) Разрушение ближнего порядка. Распространение одной или двух дислокаций может локально разрушить ближний порядок и уменьшить сопротивление скольжению. Такая ситуация, как предполагается, может происходить в сплавах Cu-АІ и а -латуни. 5) Перерезание преципитатов. Перерезание небольших когерентных преципитатов одной дислокацией уменьшает их эффективный диаметр в плоскости скольжения на величину вектора Бюргерса, что уменьшает напряжение, необходимое для дальнейшего сдвига и производит сильную локализацию скольжения в сплавах, которые упрочнены преципитатами. Этот механизм эффективен, если радиус преципитата порядка 10 нм. 6) Кратковременное разупрочнение вследствие изменения характера деформации. Эта группа процессов наблюдается в металлах, которые были предварительно сдеформированы при определенных условиях и затем деформируются в других условиях, которые дают другую дислокационную структуру или активизируют другие системы скольжения. Это достигается путем изменения температуры и/или скорости деформирования.
Во многих металлических сплавах при температурах 0.3-0.4 Тт (Тт - температура плавления) наблюдается прерывистое течение. Оно проявляется в появлении ступеней на кривых ползучести и кривых нагружения с постоянной скоростью возрастания напряжения &Q = const (эффект «лестницы» или эффект Савара-Массона [1, 15, 16]) или в повторяющихся скачках разгрузки («зубцах») на кривых деформации с постоянной скоростью є0 = const (эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) [17-30]). Первые наблюдения прерывистой деформации датируются серединой 19 века и связаны с экспериментами Савара (1837) и Массона (1841) на медных, стальных, латуниевых образцах в условиях ползучести. Однако пластическая неустойчивость привлекла больше внимания после появления работы Андре Ле Шателье (1909), в которой он сообщил о повторяющихся пластических скачках в малоуглеродистых сталях, наблюдаемых при повышенных температурах (область синеломкости), и после работ Альберта Портевена и Франка Ле Шателье (1923-1924), которые наблюдали прерывистое течение в алюминиевых сплавах, деформируемых с различными скоростями при комнатной температуре. Уже Саваром было замечено, что неустойчивое пластическое течение сочетается с неоднородной деформацией, поскольку пластическая деформация локализуется в полосах, которые могут быть статичными или перемещаться вдоль оси растяжения.
Теоретический анализ эффекта ПЛШ восходят к ранним работам [31-33]. На их базе была предложена модель, которая основана на JV-образной зависимости напряжения течения от скорости деформации. Спадающая ветвь этой кривой соответствует отрицательной скоростной чувствительности и связана с прерывистым течением. Микроскопическое обоснование этой модели впервые предложено в работах Коттрела [34] и Фриделя [35]. Предполагается, что примесные атомы формируют атмосферы вокруг движущихся дислокаций, которые тормозят их до тех пор, пока скорость дислокаций не достигнет некоторого критического значения. Выше этой критической скорости коэффициент диффузии примеси оказывается недостаточным для создания атмосферы, движущейся вместе с дислокацией и последняя открепляется от примесей. Это приводит к более низкому сопротивлению скольжения и, как следствие, к отрицательной чувствительности деформирующего напряжения к скорости дислокаций. Однако позже выяснилось [36, 37], что это описание не вполне адекватно, так как дислокационное движение не является непрерывным, как предполагалось в модели Коттрела. Во время ожидания дислокации перед препятствием примесные атомы диффундируют к дислокациям. Этот процесс, называемый динамическим деформационным старением, аналогичен дисперсионному старению в течение времени ожидания, которое обратно пропорционально скорости дислокации [38].
Модель скачкообразной деформации при деформировании с постоянной скоростью нагружения & = const была впервые предложена Пеннингом в 1972 г. [33]. Эта модель также основана на концепции отрицательной скоростной чувствительности напряжения течения [34, 35]. Подход Пеннинга основан на предположении, что постулируемая Коттрелом и Фриделем отрицательная чувствительность напряжения к скорости дислокаций отражается макроскопически в отрицательной скоростной чувствительности деформирующего напряжения S(s) = (dcr /дІпє)Е. Пеннинг показал, что условием возникновения прерывистого течения является сосуществование двух устойчивых деформационных режимов (называемых «медленным» и «быстрым» режимами) при одном и том же напряжении.
