CC BY
47
УДК 539.37:537.221
ДИНАМИКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛОС И РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ, ДЕМОНСТРИРУЮЩИХ НЕУСТОЙЧИВОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ
© Д.В. Михлик, А.А. Шибков
Ключевые слова: динамика неустойчивой деформации; макроразрушения; алюминий-магниевый сплав.
Методом высокоскоростной видеосъемки исследовалась связь между распространяющимися деформационными полосами и макроразрушением алюминий-магниевого сплава АМг6. Показано, что макротрещина есть результат сложной нелинейной эволюции полос деформации.
ВВЕДЕНИЕ
Алюминиевые сплавы используют для изготовления легких конструкций. Алюминий-магниевые сплавы, обладающие уникальным сочетанием высокой прочности, свариваемости, коррозионной стойкости и низкой плотности, нашли свое применение в авиационной технике, судостроении, автомобильном и химическом машиностроении. Однако эти сплавы демонстрируют неустойчивую деформацию, связанную с локализацией пластического течения в статических и распространяющихся полосах деформации, которые, с одной стороны, ухудшают качество поверхности промышленных изделий, а с другой - снижают пластичность сплавов Al-Mg. Последнее непосредственно связано с влиянием полос деформации на механизмы разрушения. В условиях проявления прерывистой деформации сплавы Al-Mg демонстрируют, как правило, вязкое разрушение. Теория вязкого разрушения, однако, не учитывает локализацию деформации в макроскопических полосах деформации, распространяющихся или статических, а основана на представлении о зарождении деформационных и/или диффузионных пор, их подрастании (коалесценции) и слиянии в магистральную трещину.
Прерывистую деформацию различают на эффект Портевена - Ле Шателье (ПЛШ), который выражается в появлении скачков разгрузки на кривых деформирования в жесткой испытательной машине и эффект Са-вара - Массона - появление ступеней деформации на кривых нагружения в мягкой деформационной машине. При «жестком» режиме нагружения, когда растяжение происходит с постоянной скоростью ¿0 = const, в центральной области образца накапливаются остановившиеся полосы деформации, и разрушение происходит, как правило, по статической полосе деформации ПЛШ. При «мягком» режиме нагружения с постоянной скоростью роста напряжения ^ = const статических полос
деформации не наблюдается. Полосы зарождаются, расширяются, их границы заходят в разгруженную часть в области лопатки, а разрушение происходит обычно в центральной части образца. Пластичность сплава Al-Mg на 10-15 % выше при деформировании в мягкой машине по сравнению с жесткой, в основном,
вследствие отсутствия статических полос деформации. Поэтому механизм разрушения сплава Al-Mg, деформируемого в условиях проявления эффекта Савара-Массона, отличается от механизма разрушения в условиях проявления эффекта ПЛШ.
Цель настоящей работы: на основе данных высокоскоростной съемки динамики поверхности исследовать роль распространяющихся полос деформации в образовании шейки и макроразрушении сплава АМг6.
МЕТОДИКА
Образцы вырезались из холоднокатаного листа (в = 5) сплава АМг6 и имели размеры рабочей части 6x3x1 мм3. После отжига при 450° С в течение 1 часа и закалки на воздухе размер зерна составлял около 10 мкм. Растяжение с постоянной скоростью роста нагрузки а0 = 0,2 МПа/с производили в мягкой деформационной машине. Деформацию измеряли с помощью индикатора смещения ID-C125B фирмы Mitutoyo с точностью 1 мкм.
Для in situ исследования динамики полос деформации велась видеосъемка поверхности деформируемого металла с помощью высокоскоростной видеокамеры VS-FAST/G6 со скоростью 500 кадр/с. Для регистрации всех возможных полос деформации в образце высотой рабочей части 6 мм поле зрения видеокамеры выбиралось 10x10 мм, что при формате 1204x1280 пикселей соответствует разрешению около 10 мкм/пиксель, т. е. при выбранных условиях съемки 1 пиксель равен среднему размеру зерна поликристаллического образца. Поэтому данная методика не позволяет выявлять события деформации внутри зерен (срабатывание источников Франка - Рида, отдельных линий скольжения, образование отдельных деформационных пор и разрывов тройных стыков и т. д.), а предназначена в основном для in situ исследования временной эволюции рельефа поверхности металла, связанного с динамикой агрегата зерен, размером от нескольких зерен до размера образца (макроуровень).
