Features of switching autowaves of localized plasticity in FCC alloy.pdf Введение Пластическая деформация является нестационарным и неравновесным процессом, который характеризуется пространственно-временной неоднородностью и локализацией на всех масштабных уровнях. Понимание этого факта привело к рождению автоволновой концепции пластического течения, для которой существенно правило соответствия закона деформационного упрочнения и трансформации паттерна локализации деформации [1]. В соответствии с этим правилом участкам кривой нагружения, где коэффициент упрочнения равен нулю, соответствует паттерн в виде автоволны переключения локализованной пластичности [2, 3]. Данная автоволна представляет собой одиночный деформационный фронт, который однократно заметает рабочее поле объекта [4]. В работах [5-7] описаны деформационные фронты, которые формируются на площадках текучести в малоуглеродистых сталях. Эти фронты являются границами расширяющихся полос Людерса. Деформационная активность здесь пространственно локализована на фронте, который разделяет два состояния материала: упруго напряженное и релаксированное пластическими сдвигами. Проходящие по объекту однократно фронты полос Людерса могут быть интерпретированы как автоволны переключения [4]. Автоволновые представления были применены для описания кинетики фронтов Людерса в поликристаллических малоуглеродистых сталях (дислокационные сдвиги) [8], в никелиде титана (переход ОЦК  моноклинная B19) [9] и в трип-стали ВНС9-ш (переход ГЦК  ОЦК) [10]. Несмотря на различие в составах, кристаллических структурах и механизмах реализации пластических процессов на микроскопическом уровне, во всех случаях кинетика процесса была одинаковой. Фронты двигались непрерывно с постоянными скоростями, причем можно было наблюдать несколько фронтов одновременно. В этом случае их движение было взаимно согласованным, т.е. сумма модулей скоростей фронтов оставалась неизменной независимо от их количества. Эта сумма нелинейно росла с увеличением скорости деформирования. Как следствие всех этих обстоятельств, на деформационной кривой наблюдались гладкие площадки, часто с зубом текучести. Долгое время считалось, что формирование полос Людерса является особенностью деформационного поведения только ОЦК-структур. Однако позднее было установлено, что ГЦК-алюми¬ниевые сплавы, содержащие магний и марганец на уровне 1-5 мас. %, также демонстрируют деформацию Людерса, предшествующую прерывистой текучести (эффект Портевена - Ле Шателье). Впервые это описано в работе [11] на примере деформирования сплава АА5182. Позднее данный эффект был подтвержден на сплавах АА5754 [12], 5456 [13] и на отечественном сплаве АМг6 [14]. Следует отметить, что в этих материалах скачкообразная деформация реализуется и на площадке текучести, поэтому есть основания предполагать, что кинетика автоволн переключения здесь будет отличаться от описанной ранее для сталей и никелида титана. Материалы и методы исследования Исследования проводились на образцах типа «двойная лопатка» с размерами рабочей части 50×10×2 мм, вырезанных лазером из холоднокатаного листа сплава АМг5, состав которого представлен в табл. 1. Перед испытанием на одноосное растяжение образцы, завернутые в алюминиевую фольгу, отжигались на воздухе при 673 К в течение трех часов, после чего охлаждались с печью. Одноосное растяжение проводилось на универсальной испытательной машине Walter+Bai AG серии LFM-125 при скоростях перемещения подвижного захвата в интервале 0.02-1.2 мм/мин. При указанных размерах образцов это соответствует скоростям деформирования в пределах от 6.67•10-6 до 4•10-4 с-1. Таблица 1 Состав исследуемого сплава (мас. %) Mg Mn Fe Si Zn Ti Cu Be Al 4.8-5.8 < 0.8 до 0.5 < 0.5 < 0.2 0.02-0.1 < 0.1 0.0002-0.005 Остальное В процессе растяжения образец освещался когерентным светом полупроводникового лазера с длиной волны 635 нм и мощностью 15 мВт. Полученные при таком освещении изображения образца с наложенными на них спекл-картинами регистрировались цифровой видеокамерой Point Grey FL3-GE-50S5M-C с частотой 10 Гц, оцифровывались и запоминались. Полученная серия изображений использовалась для визуализации очагов локализации деформации и анализа кинетики их перемещений с применением методов корреляции цифровых изображений (DIC) [6] и цифровой статистической спекл-фотографии [8]. Этот метод разработан на базе двухэкспозиционной спекл-фотографии с фотозаписью изображений [15]. При этом для каждой точки оцифрованного изображения формируется выборка из ряда отсчетов, характеризующая временнóй ход ее яркости, вычисляются дисперсия и математическое ожидание, отношения которых используются для отображения зон локализации деформации. Эта методика без дополнительных расчетных процедур позволяет in situ регистрировать области, в которых при заданном приросте