CC BY
63
Исследование элементарных процессов пластической деформации с помощью динамической электронной спекл-интерферометрии
С. Тойоока, В. Маджарова, К. Жанг, Супрапеди
Университет Саитамы, Саитама, 338-8570, Япония
Электронная спекл-интерферометрия, позволяющая наблюдать динамические явления по всей площади объекта наблюдения, использована для исследования процесса пластической деформации в экспериментах по растяжению образцов из алюминиевого сплава. С помощью электронной спекл-интерферометрии произведена визуализация динамических особенностей полос локализованной деформации, распространяющихся вдоль образца. Экспериментально наблюдается пульсирующее распространение полосы локализованной деформации в результате периодической потери сдвиговой устойчивости. Более детальное исследование полосы локализованной деформации показало, что весь процесс пластической деформации разделен на две стадии, в каждой из которых динамические особенности распространяющейся полосы различны. На первой стадии движущиеся интерференционные полосы сильно изменяются в соответствии с концентрацией и релаксацией напряжений, при этом на кривой напряжений наблюдается пилообразный участок с большой амплитудой изменений. На второй стадии наблюдается незначительное движение интерференционных полос, однако оно сопровождается сменой ориентации полосы локализованной деформации. Эти явления, недавно обнаруженные с помощью электронной спекл-интерферометрии, рассматриваются с позиций физической мезомеханики.
1. Введение
С точки зрения физической мезомеханики пластическая деформация твердого тела может рассматриваться как локальная потеря сдвиговой устойчивости, которая распространяется по образцу [1, 2], что описывается волновым уравнением, подобным уравнениям в теории электромагнитного поля Максвелла. Одно из интересных явлений, тесно связанных с физической мезоме-ханикой, — это полоса локализованной деформации, подобная полосе Людерса, которая распространяется вдоль образца.
Электронная спекл-интерферометрия является одним из многообещающих экспериментальных методов исследований процессов на мезомасштабном уровне, особенно когда речь идет о динамических особенностях распространяющейся полосы пластической деформации [3-9]. В электронной спекл-интерферометрии контурную карту для компоненты плоской деформации с чувствительностью порядка субмикрона можно получить в виде корреляционных спекл-интерференционных полос. Мы использовали электронную спекл-интерфе-рометрию для наблюдения всего процесса изменения
деформации с течением времени в экспериментах по растяжению металлических образцов. В упругом состоянии мы обнаруживаем параллельные интерференционные полосы, находящиеся на равном расстоянии, что свидетельствует об однородной деформации. При достижении предела текучести под углом в 45° к оси растяжения возникает полоса однородной яркости, которая затем перемещается через весь образец. Согласно нашим наблюдениям, в полосе, вызванной сильной локализацией деформации, происходит декорреляция спеклов.
Существует несколько различных изменяющихся во времени особенностей полосы, зависящих от свойств материала. Например, в углеродистых и низколегированных сталях полоса образуется у концов образца только после достижения предела текучести и охватывает образец целиком лишь единожды, при этом на кривой напряжений образуется плато. С другой стороны, в алюминиевом сплаве генерация полосы и ее распространение повторяются несколько раз. Наблюдаемые в наших экспериментах особенности согласуются с традиционными экспериментальными результатами, свя-
© Тойоока С., Маджарова В., Жанг К., Супрапеди, 2001
занными с полосой Людерса и эффектом Портевена -Ле Шателье.
Поскольку деформация сильно локализована в полосе, интерференционные полосы будут видны только в том случае, если будет использована система с увеличенным разрешением во времени. В проведенных недавно нами экспериментах с более высокой скоростью растяжения удалось наблюдать четкую структуру интерференционных полос даже в полосе сильно локализованной деформации. Было обнаружено новое явление пульсирующего распространения интерференционных полос, т.е. плотность интерференционных полос периодически изменяется, когда полоса охватывает образец [10]. Более того, частота пульсаций, которая имеет порядок 1 Гц, постепенно уменьшается с уменьшением скорости распространения полосы локализованной пластической деформации при развитии деградации материала.
В этой статье более подробно исследованы особенности движения полосы, коррелирующие с пилообразным участком на кривой нагружения. Были обнаружены некоторые интересные характеристики движущихся интерференционных полос, которые рассматриваются как элементарные процессы, связанные с физической мезо-механикой.
