Введение к работе
Актуальность темы 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 Наиболее явным проявлением неустойчивой пластической деформации на макроуровне является прерывистое течение сплавов, которое выражается в появлении на диаграмме нагружения скачков деформации при нагружении в "мягкой" машине (эффект Савара - Массона [1]) или в виде скачков нагрузки при деформировании в "жесткой" машине (эффект Портевена - Ле Шателье (ПЛШ) [2]) Сложное временное поведение измеряемых величин (нагрузки или деформации) кроме того, связано со сложной пространственной картиной подвижных и статических полос деформации Феноменологические модели скачкообразной деформации основаны на концепции неустойчивости пластического течения вследствие отрицательной скоростной чувствительности напряжения течения на некотором участке - N-образной зависимости напряжения от скорости пластической деформации [3]
Общепринятой микроскопической моделью такой нелинейности в
настоящее время является модель динамического деформационного старения,
которая оперирует двумя характерными временами временем ожидания
дислокации перед препятствием и временем ее старения, связанным с
характерным временем диффузии примеси к дислокации [3, 4] Долгое время
понимание скачкообразной деформации ограничивалось этой локальной
однородной моделью, трактующей механизм повторяющейся пластической
неустойчивости, но не способной объяснить ее динамику, так как в ней не
учитываются ни эволюция плотности дислокаций, ни пространственная
неоднородность микроструктуры, в частности, дислокационные субструктуры,
возникающие на разных стадиях упрочнения металла [5], роль границ зерен,
выделений продуктов распада пересыщенного твердого раствора, ротационной
моды деформации, микротрещин и пор, те большое многообразие факторов,
определяющих развитую пластическую деформацию реальных
поликристаллических сплавов [6] В то же время скачкообразная деформация наблюдается, в основном, при деформировании сплавов с ограниченной растворимостью легирующих элементов В последнее время в ряде публикаций обнаружены структурно-чувствительные проявления прерывистого течения сплавов Al-Mg, в частности, в [7] установлена зависимость начальной деформации появления скачков и их амплитуды от размера зерна сплава АМгб после интенсивной пластической деформации и отжига В связи с этим, систематические исследования взаимосвязи исходной структуры сплава на различных масштабных уровнях, от нано- до мезоскопического, с характеристиками скачкообразной деформации является актуальной проблемой Исследования в этом направлении должны дать новую экспериментальную информацию для разработки более реалистичных моделей, связывающих механизмы неустойчивой пластической деформации со структурными
изменениями в кристалле Интерес к таким исследованиям определяется, с одной стороны, отсутствием общей теории неустойчивой деформации, а с другой - их практической важностью, так как скачки пластической деформации затрудняют обработку металлических сплавов, ухудшают механические свойства и качество поверхности промышленных изделий
Скачкообразную пластическую деформацию металлов обычно исследуют в условиях проявления эффекта ПЛШ, т е при растяжении в жесткой испытательной машине, когда задается постоянная скорость деформирования 0=const, а измеряемой величиной является нагрузка и изучение кинетики нестационарной пластической деформации образца связано необходимостью анализировать силовой отклик системы машина-образец на потерю устойчивости пластического течения образца При испытаниях в мягкой деформационной машине задается режим нагружения a = a(t), а измеряемой функцией отклика является собственно деформация образца Поэтому исследование эффекта Савара-Массона по сравнению с эффектом ПЛШ может дать больше информации о кинетике развития неустойчивости пластического течения, так как она извлекается из прямого измерения нестационарной деформации e(t)
Цель настоящей диссертационной работы состояла в изучении влияния исходной структуры и фазового состава продуктов распада сплавов Al-Mg на их механические свойства и характеристики скачкообразной пластической деформации при растяжении с постоянной скоростью нагружения сг0 =const
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
разработать методический подход для исследования взаимосвязи исходной микроструктуры сплава и характеристик неустойчивой деформации, основанный на сопоставлении структурных исследований исходного состояния сплава, созданного различными видами механической и термической обработки, с данными измерения количества скачков на кривых нагружения, доли скачкообразной деформации и тд в условиях проявления эффекта Савара-Массона при нагружении с постоянной скоростью роста напряжения сг0 =const в «мягкой» деформационной машине,
выявить экспериментально переходы между устойчивой и скачкообразной деформацией сплавов Al-Mg, вызванные изменением исходной структуры сплава при различных температурах испытания и предварительного отжига,
исследовать влияние на скачкообразную деформацию структурных изменений, вызванных процессами возврата, первичной и собирательной рекристаллизацией, а также различными стадиями преципитации вторичной фазы зон Гинье-Престона, частиц /?' и /?(Al3Mg2)^a3bi,
разработать механизм влияния исходной зеренной структуры и фазового состава преципитатов на развитие неустойчивости пластической деформации ультрамелкозернистого сплава Al-Mg
