The switching autowaves in materials with dislocation and martensitic mechanisms of plasticity.pdf Введение Развитие концепции деформации твердых тел как многоуровневого самоорганизованного процесса закономерно привело к созданию автоволновой теории пластического течения [1]. В ее рамках деформация есть эволюция автоволновых мод локализации пластичности. Автоволны деформации как пространственно-временные периодические структуры давно известны на микроскопическом и мезоскопическом уровнях. Так для микроскопического (дислокационного) уровня была представлена эволюция дислокационных субструктур от хаотически распределенных индивидуальных дислокаций до строго структурно организованных ячеистых и полосовых структур [2-6]. Формированию самоорганизованных структур на мезоскопическом уровне посвящены работы [7-9]. Авторы указанных работ рассматривали паттерны локализованной пластичности твердых тел на соответствующих масштабных уровнях, хотя автоволнами их не называли. Впервые понятие автоволн локализованной деформации было использовано для описания деформирования твердых тел на макроскопическом уровне [10]. На базе таких исследований к настоящему времени выявлены автоволновые моды, которые могут наблюдаться при пластической деформации, и установлена однозначная связь между стадиями деформационного упрочнения и соответствующими модами в виде правила соответствия [1], как это показано в таблице. Правило соответствия Закон упрочнения Площадка текучести, σ = const Линейное упрочнение, σ ~ ε Параболическое упрочнение, σ ~ ε0.5 Предраз- рушение, σ ~ εn, n < 0.5 Скачко- образная деформация Автоволновая мода Автоволна переключения Фазовая автоволна Стационарная диссипативная структура Коллапс автоволны Автоволна возбуждения В последующих исследованиях наибольшее внимание уделялось фазовым автоволнам локализованной пластической деформации. К настоящему времени для них получены экспериментальные зависимости скорости распространения автоволн от коэффициента деформационного упрочнения материала [11], длины автоволн от параметров микроструктуры металла и геометрических размеров образцов [12]. На базе этих данных установлен закон дисперсии автоволн и проанализирован характер изменения энтропии [13] при пластическом течении, а также введен упругопластический инвариант, отражающий связь решеточных и автоволновых параметров материала [14]. Однако ограничивать исследования автоволновой природы деформации только фазовыми автоволнами, существующими на стадиях линейного деформационного упрочнения, неоправданно. Эти стадии реализуются на деформационных кривых сравнительно редко и характерны для материалов с определенным типом эволюции дислокационных субструктур [4] в достаточно узких температурно-скоростных условиях нагружения. Поэтому до сих пор не удается исследовать влияние температуры и скорости нагружения на параметры и кинетику автоволн. Более простыми и удобными для установления общих автоволновых закономерностей пластической деформации являются автоволны переключения. Они являются фронтами распространяющихся макрополос деформации. Цель настоящей работы - исследование кинетики автоволн переключения на примере развития полос Чернова - Людерса (ПЧЛ) и полос деформационно-индуцированного фазового превращения. Материалы и экспериментальные процедуры Для исследований кинетики автоволн переключения была использована малоуглеродистая листовая сталь 08пс. В отожженном состоянии начальные стадии деформации этого материала сопровождаются формированием и развитием ПЧЛ. Из листа толщиной 2 мм электроэрозионным способом вырезались плоские образцы типа «двойная лопатка» с размерами рабочей части 50×10 мм и отжигались при 1235 К в вакууме в течение 1 ч. В отличие от стали, в сверхэластичном никелиде титана (NiTi) начальные стадии деформации определяются формированием полосы фазового превращения В2 → В19, которая феноменологически подобна ПЧЛ. Образцы из никелида титана состава 55.96 мас. % Ni + 44.04 мас. % Ti такой же конфигурации, как и стальные, но с размером рабочей части 40×6 мм были тоже электроэрозионным способом вырезаны из пластин толщиной 2 мм. Затем они подвергались закалке от 1073 К в воду. После термической обработки никелид титана находился в аустенитном состоянии (структура В2) и имел следующие характерные температуры: Ms = 246 К, Mf = 213 К, As = 243 К, Af = = 259 К. Это позволяло при комнатной температуре наблюдать как прямое В2 → В19, так и обратное В19 → В2 мартенситное превращение (эффект сверхэластичности). Образцы обоих материалов деформировались одноосным растяжением при 300 К на универсальной машине Walter + Bay AG (модификация LFM 125). Одновременно поля локальных перемещений регистрировались методом DIC (digital image correlation) [15]. Для этого растягиваемый образец освещался когерентным