Автоволновая природа деформации стали с пластичностью, наведенной фазовым превращением | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/33

Автоволновая природа деформации стали с пластичностью, наведенной фазовым превращением

Проведены экспериментальные исследования деформационного поведения trip-стали на макроскопическом уровне. Установлено, что деформационное фазовое превращение аустенит → мартенсит развивается путем формирования фронтов локализованной деформации и может описываться в терминах распространения полос Чернова - Людерса и полос Портевена - Ле Шателье, поэтому к ним применима теория автоволновой локализованной пластичности. На упругопластическом переходе превращение реализуется в виде автоволн переключения, которые зарождаются, распространяются и аннигилируют. При дальнейшем нагружении зоны зарождения автоволн переключения становятся источниками автоволн возбуждения.

Autowave pattern of transformation-induced plasticity steel deformation.pdf Введение Автоволновая концепция пластической деформации [1] в последние годы демонстрирует существенный прогресс. К настоящему времени убедительно подтверждена взаимообусловленная связь стадий деформационного упрочнения с эволюцией автоволн локализованной пластичности в виде правила соответствия, объяснены закон дисперсии автоволн и природа экспериментально установленных зависимостей скорости автоволн от коэффициента деформационного упрочнения, длины автоволны от размера деформируемого объекта и размера структурных элементов [1-3]. В рамках автоволновой модели развитие пластического формоизменения представляется как: - зарождение и распространение автоволны переключения на упругопластическом переходе; - распространение фазовой автоволны на стадии линейного упрочнения; - формирование стационарной диссипативной структуры на параболической стадии деформационного упрочнения Тейлора; - распространение автоволн возбуждения, если на линейную или параболическую стадии накладывается прерывистая текучесть; - коллапс автоволны на стадии предразрушения. В связи с тем, что в одном конкретном материале все стадии упрочнения не присутствуют и четко не выявляются, то наблюдать весь набор типов автоволн в одном эксперименте не удается. Остается нерешенной проблема зарождения автоволн локализованной деформации и преобразования одного типа автоволны в другой. В большинстве исследованных до сих пор материалов пластическая деформация обеспечивалась дислокационным скольжением или двойникованием. Несомненный интерес представляет изучение деформационного поведения trip-сталей, в которых пластичность реализуется за счет фазового превращения метастабильного аустенита [4-6]. Тип деформационных кривых таких сталей и их стадийность меняются в зависимости от предварительной обработки. Так, в частности, могут наблюдаться параболические диаграммы с наложенными на них зубцами прерывистой текучести, диаграммы с площадкой текучести и дальнейшей прерывистой текучестью, с площадкой текучестью и монотонными последующими стадиями. Целью настоящей работы является обоснование механизмов инициирования пластической деформации при вязкоупругом переходе в зависимости от структуры и свойств стали в рамках автоволновой концепции. Материалы и экспериментальные процедуры Исследования проводились на образцах хромоникельмолибденовой trip-стали марки 23Х15Н5АМ3-Ш [4]. Чтобы получить кривые нагружения необходимого вида, пластины стали толщиной 1 мм в состоянии поставки подвергались термомеханической обработке по трем разным режимам (таблица). Величиной обжатия при прокатке регулировалось количество и степень наклепа метастабильного аустенита. Для каждого состояния электроискровым методом были подготовлены по пять образцов типа «двойная лопатка» с шириной и длиной рабочей части 6 и 40 мм соответственно. Режимы термомеханической обработки Режим Состояние 1 2 3 Отжиг, Т = 875 К, τ = 1 ч, охлаждение с печью + - - Аустенизация (закалка), Т = 1400 К, τ = 1 ч, охлаждение в воде - + + Многопроходная «теплая» прокатка, Т = 620 К - + + Обжатие при прокатке, % - 40 51 Содержание аустенита, % 90 70 83 Подготовленные образцы испытывались на одноосное растяжение при 300 К на универсальной машине Walter Bay AG (модификация LFM 125). Скорость перемещения подвижного захвата составляла 0.4 мм/мин. Одновременно происходила регистрация полей локальных перемещений методом DIC (Digital Image Correlation) [7]. Для этого растягиваемый образец освещался когерентным светом полупроводникового лазера с длиной волны 635 нм и мощностью 15 мВт. Полученные при таком освещении изображения деформируемого образца с наложенными на них спекл-картинами регистрировались цифровой видеокамерой PixeLink PL-B781 с частотой 10 Гц, оцифровывались и запоминались. Последующая компьютерная обработка изображений позволяла получить пространственно-временные распределения локальных компонент тензора дисторсии для плоского случая: , (1) где - локальные удлинения; - локальные сдвиги; - локальные сужения; - локальные повороты; u и v - компоненты векторов перемещения r вдоль оси растяжения x и нормально к ней соответственно. В работе использовались два способа представлений эволюции картин локализации пластической деформации [8]. В первом рассматривалась последовательность карт распределений локальных компонент тензора дисторсии по пространству рабочей части образцов. Этот способ дает наглядные представления о положении и движении фронтов локализованной деформации, когда они хорошо оформлены и имеют простую конфигурацию, как, например, фронт полосы Людерса в малоуглеродистой стали. Если деформационные фронты имеют сложную форму и структуру, то их кинетику лучше представлять с помощью хронограмм, где положения таких зон в пространстве и во времени отражаются темными пятнами, которые образуют треки движения. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены типичные деформационные кривые образцов исследуемой trip-стали в трех обозначенных выше состояниях. В состоянии 1 материал демонстрирует параболическую диаграмму нагружения без площадки текучести (рис. 1, кривая 1), σ0.2 = (285±28) МПа. Когда напряжения достигают ≈ 1500 МПа, начинает проявляться прерывистая текучесть, которая продолжается вплоть до разрушения. Временное сопротивление σв = (1395±45) МПа. В начале кривой нагружения деформация происходит макроскопически однородно по всей рабочей части образца. Однако начиная с момента времени t1 = 1375 c (ε1 = 0.23) появляются подвижные фронты локализованной деформации, которые многократно проходят по рабочей части образца вплоть до разрушения (рис. 2). После момента времени t2 = 1725 c (ε2 = 0.29) зарождение и движение данных фронтов хорошо согласуется с появлением зубцов прерывистой текучести на диаграмме деформации. Поведение наблюдаемых фронтов полностью совпадает с поведением полос Портевена - Ле Шателье (PLC) в дуралюмине, где прерывистая текучесть также возникает на фоне параболического упрочнения и продолжается до разрушения [9]. В образцах после обжатия на 40 % (состояние 2) на деформационной кривой (рис. 1, кривая 2) в интервале общих деформаций εtot = 0.006-0.035 появились небольшой зуб и участок, на котором коэффициент упрочнения монотонно возрастает. При εtot = 0.06 коэффициент упрочнения достигает максимального значения и начинает снижаться, наступает стадия развитого параболического упрочнения с наложенной на нее прерывистой текучестью. Локализация деформации проявляется сразу после достижения зуба текучести σт = (580±62) МПа. Рис. 1. Деформационные кривые образцов trip-стали в разных состояниях Рис. 2. Хронограмма движения фронтов фазового превращения в состоянии 1: стрелки -направления движения фронтов Во время прохождения отмеченного выше участка с повышающимся коэффициентом упрочнения в образце формируются три зоны локализованной деформации, подвижные фронты которых аннигилируют при встрече и тем самым разбивают рабочее поле образца на обособленные части (рис. 3). Этот процесс заканчивается к моменту времени tg = 205 c (εg = 0.035). Подобная картина наблюдалась ранее при множественном зарождении полос Чернова - Людерса (LB) в малоуглеродистой стали [9, 10]. Рис. 3. Хронограмма движения фронтов фазового превращения в состоянии 2: стрелки - направления движения фронтов, точки 1, 2, 3 - зоны зарождения первичных полос С началом параболического упрочнения формируются подвижные фронты локализованной деформации, которые зарождаются и распространяются в пределах образованных ранее обособленных частей. Движение этих фронтов происходит так, что в целом они проходят весь образец по нескольку раз и представляют собой распространение полос PLC. Этот процесс продолжается вплоть до разрушения, которое происходит при σв = (1743±58) МПа в момент времени 1240 с (см. рис. 1, кривая 2 и рис. 3). Важно отметить, что движение полос PLC происходит в границах обособленных зон образца только до момента времени ts = 890 c, когда на диаграмме нагружения становятся заметными зубцы прерывистой текучести (см. рис. 3). После обжатия на 51 % (состояние 3) образцы демонстрируют деформационные кривые с хорошо оформленным зубом текучести и площадкой текучести, которая плавно переходит в стадию параболического упрочнения (рис. 1, кривая 3). Зубу соответствует напряжение (808±62) МПа и εtot = 0.0136±0.0023, а переход к стадии параболического упрочнения происходит при εtot = = 0.0504±0.0023. Сбросы напряжения на стадии параболического упрочнения не наблюдаются, временное сопротивление составляет σв = (1652±58) МПа. Упругопластическому переходу (зубу) соответствует формирование пяти зон локализованной деформации, подвижные границы которых при встрече аннигилируют, подобно тому, как это происходило в состоянии 2 (рис. 4). Рабочая область образца разбивается на отдельные части, причем каждая из этих частей заметается фронтом превращения однократно. Этот процесс заканчивается в момент времени tg = 260 c (εg = 0.043). Повышение уровня действующих напряжений приводит к процессам последовательного образования и распространения полос PLC. Зарождение полос PLC происходит в местах формирования пяти первичных полос локализованной деформации, образовавшихся на упругопластическом переходе. Полосы PLC распространяются до встречи с соседями и также аннигилируют, процесс повторяется три-четыре раза, то есть фронты локализованной деформации заметают пространство образца многократно. Когда общая деформация достигает 0.071 (tf = 430 c), прекращается распространение полос PLC, и в дальнейшем деформация развивается макроскопически однородно, вплоть до начала формирования шейки разрушения в момент времени 1050 с (рис. 4). Рис. 4. Хронограмма движения фронтов фазового превращения в состоянии 3: стрелки -направления движения фронтов, точки 1-6 - зоны зарождения первичных полос Рассмотрим природу наблюдающихся фронтов локализованной деформации. Известно [5, 6], что прерывистая текучесть