Введение к работе
Актуальность темы. Систематические исследования процессов пластической деформации и разрушения кристаллических твердых тел непрерывно проводятся на протяжении не менее полутора последних веков. При этом одной из наиболее интересных, важных и до сих пор не вполне понятных проблем, неразрывно связанных с пластическим течением, остается склонность последнего к самопроизвольной локализации. Практическая важность этой проблемы точно так же не вызывает сомнений, поскольку очевидно, что локализация препятствует необходимой для многих технологических процессов устойчивости пластического течения и делает недостижимой требуемую высокую степень пластической деформации до разрушения. Любой прогресс в знаниях о природе пластичности всякий раз инициировался обнаружением новых проявлений локализации пластической деформации.
Важный шаг в понимании природы локализации пластической деформации был сделан в 80-90-е годы XX века, когда была установлена взаимосвязь и взаимообусловленность явлений, протекающих на разных масштабных уровнях пластического течения, и обращено особое внимание на кинетику процессов, характерных для промежуточного, мезоскопического уровня. Без детальных представлений о процессах, идущих в этом интервале масштабов, установление связи между микроскопическим (физика дислокаций) и макроскопическим (механика деформируемого твердого тела) уровнями представляется в лучшем случае очень трудным. Заложенные в этих работах основы нового научного направления исследований пластичности и разрушения — физической мезомеханики материалов— послужили мощным импульсом для развития современных воззрений на природу пластичности в кристаллических материалах. Именно локализация является наиболее существенным атрибутом любой стадии процесса пластического течения и должна изучаться максимально тщательно. Однако если явления пластической деформации на микроуровне описаны к настоящему времени в рамках теории дислокаций практически исчерпывающим образом, а физическая мезомеханика материалов в последние годы также прочно заняла место в общей проблеме пластичности, то, как феноменология, так и физика макролокализации пластического течения оставались до последних лет развитыми слабее. Исследования в этой области были ограничены, по существу, поисками простых связей концентраторов напряжений, приводящих к локализации пластической деформации, с геометрией деформируемых объектов, хотя накопленные в ходе многолетних исследований данные недвусмысленно указывают на значительно более сложный и физически содержательный характер макроскопической локализации.
Известно, насколько трудно непосредственно от дислокационного масштаба перейти к макроскопическому описанию деформации. Эта трудность возникает потому, что пластическая деформация одновременно развивается на нескольких взаимосвязанных масштабных уровнях: микро, мезо, макро, и описать макродеформацию можно только адекватным ее согласованием с процессами, характерными для микро- и мезоуровней. При этом каждый масштабный уровень характеризуется своими механизмами и закономерностями деформации. Для объяснения количественной связи микро-, мезо- и макроскопических пара-
метров пластической деформации необходимы эксперименты по исследованию макроскопической локализации деформации.
Настоящая работа ориентирована на развитие идей о макроскопической самоорганизации пластического течения. В приложении к проблеме пластической деформации речь может идти о различных формах локализации пластического течения и их связи с общепринятыми характеристиками процессов формоизменения при простых видах напряженно-деформированного состояния. Актуальность представляемой работы дополнительно усиливается тем, что в таком случае перспективными объектами изучения становятся ГЦК-монокристаллы, особенности пластической деформации и упрочнения которых в достаточной степени изучены к настоящему времени. Для расширения экспериментальных возможностей управления видом кривых течения (число и длительность стадий течения, величина коэффициента деформационного упрочнения), а также варьирования механизмов деформации (скольжение/двойникование) целесообразно использовать в качестве объектов для исследования монокристаллы сложнолеги-рованных сплавов на основе y-Fe, для которых также имеется практически исчерпывающая информация о микромеханизмах деформации. Безусловно, данные, которые могут быть получены на этих материалах, должны дополняться результатами исследований тех же особенностей локализации на «классических» для физики пластичности монокристаллах Си и Ni.
Работа выполнялась в соответствии с Планами основных заданий научно-исследовательских работ ИФПМ СО РАН на 1996-2005 гг. в рамках основного научного направления Инсппуга «Физическая мезомеханнка материалов» (раздел 2.3.3 «Экспериментальные исследования иерархии механизмов локализации пластической деформации, ее эволюции и природы в моно- и поликристаллах металлов и сплавов»). Результаты исследований включались в отчеты о научной и научно-организационной деятельности Института физики прочности и материаловедения СО РАН за 1997-2004 гг.
Часть материалов диссертации включена в работу, удостоенную на конкурсе СО РАН 2002 года Премии для молодых ученых им, академика ЮЛ 1. Работнова за работы в области механики деформируемого твердого тела. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта № 59 6-го конкурса-экспертизы научных проектов молодых ученых по фундаментальным и прикладным исследованиям РАН 1999 г., гранта № PD02-1.2-63 конкурса 2002 г. на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах высших учебных заведений и научных организаций Министерства образования РФ и гранта № ТО-016-02 конкурса грантов молодых ученых 2004 г. по программе «Фундаментальные исследования и высшее образование» Министерства образования и науки РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития.