2. Экспериментальная процедура
На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки динамической электронной спекл-интерферо-метрии, на рис. 2 — последовательность регистрации данных. В качестве источника света был выбран лазер на алюмо-итриевом гранате со вторичной генерацией гармоник с длиной волны 532 нм. Образец освещается симметрично двумя коллимированными лазерными лучами в х^-плоскости. Видеокамера на приборах с зарядовой связью используется для съемки интерференционной картины спеклов, которая получается при совмещении рассеянного света двух освещающих лучей. Если объект деформируется на величину и вдоль наклонной плоскости, оптический путь каждого спекла в промежутке между двумя кадрами равен
Д = 2и sin а,
где а — угол наклона освещающего луча к нормали образца. В приведенных ниже экспериментах этот угол равен 45°. Если Д = пк (п = 0, 1, 2, ...), где к — длина световой волны, то корреляция двух картин спеклов достигает максимальной величины. Если в процессе деформации вычесть одно спекл-изображение из другого, области корреляции становятся темными. Декорреляция возникает при Д = (п +1/2)к и область становится светлой. Таким образом, можно получить коррелированные интерференционные полосы контурной карты для состояния плоской деформации. Величина деформации на единичную интерференционную полосу определяется величиной к/ 2sin а, которая составляет 380 нм.
В динамической спекл-интерферометрии спекл-структуры записываются последовательно с помощью видеокамеры на приборах с зарядовой связью с постоянной скоростью записи, а коррелированные изображения проецируются на мониторе компьютера. Структура коррелированных интерференционных полос получена вычитанием двух спекл-структур для последовательных моментов деформации Ц и I+р, как показано на рис. 2. В этом эксперименте использовались одна камера и две компьютерных системы с различными скоростями записи кадров. Одна система предназначалась для более общего контроля и имела скорость записи порядка 40 кадров в минуту для наблюдения процесса деформации в целом от начала до конца эксперимента на растяжение. Другая система предназначена для более тщательного наблюдения изменений структуры картины интерференционных полос и имела скорость регистрации 30 кадров в минуту.
Образцы в форме двойной лопатки были изготовлены из алюминиевого сплава А2017. Длина рабочей части составляла 100 мм, ширина 30 мм и толщина 5 мм. До начала эксперимента образцы отжигались при температуре 450 °С, а затем медленно охлаждались в печи до комнатной температуры. Образцы подвергались растяжению с постоянной скоростью при помощи машины для испытаний на растяжение. При этом нижнее отверстие закреплялось с помощью цилиндрического стержня,
^+р+1 ^+р+2
Рис. 1. Экспериментальная установка для динамической электронной спекл-интерферометрии
Д Д^+1 ^+2
Рис. 2. Последовательность регистрации данных
Рис. 3. Кривая напряжений для образца из алюминиевого сплава А2017 при постоянной скорости растяжения 0.5 мкм/с
который фиксировался зажимами захвата, верхняя часть закреплялась в движущемся ползуне. В экспериментах использовалась различная скорость растяжения: 0.5, 1.0, 1.6 и 3.6 мкм/с.
3. Результаты экспериментов
На рис. 3 представлена кривая напряжений для эксперимента на растяжение алюминиевого сплава А2017 с постоянной скоростью растяжения 0.5 мкм/с. Напряжения линейно увеличиваются при упругой деформации до достижения состояния 1, затем в пластической области после состояния 2 наблюдается зигзагообразное изменение напряжений. Зигзагообразное изменение известно как явление, которое связано с деформационным старением, называемым эффектом Портевена - Ле Шателье. После 30000 секунд величина напряжений достигает максимального значения порядка 22 МПа. Через 38000 секунд образец разрушается.
На рисунке 4 представлены результаты электронной спекл-интерферометрии. Эти спекл-структуры являются контурными картами, полученными в условиях плоской деформации с периодичностью 4 секунды. Цифры под спекл-структурами соответствуют цифрам на кривой напряжения на рис. 3. Рисунок иллюстрирует сложный характер протекания пластической деформации. Первый кадр получен при упругом деформирова-
нии до достижения предела текучести. Три горизонтальных полосы появляются на равном расстоянии друг от друга. При дальнейшем увеличении напряжения равноотстоящие полосы сближаются в верхнем конце образца (кадр 2). Далее полосы концентрируются и формируют полосу локализованной деформации. На кадре 3 на концах образца наблюдаются две полосы локализованной деформации. Продольные параллельные интерференционные полосы между полосами локализованной деформации предполагают поворот тела без деформации. Деформация концентрируется только в полосах локализованной деформации. Одна из полос локализованной деформации исчезает и оставшаяся полоса локализованной деформации распространяется через весь образец. Полоса распространяется по образцу с почти постоянной скоростью. Одновременно на кривой нагружения возникает пилообразный участок.
