Study of macroscopic localization of plastic flow in additively produced bimetal.pdf Введение Получение крупногабаритных изделий из биметаллов аддитивным методом в настоящее время является одной из актуальных задач производства изделий промышленного и электротехнического назначения. Аддитивные технологии требуются как для получения новых изделий, так и для восстановления различных деталей, утративших в процессе эксплуатации частично или полностью свои конструкционные размеры. В то же время использование изготовленных аддитивным методом биметаллов в качестве конструкционных материалов подразумевает соответствие их физико-механических, технологических, эксплуатационных и других свойств аналогичным характеристикам материалов, получаемых традиционными способами (прокат, литье и др.). Подтверждение соответствия свойств данных материалов требует проведения комплексных экспериментальных исследований с оценкой показателей, разносторонне характеризующих процесс 3D-печати [1-3]. Исследование микроструктуры биметалла разнородных материалов, нержавеющей стали 12Х18Н9Т и меди М1, полученного методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии [4], показало, что для биметалла характерна четкая граница раздела двух материалов с образованием двухфазных переходных областей по обе стороны от границы. Неоднородность распределения микротвердости в переходных зонах обусловлена твердорастворным упрочнением основных компонентов биметалла и формированием композитных структур со сферическими включениями стали в медной части заготовки и меди в стальной части переходной зоны биметалла. В медной части биметаллического образца формируется неоднородная зеренная структура с неравноосной крупнокристаллической структурой и зоны со сферическими зернами. Микроструктурный анализ следов скольжения и зеренной структуры позволил установить, что неоднородность формы и размеров зерен не оказывает заметного влияния на напряжения течения меди, рассчитанные по соотношению Холла - Петча, но влияет на макрокартину деформации образцов [4]. Главным результатом, полученным при исследовании локализации пластического течения, является обнаружение универсального характера макроскопической локализации пластической деформации и общности форм его проявлений в материалах [5-8]. Локализация сопровождает пластическую деформацию от начала до конца (до разрушения), принимая на этом пути различные закономерно меняющиеся формы [9-11]. Это характерно для моно- и поликристаллов металлов и сплавов, в поликристаллах с разным размером зерна, в материалах с разными механизмами пластической деформации. Удалось выяснить, что формы макроскопической локализации деформации слабо зависят от структуры и типа кристаллической решетки исследуемого материала и почти полностью определяются действующими на соответствующей стадии процесса законами деформационного упрочнения материала [12-14]. Появление в настоящее время новых аддитивно изготовленных материалов, обладающих еще более сложным строением [1-4], в том числе на микро- и макроуровнях, требует всестороннего изучения механизмов деформации и разрушения слоистых материалов на различных масштабных уровнях с использованием новых методов c высоким пространственным и временным разрешением. Учет макронеоднородности деформации на стадии упругопластического перехода необходим при создании более реалистичных физических моделей этих явлений в слоистых материалах. Ранее в работах [9, 10] было исследовано влияние границ раздела на макроскопическую локализацию пластической деформации в биметаллическом материале 12Х18Н9Т + Ст. 3, изготовленном методом литья и прокатки. Настоящая работа посвящена исследованию кинетики макроскопической локализации пластической деформации в различных слоях биметалла 09Г2С + Ст. 3, полученного методом электронно-лучевой наплавки [15]. Материалы и методы Для исследования процессов локализации пластического течения в многослойных металлических структурах (биметаллах) была приготовлена подложка из конструкционной стали Ст. 3 толщиной 5.5 мм, на которую методом наплавки проволоки из стали 09Г2С электронным пучком в вакууме был нанесен слой толщиной 3 мм при следующих