The investigation of localized deformation bands in polycrystalline Ni by a strain.pdf Введение В настоящее время природа пространственно-временных картин деформационных полос в ходе нагружения металлов и сплавов выяснена не до конца [1]. С позиции нелинейной динамики [2] важно понимать механизм спонтанного формирования пространственно-временных (диссипативных) структур макролокализованной пластической деформации при нагружении [3]. На основе имеющихся экспериментальных данных по одноосному деформированию [4-6] выделены три основных типа проявления эффекта Портевена - Ле Шателье (ПЛШ): 1) тип А - появление и движение вдоль оси образца одиночной волны, которое может происходить многократно; 2) тип В - деформационные полосы появляются и исчезают в осциллирующем или перемежающемся режиме, распространяясь вдоль образца; 3) тип С - полосы возникают и пропадают случайным образом по длине образца. Как и каждая классификация, приведенная выше, является в определенной мере условной; в реальных опытах наблюдается и различное сочетание этих трех типов. Большинство работ по исследованию явления прерывистой текучести выполнено при нагружении сплавов на основе Al и Mg [4-7]. Литературные данные указывают также на проявление прерывистой текучести в сплавах на основе Ni [8, 9]. Так, в работе [8] установлена обратная зависимость температуры появления скачков на кривой растяжения от скорости деформации в сплавах Ni (> 55 мас.% Ni). В [9] 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. Никелевые сплавы применяются в изделиях, устойчивых к широкому спектру агрессивных сред. Они обладают высокой степенью жаропрочности наряду с хорошей технологичностью, поэтому развитие представлений о макроскопической неоднородности пластического течения является объектом детального изучения. Проявление эффекта прерывистой текучести при нагружении оказывается чувствительным к варьированию таких физических параметров, как скорость деформирования, температура эксперимента и др. В настоящей работе получены новые данные о фронтах локализации пластической деформации в условиях эффекта ПЛШ при растяжении технически чистого никеля при комнатной температуре. Материалы и методы Эксперименты были выполнены на образцах из листового технически чистого никеля марки НП2, с содержанием никеля не менее 99.5%. Исходный размер зерна составлял 90 мкм [10]. Образцы толщиной 2 мм вырезались в форме двусторонней лопатки с размерами рабочей области 50×10 мм. Для снятия внутренних напряжений перед испытаниями образцы подвергались отжигу в вакуумной печи при 900 °С. Растяжение образцов с постоянной скоростью движения подвижного захвата 0.2 мм/мин в режиме «нагрузка - разгрузка» с приростом общей деформации 5% выполнялось на универсальной испытательной машине Walter+Bai LFM-125. Для наблюдения фронтов макроскопической локализации пластической деформации использовалась методика корреляции цифровых спекл-изображений, которая основана на статистическом анализе кинетики спеклов в ходе изменения исследуемой поверхности объекта при освещении лазером с длиной волны 635 нм [3, 11]. В результате отражений от шероховатостей исследуемой поверхности образуется так называемая спекл-структура, выполняющая роль реперной сетки для измерения полей смещений и локальных деформаций. Регистрация спекл-изображений производилась на высокоразрешающую цифровую камеру PointGray FL3-GE-50S с периодичностью 200 мкс. Результаты испытаний Диаграмма растяжения σ(ε) поликристаллического Ni параболического типа с монотонно убывающим коэффициентом деформационного упрочнения демонстрирует высокую пластичность (относительное удлинение до разрыва составляет (55±2)%) и явление прерывистой текучести, где скачки напряжений фиксируются после упругопластического перехода вплоть до момента разрушения (рис. 1). Величина скачков напряжений σ варьируется от 0.3 до 5 МПа, природа которых обусловлена эффектом ПЛШ [12]. Предел прочности составляет (470±10) МПа. Рис. 1. Диаграмма растяжения σ(ε) поликристаллического Ni и увеличенный участок диаграммы на вставке Стадии деформационного упрочнения выявлялись по значению показателя параболичности n в уравнении Людвика [3] = 0 + n, (1) где - деформация; - действующее напряжение; 0 - предел текучести; - коэффициент упрочнения. В зависимости от величины показателя n выделяются стадии пластического течения, где n = 0 соответствует площадке текучести, n = 1 - линейной, а n = 0.5 - параболической стадии пластического течения. При n < 0.5 реализуется стадия предразрушения. Анализ диаграмм растяжения никеля показал, что стадия параболического деформационного упрочнения наблюдается в интервале общих деформаций ε = 5-27%, а стадии предразрушения - в интервале общих деформаций ε = 27-42% (при n = 0.4) и в интервале общих деформаций ε = 42-55% (при n = 0.3). Установлено, что падениям напряжений на деформационной кривой (скачкам деформации) соответствует формирование полос ПЛШ. Прослежена кинетика их формирования и распространения на последовательных участках диаграммы растяжения с приростом общей деформации 5% из анализа кинетических диаграмм X-t, приведенных на рис. 2, где по горизонтальной оси отложено время нагружения, а по вертикальной оси - координата полосы ПЛШ вдоль оси растяжения (нулевая координата соответствует неподвижному захвату). Скорость движения фронтов ПЛШ рассчитывается по наклону прямых X-t, как показано на рис. 2, б. Рис. 2. Участки диаграммы растяжения σ(ε) и кинетическая диаграмма X-t движения полос ПЛШ в интервале общих деформаций: а - 10-15%; б - 25-30% Установлено, что на начальном этапе растяжения до 5% все полосы ПЛШ зарождаются на неподвижном захвате и движутся с постоянной скоростью вдоль образца до противоположного конца, где они исчезают. В каждый момент времени в деформируемом образце может существовать только одна полоса ПЛШ, однако направление ее движения может изменяться - происходит движение к подвижному либо к неподвижному захвату испытательной машины. Средняя величина прироста деформации скачка в этих условиях составила ε ~ 0.1%, а время ожидания скачка τ ≈ 2-150 с. После того, как деформационная полоса проходит всю рабочую область образца, скорость деформации резко затухает и скачок завершается. В поликристаллическом Ni движение полос ПЛШ продолжается при деформационном упрочнении вплоть до разрушения. Обсуждение результатов С ростом общей деформации происходит уменьшение количества полос локализованной деформации ПЛШ и их скорости движения вдоль образца (рис. 3, а), в то время как временной период между возникновением полос ПЛШ увеличивается. При минимальной общей деформации (за пределом текучести) скорости движения этих полос максимальны, а затем уменьшаются с ростом деформации. Таким образом, к моменту разрушения они принимают минимальные значения. Рис. 3. Зависимость скорости распространения V полос ПЛШ от общей деформации ε (а); зависимость относительной скорости V/V0 полос ПЛШ от коэффициента деформационного упрочнения θ (б) Поскольку абсолютные значения скоростей движения полос ПЛШ связаны со скоростями деформирования, то для сравнения скоростей можно пользоваться их относительными величинами, т.е., вводя Vотн = V/V0, где Vотн - относительная скорость движения полосы, V - абсолютная скорость движения полосы, V0 - скорость движения подвижного захвата испытательной машины. Величина скоростей движения полос ПЛШ в режиме «нагрузка - разгрузка» (с приростом общей деформации 5%) отличается от скорости движения подвижного захвата примерно в 10-103 раз. При построении зависимости относительной скорости полос ПЛШ от коэффициента деформационного упрочнения θ (рис. 3, б), нормированного на модуль сдвига G, можно видеть, что данная зависимость с коэффициентом корреляции R = 0.98 имеет сигмоидальную форму. Таким образом, исследования закономерностей проявления и эволюции эффекта ПЛШ в таком пластичном металле, как технически чистый никель, показали, что при комнатной температуре существуют экстремальная зависимость скорости полос ПЛШ от деформации и сигмоидальная зависимость от коэффициента деформационного упрочнения. Это обстоятельство указывает на возможность развития макроскопической локализации деформации даже при сравнительно невысоком уровне общей деформации номинально пластичного материала и нестабильном развитии этого процесса. Заключение В работе экспериментально изучен эффект ПЛШ в технически чистом поликристаллическом никеле. Методом корреляции цифровых спекл-изображений визуализированы полосы локализации пластической деформации ПЛШ на всем протяжении пластического течения материала от предела текучести до разрыва в режиме «нагрузка - разгрузка» с приростом общей деформации растяжением 5%. Силовой отклик механической системы машина - образец на развитие макроскопического скачка деформации является отображением пространственно-временной структуры деформационных полос ПЛШ, в котором каждому скачку напряжений соответствует развитие одной полосы деформации. Из полученных данных следует: 1. С ростом общей деформации время ожидания скачка возрастает от 2 до 150 с. Амплитуда скачков напряжений варьируется от 0.3 до 5 МПа. 2. Скорости распространения фронтов ПЛШ с ростом общей деформации уменьшаются от 3.2 до 0.1 мм/с. 3. Зависимость скорости распространения фронтов ПЛШ от коэффициента деформационного упрочнения имеет сигмоидальную форму.

Скачать электронную версию публикации