Оптические и акустические методы
Скоростная видеосъемка деформационных полос. Нерегулярные кривые нагружения представляют одномерные отображения процесса развития пространственно-временной неустойчивости деформации образца. Для получения более полной информации необходимо сопоставление этих временных рядов с видеорядами, способными in situ регистрировать неоднородную деформацию поверхности образца. В настоящей работе синхронно с измерением деформации для визуализации распространяющихся деформационных полос на фронте скачков деформации использовали метод видеофильмирования со скоростью 500-5000 кадр/с изменения поверхностного рельефа в отраженном рассеянном свете. Для in situ исследования динамики полос деформации использовали скоростную цифровую видеокамеру VS FAST/G6 (НПО «Видеоскан»), Для регистрации полос деформации плоского образца размерами рабочей части 6x3x1.2 мм поле зрения видеокамеры выбиралось 10x10 мм, что при скорости съемки 500 кадр/с и формате изображения 1204x1280 пикселей (пкс) соответствует разрешению около 8 мкм/пкс, т.е. размер пикселя приблизительно равен среднему размеру зерна промышленного сплава АМгб. Поэтому такая методика предназначена для in situ исследования временной эволюции рельефа поверхности металла, связанного с динамикой агрегата зерен размером от нескольких зерен (мезоуровень) до размера образца (макроуровень).
Обработка видеофильма состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени кадров видеофильма (Рис. 2.2). При такой методике обработки изображений выделяются только движущиеся объекты - полосы деформации, распространяющиеся со скоростями в интервале от vmin до vmax = LI St. При вычитании из (п + к) -го кадра п -го кадра итЫ = Sx/kSt, где Sx - размер изображения, соответствующий одному пикселю, St - временной интервал между кадрами, L - размер образца в направлении распространения полосы. В выбранном масштабе изображений и времени Sx=8 мкм, St =2 мс. При вычитании изображения и-го кадра из изображения (л-И)-го кадра, т.е. при к=\, минимальная для регистрации скорость полосы составляла тт= мм/с, а максимальная отші = 3 м/с.
Температура отжига Тт = 450 С Метод акустической эмиссии. В главе 4 описаны результаты исследования динамики деформационных полос методом акустической эмиссии (АЭ). Акустический датчик, выполненный на основе титаната бария, укреплялся через слой масла на нижней лопатке образца, связанной с базой (станиной испытательной машины). Сигнал датчика АЭ усиливался широкополосным высокоомным предусилителем (полоса пропускания 1-106 Гц), оцифровывался с помощью аналого-цифрового преобразователя с тактовой частотой 30 кГц и подавался на компьютер. Ступенчатую кривую деформации образца регистрировали с помощью цифрового индикатора смещения 1D-C125 фирмы Mitutoyo с точностью 1 мкм и частотой 10 Гц. Синхронно с регистрацией сигнала АЭ и записью скачков деформации поверхность деформируемого образца видеофильмировалась скоростной цифровой камерой со скоростью 500 кадр/с. Для исследования тонкой временной структуры скачков деформации в ряде случаев использовали отснятые видеофильмы. В этом случае деформацию измеряли с точностью 10 мкм и временным разрешением 2 мс.
Подготовка образцов. Типичными модельными материалами для исследования прерывистой деформации является поликристаллические сплавы Al-Mg с содержанием магния 3-6%. В диссертационной работе в качестве материала исследования использовали промышленный сплав АМгб, демонстрирующий явно выраженную скачкообразную деформацию при комнатной температуре. Выбор сплава АМгб определялся важностью проблемы устойчивости его деформационного поведения в связи с широким применением в авиационной технике, судостроении, химической промышленности и транспортном машиностроении. Кроме того, известно, что в сплавах Al-Mg с содержанием магния 5-6% вторичная Р (А13М2)-фаза выделяется преимущественно по границам зерен в виде субмикроскопических частиц размером 10-103 нм. Поэтому выбор сплава АМгб удобен и для исследования влияния преципитации на характеристики скачкообразной деформации и роли границ зерен в механизме потери устойчивости деформационного поведения поликристаллического сплава Al-Mg.