Цель диссертационной работы: исследовать феноменологию макроскопической локализации пластической деформации в зависимости от стадийности кривой пластического течения, состава исследуемых материалов и действующих микромеханизмов деформирования на примере ГЦК-монокристаллов Си, Ni и сплавов на основе y-Fe.
Для достижения этой цели решались следующие частные задачи:
исследовать пространственно-временные распределения и закономерности эволюции компонент тензора пластической дисторсии в ходе деформации монокристаллов с ГЦК-решеткой, используя метод двухэкспозиционной спекл-фотографии, специально разработанный ранее для решения подобных задач;
установить на примере металлических ГЦК-монокристаллов взаимосвязь основных закономерностей картин распределений локальных деформаций с общепринятой в физической теории пластичности последовательностью стадий кривых пластического течения, отвечающих разной форме законов деформационного упрочнения 0 = 0(e);
проанализировать соответствие и взаимосвязь макроскопических картин локализации пластической деформации ГЦК-монокристаллов с кристаллографическими аспектами пластического течения (ориентация оси растяжения монокристаллических образцов, величина фактора Шмида, действующие системы скольжения и двойникования монокристаллов);
сопоставить закономерности макроскопической локализации пластического течения на разных стадиях деформационного упрочнения, найденные в настоящей работе, с аналогичными данными, полученными другими исследователями (на других материалах), и обосновать возможность их обобщения как особого типа волновых процессов в рамках синергетическнх представлений о деформации.
При выполнении исследований по теме настоящей диссертации были использованы следующие экспериментальные методы:
механические испытания на растяжение с помощью испытательной машины Instron-1185;
численный анализ полей векторов смещений с помощью разработанного в ИФПМ СО РЛП автоматизированного лазерного измерительного комплекса ALMEC (двухэкспозиционная спекл-фотография) и его электронно-оптической телевизионной модификации ALMEC-TV;
пакет специально разработанных программ для ЭВМ для вычисления компонент тензора пластической дисторсии и их визуализации в различной форме;
оптическая микроскопия с применением металл-микроскопа Neophot-21 для анализа следов скольжения и двойникования на поверхносги деформированных образцов;
рентгеноструктурный анализ для кристаллографической аттестации исследуемых объектов.
Научная новизна. Проведенные в работе исследования характера макролокализации деформации в монокристаллах Си, Ni и ГЦК-сплавов на основе у-Fe, а также (для сравнения) из монокристаллов ОЦК-сплава Fe -3 % Si впервые позволили установить ряд следующих важных для дальнейшего развития физической теории пластичности закономерностей процессов развития локализованной пластической деформации на макроскопическом масштабном уровне:
- пластическая деформация сопровождается появлением, развитием и зако
номерной эволюцией организованных картин макроскопической локализации,
состоящих из очагов локализованной пластичности;
каждый из активных очагов локализованной пластической деформации есть совокупность действующих в период времени, соответствующий регистрации поля векторов смещения, сдвигов но плоскостям скольжения монокристаллов с максимальными факторами Шмида или совокупность двойников деформации, также удовлетворяющих этому условию; пространственная ориентация зон макроскопической локализованной деформации по отношению к оси растяжения монокристаллического образца задается кристаллографически, совпадая с действующими системами скольжения или двойникования с максимальными факторами Шмида;
между картиной макролокализации деформации и действующим на определенной стадии пластического течения законом деформационного упрочнения существует взаимно однозначное соответствие;
возникающие и распространяющиеся в деформируемой среде на стадии линейного деформационного упрочнения периодические процессы макроскопической локализации пластического течения суть — новый тип волн — волны локализованной пластической деформации, спонтанно возникающие в деформируемой среде;
экспериментально найдены основные характеристики этих воли, отличающие их от других волновых процессов, при пластической деформации.
Научная и практическая значимость результатов работы определяется тем, что в ней впервые систематически исследованы все основные особенности макроскопической локализации пластической деформации в металлических монокристаллах и на их основе показано, что локализация является неотъемлемым признаком пластического течения на всех его этапах. Полученные результаты показывают, что особенности макроскопической локализации деформации должны учитываться при разработке моделей деформационного упрочнения мо-но- и поликристаллических металлов и сплавов.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке критериев оценки технологической пластичности при обработке давлением изделий из металлов и сплавов, на что указывает успешное применение анализа локализованной деформации для контроля состояния трубной продукции из сплавов циркония для ядерной энергетики.
Результаты работы используются в курсах «Физика прочности и материаловедение» и «Экспериментальная механика», читаемых для студентов направления 651500 — «Прикладная механика» и специальности 071100 — «Динамика и прочность машин» на физико-техническом факультете Томского государственного университета.
Положения, выносимые на защиту:
I. Установление универсального характера явления макроскопической локализации деформации в ГЦК-монокристаллах, состоящего в том, что независимо от механизма деформации (скольжение или двойникование):
на всем протяжении процесса пластического течения в деформируемых материалах самопроизвольно формируются и эволюционируют подвижные или стационарные очаги локализованной пластичности;
каждый из очагов локализованной пластичности может рассматриваться как мезодефект, ответственный за развитие пластического течения на макроскопическом масштабном уровне;
- пространственные распределения приростов удлинения, сдвига и поворо
та в очагах локализованной деформации закономерно взаимосвязаны между со
бой.
