CC BY
132
УДК 539.382
ЭФФЕКТ ПОРТЕВЕНА-ЛЕ ШАТЕЛЬЕ В СПЛАВЕ AL-5MG-2LI-0,1ZR
В.И. Еремин, к.ф.-м.н., Е.Ф. Еремина, доцент, к.т.н., А.А.Степанов, доцент, к.ф.-м.н., ХНАДУ
Аннотация. Экспериментально исследованы области нестабильного пластического деформирования образцов изучаемого сплава, прошедших различную термообработку. Определены условия, приводящие к формированию нестабильности различных типов.
Ключевые слова: пластическая деформация, скачок нагрузки, энергия активации, потеря устойчивости.
Введение
В процессе пластической деформации при перемещении нагружающего штока с постоянной скоростью может возникать неустойчивое, скачкообразное деформирование - эффект Портевена-Ле Шателье. Это явление связано с примесным закреплением дислокаций в процессе пластической деформации. Одной из главных задач исследования эффекта Портевена-Ле Шателье как при экспериментальном изучении, так и при теоретическом анализе является установление критерия потери устойчивости пластического деформирования и определение области существования такой неустойчивости.
Анализ публикаций
В настоящее время явление неустойчивого деформирования достаточно подробно исследовано в экспериментальном отношении. Обнаружено существование скачков нагрузки разного типа [1], выявлен неоднородный характер деформации образца при неустойчивом деформировании [1 - 4] и установлены области существования эффекта для многих сплавов [2, 3].
В теоретическом плане качественное понимание явления было достигнуто на основе модели Котгрелла-Билби торможения дислокаций примесными атмосферами [3]. В дальнейшем более успешно этот эффект анализи-
ровался с помощью динамической модели примесного старения дислокаций [6].
Скачки нагрузки на диаграммах растяжения «нагрузка Р - время возникают в температурно-скоростном диапазоне, где наблюдается особенность температурной зависимости напряжения пластического течения сплавов а(7), после достижения некоторой критической степени деформации вс [5]. На зависимости о(Т) имеется характерный подъем над уровнем атермического участка, связанный с примесным старением дислокаций. Именно в этом температурном диапазоне наблюдается значительное снижение скорости ползучести, свидетельствующее об иммобилизации дислокаций атомами примеси.
Критическая деформация начала скачкообразного нагружения вс при увеличении температуры испытания сначала снижается, но в дальнейшем начинается значительный рост. Эта особенность поведения начала скачкообразного деформирования, наряду с другими, привела к серьезным трудностям теоретического рассмотрения, и возникло понятие об аномальном эффекте Портевена-Ле Шателье.
Цель и постановка задачи
Целью настоящей работы было определение границ нестабильного пластического деформирования сплава Al-5Mg-2Li-0,1Zr на диаграмме «скорость деформирования - темпе-
ратура» и сравнение экспериментально установленной области нестабильного деформирования с теоретическими предсказаниями.
Методика и результаты исследований
В работе изучены закономерности пластического деформирования сплава Al-5Mg-2Li-
0,^г (цифры указывают % масс. легирующих элементов) при температурах 230 - 380 К при растяжении образцов с постоянной скоростью, значения которой варьировались в интервале от 2 10-3 с-1 до 2 10-6 с-1. Испытания проводились на жесткой нагружающей машине: жесткость машины К устанавливалась 107 Н/м или, в специальных экспериментах, 106 Н/м. Для испытаний на растяжение были использованы плоские образцы с длиной рабочей части 25 мм и площадью поперечного сечения = 0,85^5 мм2. Структура образцов формировалась в процессе термических обработок, режимы которых приведены в табл. 1.
Таблица 1 Режимы термической обработки экспериментальных образцов
Известно, что при данных термических обработках в исследуемом сплаве выделяется ме-тастабильная 5' фаза А^^ которая оказы-ва-ет значительное влияние на протекание пластической деформации. В исследуемых образцах торможение дислокаций есть результат их взаимодействия с отдельными атомами примеси и выделениями 5' фазы. Регистрировались деформационные кривые образцов при постоянной жесткости машины, температуре и скорости растяжения. На деформационных кривых определялись значения нагрузки, деформации и величина деформационного упрочнения.
Типичные деформационные кривые, полученные в наших экспериментах, представлены на рис. 1. Все деформационные кривые можно разделить на три типа: «А», «В» и «С». Следует отметить, что отдельно взятые скачки нагрузки на полученных деформаци-
онных кривых «А», «В» и «С» типов не имеют принципиальных различий.