в trip-стали обусловлена деформационным фазовым превращением метастабильного аустенита по мартенситному типу. Превращение начинается после достижения необходимого напряжения, сопровождается релаксацией и поэтому самоблокируется. В течение промежутка времени, когда происходит скачок, по рабочему полю образца проходит полоса PLC, в которой и реализуется превращение. После отжига 875 К (состояние 1) внутренние напряжения минимальны, метастабильный аустенит не наклепан, поэтому деформационное превращение может реализоваться только тогда, когда внешние напряжения достигнут ≈ 1300 МПа (рис. 1, кривая 1). Дальнейшее превращение в виде периодически распространяющихся полос PLC происходит при все более высоком напряжении и завершается к моменту разрушения. В разрушенном образце аустенит не обнаруживается. Согласно [9], деформационное фазовое превращение в данном состоянии можно рассматривать как многократное зарождение и распространение автоволн возбуждения локализованной пластичности. Теплая прокатка с обжатием 40 % привела не только к частичному превращению метастабильного аустенита в мартенсит, но и к существенному упрочнению ГЦК-фазы, что выразилось в возрастании условного предела текучести в 3 раза. Поэтому в состоянии 2 в наклепанном аустените мартенситное превращение началось сразу после упругопластического перехода. На участке с возрастающим коэффициентом деформационного упрочнения оно реализовалось путем формирования трех полос, аналогичных полосам Чернова - Людерса в малоуглеродистых сталях. Так как мартенситное превращение при постоянном напряжении блокируется, то для распространения LB напряжения должны возрастать. Поэтому рассматриваемый участок кривой нагружения есть основания считать вырожденной площадкой текучести. Места аннигиляции фронтов смежных LB разбивали рабочее поле образцов на обособленные части, в которых в дальнейшем деформирование развивалось относительно независимо. На рассматриваемом участке деформационной кривой превращение происходило не полностью. Дальнейший рост деформирующих напряжений привел к периодическому мартенситному превращению в виде распространяющихся полос PLC, которое завершается к моменту разрушения. Основное отличие состояния 2 от состояния 1 в том, что здесь полосы PLC зарождались в местах формирования первичных LB и двигались только в промежутках отмеченных выше обособленных участков образца (см. рис. 3). В данном состоянии деформационное фазовое превращение реализуется в виде распространения автоволн переключения локализованной пластичности, которое сменяется периодическим распространением автоволн возбуждения. Источниками последних являются зоны зарождения автоволн переключения. В состоянии 3 после теплой прокатки с обжатием 51 % количество метастабильного аустенита изменилось незначительно, зато произошло сильное деформационное упрочнение, и предел текучести увеличился более чем в 4 раза по сравнению с состоянием 1 (см. рис. 1, кривая 3). Это обстоятельство обусловило начало деформационного фазового превращения аустенита в мартенсит в момент времени 80 с от начала нагружения на стадии микропластичности, когда еще не достигнута вершина зуба текучести (см. рис. 1, кривая 3 и рис. 4). Превращение происходило путем формирования и распространения шести полос Людерса. Аннигиляция фронтов смежных полос произошла в момент времени tg = 260 с, что совпадает с окончанием участка деформационной кривой с возрастающим коэффициентом упрочнения (см. рис. 1, кривая 3 и рис. 4). Как и в состоянии 2, полного превращения ГЦК → ОЦК на стадии площадки текучести не произошло, и оставшийся аустенит трансформируется в мартенсит на стадии параболического упрочнения по механизму полос PLC. На рис. 4 отчетливо видно, что полосы PLC зарождались в зонах формирования первичных LB. К моменту времени tf = 430 с мартенситное фазовое превращение завершилось, и до разрушения происходила деформация образовавшегося мартенсита. В автоволновых терминах деформационное фазовое превращение в данном состоянии происходит по следующей схеме: зарождение, распространение и аннигиляция автоволн переключения, формирование источников автоволн возбуждения в зонах зарождения автоволн переключения, периодическое зарождение и распространение автоволн возбуждения. Заключение Совокупность представленных результатов позволяет утверждать, что деформационное фазовое превращение в trip-стали может описываться в терминах распространения полос Чернова - Людерса и полос Портевена - Ле Шателье, поэтому к ним применима теория автоволновой локализованной пластичности [1]. На упругопластическом переходе фазовый переход аустенит → мартенсит реализуется в виде нескольких автоволн переключения локализованной пластичности, которые зарождаются, заметают пространство объекта и аннигилируют. Последующее повышение деформирующих напряжений снова приводит к активации зон зарождения первичных автоволн переключения. Они становятся источниками автоволн возбуждения локализованной пластичности, процессы зарождения и распространения которых многократно повторяются до тех пор, пока деформационное фазовое превращение аустенит → мартенсит не завершится полностью. Таким образом, при деформировании trip-стали удалось не только наблюдать смену одного типа автоволн (переключения) в другой (возбуждения), но установить механизм преобразования автоволн, в котором источниками автоволн возбуждения являются зоны зарождения первичных автоволн переключения.