Обработка видеофильма состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени кадров видеофильма. При такой методике обработки изображений выделяются контуры только движущихся объектов - полос деформации, распро-
Sx / kSt, где Sx — размер изопикселю, St —
страняющихся со скоростью выше некоторой минимальной скорости um„. При вычитании из (n + k)-ro кадра n-го кадра um бражения, соответствующего одному временной интервал между кадрами.
В выбранном масштабе изображений и времени Sx = 10 мкм, St = 2 мс. При вычитании изображения n-го кадра из изображения (n + 1)-го кадра, т. е. при k = 1, минимальная для регистрации скорость полосы составляла umin = 5 мм/с. Для регистрации более медленных процессов неустойчивости применяли методику программного вычитания цифровых изображений при более высоких значениях k вплоть до k = 20, что соответствует минимальной скорости полосы 50 мкм/с. Таким образом, обрабатывая с помощью компьютерной программы один и тот же цифровой видеофильм роста и распространения полос деформации, можно измерять скорости в интервале от umin ~ 250 мкм/с до максимальной umax ~ L/St ~ 3 м/с, где L = 6 мм - максимальный размер образца, т. е. в диапазоне четырех порядков величины скорости.
Для экспериментального изучения скачкообразной деформации металлов в лаборатории «Физика металлов и сплавов» Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина разработана мягкая деформационная машина (рис. 1). Машина представляет собой рычажное устройство, состоящее из подвижного штока 1, соединенного с помощью стальной ленты 2 с коромыслом 3, цилиндрического сосуда 4, заполняемого водой с заданным постоянным расходом, демпфирующего устройства 5, состоящего из массивного сосуда и двух тороидальных резиновых камер для гашения низкочастотных колебаний сосуда, и опоры 6, укрепленной на массивном основании 7. Установка снабжена блоком измерения смещения штока 8, экранированной электрометрической ячейкой для измерения сигналов акустической и электромагнитной эмиссии 9 и цифровой видеокамерой 10. Данная деформационная машина способна производить растяжение
тудои
-3
металлических образцов с постоянной скоростью возрастания нагрузки, которая варьируется в пределах от нуля (режим ползучести) до 40 Н/с, развивать максимальное усилие 4 кН и предназначена для механических испытаний материалов с пределом прочности не более 0,5 ГПа (в основном, сплавов на основе алюминия и меди).
Предварительные эксперименты на промышленном сплаве АМг6, демонстрирующем скачкообразную пластическую деформацию, показали, что по данным ви-деофильмирования движения верхнего захвата машины ускорение, развиваемое системой машина - образец на фронте макроскопического скачка деформации ампли-10 %, не превышает ~1 мм/с2, что составляет 10-3£ - ускорение свободного падения), и на полто-
ра порядка меньше ускорения системы в момент разрыва образца (~30 мм/с2). Это означает, что данная испытательная машина действительно мягкая, и скорость деформации образца не ограничена переходными процессами в машине, связанными с ее инерционностью, в частности, с разгрузкой системы машина - образец при потере устойчивости пластического течения, которая не превышает ~0,1 % при образовании шейки перед разрывом образца. Наиболее существенное отличие данной машины от жесткой машины типа «Инс-трон» состоит в том, что она не может разгружаться при развитии неустойчивости пластической деформации образца; таким образом, поддерживается условие постоянной скорости возрастания нагрузки. В то же время при испытаниях в жесткой машине разгрузка системы машина - образец, возникающая в результате потери устойчивости пластического течения металла, которая регистрируется в виде резкого падения нагрузки (зуб текучести или эффект Портевена - Ле Шате-лье), оказывает существенное влияние на дальнейшее развитие этой неустойчивости (отрицательная обратная связь), что затрудняет изучение природы неустойчивой пластической деформации.
