Содержание к диссертации
Введение
Часть I. Феноменология неустойчивости и мезоскопическои неоднородности пластической деформации 13
1. Различные типы неустойчивости и мезоскопическои неоднородности пластической деформации 13
2. Температурно-скоростные зависимости механических свойств при прерывистой текучести (на примере Al-Mg сплавов) 63
3. Прерывистая текучесть как причина аномалий скоростной и температурной зависимостей сопротивления деформированию 104
4. Определение и анализ переходных точек на кривых растяжения при прерывистой текучести 125
5. Размерный (масштабный) эффект и макроструктурные аспекты пластической деформации при прерывистой текучести (на примере Al-Mg сплавов) 143
6. Взаимосвязь макролокализации деформации, прерывистой текучести и особенностей акустической эмиссии (на примере Al-Mg сплавов) 166
7. Эволюция температурного поля и макролокализация деформации при прерывистой текучести 183
Часть II. Теория неустойчивости и мезоскопической неоднородности пластической деформации 201
1. Проблемы «аномальности» механических свойств материалов при различных видах неустойчивости пластической деформации 201
2. Термодинамические и кинетические аспекты неустойчивости пластической деформации 215
Заключение. Основные результаты и выводы 296
Литература 301
- Температурно-скоростные зависимости механических свойств при прерывистой текучести (на примере Al-Mg сплавов)
- Определение и анализ переходных точек на кривых растяжения при прерывистой текучести
- Проблемы «аномальности» механических свойств материалов при различных видах неустойчивости пластической деформации
- Термодинамические и кинетические аспекты неустойчивости пластической деформации
Температурно-скоростные зависимости механических свойств при прерывистой текучести (на примере Al-Mg сплавов)
Приведены результаты исследования прерывистой текучести (ПТ) алюминиево-магниевых сплавов в широком температурно-скоростном интервале деформирования. Исследованы различные типы зубчатости и их взаимосвязь с характером распространения полос деформации. Определено влияние температуры, скорости деформирования и содержания магния на характер проявления ПТ. Предложен количественный критерий прерывистой текучести, характеризующий нестабильность пластической деформации при ПТ и показывающий, какая доля деформации осуществляется в условиях потери ее устойчивости. Показано, что критерий ПТ позволяет объективно сравнивать степень прерывистости течения для различных материалов и условий деформирования. С помощью предложенного критерия определены температурно-скоростные области проявления ПТ для исследованных сплавов. Для алюминиево-магниевых сплавов установлена зависимость расположения области проявления ПТ от содержания магния. Получены зависимости критических деформации и напряжения начала ПТ, предела прочности и величины остаточной деформации в области проявления ПТ от скорости деформирования и температуры. Исследована взаимосвязь ПТ и сопротивления деформированию, скоростная чувствительность сопротивления деформированию при прерывистой текучести. Показано, что определяемая при ПТ скоростная чувствительность не может характеризовать микроструктурные процессы, а ПТ не является следствием отрицательной скоростной чувствительности сопротивления деформированию. Основные результаты изложены также в работах [276 - 285].
Во многих работах показано, что температура и скорость деформирования оказывают существенное влияние на прерывистую текучесть [76, 131, 143, 152, 159, 167, 168, 238]. Однако далеко не все закономерности и особенности изучены в достаточной мере. Основной вопрос, на который необходимо ответить - это вопрос о взаимосвязи прерывистой текучести и скоростной чувствительности сопротивления деформированию. Также остаются вопросы, касающиеся нелинейной зависимости критических деформации и напряжения начала прерывистой текучести от скорости деформирования. Недостаточно изучено влияние температуры и скорости деформирования на параметры прерывистой текучести и связанной с ней макролокализации деформации.
Из литературы известно (см. раздел 1), что наиболее ярко прерывистая текучесть проявляется на сплавах замещения, среди которых промышленные алю-миниево-магниевые сплавы часто выбирают как наиболее удобный, с точки зрения проведения испытаний, и, в то же время, представляющий реальный практический интерес объект исследования. В связи с этим в настоящей работе нами были предприняты исследования прерывистой текучести и связанных с ней явлений в широком температурно-скоростном интервале деформирования на промышленных алюминиево-магниевых сплавах1.