Ключевые слова

автоволны локализованной пластичности, полосы Чернова - Людерса, полосы Портевена - Ле Шателье, trip-сталь, деформационное фазовое превращение, autowaves of localized plasticity, Lüders bands, Portevin - Le Chatelier bands, trip-steel, deformation phase transformation

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Данилов Владимир ИвановичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНд.ф.-м.н., гл. науч. сотр. лаб. физики прочностиdvi@ispms.tsc.ru
Горбатенко Вадим ВладимировичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр. лаб. физики прочностиvvg@ispms.tsc.ru
Зуев Лев БорисовичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНд.ф.-м.н., зав. лаб. физики прочностиlbz@ispms.tsc.ru
Данилова Лидия ВладиславовнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНаспиранткаllv@ispms.tsc.ru
Орлова Дина ВладимировнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНк.ф.-м.н., науч. сотр. лаб. физики прочностиdvo@ispms.tsc.ru
Всего: 5

Ссылки

Зуев Л.Б. Автоволновая пластичность. Локализация и коллективные моды. - М.: Физматлит, 2019. - 207 с.
Zuev L.B. // J. Appl. Mech. Tech. Phys. - 2017. - V. 58. - No. 2. - P. 328-334.
Зуев Л.Б., Баранникова С.А., Лунев А.Г. // Успехи физики металлов. - 2018. - Т. 19. - № 4. - С. 379-417.
Терентьев В.Ф., Слизов А.К., Просвирин Д.В. // Деформация и разрушение материалов. - 2016. - № 1. - С. 14-18.
Wang X.G., Wang L., and Huang M.X. // Acta Mater. - 2017. - V. 124. - P. 17-29.
Callahan M., Hubert O., Hild F., et al. // Mater. Sci. Eng. A. - 2018. - V. 704. - P. 391-400.
Sutton M.A., Wolters W.J., Peters W.H., et al. // Image and Vision Computing. - 1983. - V. 1(3). - P. 133-139.
Danilov V., Gorbatenko V., Zuev L., and Orlova D. // AIP Conf. Proc. - 2018. - V. 2051. - P. 020059.
Gorbatenko V.V., Danilov V.I., and Zuev L.B. // Tech. Phys. - 2017. - V. 62. - Iss. 3. - P. 395- 400.
Danilov V., Gorbatenko V., Zuev L., and Orlova D. // Mater. Sci. Eng. A. - 2018. - V. 714. - P. 160-166.
 Автоволновая природа деформации стали с пластичностью, наведенной фазовым превращением | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/33

Автоволновая природа деформации стали с пластичностью, наведенной фазовым превращением | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/33