CC BY
12
УДК 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-5-1081-1085
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛОС В АЛЮМИНИЕВОМ СПЛАВЕ
© М.Ф. Гасанов, А.Е. Золотов, А.А. Шибков
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина 392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33 E-mail: [email protected]
На основе анализа данных высокоскоростной видеосъемки распространяющихся деформационных полос в алюминий-магниевом сплаве АМг6 установлено, что подвижная полоса деформации содержит избыток дислокаций одного механического знака, а основным механизмом распространения фронта локализованной деформации вдоль оси образца является эстафетная передача скольжения в антипараллельном направлении за счет «переизлучения» полосы поверхностью для релаксации изгибающего момента, создаваемого первичной полосой деформации.
Ключевые слова: прерывистая деформация; деформационная полоса; дислокации; алюминий-магниевый сплав
1. ВВЕДЕНИЕ
Многие технологически важные металлы и сплавы проявляют прерывистую деформацию, которая выражается в появлении повторяющихся скачков напряжения или деформации при испытании с заданной скоростью деформирования (е0 = const) или нагружения (d0 = const) соответственно - эффект Портевена-Ле Ша-телье (ПЛШ) [1]. Макроскопические скачки напряжения или деформации сопровождаются локализацией пластической деформации в полосах. Природа их распространения длительное время являлась предметом дискуссий. В качестве механизмов пространственной связи, обеспечивающей распространение полос вдоль оси растяжения образца, рассматривались следующие: двойное поперечное скольжение [2], концентрация локальных напряжений в полосах деформации [3-4], трехмерные напряжения (фактор Бриджмена) [2; 4], внутренние напряжения, связанные с неоднородностями деформации [5-6], и дальнодействующее скоррелированное движение большого количества дислокаций [4; 7].
Целью настоящей работы является исследование механизма распространения деформационных полос на основе анализа данных высокоскоростной видеосъемки динамики полос на примере алюминий-магниевого сплава АМг6, демонстрирующего прерывистую деформацию и полосообразование при комнатной температуре.
2. МЕТОДИКА
Материалом исследования является промышленный алюминий-магниевый сплав АМг6 (Al - 6,15 % Mg - 0,65 % Mn - 0,25 % Si - 0,21 % Fe - 0,1 % Cu -0,12 % Zn). Плоские образцы различной толщины от 100 до 500 мкм в форме двухсторонних лопаток размерами рабочей части 6x3 мм вырезались машинным способом из холоднокатаной полосы вдоль направле-
ния прокатки. Перед испытанием образцы отжигались при 450 °С в течение 1 часа и закаливались на воздухе. После термообработки средний размер зерна составил около 10 мкм. Результаты исследования микроструктуры сплава и комплекс высокоскоростных методов регистрации деформации, нагрузки и схема растяжения в мягкой испытательной машине описаны в [8-9].
Динамику и морфологию распространяющихся полос деформации исследовали in situ с помощью видеосъемки в косом освещении со скоростью 5000 кадр/с поверхности деформируемого образца (теневой метод) с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры FASTCAM Mini UX50/100 (Photron). Обработка видеофильма состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени кадров видеофильма. Подробно методика нагружения и регистрация деформационных полос описана в [10].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследования in situ динамики и морфологии деформационных полос в плоских образцах различной толщины ws от 100 до 500 мкм показывают, что ширина деформационных полос wb на активной стадии их развития сопоставима с толщиной образца, w ~ 1,5 W . Поэтому с уменьшением толщины образца пропорционально уменьшается ширина полосы, и при толщинах менее 200 мкм начинает проявляться внутренняя структура полосы (регистрируемая теневым методом исследования динамики полос), связанная с ее расщеплением, искривлением траектории и т. д. Изучение явлений, связанных с искривлением полос, представляется важным, так как изгиб образца с движущейся деформационной полосой непосредственно связан с избытком дислокаций одного механического знака в структуре полосы, который может быть оценен из данных высокоскоростной видеосъемки.