параметрах наплавки: напряжение ускорителя Uуск = 27 кВ; ток ускорителя I = 60 мА; скорость подачи проволоки F = 3.8•10-3 м/с; коэффициент подачи 1.3; количество слоев 2 (ЦКП «НАНОТЕХ» ИФПМ СО РАН). Химический состав исходных материалов приведен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав исходных материалов Материал C Si Mn Ni S P Cr Fe Ст. 3 0.14-0.22 0.12-0.3 0.4-0.65 до 0.3 до 0.05 до 0.04 до 0.3 98 09Г2С до 0.12 0.5-0.8 1.3-1.7 до 0.3 до 0.04 до 0.035 до 0.3 97 Образцы в форме двусторонней лопатки с размером рабочей области 40×8.5×2 мм были получены методом электроэрозионной резки в направлении, перпендикулярном к плоскости подложки. Микроструктуру материала подложки и наплавленного слоя определяли методом оптической микроскопии на микроскопе Neophot-21. Измерение микротвердости слоев биметалла проводили на приборе ПМТ-3. Механические испытания на одноосное растяжение были проведены на универсальной испытательной машине Walter+Bai LFM-125 при комнатной температуре и при постоянной скорости подвижного захвата 3.3•10-6 м/с. Визуализация зон локализованной пластической деформации осуществлялась методом цифровой спекл-фотографии [16], состоящим в анализе цифровых изображений поверхности деформируемого материала. Уникальное распределение яркостной картины (спекл-поле) образуется за счет отражений от микронеоднородностей когерентного света длиной волны 635 нм. В качестве источника освещения использовали полупроводниковый лазер мощностью 15 мВт. Съемка кинетики спекл-полей производилась в процессе растяжения образца на высокоразрешающую цифровую камеру PointGray FL3-GE-50S с частотой 5 Гц. Для каждой точки оцифрованного изображения формировалась выборка из ряда отсчетов, характеризующая временной ход ее яркости, вычислялись дисперсия и математическое ожидание. Дальнейшая процедура яркостного вычитания последовательных кадров позволила выявить зоны локализации пластической деформации. На рис. 1 приведено полутоновое изображение, где наиболее яркому цвету соответствуют области максимальных локальных деформаций xx, а темному цвету - минимальные значения локальных деформаций xx (оси Х и Y - длина и ширина образца на регистрируемой грани биметалла). Дальнейший анализ эволюции локальных деформаций xx с ростом общей деформации проводили вдоль пунктирных линий OX (рис. 1.), соответствующих средней линии слоя подложки Ст. 3, области соединения металлов и средней линии наплавленного слоя 09Г2С. Рис. 1. Распределение локальных деформаций на регистрируемой поверхности биметалла при общей деформации 0.01: I - наплавка из стали 09Г2С, II - подложка из стали Ст. 3 при 0.01 деформации Экспериментальные результаты и их обсуждение Микроструктура слоев исследуемого биметалла 09Г2С + Ст. 3 представлена на рис. 2, a. Металл подложки Ст. 3 имеет мелкозернистую феррито-перлитную структуру (темные области - перлит, светлые - феррит) (рис. 2, б). Средний размер зерен феррита (18±2) мкм. Переходная зона от основного металла подложки (Ст. 3) к наплавленному металлу (09Г2С) шириной 0.2-0.4 мм представляет собой градиентную структуру, сформированную в результате двухпроходной вакуумной электронно-лучевой наплавки. В переходной зоне происходит измельчение зерен основного металла до 10-15 мкм (рис. 2, в). В наплавленном слое, шириной ~ 3 мм, сформировалась феррито-перлитная структура с преобладанием ферритной составляющей (рис. 2, г). Размер ферритных зерен составил (40±5) мкм. Рис. 2. Микроструктура биметалла: а - слои биметалла 09Г2С + Ст. 3, б - основной металл Ст. 3, в - зона соединения металлов, г - наплавленный металл 09Г2С Распределение микротвердости на боковой грани биметалла 09Г2С + Ст. 3 представлено на рис. 3, из которого видно, что значения микротвердости резко возрастают от основного металла к наплавленному слою, что, по-видимому, обусловлено взаимной диффузией компонентов наплавленного металла и подложки. Зона наплавки вблизи границы раздела обогащается углеродом, а прилегающая к ней зона подложки - марганцем и кремнием. Об уходе углерода в покрытие также свидетельствует незначительное снижение микротвердости в материале подложки перед границей раздела (рис. 3). Наибольшей