общего удлинения образца локализуется деформация материала. По полученным массивам данных строились хронограммы [5, 9], которые позволяли выявить области зарождения и аннигиляции фронтов локализованной деформации, а также определить скорости последних. Результаты и их обсуждение Рис. 1. Кривая нагружения сплава АМг5; скорость деформирования = 3.33•10-4 с-1 Типичный вид деформационной кривой отожженного сплава АМг5 представлен на рис. 1. Установлено, что на ней независимо от скорости деформирования всегда присутствует площадка текучести. При этом длина площадки 0.0046±0.0013 и средний уровень напряжения ((134.2±0.9) МПа) на ней от скорости деформирования не зависят, что в корне отличается от деформации Людерса у малоуглеродистых сталей и у никелида титана, где увеличение скорости деформирования приводит к возрастанию накапливаемой на площадке деформации и к повышению напряжения [9]. Зато при изменении скорости деформирования меняется вид площадки текучести. При скорости деформирования 6.67•10-6 с-1 на площадке текучести реализуется скачкообразная деформация (рис. 2, а). Амплитуды скачков составляют (2.24±0.58) МПа, а их период (21.5±3.6) с. При увеличении скорости деформирования до 3.33•10-5 с-1 амплитуда скачков остается на уровне (2.6±0.3) МПа, а их период уменьшается до (4.05±0.28) с (рис. 2, б). Дальнейшее увеличение скорости деформирования до 10-4 с-1 вызвало уменьшение амплитуды скачков до (0.56±0.23) МПа и уменьшение их периода до (1.12±0.16) с (рис. 2, в). При скорости деформирования 2•10-4 с-1 скачки стали апериодическими с незначительными амплитудами (рис. 2, г). Деформирование со скоростями 3•10-4 с-1 и более привело к формированию практически гладкой площадки текучести, как следует из рис. 2, д. ________________________________________ Рис. 2. Влияние скорости деформирования на форму площадки текучести сплава АМг5; а - = = 6.67•10-6 с-1; б - = 3.33•10-5 с-1; в - = 10-4 с-1; г - = 2•10-4 с-1; д - = 3.33•10-4 с-1 ____________________________________________ На рис. 3 представлены полученные методом DIC хронограммы фронтов Людерса при растяжении образцов исследуемого сплава с разными скоростями. Из этих данных следует, что кинетика движения фронтов существенно зависит от скорости деформирования. Так при скорости 6.67•10-6 с-1 (рис. 3, а) на переходе к площадке текучести в момент времени 710 с у подвижного захвата образуется расширяющийся очаг локализованной деформации. В момент времени 765 с подобный очаг возникает и у неподвижного захвата. Из них формируются две полосы Людерса, фронты которых движутся навстречу друг другу. Движение фронтов попеременное, например, с момента времени 1040 с по момент времени 1150 с активен фронт II, а затем до момента времени 1390 с движется фронт I. В результате к окончанию площадки текучести все рабочее пространство образца оказывается заметенным движущимися фронтами (рис. 2, а). При скоростях деформирования 3.33•10-5 и 10-4 с-1 (рис. 3, б и в) зафиксировано зарождение двух фронтов у захватов машины. Активные фронты I и II тоже движутся скачкообразно и попеременно. Дальнейшее увеличение скорости деформирования свыше 2•10-4 с-1 приводит к непрерывному движению деформационных фронтов. На рис. 3, г и д показаны случаи развития деформации при движении одного и двух фронтов. Во втором случае выполняется условие попеременного движения фронтов. Обращают на себя внимание увеличение ширины и появление сложной структуры деформационных фронтов. Рис. 3. Хронограммы фронтов Людерса: а - = 6.67•10-6 с-1; б - = 3.33•10-5 с-1; в - = 10-4 с-1; г - = 2•10-4 с-1; д - = 3.33•10-4 с-1 Причинами этого, по-видимому, являются инструментальные особенности метода DIC. Так, для обеспечения операции корреляции изображений минимальный фрагмент должен быть квадратом с размерами не менее 10×10 пс, что ограничивает пространственное разрешение. Чтобы получить приемлемое соотношение сигнал/шум, выбиралось временнóе окно 3 с, поэтому при скоростях деформирования более 2•10-4 с-1 изображение фронта размывалось. Это можно исправить, используя метод цифровой статистической спекл-фотографии, где не нужны фрагменты с большим количеством пикселей, а пространственное разрешение практически на два порядка выше. В данном методе можно до предела уменьшить временнóе окно и сравнивать два соседних изображения, чтобы исследовать детали кинетики фронтов. На рис. 4 показана эволюция фронта I хронограммы рис. 3, б с шагом 40 мс. В момент времени 280 с, когда напряжения в образце составляют 137 МПа, в средней части образца появляется зародыш зоны локализации деформации, который в течение следующих 120 мс прорастает через все сечение образца. Формируется фронт, перемещающийся к подвижному захвату. Еще через 40 мс позади него обнаруживается второй сильно размытый подвижный фронт. Оба фронта движутся в одном