Горячекатаная плита сплава АМгб подвергалась интенсивной пластической деформации (ИПД) холодной прокаткой до =5. Для исследования влияния на скачкообразную деформацию структурных изменений, связанных с процессами возврата, рекристаллизации и преципитации примеси магния образцы сплава АМгб отжигали в печи электросопротивления в течение 1 часа в интервале температур Тап = 100-500 С и закаливали на воздухе. Выше температуры сольвус (т.е. температуры ограниченной растворимости) Tsv » 275 С состав сплава представляет собой а -твердый раствор магния в алюминии с рекристаллизованной зеренной структурой, а ниже Tsv, в двухфазной области, структура и состав сплавов определяется процессами возврата, первичной рекристаллизации и выделениями вторичной f5 (А1зМ2)-фазы [121-125].
Структуру образцов выявляли механической полировкой с последующей струйной электрополировкой при U — 20 В в растворе, содержащем 20% НСЮз, 70% этилового спирта и 10% глицерина, а затем электролитическим травлением в том же растворе скачкообразным понижением напряжения. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе «Neophot-2». Средний размер зерна определяли методом случайных секущих [126] по измерению не менее 300 зерен. Тонкую структуру исследовали на просвечивающем электронном микроскопе JEM-100CX и микроскопе высокого разрешения JEM-4000EX. Образцы для электронной микроскопии приготавливали струйным методом в 10% водном растворе HNO3 при температуре -30 С. Напряжение полировки U -5 В, плотность тока 0.6 А/см2. После полировки образцы выдерживали 30 мин в растворе 90Н3РО4+5СгОз+5 Н20 для снятия окисной пленки и промывали в дистиллированной воде.
Измерение микротвердости проводили методом Виккерса на приборе ПМТ-ЗМ при нагрузке 50 г. Для проведения механических испытаний образцы сплав АМгб, вырезались из листового проката в форме двусторонних лопаток с размером рабочей части 6 3х1.2 мм и подвергались одноосному растяжению с постоянной скоростью роста напряжения. Данная методика позволяла измерять скачки деформации на мезо- и макроуровне при растяжении металлического образца с постоянной скоростью роста напряжения &0 = const, т.е. в условиях проявления эффекта Савара-Массона.
Кинетика и геометрия первых полос деформации в сплаве АМгб с преципитатной микроструктурой
Фронтальная съемка. Данные скоростной видеосъемки показывают, что потеря устойчивого пластического течения плоского образца сплава АМгб с преципитатной микроструктурой начинается с зарождения первичной полосы на оптически гладкой поверхности образца. Эта полоса является триггером развития первого макроскопического скачка деформации. Первичная полоса зарождается обычно в некоторой точке на ребре кристалла (реже в других точках поверхности) обычно в средней трети рабочей части образца. На рис. 3.2. представлены видеокадры фронтальной съемки со скоростью 500 кадр/с зарождения и начальной стадии расширения первичной полосы.
Самые ранние зарегистрированные этапы распространения полосы выявляются «строчкой» светлых или темных пикселей в зависимости от угла освещения поверхности образца (рис. 3.2, кадры 2, 4). В первые миллисекунды ее ширина составляет 1-2 пикселя (8-16 мкм), что соответствует деформационным процессам в соседних зернах поликристалла с близким значением фактора Шмида. Затем полоса-триггер расширяется и через 20-30 мс переходит в полосу Савара-Массона - расширяющуюся шейку (см. рис. 3.2, кадры 14, 15). Во фронтальной проекции угол полосы Савара-Массона с течением времени стремится к значению 55-62 относительно оси растяжения.
Следует отметить, что знак угла наклона полосы Савара-Массона относительно оси растяжения зависит от кривизны первичной полосы. Действительно, можно заметить, что после того, как вершина полосы достигла противоположной ребра кристалла, она приобретает растущую со временем кривизну с центром на оси растяжения. Этот факт свидетельствует о том, что первичная полоса содержит избыток дислокаций одного механического знака («механический заряд»), который искривляет плоскости скольжения. Дугообразный фронт скольжения создает концентрацию напряжения вблизи боковых граней образца. В некоторой фазе развития полосы это приводит к массовому зарождению тонких (мезоскопических) полос скольжения от боковых граней и распространению под углом около 45, а затем коллизии в центральной части образца. Их скорость до столкновения превышает 1 м/с. За 2 мс (время между кадрами) выявляется не менее десятка 2 мм
Зарождение первичной полосы при одноосном растяжении сплава АМгб с преципитатной микроструктурой. т= 238 МПа. 70=0.22 МПа/с. Скорость видеосъемки 500 кадр/с. Цифрами отмечены номера кадров. Фронтальная съемка (вид со стороны грани 3x6 мм). Температура исскуственного старения Тап =260 С таких мезополос. Затем огибающая субструктуры мезополос приобретает форму параллелограмма с углом 55-62 с начальной шириной 1-1.5 мм. Как будет показано ниже, этот параллелограмм представляет собой границы расширяющейся шейки - полосы Савара-Массона.
