Самоорганизация структур листовых материалов при динамических неравновесных процессах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 5З9.З

САМООРГАНИЗАЦИЯ СТРУКТУР ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССАХ

© Н.Г. Чаусов1*, Е.Э. Засимчук2*, А.П. Пилипенко1*, Е.М. Порохнюк1'

^ Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, г. Киев, Украина,

e-mail: mich@nauu.kiev.ua 2) Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев, Украина

Ключевые слова: динамические неравновесные процессы; монокристальный сенсор; диссипативные структуры. Выявлены особенности деформирования листовых материалов при динамических неравновесных процессах.

ВВЕДЕНИЕ

Проведенные исследования, в том числе с использованием метода ТЭМ, позволяют заключить, что при динамических неравновесных процессах наблюдается неустойчивость ранее созданной субструктуры и последующая самоорганизация материала в виде диссипативной структуры, способствующей пластификации [1, 2].

В настоящей работе приведены новые оригинальные результаты, которые позволяют выдвинуть рабочую гипотезу о влиянии импульсного колебательного ввода энергии на смену механизма деформации материалов, а также выявить отличия деформирования плоских образцов при динамических неравновесных процессах, по сравнению с цилиндрическими.

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ

Исследования проводили на плоских образцах из нержавеющей стали и алюминиевого сплава толщиной

1,5 мм. Методики механических испытаний и физических исследований аналогичны описанным в работах [1, 2]. Для видеосъемок применяли оптический микроскоп и фотокамеру Casio Exilim Pro EX-F1 с частотой измерений до 1200 изм./с.

Для исследования динамики перемещения элементов механической нагружающей системы использовалась диагностическая аппаратура «Дельфин - 1М», которая фиксирует результаты измерений с частотой до 70000 изм./с.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На рис. 1, а представлены результаты измерений при динамических неравновесных процессах продольного удлинения образца (А/) и скоростей образца и стаканов, в которых через сферические опоры крепится образец материала, с использованием аппаратуры «Дельфин - 1М».

Анализ результатов испытаний показывает, что на участке (II) (рис. 1, а), когда в соответствии с принятой схемой испытаний резко замедляется скорость деформации за счет инерционности массивной подвижной траверсы, на образец накладываются высокочастотные колебания по скоростям перемещения, а следовательно, по энергии и скорости энергии, подводимой к образцу. Это связано с тем, что на образец дополнительно передается часть энергии, накопленной в механической системе. В результате, на III этапе скорость образца начинает существенно обгонять скорость стаканов. Таким образом, очевидно, что за счет существенных флуктуаций скоростей подведения энергии к образцу материала последний вводится в возбужденное состояние и избыток подводимой энергии к материалу диссипирует в локальных ослабленных зонах материала. Можно допустить, что это и является основной причиной смены механизма деформации при динамических неравновесных процессах. Тогда схематично процесс подведения энергии к материалу можно представить следующим образом (рис. 1, б), и скорость подведения энергии к материалу можно записать в

. Е ( ' У-

следующем виде: Еподв =----0— + VІE - Е0) , здесь

т 2-Т1

5 = 3 , число направлений перераспределения энергии, V - частота колебаний флуктуаций энергии на участке

II. Ранее проведенные экспериментальные исследования действительно подтверждают, что для любого материала при любой степени пластической деформации существует критическая скорость подведения энергии в колебательном режиме, при которой материал разрушается, а его деформационные способности не успевают реализоваться [1]. С другой стороны, имеется нижний предел скорости подведения энергии к материалу, при котором начинает реализовываться новый механизм деформации. Этот механизм обусловлен самоорганизацией деформируемого материала, вызванной резким изменением условий нагружения. При всех промежуточных значениях скоростей подведения энергии к материалу, в меньшей или большей степени реализуются условия для создания диссипативной струк-

V, см/сек

: И

...І..ЛІ, ММ

рЯй^іМ-^

и Образец

3.060 3.069 3.078 3.087 3.096 3.105 3.114ГМ, СЄК

а)

б)

Рис. 1. Изменения во времени продольного удлинения образца ( Д/ ) и скоростей образца и стаканов (а), схема подвода энергии к образцу (б)

Рис. 2. а - диаграммы напряжений при разных режимах нагружения: 1...3 - алюминиевый сплав, 4, 5 - нержавеющая сталь; б -рельеф монокристального сенсора

туры в материале в виде локализованных полос с аморфоподобной структурой, по которым осуществляется гидродинамическое течение вещества.

На рис. 2, а представлены результаты механических испытаний с учетом импульсных подгрузок, при которых реализуются динамические неравновесные процессы. Проведенные исследования позволили установить некоторые отличия в механическом поведении плоских образцов материалов, по сравнению с цилиндрическими. В частности, уже после одного импульса подгрузки на материал при последующем статическом растяжении можно получить подобие сверхпластичного состояния материала при комнатной температуре (область А на кривой 3, рис. 2, а). Данный факт свидетельствует об облегчении условий создания диссипативных структур в плоских образцах материала. На специаль-

ном монокристальном сенсоре, предварительно наклеенном на основную грань образца, отчетливо фиксируются следы локализации диссипативной структуры в макроэкструзиях в виде создания решетки «гребней» («гор») (рис 2, б). Это указывает на то, что диссипативные структуры являются структурами с более низкой плотностью, по сравнению с исходным материалом.

ВЫВОДЫ

Установлено, что условия образования самооргани-зованных диссипативных структур при динамических неравновесных процессах в плоских образцах материала облегчаются и их плотность ниже плотности исходного материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чаусов Н.Г., Засимчук Е.Э., Маркашова Л.И. и др. Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. Т. 75. № 6. С. 52-59.

2. Засимчук Е.Э., Ярматов И.Т. Наблюдение in situ формирования поверхностного рельефа в монокристальной фольге алюминия в процессе стесненного растяжения // Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. № 3. С. 55-60.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Chausov N.G, Zasimchuk E.E., Pilipenko A.P., Porokhniuk E.M. Self-organization of structures of sheet material at dynamical nonequilibrium process.

The peculiarities of sheet material deformation during dynamical nonequilibrium processes are revealed.

Key words: dynamical nonequilibrium process; single crystal sensor; dissipative.