Фрагменты кривых растяжения сплава АМг5 при различных скоростях деформирования и сплава АМгЗ при различных температурах, в качестве примера, приведены на рис. 2.1. Аналогичные зависимости характера и параметров прерывистой текучести от скорости деформирования и температуры можно наблюдать на каждом из исследованных сплавов.
Для различных температур выделяли нижнюю и верхнюю скоростные границы области проявления прерывистой текучести (ПТ). Наиболее крупные одиночные срывы напряжения (зубцы прерывистой текучести), достигающие -10 % от предела прочности, наблюдаются вблизи нижней скоростной границы такой области. С увеличением скорости деформирования происходит постоянное снижение амплитуды зубцов аЛ. При этом число зубцов п вначале растет (максимальное число зубцов - 382 - было зафиксировано при деформировании АМг2 при Г=100 С и є0= 5,83-Ю-4 с-1), а затем уменьшается до практически полного исчезновения.
Однако увеличение скорости деформирования влияет не только на величины oh и п, но и на тип зубчатости. Представленные на рис. 2.1 фрагменты кривых растяжения различаются по типам зубчатости, которые можно обозначить в соответствии с [76] как зубцы (зубчатость) типов А, В и С (см. главу 1.3). На рис. 2.1а кривые 1-2 характеризуются наличием одиночных крупных срывов напряжения (зубцы типа С). Для кривых 3-4 заметна тенденция к группированию зубцов в пачки (зубцы типа В) и появление всплесков напряжения в сторону его увеличения с последующим падением до прежнего уровня. Кривая 6 и первая половина кривой 5 характеризуются наличием отдельных нерегулярных всплесков напряжения (зубцы типа А). На рис. 2.16, аналогично этому, кривые 1-2 следует отнести к зубчатости типа С, кривую 3 - к зубчатости типа В и кривую 4 - к зубчатости типа А. То есть с увеличением скорости деформирования или с уменьшением температуры происходит последовательный переход от зубчатости типа С к В, а затем к А. Заметим, что при зубчатости типов С и В и при переходе к зубчатости типа А наблюдается уменьшение напряжения и деформации начала прерывистой текучести с увеличением скорости деформирования, однако, при дальнейшем увеличении скорости растяжения при зубчатости типа А эта зависимость меняется на противоположную, что подробно обсуждается в главе 2.5.
Путем наблюдения за полированной поверхностью образцов в процессе деформирования (см. раздел 5) удалось установить, что зубчатость различного типа для исследованных сплавов соответствует различному характеру распространения полос деформации. Это в основном согласуется с данными работы [76], полученными на сплаве Al-5at%Mg.
Определение и анализ переходных точек на кривых растяжения при прерывистой текучести
Представлены результаты анализа зависимостей истинных напряжений от (истинной пластической деформации) (S - е112), полученные для различных скоростей деформирования сплава АМг5 в области проявления прерывистой текучести, обусловленной образованием полос деформации (ПТ). Обнаружено, что началу ПТ соответствует перегиб на линейной зависимости S-e] 2, который идентифицируется как появление новой отдельной стадии деформации. Специально разработанная методика анализа зависимостей S -еи2, позволила выделять макрооднородную часть пластической деформации при ПТ материалов. С помощью предложенной методики выявлено, что появление прерывистой текучести и соответствующий этому перегиб на зависимости S -е1 2 не сопровождаются качественными изменениями микроструктуры материала и механизма деформации на микроуровне, а обусловлены сменой механизма деформации на мезоуровне. Обнаруженная смена деформационного механизма заключается в резком увеличении элементарного объема пластической деформации за счет появления в развитии деформационных микропроцессов пространственно-временной корреляции, вызывающей макролокализацию и общую потерю устойчивости деформации. По разработанной методике экспериментально-расчетным путем определена действительная скоростная чувствительность сопротивления деформированию при прерывистой текучести, которая оказывается положительной величиной, возрастающей по мере деформации. Результаты представлены также в работах [302 - 304].
Пластическая деформация материала осуществляется путем реализации различных механизмов деформации. При этом любая смена доминирующего механизма деформации должна сопровождаться определенными изменениями на деформационных кривых.
