CC BY
23
Исследование локальных характеристик нрерывистой текучести диснерсно-унрочненного алюминия как многоуровневой системы
E.E. Дерюгин, B.E. Панин, З. Шмаудер1, Б.И. Суворов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Государственный институт испытания материалов при Штутгартском университете, Штутгарт, D-70569, Германия
Изучено влияние состояния поверхностного слоя образцов композиционного материала Al + 10 % Al2O3 на локальные характеристики прерывистой текучести и уровень деформирующих напряжений при растяжении. Полученные результаты хорошо согласуются с концепцией физической мезомеханики о важной функциональной роли поверхностного слоя в деформируемом твердом теле как многоуровневой системе.
Study of local characteristics of jerky flow for particle reinforced aluminum as a multilevel system
Ye.Ye. Deryugin, V.E. Panin, S. Schmauder1, and B.I. Suvorov
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Staatliche Materialprufungsanstalt (MPA), Universitat Stuttgart, Stuttgart, D-70569, Germany
We study the effect of the state of Al + 10 % Al2O3 specimen surface layer on the local characteristics of jerky flow and level of deforming stresses in tension. The obtained results agree well with the concept of physical mesomechanics about an important functional role of the surface layer in a deformed solid as a multilevel system.
1. Введение
Эффекту прерывистой текучести Портевена-Ле Ша-телье посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ [1-7 и др.]. Однако все они выполнены на основе одноуровневого подхода к описанию деформируемого твердого тела. Проводится либо его феноменологическое описание на макромасштабном уровне, либо предлагается одноуровневая дислокационная интерпретация прерывистой текучести на микромасштабном уровне.
В физической мезомеханике деформируемое твердое тело рассматривается как самосогласованная многоуровневая система, в которой поверхностные слои и внутренние границы раздела являются важными функциональными подсистемами [8-12]. В работе [12] обосновывается тезис, что все известные закономерности локализации пластического течения могут быть описаны только на основе рассмотрения деформируемого твер-
дого тела как многоуровневой системы. Поскольку прерывистая текучесть связана с развитием макрополос локализованного пластического течения через все сечение образца, ее необходимо описывать в рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики.
В данной работе исследованы геометрические и динамические характеристики макрополосы локализованного сдвига, ответственной за единичный скачок напряжения на пилообразной кривой ст-є до разрушения в композите А1 + 10 % А1203, в котором при комнатной температуре и скорости нагружения 8.33 • 10-5 с-1 хорошо выражен эффект Портевена-Ле Шателье. Особое внимание уделено влиянию состояния поверхности на локальные характеристики макрополосы локализованного сдвига после механической и электролитической полировок. Испытания проводили на образцах с наклепанным поверхностным слоем и на электропо-лированных образцах без наклепанного поверхност-
© Дерюгин E.E., Панин B.E., Шмаудер З., Суворов Б.И., 2006
ного слоя. Результаты обсуждены с позиции физической мезомеханики деформируемого твердого тела как многоуровневой системы [8-12].
2. Методика эксперимента
Единичный скачок на пилообразной кривой а-е связан со спонтанным формированием по сечению образца макрополосы локализованного сдвига. Характеристики макрополосы локализованного пластического сдвига определяли в зависимости от внешнего приложенного напряжения, используя данные диаграмм нагружения и полей векторов смещений, полученных в процессе испытаний образцов на одноосное растяжение с помощью установки типа ИМАШ и оптико-телевизионной системы TOMSC. Металлографическое наблюдение макрополосы в сплавах А1- А1203 затруднительно из-за достаточно большой ее ширины. Локализация деформации в отдельной полосе размыта по зоне, соизмеримой с шириной образца. Достоинством оптикотелевизионной системы является то, что в поле векторов смещений четко выявляется расположение полосы локализованной деформации.
Поверхность образцов подвергали механической полировке путем шлифования на наждачной шкурке с постепенным уменьшением зернистости. Определенная партия таких образцов далее подвергалась электрополировке для снятия наклепа, обусловленного предварительной механической полировкой.
С помощью оптико-телевизионной системы TOMSC в компьютер вводились изображения рельефа поверхности испытуемого образца через каждые три секунды. Методом сравнения двух последовательных изображений исследуемого участка поверхности через 3, 6 и 15 с получали соответствующие поля векторов смещений с разрешением до 150 векторов/мм2.
По данным диаграммы нагружения и картинам векторов смещений определяли скорость распространения полосы вдоль образца V, длину скачка макрополосы локализованного сдвига w (расстояние между формирующимися макрополосами), вклад макрополосы локализованного сдвига в удлинение образца АЬ, среднюю степень пластической деформации в макрополосе Ае.