2. Обнаружение однозначного соответствия картин макролокализации де
формации стадиям деформационного упрочнения при пластическом течении, так
что:
на стадии легкого скольжения или на площадке текучести вдоль образца движется уединенный очаг локализованной деформации;
на стадии линейного упрочнения по образцу движугся с одинаковой и постоянной скоростью несколько эквидистантных очагов локализации — волна локализованной деформации;
на параболической стадии в образце возникает система эквидистантно расположенных стационарных очагов локализованной деформации, между которыми материал практически не деформируется;
на стадии предразрушения очаги локализации деформации приобретают подвижность, за счет которой происходит их слияние, ведущее к образованию шейки и вязкому разрушению.
3. Доказательство существования нового типа волновых процессов — волн
локализованной пластической деформации — при пластическом течении на ста
дии линейного деформационного упрочнения, для которых установлено, что:
скорость распространения обратно пропорциональна коэффициенту деформационного упрочнения, Vaw ~ 1/9;
дисперсионное соотношение имеет вид ю ~ ] + к ;
энтропия деформируемой системы уменьшается при образовании волн, ЛХ<0.
Достоверность и надежность полученных результатов обеспечивается использованием материалов с одним типом кристаллической решетки, полностью аттестованных по химическому составу, кристаллографической ориентации направления растяжения и поверхности наблюдения, действующим плоскостям дислокационного сдвига или двойникования. Для всех использованных монокристаллов независимо изучены и детально описаны микромеханизмы пластической деформации. Комплексный подход к решению поставленных задач, использование апробированных методов и методик исследования, применение статистических методов обработки результатов, анализ литературных данных и сопоставление полученных данных с данными полученными другими авторами повышают надежность результатов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на 14 и 15-й Международных конференциях по физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995; Тольятти, 2003); 1-й Международной конференции «Nitrogen Steels» (Gliwice-Wisla, 1996); 11 и 12-й Международных конференциях «Strength of Materials» (Prague, 1997; Asilomar, 2000); 3-й Международной школе-семинаре по проблеме «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1996); Симпозиуме «Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии» (Москва, 1996); П и 13-й Международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1997, 2003); 9-й Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупру-
гие явления в твердых телах» (Тула, 1997); Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, 1997); 5-й Международной конференции «Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий» (Байкальск, 1997); 3-й Международной конференции Euromech-Mecamat «Mechanics and Multi-Physics Processes in Solids: Experiments, Modelling, Applications» (Oxford, 1998); 1-5-й Всероссийских конференциях молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (Томск, 1998-2003); 6-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы материаловедения» (Новокузнецк, 1999); 5-ом Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Байкальск, 1999); 5-й Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2000); 8-й Международной конференции «Metal-Forming» (Krakow, 2000); 8-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001); 14 и 15-х Петербургских чтениях по проблемам прочности (С.-Петербург,
2003, 2005); 9-й Международной конференции «The Mechanical Behavior of
Materials» (Geneva, 2003); Семинаре «Геомеханика и геофизика» (Новосибирск,
2004, 2005); 2-й Международной конференции по физике кристаллов «Кристал
лофизика 21-го века» (Москва, 2003); 2-й Всероссийской конференции молодых
ученых «Материаловедение, технологии и экология в II! тысячелетии» (Томск,
2003); 5-й Региональной школе-семинаре молодых ученых «Современные про
блемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2004); 3-ем
Всероссийском семинаре «Механика микронеоднородных материалов и разру
шение» (Екатеринбург, 2004); Международной конференции по физической ме-
зомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов
(Томск, 2004); 9-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и
молодых ученых (Москва, 2004); 7-й Международной конференции «High
Nitrogen Steels» (Ostend, 2004); 1-й Всероссийской конференции молодых уче
ных «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005); 20-ом Кон
грессе Международного Союза кристаллографии (Florence, 2005), а также на се
минарах отделов и лабораторий Института гидродинамики СО РАН, Института
физики прочности и материаловедения СО РАН, Сибирского физико-
технического института при ТГУ, Томского государственного архитектурно-
строительного университета.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 36 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора состоит в выборе направления исследований, непосредственном проведении экспериментов, получении опытных данных, их обработке, сопоставлении и интерпретации. При личном участии автора была проверена и доказана применимость электронно-оптической телевизионной модификации установки ALMEC-TV для исследования локализации пластической деформации. Автор творчески участвовала в анализе и обсуждении полученных данных, приведших к обнаружению нового явления, а также в написании всех статей и докладов по теме диссертации, опубликованных в соавторстве.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, первая из которых является обзорной, заключения и выводов, списка использованных источников и изложена на 267 страницах. Диссертация включа-
ет 99 иллюстраций и 15 таблиц. Список литературных источников состоит из 368 наименований.
