Исследование неоднородности пластической деформации в биметалле Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620.186

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-877-881

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В БИМЕТАЛЛЕ

© С.А. Баранникова1'2*, А.В. Бочкарева1'4*, Ю.В. Ли1*, А.Г. Лунев1'4*, Г.В. Шляхова1'3*, Л.Б. Зуев1'2*

1) Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация,

e-mail: bsa@ispms.tsc.ru

2) Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Российская Федерация,

e-mail: bsa@ispms.tsc.ru

3) Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ, г. Северск, Российская Федерация,

e-mail: shgv@ispms.tsc.ru

4) Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Российская Федерация,

e-mail: avb@ispms.tsc.ru

В работе исследована эволюция очагов локализации пластической деформации двухслойного металлического материала на основе соединения конструкционной углеродистой стали и нержавеющей хромоникелевой стали. Методом корреляции цифровых спекл-изображений получены картины локализации пластической деформации в процессе одноосного растяжения. Проведен анализ стадийности кривых пластического течения и определены количественные параметры распределений локальных деформаций. Исследована микроструктура биметалла методом оптической микроскопии.

Ключевые слова: биметаллы; пластическая деформация; локализация пластической деформации; скорость ультразвука.

В настоящее время условия работы современных изделий авиа- и машиностроения требуют достаточно высоких эксплуатационных характеристик, что во многом определяется свойствами используемых материалов конструкций. Зачастую отдельные металлы и сплавы не могут обеспечить требуемый уровень свойств. Поэтому широкое применение нашли слоистые металлические композиции. Такие материалы могут быть изготовлены с помощью соединения разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации. К числу таких материалов относятся двухслойные металлические композиты - биметаллы.

Одним из видов биметаллов является антикоррозионные биметаллы, которые достаточно устойчивы к воздействию агрессивных сред и обладают высокими механическими характеристиками. Коррозионностой-кие биметаллы находят весьма широкое применение в виде тонких толстых листов, а также в виде труб в химической, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности и судостроении. Наибольшая доля в выпуске коррозионностойкого биметалла приходится на композиции углеродистых и различных коррозионностойких сталей [1].

Диффузионные процессы, развивающиеся в зоне сопряжения биметаллов углеродистая сталь-нержавеющая - хромоникелевая нержавеющая сталь в процессе совместной горячей прокатки разнородных металлов и при последующих технологических нагревах, формируют переходные зоны, обладающие химической и

структурной неоднороностью. Характер зарождения и развития микроразрушений в переходной зоне отличается от основных слоев, что отражается на свойствах изделий и характере деформирования материалов из биметалла [2].

В настоящей работе с помощью универсального измерительного комплекса ALMEC-tv, позволяющего регистрировать зоны локализации пластической деформации в металлических [3] и неметаллических [4] материалах при одноосном растяжении, будут определены параметры локализации пластического течения в биметаллах, а также проведены исследования структуры для оценки влияния неоднородности деформации микрообъемов [5] на вероятность возникновения и развития микротрещин в переходной зоне биметалла.

Для исследований были изготовлены плоские образцы с размерами рабочей части 50x8x2 мм из двухслойной композиции Х18Н9+Ст3. Предварительно подготовленные образцы в форме двойной лопатки мм растягивались при Т = 300 К со скоростью 6,67-10-5 с-1 на испытательной машине "Walter+Bai". Распределение компонент тензора пластической дисторсии для всех точек наблюдаемой поверхности образца проводились с использованием метода корреляции цифровых спекл-изображений. Дополнительная информация о поведении деформируемого материала была получена на основе одновременной регистрации малых изменений скорости распространения ультразвука, измеряемых с помощью прибора ИСП-12.

Металлографическое исследование биметалла в состоянии поставки проводили на микроскопе №орЬз^

21, после пробоподготовки образцов по стандартной для сталей методике.