Интересный случай представлен на рис. 3.3: через 4 мс после зарождения первичной полосы на расстоянии 2 мм стартует полоса, которая распространяется параллельно в противоположном направлении. Это говорит, во-первых, о том, что полоса деформации является источником дальнодействующих напряжений в образце, способных запустить дислокационные источники на расстояниях, соизмеримых с размером образца. Во-вторых, зарождение и распространение вторичной полосы с противоположным знаком энергетически выгодно, так как она уменьшает суммарный вектор Бюргерса двух скоплений и, следовательно, реализует релаксацию изгибающего момента и макроскопически дальнодействующих напряжений в образце.
Боковая съемка. Результаты компьютерной обработки боковой видеосъемки процесса зарождения первичной полосы представлены на рис. 3.4. Видно, что полоса «прошивает» сечение образца толщиной 1.2 мм не более чем за 2 мс, т.е. скорость бокового распространения не менее 0.85 м/с. Затем полоса начинает расширяться вдоль оси растяжения и через 20 мс ее ширина составляет около 1 мм, т.е. порядка толщины образца. Зависимость угла полосы от времени развития представлена на рис. 3.5. Важно отметить, что в первые 2-4 мс угол полосы составляет 42-43, т.е. меньше 45.
Известно, что в чисто упругой задаче, без участия подвижных дислокаций, плоскость максимальных касательных напряжений составляет строго угол 45 к оси растяжения. Наблюдаемый угол полосы #?, 45 можно объяснить следующим образом: вследствие инертности машины пластически не сдеформированная часть образца (область вне полосы), оказывается упруго сжатой (в испытании на растяжение), так как деформация в полосе оказывается больше деформации всего образца.
Общая характеризация ранних стадий развития деформационных полос. На рис. 3.6 представлены фотографии полос Савара-Массона в различных фазах расширения, отснятые после принудительной остановки нагружения на различных стадиях развития макроскопического скачка деформации. Видно, что в ходе расширения полосы ее границы становятся более размытыми. Как показано в [16], делокализация деформационных полос характерна для «мягкого» режима нагружения при &0 = const. Максимальная зарегистрированная ширина полосы достигает размера рабочей части образца в направлении растяжения. Следовательно, в условиях мягкого режима нагружения полосы расширяются почти в 600 раз от —10 мкм (пространственное разрешение метода) до длины рабочей части образца, 6 мм. Начальная скорость расширения полосы Савара-Массона достигает 10 см/с, средняя — около 1 см/с.
Механизм пространственной связи. Каскадное размножение полос
Фрагмент видеофильма, демонстрирующего начальную стадию развития каскада, представлен на рис. 4.3, а на рис. 4.4 - соответствующая корреляционная диаграмма у{) — временная зависимость координаты у границы полосы относительно позиции зарождения первичной полосы. Эта диаграмма синхронизировалась с данными записи скачка деформации Ає (f). Первичная полоса зародилась в центральной части образца (точка 0 на рис. 4.4). В первые миллисекунды скорость расширения полосы составляет обычно несколько десятков см/с. Затем в ходе расширения полосы скорость перемещения ее границ падает, и когда она становится меньше приблизительно 0.5 см/с, то обе границы полосы в разные моменты времени, разделенные интервалом от 2 до 100 мс генерируют вторичные полосы (см. кадры 40-43 и 58, 59 на рис. 4.3). Вторичные полосы, как правило, идентичны материнской полосе и также представляют собой расширяющиеся шейки, наклоненные под углом 55-63 к оси растяжения (кадры 3 и 43). Далее границы вторичных полос генерируют полосы третьего поколения и т.д. В результате развитие пространственно-временной неустойчивости на фронте ступени деформационной кривой описывается бифуркационным деревом, представленным на рис. 4.4 в виде корреляционной диаграммы y(f). Из диаграммы видно, что корреляционная длина - расстояние между позициями зарождения новых полос, — находится в интервале 1-3 мм, т.е. является макроскопической величиной, соизмеримой с размерами образца.