В [5] показано, что зарождение макрополосы у головки образца требует более высокого внешнего напряжения, чем последующее ее распространение вдоль образца. Это обусловливает наличие периода низкочастотной модуляции напряжения на диаграммах нагружения. Полагали, что число «зубцов», появившихся на кривой а-е за данный период, определяет соответствующее количество скачков макрополосы п на рабочей длине образца I = 10 + А1 в процессе ее распространения от одного захвата к другому. Поэтому по диаграмме нагружения определяли длину скачка полосы w согласно формуле: w = (10 + А1)/п, где 10 — исходная ра-
бочая длина, а А1 — удлинение образца. Скорость распространения макрополосы локализованного сдвига равна V = (10 + А1)/1, где t — период времени распространения полосы вдоль рабочей длины образца. Вклад макрополосы в удлинение образца равен
АЬ = (10 + А1 )/Ю0ш, где т — количество зубцов на кривой а-е, приходящихся на 1 % (^100 доля длины рабочей части образца 10 + А1) пластической деформации. Считали, что пластическая деформация осуществляется преимущественно за счет процесса локализации деформации в макрополосе локализованного сдвига. Поэтому среднюю степень пластической деформации в макрополосе вычисляли по формуле:
Ае = АЬ^. (1)
Учитывали, что при достаточно высоком внешнем напряжении происходит смена ориентации макрополосы локализованного сдвига на сопряженное направление максимального касательного напряжения ттах [5], при которой не происходит скачка макрополосы вдоль образца. В данный момент скачку полосы вдоль образца соответствуют два скачка на диаграмме нагружения. Скорость распространения макрополосы локализованного сдвига равна V = г/Аt, где г — расстояние между соседними макрополосами; Аt — промежуток времени между появлением макрополос.
3. Результаты
Диаграммы нагружения у образцов, отполированных механически и электролитически, получаются качественно подобными (рис. 1). Однако в последнем случае условный предел текучести а0 2 = 68 МПа на 15 %, а предел прочности а в = 175 МПа на 7 % ниже таковых для образцов, наклепанных механической полировкой.
Каждый «зуб» на кривой нагружения обусловлен спонтанным возникновением по всему сечению образца макрополосы локализованного сдвига. На стадии разви-
а, МПа
Рис. 1. Диаграммы растяжения композита А1 + 10 % А12О3 для образцов, отполированных механически (1) и электролитически (2)
Рис. 2. Последовательность полей векторов смещений, демонстрирующая скачкообразное распространение макрополосы локализованного сдвига в образцах, отполированных механически
того пластического течения происходит скачкообразное распространение полосы вдоль образца. Особенно четко это заметно в образцах, отполированных механически (рис. 2). На фоне высокочастотных колебаний нагрузки достаточно ясно проявляется длиннопериодическая (низкочастотная) модуляция напряжения (рис. 1). Период модуляции соответствует времени движения полосы локализованного сдвига от захвата к захвату.
На рис. 3 представлены зависимости скорости движения полосы от внешнего напряжения. Видно, что скорость полосы вдоль образца с увеличением внешнего напряжения уменьшается. Значения скорости, полученные по диаграммам нагружения и по картинам векторов смещений, хорошо согласуются между собой. Однако использование данных полей векторов смещений определяет локальные характеристики макрополосы локализованного сдвига более точно и на более ранней стадии развития локализации деформации. На рис. 3, в четко
наблюдаются две стадии. Момент перехода к более быстрому уменьшению скорости макрополосы соответствует началу действия механизма переориентации полосы в ходе распространения. Разброс значений V на рис. 3, в и г существенно меньше такового на рис. 3, а и б. Кроме того, для отполированных электролитически образцов разброс значений V существенно больше, чем в случае механической полировки.
Ширина макрополосы w монотонно уменьшается по мере увеличения напряжения (рис. 4, в). На начальном этапе нагружения ширина полосы (2.5 мм, рис. 4, в) соизмерима с шириной образца (3 мм). Следует отметить, что на раннем же этапе отдельные макрополосы локализованного сдвига возникают случайно в рабочем объеме образца, т.е. наблюдается прерывистая текучесть по типу С и определение линейного периода полосы по данным диаграммы нагружения становится некорректным (рис. 4, а). На стадии, когда на-
а, МПа
Рис. 3. Зависимости скорости распространения макрополосы локализованного сдвига от напряжения, полученные по диаграммам нагружения (а, б) и полям векторов смещений (в, г) для образцов, отполированных механически (а, в) и электролитически (б, г)
1 1 1 1—1 " □ - □ п ° ° ° п в па - И □□ ° □ - □ □ ' ' ' б □ □ п ° ' 0 ° 13 □ а ш □ □ □ □ -□ □ □ 0 в п □ а - □
0 □ ° ° □ ° 13 □ ' □ □ □ 1 1 1 0 □ . □ щ □ СГ а □ □ ъ - □ * □ о0 1 1 1
110 130 150 170 130 150 170 190
а, МПа
Рис. 4. Зависимости ширины макрополосы локализованного сдвига от напряжения по данным диаграмм нагружения (а, б) и полям векторов смещений (в, г) для образцов, отполированных механически (а, в) и электролитически (б, г)
блюдается устойчивое скачкообразное распространение макрополосы локализованного сдвига вдоль образца (при напряжении 150 МПа и более), имеет место хорошая корреляция данных, полученных как по диаграммам нагружения, так и по картинам векторов смещений. Как и в предыдущем случае, здесь тоже наблюдается существенное увеличение разброса величины w для образцов после электрополировки поверхности (рис. 4, б и г).