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые — экспериментально установлена связь между скачкообразной деформацией сплава АМгб и стадиями распада пересыщенного твердого раствора магния в алюминии,
- установлено, что для реализации скачкообразной деформации необходимо
наличие зон Гинье-Престона в исходной рекристаллизованной структуре сплава
Al-Mg, отсутствие сегрегации примеси и вторичных выделений по границам
зерен, а также наличие предварительной пластической деформации на стадии III,
- проведены исследования влияния различных стадий преципитации
пересыщенного твердого раствора магния в алюминии на неустойчивое
деформационное поведение сплава АМгб и установлена ключевая роль зонного
старения в возникновении макроскопических скачков деформации, в то же время
показано, что выделение частиц Р' и /J-фазы не вызывает потерю устойчивости
пластического течения этого сплава,
- установлено, что скачкообразная деформация алюминий-магниевого сплава
является чувствительной функцией отклика к тонким структурным изменениям в
с сплаве, позволяющей, как обнаружено, определять температуру начала
первичной рекристаллизации, температуру сольвуса, температурный интервал
растворения зон ГШ, а также, предположительно, области температур выпадения
и растворения зон ГП2 (/?")>
- предложена феноменологическая модель скачкообразной деформации
алюминий-магниевого сплава, учитывающая в отличие от модели динамического
деформационного старения процессы распада пересыщенного твердого раствора,
аккумуляцию избыточного свободного объема в границах зерен и участие
зернограничных дислокаций в развитии макроскопической неустойчивости
пластической деформации
Научная ценность и практическая значимость работы. Научная ценность полученных результатов состоит в установленном влиянии исходной структуры поликристаллического сплава Al-Mg , в особенности зон Гинье-Престона и состояния границ зерен на характеристики скачкообразной деформации, что не находит отражения в известной из литературы модели динамического деформационного старения Анализ полученных в работе экспериментальных данных позволил предложить механизм скачкообразной деформации, основанный на представлениях о чередовании двух мод деформации внутризеренного дислокационного скольжения и коллективного зернограничного проскальзывания, дающих в итоге ступенчатую кривую нагружения Практическая значимость результатов работы определяется важностью проблемы устойчивости деформационного поведения сплавов системы Al-Mg, особенно сплава АМгб в связи с его широким применением в авиационной технике, химической промышленности и машиностроении
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты: 1 Обнаруженные структурно-чувствительные эффекты скачкообразной деформации сплавов системы Al-Mg
- переход от гладкой к ступенчатой кривой нагружения холоднокатаного сплава АМгб после отжига в температурном интервале 220-270 С, находящегося внутри области первичной рекристаллизации 200-300 С, причем наиболее резкий рост параметров скачкообразной деформации (количества скачков и доли скачкообразной деформации) наблюдается в интервале температур отжига 250-270 С вблизи температуры сольвуса Tsy=270 С, соответствующем переходу метастабильной J3' -фазы в равновесную /?(Al3Mg2)^a3y,
переход от ступенчатой к гладкой кривой нагружения предварительно отожженного сплава АМгб в интервале температур деформирования 60-100 С, соответствующем растворению зон Гинье-Престона,
переход от ступенчатой к гладкой кривой нагружения отожженных сплава АМгЗ, вызванный увеличением содержания кремния от 0 05 до 0 48%
-
Экспериментально установленные условия потери устойчивости пластической деформации сплавов AI-Mg для возникновения макроскопических скачков деформации необходимо наличие а) незакрепленных примесями и дисперсоидами границ зерен в рекристаллизованной зеренной структуре, б) зон Гинье-Престона, в) предварительной пластической деформации не менее 3-5%, соответствующей стадии динамического возврата (стадии III)
-
Механизм макроскопически неустойчивой пластической деформации сплава Al-Mg, основанный на представлении о чередовании двух мод деформации внутризеренного дислокационного скольжения и коллективного зернограничного проскальзывания
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах
III и IV Международные конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», посвященная памяти академика Г В Курдюмова (Черноголовка, 2004 и 2006), XXI Международная конференция «Нелинейные процессы в твердых телах» (Воронеж, 2004), V Международная конференция «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2004), XV, XVI и XVII Петербургские чтения (Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007), XLVI Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 2005), Ш-я евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2006 (Москва, 2006), 45-я международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, 2006), IV Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (MPFP - 2007) (Тамбов, 25-29 июня 2007 г)
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в журналах перечня ВАК и 12 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, не противоречат известным положениям физики и согласуются с 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
Струю-ура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитированной литературы, содержащего 279 наименований Полный объем составляет 139 страниц машинописного текста, в том числе 36 иллюстраций и 2 таблицы