светом полупроводникового лазера мощностью 15 мВт с длиной волны излучения 635 нм. Полученные изображения деформируемого образца с наложенными на них спекл-картинами регистрировались цифровой видеокамерой Point Grey FL3-GE-50S5M-C с частотой 10 с-1, оцифровывались и запоминались. Для расчета векторов перемещения точек образца выбрано рабочее окно продолжительностью 15 с. Сравнивались изображения на концах этого промежутка времени и определялся вектор перемещения любой точки образца. Повторяя эту операцию, можно зарегистрировать поле векторов перемещения для всех точек образца в заданный момент времени. Дифференцирование поля по координатам обеспечивает получение пространственного распределения очагов локальных деформаций εxx для любого момента времени. В таком представлении пространственно-временные положения очагов соответствуют положениям фронтов ПЧЛ в стали или фронтов деформационно-индуцированного фазового превращения в никелиде титана, а эволюция картин локализации деформации отражает кинетику этих фронтов. Графически очаги деформации представляются в виде темных пятен на фоне изображения рабочей поверхности образца, контраст которых определяется амплитудой локализованной деформации. Треки движения этих пятен визуализируют фронты фазового превращения. Такой способ, известный как построение хронограмм [16], позволяет измерять скорости движения фронтов и выявлять области их зарождения и аннигиляции. Результаты и их обсуждение Образцы стали 08пс испытывались на растяжение при скоростях нагружения 0.02  Vmach  0.6 мм/мин. Повышение скорости нагружения приводит к возрастанию напряжения, действующего на площадке текучести, и деформации, накапливаемой на ней (рис. 1). Во всех исследованных случаях зарождалась одна ПЧЛ на границе рабочей части образца и наблюдался один перемещающийся фронт. На рис. 2 представлена хронограмма движения фронта при скорости нагружения Vmach = 0.05 мм/мин. Видно, что по наклону графика можно определить скорость фронта. Она остается постоянной все время движения. Таким способом были определены скорости фронтов ПЧЛ для двенадцати значений Vmach. Рис. 1. Начальные участки деформационных кривых стали 08пс при разных скоростях нагружения: 1 - 0.02 мм/мин; 2 - 0.05 мм/мин; 3 - 0.15 мм/мин; 4 - 0.3 мм/мин Рис. 2. Хронограмма движения фронта ПЧЛ при скорости нагружения 0.05 мм/мин Результаты измерений, представленные на рис. 3, показывают, что зависимость аппроксимируется выражением , (1) где n = 0.89, а коэффициент корреляции ~ 1. Ранее было сделано предположение, что эта нелинейность обусловлена изменениями амплитуды деформации на фронте при испытаниях с различными скоростями [17]. Рис. 3. Зависимость скоростей фронтов ПЧЛ от скорости нагружения Если считать, что деформационный фронт ответственен за диссипацию упругой энергии, вводимой в нагружаемый объект, то необходимо использовать кинетическую характеристику , где - деформации на фронте. В случае распространения одного фронта, в котором в каждый момент времени сосредоточена вся деформация, данное произведение должно быть равно скорости нагружения [18]. Тогда нелинейность зависимости может быть обусловлена либо вариациями величины деформации на фронте, либо тем, что деформация при распространении ПЧЛ происходит не только на фронте. Так как с повышением скорости нагружения увеличивается длина площадки текучести (рис. 1), деформация на фронте тоже должна расти. Но при этом возрастает и скорость фронта. Следовательно, в кинетической характеристике оба сомножителя увеличиваются с ростом скорости нагружения , т.е. объяснить нелинейность вариациями деформации на фронте нельзя. Рис. 4 демонстрирует характер накопления деформации в произвольной точке образца на площадке текучести для скоростей = 0.02 и 0.6 мм/мин. Скачок на зависимостях соответствует прохождению фронта ПЧЛ. Если при нагружении со скоростью 0.02 мм/мин после прохождения фронта величина значимо не меняется, то при нагружении со скоростью 0.6 мм/мин происходит дальнейший рост деформации, который в конце площадки текучести достигает 17 % от всей деформации ПЧЛ. (На рис. 4 - время окончания площадки текучести, для скорости нагружения 0.02 мм/мин оно составляет 3880 с, а для скорости 0.6 мм/мин - 195 с.) То есть за фронтом ПЧЛ при высоких скоростях нагружения образуется нелокализованная деформационная зона, которая тормозит фронт. Подтверждением этого является рост уровня напряжений на площадке текучести при увеличении скорости нагружения. Чем больше скорость нагружения, тем больше тормозящий эффект, что и вызывает нелинейный ход зависимости . Рис. 4. Накопление деформации в произвольной точке образца стали 08пс при Vmach = 0.02 (а) и 0.6 мм/мин (б) Еще более ярко влияние нелокализованной деформации на скорость деформационных фронтов проявляется при прямом