Взаимосвязь напряжений и пластической деформации при одноосном растяжении различных поликристаллов может быть достаточно хорошо аппроксимирована параболическими зависимостями [51, 305 - 307]. В связи с этим, для выявления характерных точек на деформационных кривых, удобно представлять эти кривые в координатах S-e112, где S - истинные напряжения, е - истинная пластическая деформация. В таких координатах деформационные кривые выглядят как последовательно соединенные отрезки прямых линий. На микроуровне это может быть объяснено зависимостью напряжения течения 5 от плотности дислокаций р типа S = aGbsJp , 126 где G - модуль сдвига, Ъ- вектор Бюргерса, а - коэффициент, учитывающий степень и характер междислокационных взаимодействий [307, 308]. Отсюда, полагая е р [52], имеем S eV2 [51, 305 - 307]. В ряде работ [51, 305 - 307] показано, что отдельным стадиям деформации соответствуют различные углы наклона отрезков прямых в координатах S-e1 2. То есть точки перегибов линейной зависимости S-e112 соответствуют переходным процессам при пластической деформации.
В работах [5, 51] возникновение отдельных стадий деформационного упрочнения связывается с поэтапной перестройкой дислокационной структуры в объеме материала от однородного распределения дислокаций, последующего образования дислокационных клубков и, затем, ячеистой структуры, до формирования полосовых структур. Доминирующая в материале структура задает соответствующий дислокационный механизм деформации, что в значительной мере определяет характер деформационных кривых.
Однако в этих работах, с одной стороны, не учитывается, что деформационный процесс может приводить к нарушению сплошности материала, то есть к изменению его объема и плотности, и, с другой стороны, не учитывается возможность появления макронеоднородности пластической деформации.
В работах [306, 307] показано, что наряду с дислокационными процессами при пластической деформации происходит постепенное накопление микроне-сплошностей, что также может непосредственно влиять на характер деформационных кривых. Этот процесс предложено называть «деструкцией». В ряде случаев перелом на диаграмме S -е1П удается однозначно связать с переходом к этапу деформации, на котором доминирующим становится деструкционный механизм деформации. Такой этап деформации является пластически деструкционным, в отличие от предшествующего ему упру го пластического. Характерно то, что накапливающиеся в процессе деформации в объеме материала нарушения сплошности приводят к качественному изменению его свойств.
Однако, как будет показано ниже, не все изменения механизма деформации связаны с качественными изменениями локальных свойств и микрострукту 127
ры материала. В то же время, любая смена механизма пластической деформации (в том числе на уровне, соответствующем мезоскопическому масштабу) должна, так или иначе, отражаться на деформационной кривой. В свою очередь, для прямолинейной зависимости S от ет можно полагать, что смена основного механизма пластической деформации всегда сопровождается изменением угла ее наклона [51].
В частности, об изменении механизма пластической деформации свидетельствует появление ПТ. Ряд общих закономерностей, связанных с ПТ, позволяет выделить как общую причину и механизм ее появления периодический переход от макрооднородной к макронеоднородной деформации, обусловленный зарождением и ростом полос деформации [290]. При этом усредненная по длине образца скорость деформации в момент образования полосы может значительно превышать заданную скорость деформирования. Именно это приводит к частичной разгрузке образца, формирующей зубец ПТ [290]. В целом, появление ПТ можно интерпретировать как смену механизма деформации на мезоуровне. Полосы деформации, вызывающие зубцы ПТ, видны невооруженным глазом и, поэтому, говорят о макролокализации деформации. Однако, если принимать, что описанию деформационного поведения всего образца соответствует макроуровень, то описанию процесса образования полос соответствует промежуточный (мезо-) уровень. То есть механизм пластической деформации при образовании полос деформации, вызывающих появление зубцов ПТ, характеризуется не микро- (что имеет место до начала ПТ), а мезоуровнем.
Таким образом, основной целью настоящего раздела было выявление влияния на характер зависимости S от е1 2 появления прерывистой текучести и соответствующих этому изменений механизма пластической деформации.
Представленные далее результаты получены путем обработки кривых растяжения стандартного сплава АМг5, на котором наиболее ярко проявляется ПТ в удобном, с точки зрения проведения испытаний, температурно-скоростном диапазоне. Испытания стандартных плоских образцов с головками (размеры рабочей части 4x10x40) проводили на разрывной машине 1231 У-10 при комнатной температуре и различных скоростях растяжениях при постоянной скорости перемещения подвижной траверсы разрывной машины с допустимыми погрешностями измерения нагрузки и перемещения ±1% (см. раздел 2).