По диаграммам нагружения достаточно точно определяется вклад отдельной макрополосы локализованного сдвига в общее удлинение образца АЬ и для механически (рис. 5, а), и для электролитически полированных образцов (рис. 5, б). Из рис. 5 видно, что АЬ увеличивается с ростом напряжения.
Сравнение рис. 3, в и г не обнаруживает существенных количественных отличий в средней скорости распространения макрополосы локализованного сдвига в образцах, отполированных механически и электролитически. Максимальная скорость распространения макрополосы локализованного сдвига на два порядка выше скорости движения захватов испытательной машины.
С целью определения количественных отличий остальных параметров макрополосы локализованного сдвига строили усредненные кривые w-G (по точкам на рис. 4, в, г) и АЬ- а (по точкам на рис. 5). Они приведены на рис. 6.
Сравнение кривых на рис. 6, а показывает, что при одном и том же напряжении вклад макрополосы локализованного сдвига в удлинение образца выше для об-
1 1 1 1 1 1—1 11111 .—. б
30 . □ □ □ . ■ -
□ ВгимццЯ □
□□ ГПГП ш □ □ □□ !!■!■■■
20 - □ □ ■ 1 Ш 1 □
_1 < □ шю □ □□ □ □ - □ а □ □ ■ □□ □ □ □ ГП НИИ 1 ГТП □ □ □ . □ □ -□ ЩШ □ □ □ □□□
10 □ - □ □ □ □ 1 1 1 1 1 1 □ 3 _ □ □ 4,°-
80 120 160 120 160 200
а, МПа
Рис. 5. Зависимости вклада отдельной макрополосы локализованного сдвига в удлинение образца от напряжения, полученные по диаграммам нагружения для механически (а) и электролитически (б) полированных образцов
Рис. 6. Зависимости вклада макрополосы локализованного сдвига АЬ в удлинение образца (а) и ширины полосы w (б) от напряжения для образцов, отполированных механически (1) и электролитически (2)
разцов с поверхностью, наклепанной механической полировкой. Наряду с этим для данных образцов полоса локализованного сдвига характеризуется в среднем большей длиной скачка (рис. 6, б). С увеличением напряжения отличие в АЬ возрастает, а отличие длины скачка w уменьшается и на пределе прочности практически исчезает. Расчет по формуле (1) средней степени пластической деформации Ае в макрополосе локализованного сдвига показывает, что на начальной стадии нагружения Ае не зависит от состояния поверхности. Однако на заключительной стадии локализация деформации в макрополосе локализованного сдвига начинает развиваться более интенсивно в образцах с наклепанным поверхностным слоем и может достигать 2 и более процентов (рис. 7).
4. Заключение
В данной работе определены качественные и количественные характеристики отдельной макрополосы локализованного сдвига, ответственной за единичный скачок напряжения на пилообразной кривой а-е поликристаллов А1 + 10 % А1203 в зависимости от величи-
2.0 1.5
£
со"
1.0 0.5
0 -------1-------1------1------1-------1------1------1-------
120 140 160 180
а, МПа
Рис. 7. Зависимости средней степени пластической деформации в макрополосе локализованного сдвига от напряжения для образцов, отполированных механически (1) и электролитически (2)
ны внешней нагрузки. Полученные закономерности поведения параметров макрополосы локализованного сдвига при нагружении в сплаве А1 + 10 % А1203 характерны и для других материалов с хорошо выраженным эффектом Портевена-Ле Шателье (см., например, [1,
2, 4]). Особое внимание в работе обращено на влияние состояния поверхности на эффекты прерывистой текучести. Показано, что электрополировка образца после механической полировки не изменяет качественного вида зависимостей локальных характеристик макрополосы локализованного сдвига от напряжения: скорости распространения V и длины скачка w, вклада в удлинение образца АЬ и степени пластической деформации в полосе Ае. Однако при этом возникают количественные отличия, обусловленные изменением состояния поверхности. Объяснение этих эффектов невозможно без рассмотрения поверхностного слоя как самостоятельной подсистемы. Прежде всего, не согласуется с законом аддитивности аномально большое влияние механической полировки поверхности на уровень деформирующих напряжений. Уменьшение на 15 % условного предела текучести после электрополировки можно объяснить только влиянием деформационного упрочнения поверхности в результате механической полировки на толщину и на жесткость поверхностного слоя как самостоятельной подсистемы. Как показано в [13, 14], тонкий наклепанный поверхностный слой является самостоятельной подсистемой в деформируемом твердом теле, которая существенно влияет на макромеханичес-кие характеристики материала в целом. Его сопряжение с кристаллической подложкой вызывает периодическую модуляцию нормальных и касательных напряжений на их интерфейсе [15]. При этом период модуляции линейно возрастает с увеличением толщины поверхностного слоя. Это объясняет как более высокий уровень деформирующих напряжений, так и большую длину скачка макрополосы локализованного сдвига в наклепанном поверхностном слое, толщина которого больше естественной толщины электрополированного поверхностного слоя.
