Акустопластический эффект и внутреннее трение при деформировании мартенситных монокристаллов Cu-Al-Ni Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.29-8 :539.67

АКУСТОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ МАРТЕНСИТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ Cu-AI-Ni

© К.В. Сапожников, С.Б. Кустов

Россия, Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН

Sapozhnikov K.V., Kustov S.В. Acoustoplastic effect and internal friction during deformation of martensitic Cu-AI-Ni single crystals. Effect of ultrasonic oscillations (frequency of about 100 kHz) on the martensitic plasticity of Cu - 13,2 wt.% A1 - 4,0 wt.% Ni single crystals was registered simultaneously with the internal friction of the samples in a wide strain amplitude range. It is concluded that partial dislocations contribute to irreversible interface movement after breaking through atmospheres of mobile point defects under the combined action of oscillatory and quasistatic stresses.

Известно, что наложение механических колебаний ускоряет процессы пластического деформирования твёрдых тел под действием квазистатической нагрузки (акустопластический эффект). Этот эффект широко изучался для дислокационных механизмов пластичности, но практически не исследован для различных мод деформации в сплавах с термоупругим мартенситным превращением. Недавно был обнаружен акусто-псевдоупругий эффект [ 1 ], то есть воздействие ультразвуковых колебаний на процесс псевдоупругого деформирования, обусловленный обратимым термоупругим превращением под нагрузкой (так называемая псевдоупругость превращения [2]). Наложение ультразвуковых колебаний вызывало дополнительную псев-доупругую деформацию в процессе нагружения и дополнительный возврат псевдоупругой деформации при разгрузке [1]. Настоящая работа посвящена исследованию акустопластического эффекта при деформировании монокристаллов Си-А1-М1, находящихся в мартен-ситной Р|' фазе.

Автоматизированная установка на базе метода составного пьезоэлектрического вибратора использовалась для возбуждения продольных ультразвуковых колебаний частотой около 100 кГц и измерения поглощения энергии этих колебаний в процессе трёхточечного изгиба образцов монокристаллов сплава Си - 13,2 вес.%, А1 - 4,0 вес.%, № (М = 371 К, М/ = 350 К, А, = 363 К, А/ = 379 К). Образцы в виде стержней сечением ~ 1,0x2,5 мм и длиной три полуволны ультразвука используемой частоты (46,7 мм) вырезались электроискровым способом из исходных стержней, приобретённых у Оппи Б1ее1 (С.-Петербург, Россия), после чего выдерживались 15 мин при 1173 К и закаливались в воду. Эксперименты проводились при комнатной температуре. Образцы имели поливариант-ную Р|' мартенситную структуру. Квазистатическое деформирование образцов осуществлялось гидравлической машиной Инстрон-1341 с заданной скоростью перемещения деформирующих опор. Точки приложения нагрузки совпадали с узлами смещения стоячей волны. Установка позволяла одновременно регистрировать амплитуду колебательной деформации образца,

декремент и резонансную частоту вибратора, а также квазистатическую нагрузку на образце, служащую мерой акустопластического эффекта.

Типичные зависимости декремента образца и величины квазистатической нагрузки на образце от амплитуды колебательной деформации ет, одновременно измеренные в процессе квазистатического нагружения образца, изображены на рис. 1. На рис. 2 в логарифмических координатах представлена амплитуднозависимая часть декремента образца, измеренная до, в процессе и после деформирования. Видно, что внутреннее трение становится амплитудно-зависимым при ет > 510"6, тогда как влияние колебаний на процесс квазистатического деформирования начинает проявляться при ет > (4-5) 10'5. При е„~ 10"4 колебания становятся нестабильными, наблюдаются скачкообразные изменения амплитуды, декремента колебаний и резонансной частоты вибратора с увеличением возбуждающего электрического напряжения на вибраторе. Это сопровождается интенсивным накоплением необратимой деформации образца. При измерениях амплитудной зависимости декремента в отсутствие квазистатической нагрузки (кривые 1 и 3, рис. 2) нестабильности колебаний не наблюдалось. Рост внутреннего трения с увеличением амплитуды колебаний происходит в две стадии. Переход к более резкому росту внутреннего трения в процессе деформирования совпадает с началом проявления нестабильности колебаний. В отсутствие квазистатической нагрузки переход ко второй стадии сдвигается в область более высоких ет. Как амплитудно-зависимое внутреннее трение, так и величина акустопластического эффекта значительно возрастали при увеличении скорости квазистатического нагружения (рис. 3). При этом также усиливались проявления нестабильности колебаний.