В результате проведения металлографических исследований на рис. 1а показана структура биметалла в исходном состоянии (до испытаний на одноосное растяжение), которая характеризуется бездефектной границей сплавления, что гарантирует получение высоких механических свойств. Граница между основным и плакирующим слоем ясно выражена, не имеет не-сплошностей и инородных включений по всей площади контакта. Как в основном, так и в плакирующем слое зерна вытянуты вдоль направления прокатки. Структура плакирующего металла Х18Н9 характерна для нержавеющих сталей и представляет собой вытянутые зерна аустенита вдоль оси проката. Вдоль границы раздела со стороны основного металла Ст3 наблюдается обезуглероженный слой, глубиной =250 мкм. Структура основного металла характерна для структур малоуглеродистых сталей, здесь матрицей является феррит, содержащий небольшое количество перлита. На рис. 1б представлен деформационный микрорельеф, возникающий в переходной зоне биметалла, после растяжения образцов до разрыва. Как в основном материале, так и в плакирующем слое образуется внут-ризеренный сдвиговый микрорельеф, в котором наблюдается как одинарное, так и множественное скольжение. В обезуглероженном слое основного металла

Рис. 1. Микроструктура биметалла Х18Н9+Ст3: а) состояние поставки; б) состояние после растяжения до разрыва

-1-1-1-1-г

Рис. 2. Диаграмма нагружения (1) и кривая изменения скорости ультразвука (2) при одноосном растяжении биметалла

Ст3 происходит локализация пластической деформации, сопровождающаяся образованием полос скольжения по сопряженным системам, представляющих собой концентраторы напряжений в виде трехгранных призм.

Деформационная кривая и кривая изменения скорости ультразвука при растяжении образцов Х18Н9+Ст3 представлены на рис. 2. Анализ кривой пластического течения показал, что скорость ультразвука существенно меняется при растяжении образца, а именно, происходит плавное возрастание скорости ультразвука на площадке текучести с последующим монотонным убыванием. Полученные данные согласуются с данными [6]. Скорость ультразвука возрастает при уменьшении внутренних напряжений в материалах и уменьшается при их увеличении. Кривая пластического течения относится к диаграммам общего типа, которые описываются уравнением Людвика:

ф) = ау +0S", (1)

где s и а - текущие напряжение и деформация; ау -предел текучести; 0 - коэффициент деформационного упрочнения; n < 1 - показатель деформационного упрочнения. Использование уравнение Людвика и представление кривой нагружения в координатах ln( s — s0) = f (In e) позволяют выделить стадии на деформационной кривой, где показатель n является постоянным и меняется дискретно от участка к участку, где s - истинное напряжение, без учета изменения поперечного сечения рабочей части в ходе одноосного растяжения, МПа; e - истинная деформация.

Пластическая деформация композиции начинается с зарождения на границах раздела биметалла полосы Людерса. Однако высокопрочный плакирующий металл Х18Н9 препятствует распространению полосы Людерса с постоянной скоростью от захвата машины как базового концентратора напряжений. Поэтому движение начальной полосы происходит скачкообразно - по мере зарождения и прохождения через все сечение образца других полос Людерса от границ раздела «плакирующий металл - основной металл» (рис. 3а). Возникновение концентраторов напряжений связано с действием изгибающих моментов, возникающих при сопряжении пластической деформации триметалла. Распределение локальных удлинений на площадке текучести представляет собой эстафетное распространение фронтов полос Людерса, зарождающихся как

X

а)

-

X

б)

Рис. 3. Визуализация распространения полос Людерса по длине образца триметалла при общей деформации: 0,8 % (а) и 1,2 % (б)

->

X

а)

-

X

б)

->

X

в)

Рис. 4. Картины распределений локальных удлинений на параболической стадии пластического течения и предразру-шения триметалла при общей деформации: 15 % (а); 22 % (б) и 24 % (в)

вблизи захватов, так и на противоположных границах раздела. На протяжении всей площадки текучести фронты Людерса перемещаются и «гасятся» при встрече друг с другом (рис. 3б).

