Effect of loading rate on kinetics of plastic deformation localization bands in nickel.pdf Введение Пластическая деформация металлов и сплавов происходит неоднородно и неравномерно на разных масштабных уровнях [1-3]. Прерывистая текучесть вызывает интерес как пример сложной пространственно-временной динамики, возникающей вследствие коллективного поведения дефектов [4-8]. Вместе с тем, неустойчивое течение является технологически важной проблемой, поскольку связанная с пластической неустойчивостью локализация деформации в полосах ухудшает механические свойства конструкционного материала и может вызвать его преждевременную коррозию и внезапное разрушение. Большинство моделей, объясняющих эффект Портевена - Ле Шателье (ПЛШ), основаны на предположении, что прерывистая деформация есть результат динамического деформационного старения дислокаций, обусловленного взаимодействием между подвижными дислокациями и диффундирующими атомами примеси [5-7]. Кроме типичных механизмов, базирующихся на взаимодействии дислокаций и примесных атомов, существует много других интерпретаций эффекта ПЛШ, основанных на различных подходах [8]. В [9] наблюдали и исследовали эффект ПЛШ и полосообразование при одноосном растяжении титановых сплавов Ti - 12% Mo и Ti - 15% Mo в температурном интервале 25-350 °С со скоростью деформации 0.001 с-1. Установлено, что амплитуда скачков напряжения положительно коррелирует с температурой и отрицательно коррелирует с деформацией и содержанием молибдена, в то время как количество скачков напряжения демонстрирует противоположную тенденцию. Эффект ПЛШ в сплавах Al-Mg с различным содержанием Mg (2.3, 4.57 и 6.91 мас. %) при разных скоростях деформации при комнатной температуре изучали в [10]. Исследование динамики деформационных полос in situ методом 3D-DIC со скоростью 25 кадр/с показало, что увеличение концентрации Mg приводит к уменьшению пространственной корреляции распространяющихся полос. Кроме того, амплитуда скачков напряжения линейно растет с максимальной деформацией в полосе ПЛШ. Природа пространственно-временных картин деформационных полос выяснена не до конца. С позиции нелинейной динамики важно понимать механизм спонтанного формирования пространственно-временных (диссипативных) структур макролокализованной пластической деформации в условиях нагружения. Большинство работ по исследованию явления прерывистой текучести выполнено при нагружении сплавов на основе Al и Mg [11-15], тем не менее литературные данные указывают на проявление прерывистой текучести в технически чистом никеле и сплавах на его основе [16-18]. Так, в [17] установлена обратная зависимость температуры появления скачков на кривой растяжения от скорости деформации в сплавах Ni (> 55 мас. % Ni). В [18] показано, что для полос типа А характерно непрерывное движение от захвата испытательной машины по всей длине образца, в то время как полосы типа В характеризуются скачкообразным распространением. В настоящей работе получены данные о локализации пластической деформации в условиях эффекта ПЛШ при растяжении технического никеля. Никелевые сплавы применяются в изделиях, устойчивых к широкому спектру агрессивных сред, содержащих кислоты либо водород. Они обладают высокой степенью жаропрочности наряду с хорошей технологичностью, поэтому развитие представлений о макроскопической неоднородности пластического течения является объектом пристального изучения. Проявление эффекта прерывистой текучести при нагружении оказывается чувствительным к варьированию таких физических параметров, как скорость деформирования, температура эксперимента и др. Экспериментальные результаты Исследования макроскопической локализации пластической деформации при комнатной температуре были выполнены на образцах, вырезанных из холоднокатаного листа толщиной 2 мм поликристаллического никеля марки НП2 (чистотой менее 99.5%). Исходный размер зерна составлял 90 мкм, химический состав приведен в табл. 1. Для снятия внутренних напряжений перед испытаниями образцы подвергались вакуумному отжигу при температуре 900 оС в течение 1 ч. Таблица 1 Химический состав в мас. % материала НП2 ГОСТ 492-2006 Fe Si Mn Cu Pb Mg Ni До 0.1 До 0.15 До 0.05 До 0.1 До 0.002 До 0.1 Не менее 99.5 Образцы с размерами рабочей части 50102 мм растягивались на испытательной машине «Walter+Bai LFM-125» со скоростями деформации 1.6710-5, 6.6710-5 и 2.6710-4 с-1 при комнатной температуре. Механические характеристики в исследуемом диапазоне скоростей изменяются незначительно и представлены в табл. 2. Таблица 2 Механические характеристики никелевого сплава НП2 Предел текучести, МПа Передел прочности, МПа Удлинение при разрыве, % 450±7 491±4 17.5±0.6 Диаграммы растяжения приведены на рис. 1; на вставке представлен участок кривых в увеличенном масштабе, на котором заметны колебания деформирующего напряжения на стадии прерывистой текучести в выбранном диапазоне скоростей нагружения. Спады напряжений при увеличении общей деформации достигают 1-2 МПа [4]. Рис. 1. Диаграммы растяжения образцов никеля при разных скоростях нагружения, мм/мин: 0.05 (кр. 1); 0.2 (кр. 2); 0.8 (кр. 3). На вставке представлен участок кривых в увеличенном масштабе Визуализация полос локализованной плас¬тической деформации на рабочей части образцов осуществлялась методом корреляции цифровых спекл-изображений [1-3], основанным на статистическом анализе кинетики спеклов, получаемых при рассеянии света с длиной волны 635 нм на исследуемой поверхности в ходе ее изменения при деформации. Образующаяся спекл-структу¬ра выполняет роль реперной сетки для измерения локальных деформаций. Установлено, что срывы напряжений при прерывистой текучести Ni сопровождаются образованием одиночных полос локализованной деформации ПЛШ, которые ранее наблюдались при растяжении сплавов Al [3]. Когда полоса достигает захвата испытательной машины, деформирующее напряжение снова сбрасывается и в нижней части образца формируется новая полоса, которая движется по образцу либо в таком же, либо в противоположном по отношению к предыдущему направлении с ростом общей деформации. После того как и она достигает захвата, описанный процесс повторяется. Таким образом, каждому зубцу прерывистой текучести соответствует пробег одной полосы Портевена - Ле Шателье по рабочей части образца, т.