В нашей предыдущей работе мы исследовали пульсирующее распространение полосы локализованной деформации. В экспериментах, приведенных здесь, пульсирующее изменение структуры интерференционных полос наблюдается еще более четко, типичный случай приведен на кадре 4. Резкое изменение картины интерференционных полос, которое означает интенсивное изменение деформации, в большой степени связано с пилообразным изменением кривой напряжения. Чтобы
Рис. 4. Коррелированные интерференционные полосы в эксперименте, кривая напряжений для которого приведена на рис. 3
1800 1820 1840 1860 1880
Время, с
Рис. 5. Увеличенное изображение зубчатого участка кривой напряжений в эксперименте со скоростью растяжения 3.9 мкм/с
подтвердить взаимосвязь между изменением интерференционных полос и зубчатостью, приведем другой экспериментальный результат. Кривая напряжений и соответствующие изменения картины интерференционных полос показаны на рис. 5 и 6 соответственно. В эксперименте использовалась более высокая скорость растяжения (3.9 мкм/с), чем ранее. Остальные условия в эксперименте оставались прежними. Хотя зависимость динамики деформации от скорости растяжения очень велика, в данной работе она не рассматривается. Что касается динамики полосы локализованной деформации, то явления, происходящие в обоих экспериментах, одинаковы. На рис. 5 показан увеличенный участок кривой напряжений. Шесть кадров на рисунке 6 соответствуют шести точкам на рис. 5, отмеченным кружками. Напряжение постепенно возрастает, достигает пика и падает. При увеличении напряжений интерференционные полосы на полосе локализованной деформации становятся гуще (кадры 1, 3, 5). Сразу после достижения пика на кривой напряжений, интерференционные полосы в полосе локализованной деформации резко преобразуются в декоррелированную полосу, в которой интерференционные полосы отсутствуют. Одновременно
пять интерференционных полос появляются в образце вне полосы (кадры 2,4, 6). В нашем квазикачественном анализе величина чистого удлинения в полосе локализованной деформации значительно превышает величину смещения верхнего захвата испытательной машины. Для того чтобы компенсировать некоторое удлинение, образец вне полосы сокращается. Следовательно, образец в целом представляет собой вибрирующую систему. В сопровождении такого вибрирующего движения полоса локализованной деформации смещается из срединного положения вниз. Эти процессы сменяют друг друга в первой половине эксперимента.
Возвращаясь к эксперименту на рис. 3 и 4, следует отметить, что после пятого кадра на рис. 4 возникает другой тип интерференционных полос. Амплитуда на пилообразном участке после точки 5 на рис. 3 становится относительно небольшой. Поэтому резкого изменения картины интерференционных полос, подобного кадру 4 на рис. 4 или рис. 6, не может наблюдаться. В соответствии с этим полоса локализованной деформации перемещается по всему образцу, что сопровождается слабым изменением интерференционных полос вне полосы локализованной деформации. В этом процессе было обнаружено необычное явление: ориентация интерференционных полос в полосе локализованной деформации изменялась почти на 90°. Переходный этап изменения направления показан на кадрах 7 и 8 (рис. 4). Наконец, полоса локализованной деформации становится стационарной (кадр 9) и образец разрушается.
4. Обсуждение и выводы
В представленных здесь экспериментах с помощью метода электронной спекл-интерферометрии прослежена динамика изменения спекл-структур, наблюдаемых при пластической деформации в экспериментах на растяжение образцов из алюминиевого сплава. Некоторые
1 2 3 4 5 6
Рис. 6. Корреляционные интерференционные полосы, соответствующие зазубренному участку на кривой напряжений (рис. 5)
интересные характеристики изменения спекл-картин перечислены ниже.
1. На переходном этапе от упругого состояния к пластическому интерференционные полосы постепенно группируются вдоль полосы, расположенной вблизи одного из концов образца под углом порядка 45° к оси растяжения. Локализованные частые интерференционные полосы или некоррелированные интерференционные полосы означают сильную локализацию деформации.
2. Полоса локализованной деформации распространяется по всему образцу с почти постоянной скоростью.