Рис. 1. Фрагмент видеофильма развития искривленной полосы деформации в плоском образце с размерами рабочей части 6x3x0,12 мм. Скорость видеосъемки 5000 кадр/с
На рис. 1 представлен фрагмент видеофильма зарождения и расширения полосы деформации в плоском образце толщиной 125 мкм, в котором зарегистрирована полоса, меняющая угол распространения поперек образца. После зарождения на боковой поверхности образца полоса сначала распространяется под углом 55°, а затем в центральной части образца угол полосы увеличивается до 60° (рис. 2), так что угол поворота полосы Аф составляет около 5°. Поворот направления скольжения связан с избытком дислокаций одного механического знака известным соотношением [11]:
где ретс = р+ — р_ - плотность избытка дислокаций разных механических знаков р+ и р_ , Ь - величина вектора Бюргерса, << - в данном случае длина искривленной полосы деформации. Подставляя в формулу (1) типичные данные Аф и 5 = 8,72 10-2 рад, d и 4 мм,
Ь = 4 10-8 см, получим ретс и 5 106 см-2. При выводе формулы (1) предполагается, что дислокации равномерно распределены в образце. В нашем случае подвижные дислокации сосредоточены в деформационной полосе, поэтому для оценки избыточной плотности дислокаций в полосе полученный результат необходимо умножить на отношение объема образца к объему материала в полосе к = V/Уъ = / , где S - площадь фронтальной поверхности образца и - площадь полосы, т. е. площадь, заключенная между границами полосы. Учитывая, что по данным видеосъемки (рис. 1 и 2) ширина полосы составляет около 200 мкм, а длина 4 мм, получим к и 22, что дает оценку плотности избытка дислокаций одного механического знака в полосе р6 = крехс и 108 см-2 и суммарной длины дислокаций в зерне внутри активной полосы деформации Ь = ръУ&г = ръ (й^)3 и 1 мм, где У^ и dgr - средний объем и средний размер зерна, соответственно. Если принять, что эти дислокации входят в структуру плоского скопления в зерне, то получим оценку числа
дислокаций в скоплении п = Ь / и 100, расположенных на расстоянии 0,1 мкм, что совпадает с типичной структурой внутренних дислокационных скоплений в ГЦК поликристаллах [11].
Очевидно, сделанная оценка избыточной плотности дислокаций в полосе является нижней оценкой суммарной плотности дислокаций разных механических знаков, которая дает вклад в деформацию материала в полосе. Нижнюю оценку скорости пластической деформации в
р ехс
Аф
Рис. 2. Измерение угла поворота направления роста полосы (1) деформации (кадр 3050 из рис. 1)
Рис. 3. Фрагмент видеофильма, демонстрирующего «переизлучение» полосы поверхностью, когда вторичная полоса распространяется антипараллельно первичной полосе. Скорость видеосъемки 5000 кадр/с
полосе еь сделаем, приняв, что скорость дислокации не превышает скорость вершины полосы
Рис. 4. Схема эстафетной передачи сдвига, обусловленной релаксацией изгибающего момента: 1 - первичная полоса; 2 -вторичная полоса, распространяющаяся антипараллельно первичной
Подставляя рь и 108 см 2, Ь = 4-10-8 см и типичное значение скорости вершины полосы ~ 1-10 м/с при напряжениях 200-300 МПа, получим оценку скорости пластической деформации в полосе еь ~ (4-40) с-1. Отметим, что столь высокие локальные (в пространстве и во времени) скорости деформации характерны для ударных испытаний.
Зарождение и развитие полосы деформации сопровождается скачком разгрузки механической системы машина-образец. После остановки полосы ее неподвижные дислокации становятся стопорами движению дислокаций и дают вклад в тейлоровское упрочнение материала:
Дст = ашЬО^ръ ,
(3)
<ьРьЧь.
(2)
где т - фактор Тейлора (для ГЦК поликристаллов т = 3,08 [12]), а - постоянная междислокационного взаимодействия, определяющая сопротивление сдвига, которая зависит от дислокационной структуры; для сплавов системы Al-Mg с содержанием магния 3-6 % а = 0,36-0,45 [13], О = 28 ГПа - модуль сдвига. Подставляя в формулу (2) плотность дислокаций рй и и 108 см-2, получим Да и 14 МПа, что совпадает с величиной скачка напряжения 10-20 МПа.
Таким образом, полоса деформации, распространяющаяся поперек образца в плоскости максимальных касательных напряжений, содержит избыток дислокаций одного механического знака плотностью рь и 108 см-2, который вызывает появление изгибающего момента. Этот изгибающий момент может быть скомпенсирован за счет зарождения и распространения деформационной полосы с избытком противоположного механического знака. На рис. 3 представлен фрагмент видеофильма, демонстрирующий такой механизм.
Первичная полоса зарождается на боковой поверхности (кадр 2332, нижняя часть снимка) и распространяется под углом около 57° со скоростью ~ 1 м/с. Ширина полосы к моменту выхода на противоположную боковую поверхность составляет около 200 мкм. По мере приближения к противоположной боковой поверхности полоса деформации своим дальнодейст-вующим упругим полем (характерным для дислокационных ансамблей с избытком дислокаций одного знака -механических зарядов) запускает дислокационный источник, который генерирует деформационную полосу в антипараллельном направлении. Вторичная полоса содержит избыток дислокаций противоположного знака (поскольку движется в противоположную сторону
ь
при том же приложенном напряжении) и компенсирует изгибающий момент, созданный распространением первичной полосы. Схема этого процесса представлена на рис. 4.