Рис. 1. Схема мягкой деформационной машины для растяжения металлических образцов: 1 - шток; 2 - тяга (стальная лента); 3 - коромысло; 4 - цилиндрический сосуд; 5 - демпфер; 6 - опора; 7 - массивное основание; 8 - блок измерения смещения штока; 9 - стальной экран; 10 - видеокамера; 11 - образец; 12 - одноосный шарнир; 13 - сосуд с водой; 14 - шланг; 15 - регулятор расхода воды
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖЕНИЕ
1. Результаты видеосъемки со скоростью 25 кадр/с. В настоящей работе экспериментально установлена ключевая роль взаимодействия пересекающихся полос деформации в инициировании процесса образования шейки и последующего разрыва образца. Видеофильмирование показывает, что разрушение образца всегда происходит на фронте последнего, самого большого (>10 %), скачка пластической деформации. Фронт скачка имеет сложную структуру и состоит из нескольких более мелких скачков. При этом за время фронта в образце распространилось 5-7 полос скольжения. Шейка образца образуется в результате пересечения двух широких полос скольжения (рис. 2а). Схема этого процесса представлена на рис. 3. Пересечение полос дает два основных механизма необратимых изменений в образце. Во-первых, образуется сектор с меньшей толщиной образца, в котором развивается шейка. Во-вторых, при пересечении дислокационных полос образуются микротрещины растяжения по механизму Гилмана, которые затем развиваются в магистральную трещину в области максимальных растягивающих напряжений, т. е. в области с минимальным сечением (шейки).
I П Ш IV 10.010
б)
Рис. 2. (а) Видеофильмирование поверхности перед разрушением образца (временной интервал между кадрами - 40 мс). (б) Развитие двух сопряженных полос сдвига в образце, пред-деформированном до момента образования шейки, т. е. до истинной деформации 0,24 при 223 К до испытания при комнатной температуре. Деформационная картина показывает высокую концентрацию деформации в области пересечения полос сдвига [1]
а) б)
Рис. 3. Механизмы разрушения образца в результате динамического взаимодействия пересекающихся полос скольжения: а) схема образования шейки в результате пересечения двух встречных полос скольжения; б) схема образования микротрещины при взаимодействии двух полос скольжения (механизм Гилмана)
Таким образом, прочность образцов Al-Mg на растяжение непосредственно связана с динамическим взаимодействием полос скольжения, распространяющихся на последних стадиях самого крупного скачка пластической деформации образца. Это означает, что предельная нагрузка, при которой разрушается образец, есть результат развития катастрофической неустойчивости пластической деформации образца.
Полученные результаты качественно совпадают с литературными данными, полученными с помощью тепловизионной съемки с низкими скоростями 15 кадр/с. Согласно работе [1], перед разрушением также образуются две скрещенные полосы в центральной части образца (рис. 2б), что подтверждает механизм образования шейки как результат взаимодействия встречных непараллельных полос, одна из которых составляет угол 55°, а другая - 110° относительно оси растяжения. Однако этот механизм опровергается данными высокоскоростной видеосъемки процесса образования шейки со скоростью 500 кадр/с.
2. Результаты видеосъемки со скоростью 500 кадр/с. Длительность процесса образования шейки перед разрывом обычно на порядок меньше длительности последнего скачка. Поэтому для понимания природы шейкообразования и механизма разрушения сплава необходимы исследования динамики и морфологии развития пространственно-временной неустойчивости на фронте последнего скачка, начиная с момента зарождения первой полосы-триггера и заканчивая моментом разрыва образца.
Анализ данных высокоскоростной съемки, полученных с помощью камеры БА8Т-У8/06, со скоростью 500 кадр/с, показывает, что развитие последнего скачка деформации начинается с зарождения от ребра кристалла первичной полосы деформации, обычно в средней части образца. Скорость вершины полосы составляет 1-1,5 м/с, а максимальная скорость бокового роста -около 10 см/с. Через 10-20 мс после момента зарождения скорость расширения полосы начинает падать и через 100 мс она составляет на более 1 мм/с. Затем каждая граница расширяющейся полосы в разные моменты времени генерирует вторичные полосы, которые
расширяются подобным образом, порождая новые полосы-сателлиты и т. д. В результате эволюция неустойчивой деформации описывается бифуркационным «деревом», представленным на рис. 4. После обработки полосами-сателитами всей рабочей части образца возникает одиночная полоса, которая расширяется на весь образец. Далее наступает этап собственно образования шейки: поступательное распространение полосы сменяется на осциллирующее движение, когда полоса раскачивается в угловом секторе =55°-110° относительно оси растяжения при неподвижном «центре тяжести» полосы (рис. 5). Ширина полосы в ходе осцилляции остается приблизительно постоянной около 1+1,5 мм (что составляет 30-50 % ширины образца), соизмеримой с толщиной образца (С = 1 мм). Характерный период колебаний полосы составляет ~10 мс; обычно наблюдается 3-4 осцилляций до начала развития магистральной трещины. Средняя скорость вершины трещины обычно не превышает нескольких м/с (предел прочности сплава АМг6 составляет стВ = 280 МПа).