Наряду с этим, на более жесткой наклепанной поверхности концентраторы способствуют более интенсивной локализации деформации. В результате вклад макрополосы локализованного сдвига в общее удлинение образца более значителен для образцов с наклепанным поверхностным слоем. Это согласуется с концепцией [13] о функциональной роли поверхности как «насосав», генерирующего деформационные дефекты с поверхности деформируемого образца в его объем. Согласно [13], более высокая степень деформации поверхностного слоя по сравнению со средней деформацией объема образца вызывает эффект гофрирования поверхностного слоя. В складках гофра возникают концентраторы напряжений, которые обусловливают локализацию пластического течения в деформируемом материале. В более жестком наклепанном поверхностном слое должны возникать более мощные концентраторы напряжений, которые обусловливают и более высокую степень локализации деформации в макрополосе локализованного сдвига, и уменьшение пластичности материала в целом. Об этом же свидетельствует факт, что пластичность механически отполированных образцов на 3 % ниже, чем пластичность образцов, отполированных электролитически.
Найденные закономерности убедительно подтверждают концепцию физической мезомеханики о деформируемом твердом теле как многоуровневой системе и представляют несомненный интерес для компьютерного моделирования локализации пластической деформации в конструкционных материалах.
Работа поддержана Немецким научным обществом (DFG), проект Schm 746/52-2.
Литература
1. Klose F.B., Ziegenbein A., Weidenmuller J., Neuhauser H., Hahner P.
Portevin-Le Chatelier effect in strain and stress controlled tensile tests
// Comput. Mat. Sci. - 2003. - V. 26. - P. 80-86.
2. Zhang Q., Jiang Z., Jiang H., Chen Z., Wu X. On the propagation and pulsation of Portevin-Le Chatelier deformation bands: An experimental study with digital specle pattern metrology // Plasticity. -
2005.- V. 21. - No. 11. - P. 2150-2173.
3. Pink T., Bruckbauer P., Weinhandl H. Stress drop rates in serrated flow of aluminium alloys // Scripta Materialia. - 1998. - V. 38. -No. 6. - P. 945-951.
4. Toyooka S., Widiastuti R., Zhang Q., 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. - Part 2. - No. 2A. - P. 873-876.
5. Дерюгин Е.Е., Панин В.Е., Шмаудер 3., Стороженко ИВ. Эффекты
локализации деформации в композитах на основе Al с включениями Al2O3 // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 35^7.
6. Лебедкин М.А., Дунин-Барковский Л.Р., Лебедкина Т.А. Статистический и мультифрактальный анализ коллективных дислокационных процессов в условиях эффекта Портевена-Ле Шателье // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 2. - С. 13-19.
7. Криштал М.М. Неустойчивость и мезоскопическая неоднородность пластической деформации (аналитический обзор) // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 7. - № 5. - С. 5^5.
8. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -
1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
9. Panin VE. Modern Problems of Physical Mesomechanics // Proc. Int. Conf. Mesomechanics'2000: Role of Mechanics for Development of Science and Technology, June 13-16, 2000. - Beijing: Tsinghua University Press, 2000. - V. 1. - P. 127-142.
10. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
11. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика — новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 4. - С. 9-36.
12. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Физические основы многоуровневого подхода // Физ. мезомех. -
2006.- Т. 9. - № 3. - С. 9-22.
13. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 5. -С. 7-15.
14. Панин А.В. Нелинейные волны локализованного пластического течения в наноструктурных поверхностных слоях твердых тел и тонких пленках // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 3. -С. 5-17.
15. Cherepanov G.P. On the theory of thermal stresses in a thin bonding layer // J. Appl. Phys. - 1995. - V. 78. - No. 11. - P. 6826-6832.