твердостью обладает наплавленный слой из стали 09Г2С, легированной марганцем и кремнием (табл. 1). Микротвердость материала подложки составила 1150-1300 МПа и резко нарастает в переходном слое до 1550-1700 МПа в наплавленном слое. Рис. 3. Распределение микротвердости в поперечном сечении биметалла: 1 - подложка из стали Ст. 3; 2 - наплавка из стали 09Г2С Кривые пластического течения исходных материалов в сравнении с аддитивно изготовленным биметаллом приведены на рис. 4. Механические характеристики представлены в табл. 2. Следует отметить, что композитный материал по своим механическим характеристикам занимает промежуточные значения между входящими в его состав материалами. На диаграмме растяжения также выявляется характерная для исходных материалов площадка текучести. Однако общая пластичность композита снизилась по сравнению с исходными материалами. Рис. 4. Деформационные кривые: 1 - сталь 09Г2С, 2 - биметалл 09Г2С + Ст. 3, 3 - сталь Ст. 3 Таблица 2 Механические характеристики материалов Материал Предел текучести Т, МПа Предел прочности B, МПа Относительное удлинение до разрыва 09Г2С 376±5.5 502±5.2 0.28±0.006 09Г2С + Ст. 3 262±7.6 397±6.1 0.26±0.008 Ст. 3 209±4.3 339±4.8 0.31±0.004 Как известно [17], стадии деформационного упрочнения, независимо от природы определяющих их механизмов, можно выделить путем аппроксимации кривой пластического течения известным эмпирическим уравнением Людвика (1) Здесь σ - напряжение; ε - деформация; K и σ0 - эмпирические константы, определяемые специфическими дислокационными механизмами [17]. Ста¬дии деформационного упроч¬нения формально выделяются на кривой σ (ε) с помощью информативного признака, в качестве которого используется показатель упрочнения n в уравнении (1). В исследуемых материалах установлены следующие стадии деформационного упрочнения: площадка текучести с показателем степени n = 0 и стадия параболического упрочнения (стадия Тейлора) с n = 0.5. В биметалле по сравнению с исходными материалами увеличивается продолжительность площадки текучести и параболической стадии на фоне уменьшения общей пластичности материала (табл. 3). Таблица 3 Стадийность пластического течения Материал Интервалы общей деформации для площадки текучести / продолжительность Интервалы общей деформации для стадии параболического деформационного упрочнения текучести / продолжительность 09Г2С 0.016-0.043 / 0.027 0.048-0.075 / 0.027 09Г2С + Ст. 3 0.007-0.04 / 0.033 0.057-0.089 / 0.032 Ст. 3 0.008-0.022 / 0.014 0.028-0.057 / 0.029 На площадке текучести биметалла зарождение одиночного очага локализации происходит вблизи подвижного захвата испытательной машины с нижней грани подложки Ст. 3 при общей деформации = 0.008 (рис. 5, а). Рис. 5. Локализация пластической деформации биметалла на площадке текучести при 0.01 общей деформации: а - полутоновая картина (I - наплавка из стали 09Г2С, II - подложка из стали Ст. 3); б - распределение локальных удлинений xx вдоль средней линии в разных слоях (1 - наплавка из стали 09Г2С, 2 - переходная область, 3 - подложка из стали Ст. 3) Далее он прорастает по всей ширине биметаллического образца. На рис. 5, б представлены распределения локальных удлинений для разных слоев биметалла, из которого видно, что прирост локальных удлинений при переходе от подложки к наплавленному слою снижается, однако вместе с этим наблюдается уширение очага локализации, которое проявляется в виде ветвления фронта деформации (рис. 5, а), разделяющего упругодеформированную область биметалла от пластически деформированной. Скорость движения первичного фронта локализации пластической деформации на площадке текучести составила 0.9•10-3 м/с. При общей деформации = 0.012 в переходной области с координатой X = 16 мм происходит зарождение второго одиночного очага локализации пластичности, фронты которого движутся в противоположном направлении в слое подложки (рис. 6, а). Но при переходе к наплавленному слою зафиксировано их ветвление, которое видно на распределениях локальных удлинений в виде сдвоенных максимумов xx(x) (рис. 6, б). Рис. 6. Локализация пластической деформации биметалла на площадке текучести при 0.014 общей деформации: а - полутоновая картина (I - наплавка из стали 09Г2С, II - подложка из стали Ст. 3); б - распределение локальных удлинений xx вдоль средней линии в разных слоях (1 - наплавка из стали 09Г2С, 2 - переходная область, 3 - подложка из стали Ст. 3) Скорости движения фронтов второго очага локализации составляют 5.3•10-5 и 2.9•10-5 м/с. При этом скорость движения фронта первичного очага локализации при зарождении новых фронтов снижается до значения 2.7•10-5 м/с. Используя правило [18], согласно которому скорость увеличения площади пластической зоны в образце на площадке текучести является постоянной , (2) где - модуль скорости движения i-го фронта полосы Людерса; N - число одновременно движущихся фронтов, была рассчитана суммарная скорость фронтов локализации = 1.1•10-4 м/с, которая отличается от скорости первичного фронта локализации, что, вероятно, связано с кинетикой фронтов в слоистом материале. Начиная c общей деформации = 0.015, передний фронт второго очага локализации движется со скоростью 2.9•10-5 м/с в направлении подвижного захвата, не имеет ярко выраженной границы в слое наплавки и после = 0.0175 визуализируется только в слое подложки (рис. 7, а). При общей деформации = 0.025 движущиеся навстречу друг другу фронты от первичного и второго очагов локализации аннигилируют на расстоянии Х = 24 мм от неподвижного захвата (рис. 8). Далее, до окончания площадки текучести, продолжается движение переднего фронта второго очага локализации пластической деформации. После аннигиляции двух фронтов скорость оставшегося фронта не изменилась и он продолжил свое движение со скоростью 5.3•10-5 м/с. Рис. 7. Локализация пластической деформации биметалла на площадке текучести при 0.018 общей деформации: а - полутоновая картина (I - наплавка из стали 09Г2С, II - подложка из стали Ст. 3); б - распределение локальных удлинений xx вдоль средней линии в разных слоях (1 - наплавка из стали 09Г2С, 2 - переходная область, 3 - подложка из стали Ст. 3) Рис. 8. Локализация пластической деформации биметалла на площадке текучести при 0.025 общей деформации: а - полутоновая картина (I - наплавка из стали 09Г2С, II - подложка из стали Ст. 3); б - распределение локальных удлинений xx вдоль средней линии в разных слоях (1 - наплавка из стали 09Г2С, 2 - переходная область, 3 - подложка из стали Ст. 3) На рис. 9, а представлена кинетическая диаграмма положений максимумов локальных удлинений X вдоль средней линии разных слоев биметалла на площадке текучести. Наклон прямых линий позволяет рассчитать скорость движения фронтов локализации. Параллельность прямых линий для разных слоев позволяет утверждать о постоянстве геометрии одиночных очагов локализации деформации вдоль оси растяжения при их движении с ростом общей деформации (рис. 9). Нарушение параллельности происходит лишь при зарождении новых зон локализации пластического течения. Так, например, при общей деформации = 0.012 происходит зарождение новой зоны локализации пластической деформации, сопровождающееся дальнейшим расширением и движением переднего и заднего фронтов локализации в противоположные стороны. В интервале до = 0.0175 фиксируется «затухание» фронта локализации в переходном слое и в слое наплавленного металла. И далее движение фронта наблюдается лишь в слое подложки со скоростью 2.9•10-5 м/с, тогда как оставшийся фронт этого очага локализации проходит сквозь все слои образца и движется с постоянной скоростью 5.3•10-5 м/с. Рис. 9. Кинетическая диаграмма положений максимумов распределений локальных удлинений xx на площадке текучести в разных слоях биметалла (а): 1 - наплавка из стали 09Г2С, 2 - переходная область, 3 - подложка из стали Ст. 3; б - суммарное распределение локальных деформаций хх на стадии параболического деформационного упрочнения в интервале общих деформаций 0.057-0.089 в разных слоях биметалла: 1 - наплавка из стали 09Г2С, 2 - переходная область, 3 - подложка из стали Ст. 3 Таким образом, на площадке текучести биметалла происходит зарождение двух зон локализации пластической деформации, фронты которых движутся в противоположных направлениях. Практически сразу после зарождения такой зоны локализации вблизи подвижного захвата для первой пары