Важно подчеркнуть, что коэффициент скоростной чувствительности т = 3(1пст) / Э(е) до начала образования шейки положительный т = 0,2-0,3, а в ходе развития шейки резко падает и перед разрывом принимает отрицательное значение около -0,1. Положительное значение скоростной чувствительности вызывает делокализацию пластической неустойчивости, которая выражается в эволюции расширяющихся полос деформации, в то же время отрицательная скоростная чувствительности обусловливает автолокализацию пластической деформации в виде шейки.
Таким образом, данные высокоскоростной съемки показывают, что разрыв образца происходит как результат (катастрофа) развития бифуркационного каскада удвоения. Из нелинейной динамики известно, что бифуркации удвоения являются одним из механизмов сваливания нелинейной системы к хаосу. В закритиче-ской области (в области пересечения и взаимодействия ветвей бифуркационного дерева) с ростом управляющего параметра область хаотического поведения сменяется областями регулярного движения (см., например, в [2-4]). Согласно [2], в закритической области возможно развитие обратного каскада за счет последовательной цепочки процессов самоорганизации.
«Закритическая» область эволюции пластической неустойчивости на фронте последнего скачка наступает после пересечения всех полос сателлитов (т. А на рис. 4). В закритической области наблюдаются, по крайней мере, два явных процесса самоорганизации: формирования гигантской полосы деформации, которая распространяется почти с постоянной скоростью (без скачков) на всю рабочую область образца, и макроразрушение - разрыв образца. Между этими событиями образуется шейка в результате, как показывает высокоскоростная съемка, раскачивания полосы деформации постоянной ширины в угловом секторе =55-110° относительно оси растяжения. В данном угловом секторе ширина и особенно толщина образца начинают быстро уменьшаться. Продолжительность процесса формирования шейки до момента разрыва обычно не превышает 40 мс. Поэтому при съемках (с помощью видеокамеры или тепловизора) со скоростью меньше 25 кадр/с осцилляции полосы не выявляется. Осциллирующие с периодом около 10 мс полосы при съемке со скоростями 25 кадр/с и меньше регистрируются в
единственном кадре как картина пересечения двух сопряженных полос (см. рис. 2, а и б). Реально, изображения этих полос соответствуют точкам поворота осциллятора, т. е. крайним положениям одной полосы в ходе ее колебаний.
На последнем скачке временной интервал смены угла границы полосы составляет 2-4 мс (1-2 кадра). Более детально этот процесс можно наблюдать на крупных скачках, предшествующих последнему скачку с разрывом, т. е. при меньшем напряжении (около 200 МПа) и соответственно меньших скоростях распространения полос. Из рис. 6 видно, что на стадии поворота полосы ее границы приобретают вид ломаной линии. Видимо, в центральной области (вблизи точки излома границы) создается концентрация напряжений, достаточная для образования микротрещин.
Важно отметить, что смена знака угла полосы происходит каждый раз приблизительно на одном и том же участке образца (на рис. 4 он отмечен горизонтальной серой полосой), именно там, где произойдет образование шейки и разрыв образца. Для проверки предположения о причастности этого процесса к макроразрушению образца измерялись все моменты времени Г,, в которых происходит смена угла границы полосы на фронте последнего скачка. Затем строилась зависимость количества таких событий от времени до разрушения т = ГР - Г,-, где ГР - момент разрыва образца. Эта зависимость в двойных логарифмических координатах представлена на рис. 7. Как видно, она имеет вид линейной зависимости с коэффициентом наклона т = = -0,7, следовательно, зависимость М(т) является степенной с показателем степени т= -0,7, т. е. N ~ 1/т0,7. Подобным степенным законом с показателем степени т = -1 описываются временные интервалы между мелкими землетрясениями - предвестниками крупного землетрясения, т. е. N ~ 1/т-1 (закон Омори, 1895 г.) [5]. Можно предположить, что наиболее опасными для прочности сплава являются именно события, связанные со сменой угла наклона полосы к оси растяжения, точнее, стадия образования ломаной границы с концентрацией напряжения вблизи центральной точки границы. Эти события происходят в том месте, где произойдет развитие магистральной трещины. Кроме того, по мере приближения к катастрофическому разрыву количество этих событий растет по степенному закону, с показателем степени около единицы, подобно степенному закону Омори для мелких землетрясений - предвестников землетрясения большой амплитуды.