деформационно-индуцированном фазовом превращении в NiTi. Рис. 5. Начальные участки деформационных кривых никелида титана при разных скоростях нагружения: 1 - 0.05 мм/мин; 2 - 0.1 мм/мин; 3 - 0.2 мм/мин; 4 - 0.4 мм/мин; 5 - 0.8 мм/мин Рис. 6. Зависимость скоростей фронтов полос фазового превращения в никелиде титана от скорости нагружения На рис. 5 показаны начальные участки деформационных кривых этого материала для разных скоростей нагружения. Основной их особенностью является то, что после зуба текучести наблюдается не горизонтальная площадка, а участок с небольшим упрочнением. Чем больше скорость , тем продолжительнее этот участок и тем выше упрочнение. Существование такого участка однозначно связано с распространением фронтов деформационного фазового превращения [17]. Условия зарождения полос превращения в данном диапазоне скоростей испытания таковы, что одновременно движутся несколько фронтов. Чем выше , тем больше зарождается полос превращения и тем больше одновременно движущихся фронтов [17]. Нелинейная зависимость (1) в никелиде титана имеет такой же вид (рис. 6), как в стали 08пс, причем совпадает и показатель степени n = 0.89. Анализ характера накопления деформации в произвольных точках образца при прохождении фронтов фазового превращения показал, что и здесь причиной нелинейности зависимости является образование нелокализованной деформационной зоны позади фронта (рис. 7). В никелиде титана при скорости нагружения 0.8 мм/мин после прохождения фронта к концу участка прямого мартенситного превращения накапливается дополнительно 22 % дефор- мации. Рис. 7. Накопление деформации в произвольной точке образца никелида титана при Vmach = 0.05 (а) и 0.8 мм/мин (б); tf - время окончания мартенситного превращения Важно отметить, что в любой точке образца NiTi нелокализованная пластическая деформация происходит и до прохождения деформационного фронта. Ее величина не зависит от скорости нагружения и составляет ~ 1 % (рис. 7). Это связано с тем, что деформационно-индуцированное фазовое превращение не может происходить при постоянном напряжении, так как оно реализуется по мартенситному механизму. Заключение Совокупность представленных результатов позволяет утверждать, что автоволновой подход можно использовать для описания с единых позиций кинетики фронтов ПЧЛ и полос деформационно-индуцированного фазового превращения. В обоих случаях движение фронтов представляет собой распространение автоволн переключения, которые, как отмечалось в [16], возникают в би- стабильных (триггерных) активных средах. Бистабильные среды состоят из элементов, имеющих два состояния: метастабильное упругонапряженное и стабильное релаксированное [19]. В случае стали переход в стабильное состояние на микроскопическом уровне происходит путем дислокационных сдвиговых процессов, а в случае никелида титана - путем мартенситных сдвигов в неустойчивой аустенитной матрице. Деформационные фронты представляют собой границы между областями материала в метастабильном и стабильном состояниях. Они при движении заметают всю рабочую область и аннигилируют. Такое поведение соответствует автоволнам переключения. Скорости фронтов определяются не только свойствами материала, но и параметрами внешнего воздействия, т.е. скоростью нагружения, что тоже характерно для автоволн [19]. Для понимания влияния скорости нагружения сделаем предположение, что распространение автоволны переключения (движение фронта) является термически активируемым процессом. Тогда скорость автоволны (скорость движения фронта) можно представить как . (2) Здесь V0 = const; γ - активационный объем; U - высота потенциального барьера; Т - температура; kB - постоянная Больцмана. Видно, что скорость автоволны должна возрастать с увеличением уровня напряжений. С другой стороны, увеличение скорости нагружения приводит к повышению напряжения, действующего на площадке текучести (см. рис. 1 и 5). Ясно, что исходя из уравнения (2), зависимости , а значит, и не могут быть линейными. Формирование как ПЧЛ, так и полос деформационно-индуцированного превращения являются процессами, которые рассеивают вводимую в объект упругую энергию. Чем выше скорость нагружения, тем более интенсивно вводится энергия. По-видимому, способность автоволн рассеивать энергию ограничена, поэтому, например, при скоростях нагружения больше 0.1 мм/мин в образцах никелида титана формируется несколько движущихся фронтов. При относительно высоких скоростях нагружения релаксационные возможности и фронтов ПЧЛ, и фронтов деформационно-индуцированного фазового превращения недостаточны, чтобы обеспечить рассеяние вводимой упругой энергии, поэтому возникают нелокализованные области деформации на площадках текучести. Все названные факторы вместе приводят к нелинейности зависимости .

Скачать электронную версию публикации