фронтов происходит выход одного фронта за пределы рабочей области образца, поэтому в дальнейшем наблюдается движение только одного фронта, до момента зарождения второй зоны локализации. Сравнивая данные скоростей распространения фронтов локализованной деформации в основном и наплавленном слоях биметалла с соответствующими значениями для монолитных образцов низкоуглеродистой стали Ст. 3, можно сказать следующее. На площадке текучести в основном слое низкоуглеродистой стали биметалла, полученного методом литья и прокатки [9], скорость фронтов локализации оказалась на порядок выше и составила 1.35•10-4 м/с, для монолитного образца низкоуглеродистой стали Ст. 3 - 0.85•10-4 м/с. Такое различие скоростей в биметаллах, полученных разными способами, обусловлено изменением продолжительности площадки текучести по сравнению с монолитным состоянием. На стадии параболического деформационного упрочнения наблюдается стационарная картина распределений локальных удлинений. На рис. 9, б для всей параболической стадии показано в разных слоях суммарное распределение локальных удлинений xx вдоль оси X, которое позволило рассчитать пространственный период локализации пластической деформации для биметалла = (4.3±0.6) мм. Сравнивая данные периода локальных деформаций с соответствующими значениями для основного слоя Ст. 3 биметалла, полученного методом литья и прокатки [10], следует отметить схожий характер в расположении стационарных зон локализованной пластичности с пространственным периодом λ = (4±1) мм. Далее на стадии предразрушения образование шейки и дальнейший разрыв образцов происходят вязко как со стороны подложки, так и со стороны наплавленного слоя. Установлено, что, как и в монолитных металлах [11-14], в слоистых материалах в ходе пластического течения паттерны локализованного пластического течения закономерно эволюционируют в соответствии с изменениями действующего закона деформационного упрочнения, отвечающими переходам от одной стадии пластического течения к другой. При деформации на площадке текучести наблюдается движение одиночных очагов локализованной пластичности, извест¬ных как полоса Людерса. На ее фронте упругая среда переводится в пластичное состояние с другими механическими свойст¬вами, структурой и механизмами деформирования. По этой причине деформация за счет движения фронта локали¬зованной пластической деформации есть ана¬лог явлений, характерных для автоволны пере¬ключения в активной среде [19]. На стадии параболического деформационного упрочнения формируется система эквидистантно расположенных неподвижных очагов локализованной пластиче¬ской деформации, которая может интерпретироваться как стационарная диссипативная структура [19] в виде шеек, из которых впоследствии развивается только одна. Заключение В процессе растяжения образца биметалла, состоящего из металлов с разными механическими свойствами (низкоуглеродистая сталь Ст. 3 и сталь 09Г2С), пластическое течение на площадке текучести начинает протекать в основном слое мягкого металла, в то время как более прочный слой наплавленной стали деформируется еще упруго. Затем на площадке текучести деформируются пластически основной слой и наплавленный слой биметалла. Наплавленный слой не подавляет зарождение полос Людерса в основном слое металла и приводит к увеличению продолжительности площадки текучести. Исследования макроскопической локализации пластической деформации при растяжении аддитивно изготовленного биметалла методом цифровой спекл-фотографии показали, что, как и для образцов монолитных исходных материалов, каждой стадии деформационного упрочнения соответствует определенный макроскопический паттерн локализации пластического течения с определенной кинетикой развития. Каждый из паттернов отвечает одной из стандартных автоволновых мод. Полученные данные для аддитивно изготовленных биметаллов полностью подтверждают развиваемую точку зрения об обязательности существования локализации пластического течения под нагрузкой. Авторы благодарны К.Н. Калашникову и Лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях ИФПМ СО РАН за помощь в изготовлении композиционного материала.

Скачать электронную версию публикации