Рис. 4. Бифуркационная эволюция полос деформации, когда очередная распространяющаяся полоса зарождается на одной из границ останавливающейся полосы. Цифрами 1-5 - отмечены позиции смены угла границы полосы относительно оси растяжения - основного процесса, ведущего к образованию шейки перед разрывом. X - координата границы полосы относительно позиции зарождения первичной полосы - триггера
4^
00
00
§ г
я
43
к
о
43
2
р
с
X
Я
—
я
о
о
о
43
43
В
43
V:
В
о
X
Я
ьс
со я о
£1 X Я к & &
В * я 'З
Р -а К д
N0* К
I?
Рис. 5. Осцилляция полосы деформации и образование шейки перед разрывом сплава АМгб
ISSN 1810-0198 Вестник ТГУ. т. 14. вып.2.2009
Полученные впервые с помощью высокоскоростной съемки оригинальные результаты ставят ряд открытых вопросов: 1) Какова конструктивная роль бифуркационной эволюции полос деформации в последующем образовании шейки. Как изменяется микроструктура сплава на этой стадии развития последнего скачка? 2) Каковы механизмы вязкого разрушения сплава Al-Mg в условиях осциллирующей динамики последней полосы деформации? 3) Какова роль хаоса и самоорганизации неустойчивой деформации в развитии катастрофического разрушения образца.
Для ответа на эти вопросы необходимо дальнейшее изучение динамики неустойчивого течения совместно с микроструктурными исследованиями.
ВЫВОДЫ
1. На основе данных видеосъемки поверхности образцов сплавов АМг3 и АМг6 перед разрывом установлено, что шейка образуется в результате автолокализации полосы деформации из-за смены ее поступательного движения со скоростью порядка 10 см/с на осциллирующее с периодом колебаний около 10 мс. Разрыв металла происходит в результате 4-6 осцилляций фронта полосы, центр тяжести которой остается неподвижным.
2. Обнаружено, что за 200-300 мс до разрыва на локальном участке кристалла, через который пройдет магистральная трещина, происходят скачкообразные события смены угла границы полосы относительно оси растяжения с образованием полосы в виде ломаной линии. Установлено, что количество таких событий растет по мере приближения к моменту разрыва по степенному закону с показателем степени -0,7, аналогичному степенному закону Омори для землетрясе-
ний - предвестников землетрясений большой магнитуды. Предполагается, что процесс изменения угла полосы с фазой формирования ломаной границы и приводят к локализации деформации в виде шейки и разрыву образца.
ЛИТЕРАТУРА
1. Halim H., Wilkinson D.S., Niewczas M. The Portevin - Le Chatelier (PLC) effect and shear band formation in an AA5754 alloy // Acta Ma-terialia. 2007. V. 55. Р. 4151-4160.
2. Берже П., Помо И., Видаль К. Порядок в хаосе. О детерминистском подходе к турбулентности. Череповец: Меркурий-пресс, 2000. 366 с.
3. Пайтген Х.О., Рихтер П.Х. Красота фракталов. М.: Мир, 1993.
C. 39.
4. Анищенко В.С., Астахов В.В., Вадивасова Т.Е., Нейман А.Б., Стрелкова Г.И., Шиманский-Гайер Л. Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах. М.; Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2003. 544 с.
5. Jensen H.J. Self-Organized Criticality. Cambridge: Cambridge Univ. Press., 1998. 153 p.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)», проект № 2.1.1/2747.
Поступила в редакцию 27 января 2009 г.
Michlik D.V., Shibkov A.A. Deformation band dynamics and fracture of metal alloys demonstrating unstable plastic flow. Relationship between the moving deformation bands and macrofracture in aluminum-magnesium alloy AMg6 is investigated by the method of the fast video recording. It is shown that the macro crack is the result of complex nonlinear evolution of deformation bands.
Key words: unstable deformation dynamics; macro cracks; aluminum-magnesium alloy.