Проблемы «аномальности» механических свойств материалов при различных видах неустойчивости пластической деформации
На основании анализа имеющихся экспериментальных данных в настоящем разделе выявлено сходство мезоскопических механизмов различных видов неустойчивости пластической деформации. Показана недостаточная физическая обоснованность выводов об аномальности механических свойств при различных видах неустойчивости пластической деформации. Сделан вывод о возможности построения общей теории неустойчивости пластической деформации. Определены основные задачи при построении такой теории. (Также см. [327-329].)
Последнее время при разработке моделей различных физических, химических, биологических, социальных и других явлений все большее внимание уделяется мезоскопическим масштабам [64]. Эта тенденция также прослеживается в физике прочности и пластичности [3]. Наиболее важно, что такой подход, позволяя упростить описание пластической деформации, является физически обоснованным. Действительно, современные исследования показывают, что процессу пластической деформации присуща не только микронеоднородность, обусловленная перемещением микродефектов, но и мезоскопическая неоднородность1 [3, 6, 51, 330,331].
Характерно, что мезоскопическая неоднородность деформации, соизмеримая с размерами образца, проявляется на самых ранних стадиях пластической деформации. При этом различные факторы обусловливают формирование различных распределений деформации, как стационарных, так и меняющихся по определенным законам в зависимости от времени [3, 6, 331]. Эти результаты могут, в частности, рассматриваться как разнообразные проявления волнообразности пластической деформации [3, 330, 331]. Основные виды неустойчивости пластической деформации (прерывистая текучесть, зуб текучести, падение нагрузки при шейкообразовании перед разру- шением) также связаны с мезоскопическими неоднородностями деформации с характерными размерами порядка толщины образца (макронеоднородностями). Несмотря на то, что эти явления давно известны и широко исследовались, до сих пор остается много связанных с ними вопросов. Особенно это касается сопутствующих им «аномалий» механических свойств. Именно это, прежде всего, препятствует созданию общепризнанной единой теории этих явлений. Ниже проанализированы основные проблемы в описании прерывистой текучести, зуба текучести и шейкообразования перед разрушением и определены предпосылки к построению общей теории этих явлений. Прерывистая текучесть (ПТ) характеризующаяся появлением на кривой растяжения или сжатия повторяющихся зубцов различного типа [13], представляет интерес как широко распространенное комплексное явление, наиболее ярко выявляющее присущую процессу пластической деформации неоднородность. Как было показано выше (часть I, параграф 1.3.2), ПТ проявляется в широких темпе-ратурно-скоростных областях при деформировании большинства пластичных сплавов и технически чистых металлов, а также различных специальных (нанок-ристаллических, аморфных, порошковых, вспененных, керамических, интерме-таллидных) и полимерных материалов. Практически во всех случаях прерывистая текучесть связана с образованием полос деформации (полос), представляющих собой области макролокализации деформации в виде локальных утонений образца-шеек [76].
При анализе природы и особенностей проявления прерывистой текучести наиболее сложным и до конца нерешенным остается вопрос взаимосвязи прерывистости течения, макролокализации деформации и скоростной чувствительности сопротивления деформированию (СЧ).
Прерывистая текучесть часто обнаруживается в тех же интервалах скоростей деформирования и температур, что и аномальное явление отрицательной скоростной чувствительности сопротивления деформированию, то есть уменьшение сопротивления деформированию с ростом скорости деформирования [154]. Это вызвало появление ряда сходных моделей, объяснявших ПТ как следствие отрицательной СЧ [248, 256, 258, 286, 332]. Однако многие экспериментальные данные показывают, что отрицательная СЧ не всегда сопутствует прерывистой текучести [156, 173]. Известны также попытки теоретического описания ПТ без привлечения положения о необходимости для ее возникновения отрицательной скоростной чувствительности [154, 173, 259, 297]. В этих моделях, как правило, учитывалось, что образование зубцов ПТ связано с макролокализацией деформации в полосах деформации [173]. Однако при этом не объяснялось, практически всегда сопровождающее ПТ, снижение скоростной чувствительности сопротивления деформированию и частое появление при ПТ отрицательной скоростной чувствительности сопротивления деформированию. Так, в настоящей работе на сплавах АМг2, АМгЗ и АМг5 экспериментально показано, что определяемая из сравнения кривых растяжения, полученных при различных скоростях деформирования, величина скоростной чувствительности сопротивления деформированию уже после начала ПТ может практически плавно снижаться от положительных до отрицательных значений (часть I, глава 2.3; [276]).
