CC BY
53
УДК 620.172.2:539.37
ПРЕРЫВИСТАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ И ПОЛОСООБРАЗОВАНИЕ В СПЛАВЕ АМг6
© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, М.А. Желтов, А.А. Денисов, М.Ф. Гасанов
Ключевые слова: прерывистое течение; деформационная полоса; высокоскоростные методы; алюминий-магние-вые сплавы; ползучесть, старение.
Экспериментально установлено, что деформация ползучести сплава А1-6 % Mg включает монотонную и скачкообразную составляющие. Обнаружено, что в ходе развития макроскопического деформационного скачка в материале спонтанно образуется сложная пространственно-временная структура деформационных полос. Показано, что время ожидания деформационного скачка сильно зависит от времени старения при постоянной температуре и постоянном приложенном напряжении.
Прерывистую деформацию металлов и сплавов различают на низкотемпературную [1] и высокотемпературную, наблюдаемую при температурах выше или порядка дебаевской. Последнюю разделяют на «лестничную» ползучесть, прерывистую деформацию в условиях растяжения с постоянной скоростью роста приложенного напряжения ст0 = const (эффект Савара-Массона [2-4]) и прерывистое течение в условиях растяжения с постоянной скоростью деформирования s0 = const (эффект Портевена-Ле Шателье [5, 6]). Большинство исследований прерывистой деформации посвящено эффекту Портевена-Ле Шателье, поскольку условие s0 = const соответствует стандартным испытаниям для измерения традиционных механических свойств материалов: предел упругости, предел прочности, коэффициент упрочнения и др. Однако в условиях эксплуатации задается, как правило, силовой закон нагружения ст = ст(/) (сила тяги, сила сопротивления, лобовое сопротивление, подъемная сила и т. д.), а откликом является деформация материала и конструкции.
Изучению прерывистой деформации и полосообра-зованию при нагружении с линейно возрастающим напряжением ст(7) = ст01 посвящено небольшое количество публикаций [2-4, 7, 8], а динамика деформационных полос в условиях «лестничной» ползучести остается практически не исследованной. В то же время ползучесть (ст = const) является весьма распространенным видом механического воздействия на материал в условиях эксплуатации. Кроме того, с позиций нелинейной физики важно понимать механизмы спонтанного развития пластических неустойчивостей в условиях заданной постоянной внешней силы. В настоящей работе исследуется скачкообразная составляющая деформации и связанная со скачками деформации локализация пластической деформации в условиях ползучести сплава АМг6. Алюминий-магниевый сплав АМг6 использован как материал исследования, поскольку этот материал демонстрирует явно выраженную прерывистую деформацию при комнатной температуре в условиях нагружения ст0 = const и при s0 = const.
Плоские образцы сплава ЛМгб (Al - 5,92 wt. % Mg -0,61 wt. % Mn - 0,27 wt. % Fe - 0,14 wt. % Si) в форме двухсторонних лопаток с размером рабочей части 0,7*3*б мм3 испытывали на ползучесть растягивающей нагрузкой а0 = const, составляющей от 85 до 95 % предела прочности на разрыв ав . Образцы после холодной прокатки (степень обжатия 30 %) отжигали при температуре 450 °С в течение часа (размер зерна 10 мкм) и закаливали на воздухе. Часть образцов испытывали через час после закалки, а другую часть - через сутки после закалки для оценки влияния начальных стадий естественного старения на развитие прерывистой («лестничной») ползучести. Как и в работе [9], записывали данные высокоскоростных (на частоте З кГц) измерений деформации образца (лазерным экстенсометром фирмы Riftec), измерений силового отклика (датчиком усилия Zemic H3-C3-100kg-3B) синхронно с видеосъемкой поверхности деформируемого образца высокоскоростной цифровой видеокамерой VS-FAST/G6. Результаты синхронной записи датчика смещения и датчика усилия в ходе развития первого деформационного скачка представлены на рис. 1 (кривые 1 и 2 соответственно) при аа = 280 МПа, составляющей 90 % предела прочности а в = 310 МПа. При испытании при температуре 25 °С через 1 ч после закалки время ожидания появления первого скачка деформации составила % = 120 с. По данным скоростной (со скоростью 2000
кадр/с) видеосъемки строили корреляционную диаграмму y(t) - временную зависимость положения границы полосы относительно позиции первичной полосы (кривая 3 на рис. 1). Из анализа данных, представленных на рис. 1, следует, что активизация очередной полосы деформации, включающая стадии зарождения, «про-стреливание» через поперечное сечение и расширение с быстрозатухающей скоростью, вызывает появление небольшого («мезоскопического») деформационного скачка выстой ~0,1 % и длительностью фронта
~3-10 мс в структуре макроскопической деформационной ступени на кривой ползучести (кривая 1), что, в свою очередь, вызывает скачок разгрузки амплитудой 3-8 МПа механической системы «машина-образец», составляющей ~1-3 % приложенного напряжения аа .