По мере развития вторичной полосы расстояние от первичной полосы сокращается от ~400 до ~250 мкм на дистанции около 4 мм (рис. 3, кадры 2336-2344), что можно объяснить притяжением дислокаций противоположных знаков, принадлежащих вторичной и первичной полосам. Очевидно, аннигиляция этих дислокаций маловероятна, так как характерное расстояние между ними в десятки раз превышает средний размер зерна и, следовательно, вероятность взаимодействия подвижных дислокаций с «непрозрачными» границами зерен (с неблагоприятным фактором Шмида) очень велика.
Таким образом, с помощью экспериментов in situ установлено, что основным макроскопическим механизмом расширения деформационных полос является эстафетная передача скольжения в антипараллельном направлении за счет генерирования поверхностным источником дислокаций вторичной полосы, содержащей избыток дислокаций противоположного знака, для релаксации изгибающего момента, создаваемого первичной полосой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М.: Наука, 1984. Ч. 2. 432 с.
2. Hahner P. Modelling the spatiotemporal aspects of the Portevin-Le Chatelier effect // Mat. Sci. Eng. 1993. V. A164. P. 23-34.
3. Estrin Y., Kubin L.P. Spatial eoupling and propagative plastic instabilities // Continuum models for materials with microstructure / ed. by H.-B. Muhlhaus. N. Y.: Wiley & Sons, 1995. P. 395-450.
4. Hahner P., Ziegenbein A., Rizzi E., Neuhauser H. Spatiotemporal analysis of Portevin-Le Chatelier deformation bands: Theory, simulation, and experiment // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. № 13. P. 134109.
5. Lebedkin M., Dunin-Barkovsky L., Brechet Y., Kubin L., Estrin Y. Kinetics and statistics of jerky flow: experiments and computer simulations // Mat. Sci. Eng. 1997. V. A 234-236. P. 115-118.
6. Криштал М.М. Взаимосвязь неустойчивости и неоднородности пластической деформации: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Тольятти: Тольят. гос. ун-т, 2002. 331 с.
7. Hahner P. On the physics of the Portevin-Le Chatelier effect. Part 2: from microscopic to macroscopic behavior // Mat. Sci. Eng. 1996. V. A 207. № 2. P. 216-223.
8. Шибков А.А., Золотое А.Е. Актуальные проблемы механики деформируемых твердых тел. Нелинейная динамика неустойчивой пластической деформации металлов. Тамбов: Изд. дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2010. 187 с.
9. Шибкое А.А., Золотое А.Е., Шуклиное А.В. Структурно-чувствительные эффекты прерывистой деформации промышленных сплавов Al-Mg. Тамбов: Изд. дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2011. 173 с.
10. Шибкое А.А., Гасаное М.Ф., Золотое А.Е. Прерывистая ползучесть и локализация пластической деформации. Тамбов: Изд. дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2016. 158 с.
11. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. 2. Деформация. М.: МИСиС, 1997. 527 c.
12. Шибкое А.А., Золотое А.Е., Желтое М.А. Акустический предвестник неустойчивой пластической деформации алюминий-магниевого сплава АМг6 // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 11. С. 2223-2231.
13. Конееа Н.А., Козлое Э.В. Дислокационная структура и физические механизмы упрочнено-металлических материалов. Структура и методы исследования // Перспективные материалы / под ред. Д.Л. Мерсона. Тамбов: ТГУ; Москва: МИСиС, 2006. С. 267-320.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки России (№ 3.8515.2017\БЧ).
Поступила в редакцию 22 июня 2017 г.
Гасанов Михаил Фахраддинович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Золотов Александр Евгеньевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Шибков Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Для цитирования: Гасаное М.Ф., Золотое А.Е., Шибкое А.А. Экспериментальное исследование механизма распространения деформационных полос в алюминиевом сплаве // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2017. Т. 22. Вып. 5. С. 1081-1085. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-5-1081-1085
For citation: Gasanov М.Б., Zolotov А.Е., Shibkov A.A. Eksperimental'noe issledovanie mekhanizma rasprostraneniya deformatsionnykh polos v alyuminievom splave [Experimental study of the deformation band propagation mechanism in aluminum alloy]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2017, vol. 22, no. 5, pp. 1081-1085. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-5-1081-1085 (In Russian, Abstr. in Engl.).
UDC 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-5-1081-1085
EXPERIMENTAL STUDY OF THE DEFORMATION BAND PROPAGATION MECHANISM IN ALUMINUM ALLOY
© M.F. Gasanov, A.E. Zolotov, A.A. Shibkov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin 33 Internatsionalnaya St., Tambov, Russian Federation, 392000 E-mail: [email protected]
On the base of high-speed videotaping of the propagating deformation bands in the aluminum-magnesium AlMg6 alloy is revealed, that the mobile deformation band includes an excess of dislocation of the one mechanical sign, and the main mechanism of propagation of the localized strain front is the relay-race translation of slip in antiparallel direction by "re-radiation" of band by surface in order to relaxation of bending moment which is created by primary deformation band.