Рис. 1. Деформационные кривые сплава А1-Mg-Li-Zr: А - полосы Людерса ^=326 К, е =2 10-3 с-1); В - скачкообразная деформация ^=296 К, е =210-3 с-1); С -одиночные скачки ^=356 К, е =2 10-3 с-1)
На деформационных кривых, полученных при различных температурах Т и скоростях растяжения е , были определены коэффициенты деформационного упрочнения 0. На рис. 2 для образцов, прошедших первую термическую обработку, представлена зависимость деформационного упрочнения при фиксированном уровне приложенного напряжения (о=220 МПа) от температуры испытания (по оси абсцисс отложена разность между температурой деформирования и критической температурой Тс).
К 350
5 325
К
5 300
С
8 250
6
-&225
-&200 га О
И
-40 -30 -20 -10 Тс 10 20 30 40 50 60 Температура деформирования, К
о -Тс=296 К, е =2 -10-4 с- 1, *-Тс=323 К, 0 =2 -10-3 с- 1
Рис. 2. Зависимость деформационного упрочнения от температуры испытания при фиксированном напряжении
Зависимость 0(Т) имеет ступеньку, дающую изменение коэффициента деформационного
№ Температура отжига Способ охлаждения Время старения Темпе- ратура
1 733 К На воздухе 10 час. 393 К
2 733 К В воду 10 час. 393 К
3 733 К В воду 16 час. 443 К
4 733 К В воду 17 час. 443 К
упрочнения на 40 %. При испытании образцов, прошедших другие термические обработки, наблюдались аналогичные зависимости 0(7). Температура начала резкого увеличения коэффициента деформационного упрочнения в дальнейшем считается критической 7с.
На всех деформационных кривых были найдены точки начала нестабильного деформирования или появления первого срыва нагрузки. Зависимость величины деформации до первого скачка нагрузки вс от температуры деформирования для образцов всех термообработок при различных скоростях растяжения представлена на рис. 3.
о -Тс=296 К,
□ -Тс=296 К, 0 -Тс=290 К, А -Тс=296 К,
=2 -10
=2 -10 =2 -10 =2 -10
v-Тс=260 К, e =2 -10- 6 с
• -Тс=323 К, ■ -Тс=316 К,
* -Тс=321 К, а -Тс=320 К,
=2 -10
=2 -10 =2 -10 =2 -10
▼-Тс=260 К, e =2 -10- 5 с
термообраб
термообраб
термообраб
термообраб
термообраб
Рис. 3. Зависимость величины деформации до первого скачка нагрузки от температуры деформирования
При изменении температуры деформирования наблюдается три характерных участка: «В», где вс уменьшается и на диаграммах растяжения наблюдается скачкообразная деформация; «А», где вс проходит через максимум и на диаграммах растяжения регистрируется площадка, соответствующая прохождению на образце полосы Людерса; «С», где вс растет и на диаграммах растяжения наблюдаются одиночные скачки.
В дополнительных экспериментах установлена независимость величины срывов нагрузки от жесткости деформационной машины К. Уменьшение К пропорционально увеличивает деформацию во время каждого срыва нагрузки. Этот факт отражается на величине критической деформации до образования полосы Людерса. Ей обычно предшествуют
одиночные флуктуационные срывы нагрузки, но только большие сдвиги в образце становятся источником флуктуации напряжения для дальнейших скачков нагрузки и рождают полосы Людерса. На жесткой деформационной машине деформация Людерса возникает при больших значениях ес. Уменьшение жесткости деформационной машины сдвигает высокотемпературную границу области «А» в сторону больших температур.
Полученные экспериментальные данные позволяют построить области существования скачкообразной деформации «В», деформации Людерса «А» и одиночных флуктуаци-онных скачков «С». На рис. 4 в координатах скорость растяжения e -температура Т представлена область нестабильности CAB для деформирования на машине с жесткостью 107 Н/м (низкотемпературная граница соответствует е=2%) сплава Al-5Mg-2Li-0, lZr после термообработки 4.
s s я
cd
a2 -10
о
■e
u
О 2
a
о
w
О
2 -10
350 300 250 200
Т емпература, К
Рис. 4. Область нестабильности деформирования сплава Al-5Mg-2Li-0, lZr: А - полосы Людерса; В - скачкообразная деформация; С - одиночные скачки
Обсуждение результатов экспериментов
Границы области CAB в аррениусовских координатах описываются прямыми линиями. Из наклона низкотемпературной границы области С находим, что энергия активации процесса равна 0,6 эВ. Эту величину можно сравнить со значением энергии активации закрепления дислокаций атомами Mg в алюминии, 0,5 эВ [5]. Для высокотемпературной границы области С получаем энергию активации процесса 2,3 эВ, то есть значение, близкое к энергии активации высокотемпературной ползучести сплавов алюминия с Mg. Граница между областями А и С определяется эффективностью примесного закрепления
с
с
с
с
с
с
с
с
дислокаций при данной температуре и скорости растяжения.