направлении в течение 80 мс, после чего задний фронт прекращает свое существование, а передний движется еще 160 мс и останавливается. Весь этот процесс (рис. 4, a) происходит, как показало сравнение с диаграммой нагружения, на ниспадающей ветви скачка напряжения; в результате фронт проходит расстояние 2.3 мм. На последующей восходящей ветви напряжения растут по упругому закону, и деформационная активность не проявляется, пока в момент времени 284 с вновь не будет достигнут уровень 137 МПа. В этот момент начинается очередной спад напряжения, а в месте остановки фронта появляется зона локализованной деформации. Процесс движения фронтов полностью повторяется (рис. 4, б), и через 400 мс происходит очередная остановка. При этом размытый задний фронт зарождается в том месте, где появилась зона локализации во время предыдущего скачка. Пробег переднего фронта составил 2.6 мм. Анализ продолжительности скачков при скорости деформирования 3.33•10-5 с-1 показал, что время спада Δtdec = 400 мс, а время восстановления Δtren = 3.6 с. Оценка средней скорости спада напряжения во время скачка приводит к (5.76±0.49) МПа/с. Эта скорость определяется характерными для данного материала внутренними деформационными процессами на более низком масштабном уровне, поэтому от скорости деформирования, которая задается нагружающим устройством, не зависит. Проверка данного предположения, выполненная для скоростей 6.67•10-6 с-1, 1.67•10-5 с-1, 6.67•10-5 с-1 и 10-4 с-1, показала его справедливость. Рис. 4. Эволюция фронта Людерса при деформировании со скоростью = 3.33•10-5 с-1 С другой стороны, время восстановления полностью определяется скоростью деформирования. При ее уменьшении это время возрастает и, например, при скорости 6.67•10-6 с-1 составляет 16 с. Анализ восходящих участков скачков показал, что восстановление напряжения происходит по упругому закону , (1) где Eeff - эффективный модуль системы образец - нагружающее устройство; Δε - прирост деформации при восстановлении напряжения после сброса. Тогда скорость восстановления напряжения после сброса выразится как . (2) Здесь - скорость деформирования, задаваемая нагружающим устройством. Для используемой испытательной машины и образцов сплава АМг5 эффективный модуль Eeff = 28.8 ГПа. В табл. 2 приведены скорости восстановления напряжения после сброса для разных скоростей. Таблица 2 Скорости восстановления напряжения для разных скоростей деформирования •105, с-1 0.67 1.67 3.33 6.67 10 13.3 16.7 20 26.7 40 , MПa/с 0.192 0.48 0.96 1.92 2.88 3.83 4.8 5.76 7.69 11.5 Данные табл. 2 объясняют, почему повышение скорости деформирования подавляет скачкообразную деформацию на площадке текучести. При малых скоростях деформирования скорость спада напряжения на порядок больше скорости восстановления, поэтому наблюдаются хорошо оформленные скачки с большими амплитудами (см. рис. 2, а, б). При скорости деформирования 10-4 с-1 скорость спада напряжений всего в два раза больше скорости восстановления, поэтому скачки малоамплитудные и нерегулярные (см. рис. 2, в). При скорости деформирования 2•10-4 с-1 скорость спада напряжений и скорость восстановления равны, поэтому скачкообразности нет, наблюдается гладкая площадка текучести и непрерывное движение фронта локализации. При дальнейшем увеличении скорости деформирования скачкообразность проявиться не может, если при этом внутренние деформационные процессы останутся прежними. Заключение Результаты исследования кинетики фронтов Людерса в ГЦК-алюминиевом сплаве АМг5 показали, что они в общем случае движутся только в процессе разгрузки образца. Во время восстановления необходимого уровня деформирующего напряжения за счет действия внешнего нагружающего устройства фронты неподвижны. Их непрерывное движение возможно при условии, что скорость спада напряжений за счет деформационных процессов на микроскопическом (дислокационном) уровне соизмерима со скоростью их восстановления за счет внешнего воздействия испытательной машины. В терминах автоволновых процессов это означает, что автоволна переключения локализованной пластичности способна распространяться только в той части реактора (образца), где активные элементы обладают необходимым уровнем потенциальной энергии. С другой стороны, само распространение автоволны приводит к уменьшению поля напряжений в целом во всем реакторе, а значит, потенциальная энергия каждого активного элемента падает. Таким образом, представление об образце алюминиевого сплава, деформируемом на площадке текучести, как о бистабильной активной среде не вполне адекватно. По-видимому, активные элементы в этом случае являются не триггерными, а возбудимыми, и характеризующее их время рефрактерности определяется отношением скоростей спада внутренних напряжений и их восстановления за счет роста нагрузки.

Скачать электронную версию публикации