Термодинамические и кинетические аспекты неустойчивости пластической деформации
Разработана и представлена общая теория неустойчивости пластической деформации, включая термодинамическую модель зарождения макрофлуктуации деформации и нелинейную кинетическую модель устойчивости пластической деформации. Приведены результаты компьютерного моделирования (как численных решений полученных уравнений), в том числе кривой растяжения с прерывистой текучестью (ПТ), зубцов ПТ различного типа, влияния скорости деформирования и размерного (масштабного) фактора на параметры ПТ и макролокализацию деформации. Также приведены результаты моделирования потери устойчивости при образовании полосы Людерса (зуб текучести) и шейки перед разрушением. Получены аналитические критерии перехода пластической деформации к неустойчивости того или иного типа, а также приближенные аналитические выражения для расчета различных параметров ПТ. Показано хорошее согласие теории с экспериментом. Экспериментально-теоретическим путем получены зависимости эффективной концентрации напряжений, характеризующей мезоструктурную неоднородность, от степени деформации и скорости деформирования (растяжения), подтверждающие релаксационный характер пластической деформации на мезоуровне. Разработанная здесь теория и полученные результаты также представлены в [68, 354-361].
Как было показано выше, полосы деформации (полосы), с образованием которых связано появление прерывистой текучести (ПТ), представляют собой области локализованной пластической деформации и проявляются в виде локальных утонений образца - шеек. Они проходят под углом -55 к продольной оси плоского образца и наблюдается на его полированной поверхности в виде характерных периодических бликов [76]. Образование каждой такой полосы осуществляется со скоростью на несколько порядков по величине более высокой, чем скорость нагружения образца, что и приводит к сбросу нагрузки (напряжения) на деформационной кривой [248].
Таким образом, полосу деформации, в соответствии с ее размерными параметрами, следует считать объемным макродефектом, образование которого сопровождается высвобождением части упругой энергии, запасенной в образце. Естественно полагать, что такое макрообразование должно развиться из некоторого существенно меньшего, нежели сама полоса объемного дефекта - зародыша полосы, который, при достижении определенных условий становится критическим, то есть способным к самопроизвольному росту. То же самое справедливо и для полосы Людерса, приводящей к возникновению зуба текучести, или шейки перед разрушением: это также области макролокализации деформации, которые можно считать объемными макродефектами, а процесс их роста сопровождается высвобождением части упругой энергии образца. (Заметим, что после формирования шейки перед разрушением образуется трещина, закритический рост которой уже полностью высвобождает упругую энергию образца.) При макролокализации деформации может высвобождаться упругая энергия, запасенная до начала образования дефекта (ПТ с зубцами типов С и В) или накапливаемая при работе внешних сил параллельно с его ростом, что может выражаться как динамически сохраняемый уровень упругой энергии в процессе роста дефекта (площадка текучести при образовании полос Людерса или ступенчатые диаграммы растяжения при ПТ в условиях постоянства скорости нагружения). Также возможен промежуточный случай, например, при образовании шейки перед разрушением, когда происходит высвобождение накопленной к моменту начала шейкообразования энергии, но одновременно продолжается нагружение образца, то есть внешние силы продолжают совершать работу.
Отметим, что вторая производная от выражения, стоящего в скобках в формуле (2.9), при а = ас - отрицательна, что соответствует максимуму энергии. Именно поэтому закритический рост зародыша макрофлуктуации деформации сопровождается высвобождением накопленной упругой энергии. димому, можно пренебречь (что сделано ниже), поскольку она связана с увеличением доли удельной истиной поверхностной энергии в величине у из-за повышения дефектности поверхности в процессе пластической деформации. 4 Рост Wx для докритического зародыша компенсируется ростом W2 и W3 в объеме дефекта фиксированного размера, а для закритического - релаксация Wx возможна только за счет захвата прилежащих к зародышу областей, то есть за счет роста дефекта. Энергия Wx фактически перекачивается из объема образца в объем зародыша, где она диссипирует путем увеличения W2 и W3 или за счет роста области локализации деформации. Другими словами, для упругой энергии образца зародыш области макролокализации деформации является резервуаром (стоком), который достигнув критического состояния начинает ускоренно расти не будучи способным поглотить внутри фиксированного размера вводимую в него энергию.