В качестве важного примера пространственно-временной корреляции отметим формирование «деформационного диполя» (см. рис. 4.3 кадры 58, 59): двух вторичных полос, зародившихся почти одновременно, в пределах 2 мс, на границах материнской полосы и распространяющихся антипараллельно вдоль этих границ. 2 мм Результаты компьютерной обработки видеофильма, демонстрирующего начальную стадию развития каскада размножения полос деформации Савара-Массона. На временном интервале 10 мс (кадры 1-5) видно расширение «материнской» полосы; кадры 40-43 демонстрируют рождение вторичной полосы на правой границе материнской полосы, а кадры 58, 59 - рождение вторичной полосы на левой границе материнской полосы; эта вторичная полоса вместе с полосой третьего поколения на правой границе образуют «деформационный диполь» (кадр 59). Скорость видеосъемки 500 кадр/с
Естественно предположить, что корреляционным полем является упругое поле полос: эволюция полосы с избытком дислокаций одного механического знака создает изгибающий момент, а эволюция полосы с избытком дислокаций противоположного знака вызывает его релаксацию для уменьшения суммарного вектора Бюргера дислокационного ансамбля. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t, С Результаты синхронизации данных компьютерной обработки видеофильма динамики полос деформации и записи скачка деформации: 1 - корреляционная диаграмма y(t), 2 - форма фронта скачка деформации Ae(t), 3 - логистическая кривая роста x(t) численности ограниченной популяции в модели Ферхюльста - Пирла [189]. Стрелкой отмечен момент зарождения первичной полосы
На завершающей стадии достаточно крупного скачка деформации (Д,т 3%) формируется «гигантская» полоса, которая расширяется на всю рабочую часть образца (рис. 4.4). Видимо предшествующие полосы создают в материале структурные изменения, способствующие распространению такой макрополосы, например, более однородное распределение примесей и/или дислокационных источников.
Описанная выше эволюция пластической неустойчивости представляет яркий пример поведения нелинейной динамической системы, когда сила, действующая на систему поддерживается постоянной (за время скачка At м 0.5 с изменение внешней силы не превосходит -0.1%), а система ведет себя нелинейно в результате спонтанного возникновения каскада бифуркаций типа «вилки». Обсудим полученные результаты в соответствие с известными представлениями о механизмах прерывистой деформации металлов. Ранние модели связывали этот процесс с динамическим деформационным старением (ДДС) [34-37, 25]. При «обычном» термоактивационном движении дислокации сила сопротивления растет с ростом скорости дислокации, так как уменьшается время ожидания перед препятствием tw D є0 и, следовательно, уменьшается вероятность его преодоления. В твердых растворах дополнительная сила торможения дислокации диффундирующими атомами примеси будет напротив падать с ростом є0, поскольку меньше примесных атомов будет сегрегировать на дислокациях, временно остановившихся перед препятствиями (дислокациями леса). В результате конкуренции этих двух факторов, скоростная чувствительность напряжения течения к скорости пластической дислокации может стать отрицательной в некотором интервале скоростей деформации. В [23, 15] показано, что в этом скоростном интервале однородная пластическая деформация становится неустойчивой и временной отклик в некотором сечении характеризуется циклическими скачками скорости, а пространственная картина демонстрирует распространяющиеся полосы деформации ПЛШ - уединенные волны переключения, па переднем фронте которых, как предполагается, происходит отрыв дислокаций от примесных атмосфер, а на заднем фронте - перезакрепление дислокаций на примесях. Ранние модели однако не решали проблемы отбора скорости и ширины полосы, которые оставались неопределенными.
В последующих «нелокальный» моделях [б, 80,85-89,98] учитывается пространственная связь между различными слоями материала посредством введения лапласиана Дбг в материальное уравнение (уравнение Пеннинга [33], см. глава 1, уравнение 1.17), связывающее напряжение течения а с деформацией є и со скоростью деформации є в некотором сечении. В работах [2,7] дан анализ механизмов пространственной связи и показано, что наиболее подходящим механизмом распространения полос деформации в условиях проявления эффекта ПЛШ является комбинация ДДС с кооперативным движением большого числа дислокаций.