е. при прерывистой текучести полосы локализованной деформации Портевена - Ле Шателье пробегают по рабочей части образца многократно, как это демонстрируют приведенные на рис. 2 хронограммы процесса, где по оси абсцисс отложена величина общей деформации при растяжении, а по оси ординат - координата максимальных локальных деформаций хх (полос локализованной деформации ПЛШ ) по длине рабочей части образца. Начало координат х = 0 соответствует неподвижному захвату. Движение полос продолжается при деформационном упрочнении вплоть до разрушения. Рис. 2. Движение фронтов локализации пластической деформации с ростом общей деформации образов Ni при разных скоростях нагружения, мм/мин: 0.05 (a); 0.2 (б); 0.8 (в) Анализ распределений локальных деформаций показал, что с уменьшением скорости нагружения (рис. 2) наблюдается проявление эффекта «отражения» полосы ПЛШ от грани, на которой полоса заканчивает свое движение, т.е. происходит движение фронта локализации в противоположном по отношению к предыдущему направлении. Так, для скорости нагружения 0.8 мм/мин все полосы ПЛШ зарождаются вблизи неподвижного захвата и движутся с постоянной скоростью вдоль оси образца до противоположной грани, где они исчезают (рис. 2, б). С уменьшением скорости нагружения до 0.2 мм/мин, начиная со значения общей деформации  = 9%, наблюдается отражение полосы ПЛШ от неподвижного захвата и движение ее в противоположную сторону, тогда как при скорости нагружения 0.05 мм/мин (рис. 2, а) отражение полосы ПЛШ фиксируется уже при  = 7%. Как правило, формирование новой полосы происходит на значительном удалении от последнего места прохождения предыдущей полосы, поскольку данная область исчерпала запас способности к релаксации при соответствующем уровне напряжений. Ранее аналогичное поведение полос ПЛШ было обнаружено методом цифровых спекл-изображений при растяжении сплавов Al-Mg [13], где при варьировании скорости нагружения наблюдалось усиление либо ослабление данного эффекта. Обсуждение результатов Поскольку общая деформация при растяжении пропорциональна времени нагружения ε ~ t, то скорость движения полос локализации пластической деформации ПЛШ рассчитывается по наклону зависимости координаты максимальных локальных удлинений Х от времени t. Из рис. 2 видно, что с увеличением общей деформации скорость движения полос ПЛШ вдоль образца уменьшается. К моменту образования шейки и разрушения образцов для всех исследуемых случаев эти скорости принимают свои минимальные значения (горизонтальные темные линии на рис. 2). При активном нагружении общая деформация , где - скорость движения подвижного захвата испытательной машины, L - длина рабочей части образца. Для анализа влияния скорости нагружения на параметры локализации пластической деформации удобно использовать относительную скорость движения полос ПЛШ . Ее зависимость от общей истинной деформации e показана на рис. 3 и может быть записана в виде (с коэффициентом корреляции R = 0.97), где и α - константы, одинаковые для различных скоростей нагружения. Рис. 3. Обобщенная зависимость относительной скорости движения полос ПЛШ от общей деформации в прямых (а) и обратных (б) координатах для разных скоростей нагружения: ■ - 0.02 мм/мин, ● - 0.2 мм/мин, ▲ - 0.8 мм/мин Результаты исследований, проведенных на поликристаллах технического никеля при разных скоростях нагружения, показали, что зависимость относительной скорости полос ПЛШ обратно пропорциональна общей деформации растяжения во всем интервале. Как было установлено в [3], плотность подвижных дислокаций ρm зависит от деформации: , где ρ - плотность материала; F - сила натяжения образца во время испытаний; Vs - скорость поперечного звука. Можно считать, что снижение скорости полос ПЛШ аналогично спаду плотности подвижных дислокаций при пластическом течении в области больших деформаций. Заключение В работе экспериментально исследован эффект ПЛШ в технически чистом поликристаллическом никеле при комнатной температуре. Методом корреляции цифровых изображений визуализированы полосы локализации пластической деформации и исследована их кинетика на всем протяжении пластического течения материала от предела текучести до разрыва. Таким образом, исследования закономерностей проявления и эволюции эффекта Портевена - Ле Шателье в таком пластичном металле, как технически чистый никель, показало, что при комнатной температуре существует обратно пропорциональная зависимость относительной скорости полос от общей деформации. Это обстоятельство указывает на возможность развития локализации деформации даже при сравнительно невысоком уровне общей деформации номинально пластичного материала и нестабильности этого процесса.

Скачать электронную версию публикации