1540
Рис. 1. Временные зависимости приращения деформации Де (1) (деформационный скачок), изменения напряжения Дa (2) (силовой отклик) и положения y (З) границ полос (корреляционная диаграмма). Римскими цифрами I и II отмечены стадия деформационного сигнала и стадия раскачки системы после скачка соответственно
Из корреляционной диаграммы видно, что за исключением первичной полосы каждая полоса зарождается «гетерогенно» на одной из границ предшествующей полосы. В результате зависимость yit) приобретает со временем развития макроскопического деформационного скачка вид бифуркационного дерева (кривая З). После того, как деформационные полосы «обработают» всю рабочую область образца, скорость деформации резко затухает и скачок завершается.
Наблюдаемый макроскопический скачок деформации амплитудой 2 % (кривая 1) вызывает упругие колебания механической системы «машина - образец», хорошо выявляемые в силовом отклике системы ait) . На рис. 2 приведено сравнение спектра мощность P1if) функции ait) на временном интервале, соответствующем развитию деформационного скачка, со спектром мощности Р11(f) функции ait) на равном по длительности временном интервале после заверше-
ния скачка. Повторяющийся пик на частоте около 3 Гц в спектрах мощности очевидно обусловлен упругими колебаниями системы «машина - образец», а пики в частотном диапазоне 5-30 Гц в спектре Р1, которые
отсутствуют в спектре Р11, следует, видимо, отнести к развитию пластических неустойчивостей в материале.
В условиях ползучести, когда приложенная внешняя сила поддерживается постоянной, нестационарное поведение сигнала датчика усилия может быть вызвано ускорением механической системы на фронте деформационного скачка: в фазе положительного ускорения подвижного (верхнего) захвата механическая система частично разгружается, а в фазе торможения должен наблюдаться импульс перегрузки. Оценим ускорение системы на фронте мезоскопического скачка в структуре макроскопической деформационной ступени. Типичная амплитуда мезоскачка к ~ 5 мкм (0,1 %), а длительность его фронта Ьу ~ 10 мс, что дает оценку ускорения а « 2кДУ « 0,1 м/с2, которое составляет около 1 % ускорения свободного падения (g = 9,8 м/с2). Таким образом, ускорение механической системы «машина - образец», связанное с развитием мезоскопического скачка, должно вызывать разгрузку системы на Аст ~ 1 %, ста х 3 МПа (где ста = 280 МПа - приложенное напряжение), что по порядку величины близко к экспериментально наблюдаемым амплитудам скачков разгрузки (см. рис. 1, кривая 2).
Рис. 2. Спектры мощности р (у) и р (у) функции ст(/) на стадиях I и II, отмеченных на рис. 1
В серии экспериментов образец испытывали на ползучесть через сутки после закалки напряжением ста = 320 МПа, составляющим 95 % ств (ств = 336 МПа). Время ожидания деформационного скачка уже составило 8 ч. За это время образец монотонно деформировался на величину относительной деформации около 1 %. Рост предела прочности, который измерялся при активном нагружении с одинаковой скоростью (ст0 = 0,2 МПа/с), и увеличение времени ожидания де-
1541
формационного скачка г. свидетельствует о процессах старения.