В работе [7] рассмотрено термоактивированное пластическое деформирование с учетом наступления нестабильности в результате геометрической неустойчивости. Такое рассмотрение дает для границы нестабильности в аррениусовских координатах прямую линию
1п ^ =1, (I)
е Т
Р = (но - V00-о| (е)щ К\ (2)
где Н0 и V - энергия и объем активации пластической деформации, е 0 и к - константы, 0:(в) - уровень внутренних напряжений, зависящий от пластической деформации. При кр = 0,6 эВ уравнение (2) описывает результаты, полученные в наших экспериментах.
Примесное закрепление дислокаций носит пороговый характер. Как показано в [5], сила взаимодействия дислокаций с примесными атомами резко увеличивается при дефор -мировании со скоростями ниже критической вс. Аналогично, при температурах выше критической Тс примесное закрепление увеличивается при растяжении с постоянной скоростью. Это соответствует экспериментальным данным, представленным на рис. 2 и рис. 3.
В наших испытаниях нестабильное пластическое деформирование наступает при условии РJS0=®. Это подтверждается экспериментальными результатами и соответствует модели геометрической неустойчивости [6]. Области А и С соответствуют флуктуацион-ной нестабильности, когда критерий геометрической потери устойчивости выполняется вследствие флуктуации напряжения в объеме Дс(0 и на поверхности Дс(Р) образцов. Флуктуации Дс(Р) определяют распространение полосы Людерса РА$>+До(Р)>0 и служат добавкой к Дс(0 в области «С»
Р
— +Ао (Р) + До (0 i 0. (3)
Выводы
Термоактивированное пластическое деформирование становится нестабильным, когда нагрузка, приложенная к образцу, достигает величины PC = 0 Ч£0. Это происходит в области В эффекта Портевена-Ле Шателье. При деформировании в областях А и С текущая нагрузка не достигает критического значения, но флуктуации напряжения, вызванные наличием выделений в объеме образца, атомов примесей и дефектами на его поверхности, а также искажениями после пластических сдвигов, могут в окрестности области В способствовать появлению отдельных флук-туационных скачков или полосы Людерса, когда очередной флуктуационный скачок дает сдвиг на поверхности образца, вызывающий флуктуацию напряжения деформирования и приводящий к прохождению серии последовательных скачков нагрузки.
Литература
1. Van Westrnm J.S., Wijkr A. Determination of
the characteristics of Portevin-Le Chatelier bands in Au-145atCu //Acta Met. - 1973. -Vol.21. - № 6. - P. 1079 - 1086.
2. Caddy L.J., Leslie W.C. Some aspects of
serrated yielding in substitution solutions of iron //Acta Met. - 1972. - Vol.20. - № 10. - P. 1157 - 1167.
3. Bonder S.R., Baruch S.R. Determination of
dislocation velocities and densitiesfrom deformation waves of discontinuous yielding of metals // J. Appl. Phys. - 1972.
- Vol. 43. - № 5. - P. 2092 - 2101.
4. Estrm Y., Kubin L.P. Collective dislocation
behavior in dilute alloys and the Portevin-Le Chatelier effect //J. Meek Behavior of Materials. - 1989-1990. - Vol. 2. - № 3-4.
- P. 255 - 292.
5. Malygm G.A. Dynamik interaction of
impurity atmospheres with moving dislocations during serrated flow // Phys. Stat. Sol. (a). - 1973. - Vol. 51. - № 1. - P. 51 - 60.
6. Eremin V.I., Natsik V.D. Criterion for instability of thin samples under tension // Scripta Metal et Mat. - 1992. - Vol. 26. -№ 1. - P. 47 - 52.
7. Yeryomina E.F., Eremin VJ. Region of
unstable flow of metals and alloys // Scrqrta Metal et Mat. - 1994. - Vol. 30. -№ 9. - P. 1117 - 1120.
Рецензент: В.П. Волков, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 30 мая 2007 г.