Keywords: jerky flow; deformation band; dislocation; aluminum-magnesium alloy
REFERENCES
1. Bell Dzh.F. Eksperimental'nye osnovy mekhaniki deformiruemykh tverdykh tel [Experimental Basis of Deformable Solids Mechanics]. Moscow, Nauka Publ., 1984, pt. 2, 432 p. (In Russian).
2. Hahner P. Modelling the spatiotemporal aspects of the Portevin-Le Chatelier effect. Mat. Sci. Eng., 1993, vol. A164, pp. 23-34.
3. Estrin Y., Kubin L.P. Spatial soupling and propagative plastic instabilities. In: Muhlhaus H.-B. (ed.). Continuum models for materials with microstructure. New York, Wiley & Sons, 1995, pp. 395-450.
4. Hahner P., Ziegenbein A., Rizzi E., Neuhauser H. Spatiotemporal analysis of Portevin-Le Chatelier deformation bands: Theory, simulaand experiment. Phys. Rev. B, 2002, vol. 65, no. 13, pp. 134109.
5. Lebedkin M., Dunin-Barkovsky L., Brechet Y., Kubin L., Estrin Y. Kinetics and statistics of jerky flow: experiments and computer simulations.Mat. Sci. Eng., 1997, vol. A 234-236, pp. 115-118.
6. Krishtal M.M. Vzaimosvyaz' neustoychivosti i neodnorodnosti plasticheskoy deformatsii. Diss. ... d-ra fiz.-mat. nauk [The Connection of Unstability and Inhomogenuity of Plastical Deformation. Dr. phys.-math. sci. diss.]. Tolyatti, Togliatti State University Publ., 2002, 331 p. (In Russian).
7. Hahner P. On the physics of the Portevin-Le Chatelier effect. Part 2: from microscopic to macroscopic behavior. Mat. Sci. Eng., 1996, vol. A 207, no. 2, pp. 216-223.
8. Shibkov A.A., Zolotov A.E. Aktual'nye problemy mekhaniki deformiruemykh tverdykh tel. Nelineynaya dinamika neustoychivoy plasticheskoy deformatsii metallov [Current Issues of Deformable Solids Mechanics. Nonlinear Dynamics of Unstable Plastic Deformation of Metals]. Tambov, Publishing House of Tambov State University named after G.R. Derzhavin, 2010, 187 p. (In Russian).
9. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Shuklinov A.V. Strukturno-chuvstvitel'nye effekty preryvistoy deformatsii promyshlennykh splavov Al-Mg [Structural-Sensitive Effects of Jerky Deformation of Industrial Alloys Al-Mg]. Tambov, Publishing House of Tambov State University named after G.R. Derzhavin, 2011, 173 p. (In Russian).
10. Shibkov A.A., Gasanov M.F., Zolotov A.E. Preryvistaya polzuchest' i lokalizatsiya plasticheskoy deformatsii [Serrated Creep and Plastical Deformation Localization]. Tambov, Publishing House of Tambov State University named after G.R. Derzhavin, 2016, 158 p. (In Russian).
11. Shtremel' M.A. Prochnost' splavov. Ch. 2. Deformatsiya [The Durability of Alloys. Chapter 2 Deformation]. Moscow, MISiS Publ., 1997, 527 p. (In Russian).
12. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Akusticheskiy predvestnik neustoychivoy plasticheskoy deformatsii alyuminiy-magnievogo splava AMg6 [Acoustic precursor of unstable plastic deformation in the aluminum-magnesium alloy AMg6]. Fizika tverdogo tela -Physics of the Solid State, 2010, vol. 52, no. 11, pp. 2223-2231. (In Russian).
13. Koneva N.A., Kozlov E.V. Dislokatsionnaya struktura i fizicheskie mekhanizmy uprochnenno metallicheskikh materialov. Struktura i metody issledovaniya [Dislocation Structure and Physical Mechanism of Reinforced Metal Materials. Structure and Methods of Research]. In: Merson D.L. (ed.). Perspektivnye materialy [Prospective Materials]. Tambov, Tambov State University named after G.R. Derzhavin Publ., Moscow, MISiS Publ., 2006, pp. 267-320. (In Russian).
ACKNOWLEDGEMENTS: The study is carried out within the framework of state assign of the Ministry of Education
and Science of Russia (no. 3.8515.2017VET).
Received 22 June 2017
Gasanov Mikhail Fakhraddinovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Engineer of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Zolotov Aleksander Evgenyevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Shibkov Aleksander Anatolyevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