Отметим, что время ожидания г. является более
чувствительным откликом на процессы естественного старения, чем прочность сплава; если через сутки старения предел прочности ств увеличился с 310 до 336 МПа (на 8 %), то время ожидания ств увеличилось от 2 мин. до 8 ч (в 240 раз!). Единственным механизмом естественного старения сплава АМг6 в первые сутки после закалки является формирование зон Гинье-Престона I - концентрационных волн примесных атомов магния в алюминиевой матрице [10, 11].
Таким образом, в условиях ползучести сплава АМг6 деформация образца складывается из монотонной и скачкообразной составляющей. В ходе развития скачка макроскопической деформации в образце спонтанно формируются сложные пространственновременные (диссипативные) структуры скоррелиро-ванно распространяющихся деформационных полос. Эти структуры представляют собой яркое нелинейное явление в физике прочности и пластичности; они возникают в результате развития каскада пластических неустойчивостей в динамически определенной системе. Важной характеристикой задачи является время ожидания спонтанного появления деформационного скачка г. (аналогично времени ожидания появления
критического зародыша в переохлажденном расплаве или времени ожидания электрического пробоя при постоянной напряженности электрического поля, меньшей электрической прочности диэлектрика и т. д.). Величина г оказалась зависящей от процессов выделения вторичной фазы в пересыщенном твердом растворе магния в алюминии и может быть использована для их изучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Старцев В.И., Ильичев В.Я., Пустовалов В.В. Пластичность и
прочность металлов и сплавов при низких температурах. М.: Металлургия, 1975. 328 с.
2. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 2. М.: Наука, 1984. 432 с.
3. McReynolds A.W. Plastic deformation waves in aluminum // Metals Transact. 1949. № 1. Р. 32-45.
4. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А. и др. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Изв. РАН. Серия Физическая. 2006. Т. 70. № 9. С. 1372-1376.
5. Portevin A., Le Chatelier F. Heat treatment of aluminum-copper alloys // Transactions of american society for steels treating. 1924. V. 5. P. 457-478.
6. Hahner P., Ziegenbein A., Rizzi E., Neuhauser H. Spatiotemporal analysis of Portevin-Le Chatelier deformation bands: Theory, simulation, and experiment // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. № 13. P. 134109.
7. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А. Механизмы зарождения полос макролокализованной деформации // Изв. РАН. Серия Физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97-107.
8. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А. Морфологическая диаграмма полос макролокализованной деформации Са-вара-Массона // Кристаллография. 2011. Т. 56. № 3. С. 522-529.
9. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Ломакин В.В. Нестационарная динамика деформационных полос в условиях прерывистой деформации алюминий-магниевого сплава // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. 2013. Т. 18. № 3.
10. Металловедение алюминия и его сплавов: справ. изд. / под ред. А.И. Беляева, О.С. Бочвара, Н.Н. Буйнова и др. М.: Металлургия, 1983. 280 с.
11. Nebti S., Hamana D., Cizeron G. Calorimetric study of preprecipitation in Al-Mg alloy // Acta Metall. Mater. 1995. V. 43. № 9. P. 3583-3588.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено
при поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 14.В37.21.0735).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Denisov A.A., Gasanov M.F. DISCONTINUOUS CREEP AND BANDING IN Al-Mg ALLOY
It is experimentally revealed, that the creep strain of Al-6 % Mg alloy is a sum of continuous and discontinuous ingredients. It is found that complex spatial-temporal pattern of deformation bands is spontaneously formed during development of the macroscopic deformation jump in material. It is shown that the waiting time of macroscopic deformation jump depends strong from aging time at constant temperature and the constant applied stress.
Key words: jerky flow; deformation band; high-speed methods; aluminum-magnesium alloys; creep; aging.
1542
