Динамика макрополос локализованной деформации и образование шейки перед разрывом сплава Al-Mg Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.374

ДИНАМИКА МАКРОПОЛОС ЛОКАЛИЗОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ОБРАЗОВАНИЕ ШЕЙКИ ПЕРЕД РАЗРЫВОМ СПЛАВА А1-М§

© Д.В. Михлик

Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; полосы макролокализованной деформации; преципитаты; неустойчивая деформация.

In situ, с помощью скоростной видеосъемки, исследована взаимосвязь между динамикой деформационных полос и макротрещиной на стадии предразрушения при растяжении сплава Al-Mg.

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 [1].

Прерывистую деформацию различают на эффект Портевена-Ле Шателье, который выражается в появлении скачков разгрузки на кривых деформирования в жесткой испытательной машине и эффект Савара-Массона - появление ступеней деформации на кривых нагружения в мягкой деформационной машине. При «жестком» режиме нагружения, когда растяжение происходит с постоянной скоростью £0 = сош1, в центральной области образца накапливаются остановившиеся полосы деформации и разрушение происходит, как правило, по статической полосе деформации. При «мягком» режиме нагружения с постоянной скоростью роста напряжения &0 = сош1 статических полос деформации не наблюдается. Полосы зарождаются и, расширяются [2], их границы заходят в разгруженную часть в области лопатки, а разрушение происходит обычно в центральной части образца. Поэтому механизм разрушения сплава Al-Mg, деформируемого в условиях проявления эффекта Савара-Массона, отличается от механизма разрушения в условиях проявления эффекта Портевена-Ле Шателье. Исследование природы вязкого разрушения материалов с учетом локализации дефор-

мации в статических и распространяющихся полосах деформации представляет в настоящее время актуальную проблему. Особенно она важна для промышленных алюминиево-магниевых сплавов с содержанием магния от 3 до 6 %, широко используемых в автомобильной и авиационной технике.

В настоящей работе с помощью высокоскоростной видеосъемки со скоростью 1000 кадр/с проведены исследования роли полос деформации и образование шейки в сплаве АМг6 с различной исходной микроструктурой. Установлено, что в сплаве с преципитат-ной микроструктурой магистральная трещина распространяется по первичной полосе локализованного сдвига - триггера развития первого макроскопического скачка деформации, а в сплаве с рекристаллизованной зеренной структурой магистральная трещина распространяется в сечении, наиболее интенсивно «обработанного» полосами деформации.

На основе данных видеосъемки поверхности образцов сплава 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.

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 землетрясений -предвестников землетрясений большой магнитуды. Предполагается, что процесс изменения угла границы полосы с фазой формирования ломаной границы и приводят к локализации деформации в виде шейки и разрыву образца.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение

металлов. М.: Металлургия, 1986. 224 с.

2. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтое М.А., Шуклинов А.В., Лебед-кин М.А. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Известия РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. № 9. С. 1372-1376.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект № 2.1.1/2747.

Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.

Mihlik D.V. Dynamics of macrobands of localized deformation and the necking before the fracture of Al-Mg alloy.

Relationship between dynamics of deformation bands and the necking on the prefracture stage during tensile test of Al-Mg alloy is investigated by fast videotape in situ method.

Key words: aluminum-magnesium alloys; bands of macrolocalized deformation; precipitates; unstable deformation.

УДК 539.37:537.221

СКОРОСТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОГО ПЕРЕХОДА ПРИ НАНОКОНТАКТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ LiF

© В.В. Шиндяпин, А.И. Тюрин, М.О. Воробьев

Ключевые слова: наноконтактная деформация; упруго-пластический переход; скоростная зависимость; микромеханизмы; структурные дефекты.

В работе рассматривается скоростная зависимость упруго-пластического перехода при наноконтактной деформации ЫБ. Показано, что на начальных этапах взаимодействия деформация носит упругий характер, а при достижении некоторых критических значений Рк и Нк деформация сменяется с упругой на упруго-пластическую. Величина Рк и Ик растет с ростом относительной деформации.

Деформация материала в микро- и нанообъемах при различных видах взаимодействия чрезвычайно широко распространена в природе и в технике. Она возникает во многих практически важных ситуациях, например, при сухом трении микрошероховатых тел, абразивном и эрозионном износе, в скользящих электрических контактах, при шлифовке, тонком помоле в различных мельницах и в других процессах [1-3].

При этом поведение динамических микро/наноконтактов во многом зависит от того, какого типа деформация реализуется при взаимодействии: чисто упругая или упруго-пластическая. Критические нагрузки и напряжения упруго-пластического перехода определяются атомными механизмами зарождения и движения структурных дефектов в материале, а также зависят от размеров контактной области и скорости деформирования [4].

В работе экспериментально исследованы размерноскоростные зависимости упруго-пластического перехода в кристаллических и аморфных материалах, нагружаемых локально трехгранным пирамидальным индентором Берковича с регулируемой линейной скоростью и от единиц до десятков см/с. При этом с высоким временным (до 0,3 мкс) и пространственным (до 1 нм) разрешением контролировали силу P(t) сопротивления внедрения индентора и нормальное перемещение h(t) индентора. Локальное нагружение пирамидальными инденторами характеризуется ростом характерных размеров R области сильной деформации и одновременным падением скорости относительной деформа-

v(t) v(t) „

ции £ « -jr- « . Проводимые оценки величины 6

R(t)

показывают, что на начальной стадии нагружения, когда величина составляет 10-100 нм, даже при линей-

ной скорости перемещения индентора и ~ 1 см/с величина £ может достигать значений 106-107 с-1, что сопоставимо со скоростью деформирования при взрыве ВВ на поверхности образца.

По условиям опыта и регулировалась начальной высотой индентора над поверхностью образца и работой электромагнитного привода, ускоряющего шток с индентором перед его столкновением с образцом.

Ввиду относительно большой массы подвижных частей наноиндентометра (т ~ 100 г) и значительной накопленной энергии (~ мДж) скорость индентора в процессе погружения в материал на несколько микрометров практически была неизменна, т. е. реализовывался «жесткий» режим нагружения, при котором устройство задает постоянную скорость линейной деформации.

Кинетика перемещения индентора Н(ґ) и величины действующей силы Р(ґ) регистрировались независимыми высокоскоростными каналами регистрации.

Перестроение полученных зависимостей Р(ґ) и Н(ґ) позволяет строить типичные Р(Н) диаграммы, исключая из рассмотрения координату ґ. Полученные результаты для монокристаллов ЬіГ для различных скоростей перемещения индентора на начальной стадии его внедрения в материал показаны на рис. 1.

Из результатов экспериментов на монокристаллах ЬіЕ и плавленом кварце следует, что на начальной стадии погружения (до некоторой критической величины Р = Рс) зависимость Р(Н) полностью совпадает с зависимостью Р(Изп) (рис. 2). Поскольку любой пирамидальный индентор имеет притупление, которое можно аппроксимировать сферой с эквивалентным радиусом Я, начальная стадия погружения проходила в соответствии с законом Герца Р = ^Яй1/2й3/2,