3. В процессе пластической деформации можно выделить две стадии. В первой половине процесса картина интерференционных полос изменяется очень резко, что соответствует достаточно большой амплитуде пилообразного изменения кривой напряжения. На второй стадии изменения интерференционных полос незначительны.
4. Существует два типа изменения полосы локализованной деформации. В большинстве случаев полоса локализованной пластической деформации образуется вблизи одного из концов образца и распространяется через весь образец до противоположного конца. Затем у первого конца появляется новая полоса. Однако существуют случаи, когда генерирующаяся на одном из концов образца полоса локализованной деформации достигает противоположного конца, отражается и вновь охватывает весь образец. Второй случай обнаруживается только на второй стадии процесса пластической деформации.
5. Существует переходное явление изменения ориентации полосы локализованной деформации, которое также обнаруживается только на второй стадии процесса пластической деформации.
Результаты, полученные в экспериментах с использованием электронной спекл-интерферометрии, вызывают несколько вопросов, которые следует рассмотреть в рамках физической мезомеханики. В физической ме-зомеханике пластическая деформация твердого тела интерпретируется как развивающаяся в образце локальная потеря сдвиговой устойчивости, которая описывается волновыми уравнениями, подобными уравнению электромагнитного поля Максвелла. В экспериментах с использованием электронной спекл-интерферометрии показано распространение полосы локализованной деформации, которое представляет собой самосогласованную волну, наблюдаемую в поле смещений как следствие калибровочной инвариантности в полевой теории. Ранее нами было обнаружено пульсирующее распространение или вибрация полосы локализованной деформации. Скорость распространения и частота пульсаций умень-
шаются с увеличением степени деградации материала. В этой работе характеристики пульсирующего распространения полосы локализованной деформации были исследованы более подробно. Было обнаружено, что весь процесс пластической деформации делится на две стадии. В первой половине процесса резкое изменение спекл-интерференционных картин означает, что в полосе локализованной деформации происходит концентрация энергии деформации на достаточно высоком уровне и последующий диссипативный процесс развивается лавинообразно. Это приводит к выводу о собственных колебаниях в целом по образцу По-видимому, пластическая деформация развивается вместе с вибрациями во всем поле образца. На второй стадии процесса энергия деформации не столь высока. Соответственно частота пульсаций становится меньше. Характеристики движения полосы локализованной деформации действенны только в области, ограниченной самой полосой. В соответствии с двумя ориентациями полосы локализованной деформации существуют два режима потери сдвиговой устойчивости. Эти два типа легко сменяют друг друга. В наших экспериментах это явление наблюдалось как изменение направления полосы локализованной деформации.
Литература
1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под. ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
2. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики
// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
3. Toyooka S., GongX.L. Digital speckle pattern interferometry for observing the entire process of plastic deformation of a solid object // Jpn. J. Appl. Phys.. - 1995. - V. 34. - P. L1666-L1668.
4. Yoshida S., Suprapedi, Widiastuti Rini, Pardede M., Kusnovo A. Direct observation of plastic deformation and its application to nondestructive testing // Jpn. J. Appl. Phys. - 1996. - V. 35. - P. L1854-L857.
5. Suprapedi, Toyooka S. Time-division observation of plastic deformation process using digital speckle pattern interferometry // Optical Review. -
1997. - V. 4. - P. 284-287.
6. Супрапеди, Тойоока С. Пространственно-временное наблюдение пластической деформации и разрушения методом лазерной спекл-интерферометрии // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5560.
7. GongX.L., Toyooka S. Investigation of mechanism of plastic deformation process using digital speckle pattern interferometry // Exp. Mech. -1999. - V. 39. - P. 25-29.
8. Zhang Q.C., Toyooka S., Meng Z., Suprapedi. Investigation of slip band propagation in aluminum alloy with dynamic speckle interfero-metry // Proc. SPIE. - 1999. - V. 3585. - P. 389-398.
9. Yoshida S., Muchiar, Muhamad I., Widiastuti Rini, Kusnovo A. Optical interferometric technique for deformation analysis // Optics Express. -
1998. - V. 2. - P. 516-530.
10. Toyooka S., Widiastuti Rini, Zhang Q.C., Kato H. Dynamic observation of localized strain pulsation generated in the plastic deformation process by electronic speckle pattern interferometry // Jpn. J. Appl. Phys. - 2001. - V. 40. - P. 873-876.