Макроскопическое деформирование Р/ мартенсит-ной фазы под действием квазистатической нагрузки происходит путём роста преимущественно ориентированных мартенситных вариантов в результате движения межвариантных границ [2]. Согласно [1, 3, 4], структурное амплитудно-зависимое внутреннее трение и обратимая неупругая деформация р/ мартенситной

6 Р, N

Рис. 1. Зависимости декремента (1) образца Си-А1-№ и величины квазистатической нагрузки (2) на этом образце от амплитуды колебательной деформации, одновременно измеренные в процессе деформирования.

Рис. 2. Амплитудно-зависимая часть декремента образца Си-А1-№, измеренная до (1), в процессе (2) и через 1 месяц после (3) деформирования. Приведены данные, полученные при увеличении амплитуды колебательной деформации.

6 АР, N

Рис. 3. Зависимости декремента (1, 2) и величины акусто-пластического эффекта (3, 4) образца Си-А1-№ от амплитуды колебательной деформации, измеренные в процессе деформирования с различной скоростью перемещения деформирующих опор, мм/с: 1,3- 10'5,2,4 - 3-10'5.

фазы монокристаллов Cu-Al-Ni при умеренных амплитудах колебаний (ет < 21 O'4) обусловлены гистере-зисным движением упорядоченной сетки частичных дислокаций внутри мартенситных вариантов. Двухстадийный рост внутреннего трения с увеличением ет, наблюдавшийся для закалённых кристаллов [3], был объяснён переходом от движения дислокаций внутри протяжённых атмосфер точечных дефектов к прорыву и выходу части подвижных дислокаций за пределы атмосфер [3].

Результаты настоящей работы хорошо согласуются с данными [1,3, 4]. Однако в поведении внутреннего трения и акустопластического эффекта имеются некоторые корреляции, в отличие от того, что наблюдалось в случае псевдоупругости превращения [1]. Особенности поведения декремента и акустопластического эффекта с изменением амплитуды колебаний и скорости деформирования хорошо воспроизводят детали поведения, наблюдавшегося при деформировании монокристаллов примесного алюминия [5]. Это позволяет заключить, что, как и в случае алюминия [5], накопление необратимой деформации с ростом амплитуды колебаний начинается после прорыва дислокаций через протяжённые атмосферы точечных дефектов. Поскольку деформация, обусловленная движением частичных дислокаций внутри мартенситных вариантов, аккомодируется межвариантными границами, следует предположить, что после прорыва через атмосферы частичные дислокации под действием квазистатического напряжения выходят на границы, тем самым вызывая их необратимое смешение. Нестабильность колебаний, возникающая при прорыве дислокаций через атмосферы точечных дефектов в присутствии квазистатической нагрузки, наблюдалась также при термоциклировании закалённого поливариантного кристалла Cu-Al-Ni [4], где в качестве квазистатических напряжений выступали термические напряжения, обусловленные сильной анизотропией упругих свойств кристалла. Был сделан вывод [4], что нестабильность колебаний при микродеформировании является аналогом эффекта Портеве-на - Ле Шателье при макропластическом течении. Нестабильность не возникает в отсутствие квазистатической нагрузки, поскольку в этом случае дислокации колеблются вблизи своих статических положений, не «убегая» от атмосфер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sapozhnikov K.V., Vetrov V.V.. Pulnev S.A., Kustov S.B. Acousto-pseudoelastic effect and internal friction during stress-induced martensitic transformation in Cu-Al-Ni single crystals // Scripta Mat. 1996. V. 34. №10. P. 1543-1548.

2. Christian J.W. Deformation by moving interfaces // Met. Trans. A. 1982. V. 13A. № 4. P. 509-538.

3. Kustov S.B.. Van Humbeeck J„ Hurtado /., Golyandin S.N.. De Batist R. Mechanical damping in the martensitic phase of Cu-Al-Ni crystals // M3D III: Mechanics and Mechanisms of Material Damping, ASTM STP 1304. Philadelphia, 1997. P. 94-114.

4. Kustov S., Golyandin S., Sapozhnikov K., Van Humbeeck J.. De Batist R. Low-temperature anomalies in Young’s modulus and internal friction of Cu-Al-Ni single crystals II Acta Mat. 1998. In print.

5. Сапожников К. В., Кустов С. Б. Акусто пластический эффект и внутреннее трение монокристаллов алюминия на различных стадиях деформирования // ФТТ. 1997. Т. 39. № 10. С. 1794-1800.