Анализ стадийности кривых нагружения выявил наличие следующих стадий пластического течения: после переходного участка от упругой части к пластическому течению наблюдается площадка текучести, стадия линейного деформационного упрочнения, стадия параболического деформационного (Тейлоровского) упрочнения и стадия предразрушения.

На стадии линейного деформационного упрочнения зафиксирована последовательность зон локализации пластической деформации с пространственным периодом X = 4 мм и скоростью их распространения

Vaw.= 610-5 м/с. На стадии параболического деформационного упрочнения (n = 0,5) картина локализации пластического течения имела вид стационарной системы очагов пластического течения по длине образца с характерным расстоянием между ними X = 4 мм (рис. 4а).

На стадии предразрушения неподвижные ранее очаги локализации пластической деформации начинают согласованное движение с тенденцией к их слиянию (рис. 4б) к высокоамплитудному максимуму локальных деформаций, который формируется в том месте образца, где происходит разрушение (рис. 4в).

Таким образом, исследования, проведенные при одноосном растяжении образцов трехслойной композиции Х18Н9+Ст3, позволили выявить следующие закономерности деформирования пластичных триме-таллов. На всем протяжении пластического течения закономерным образом формируются и эволюционируют очаги локализации пластической деформации в основном металле. Наличие плакирующего слоя в материале препятствует распространению полос Людерса с постоянной скоростью от захвата машины как базового концентратора напряжений. Движение зародившихся полос происходит скачкообразно - по мере зарождения других полос Людерса от внутренних границ раздела «плакирующий металл - основной металл» и прохождения через все сечение образца. Процессы разрушения триметалла обусловлены формированием концентраторов напряжений на внутренней границе раздела «плакирующий металл - основной металл». Однако в целом картина распространения зон локализации соответствует стадиям деформационного упрочнения при растяжении ГЦК, ОЦК и ГПУ чистых металлов и сплавов [3; 5]. Вопрос о распространении очагов локализации пластической деформации в промежуточном слое «плакирующий металл - основной металл» требует дальнейших исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голованенко С.А., Меандров Л.В. Производство биметаллов. М.: Металлургия, 1966. 297 с.

2. Даненко В.Ф., Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Понкратова Г.В. О неоднородности деформации в переходной зоне биметалла углеродистая сталь - сталь 12Х18Н10Т // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2013. № 6. С. 36-41.

3. Баранникова С.А., Зуев Л.Б., Данилов В.И. Кинетика периодических процессов при пластическом течении // ФТТ. 1999. Т. 41. № 7. С. 1222-1224.

4. Баранникова С.А., Надежкин М.В., Зуев Л.Б. О локализации пластического течения при сжатии кристаллов NaCl и KCl // ФТТ. 2009. Т. 51. № 16. С. 1081-1086.

5. Плехов О.А., Саинтье Н., Наймарк О.Б. Экспериментальное исследование процессов накопления и диссипации энергии в железе при упругопластическом переходе // ЖТФ. 2007. Т. 77. № 9. С. 135-137.

6. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск: Наука. Сиб. издат. фирма, 1996. 184 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Государственной академии наук в 2015-2020 гг. и гранта РФФИ № 16-08-00385-a.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 62G.186

DOI: 1G .2G31G/181G-G198-2G16-21 -3-877-881

RESEARCH OF THE PLASTIC DEFORMATION HETEROGENEITY IN BIMETAL

© S.A. Barannikova1,2*, A.V. Bochkareva1,4*, Y.V. Li1*, A.G. Lunev1'4*, G.V. Shlyakhova1'3*, L.B. Zuev1,2*

Institute of Strength Physics & Materials Science, SB RAS, Tomsk, Russian Federation,

e-mail: bsa@ispms.tsc.ru 2) National Research Tomsk State University, Tomsk, Russian Federation, e-mail: bsa@ ispms.tsc.ru 3) Seversk Technological Institute branch of NIYaU MIFI, Seversk, Russian Federation,

e-mail: shgv@ispms.tsc.ru 4) National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenina ave., Tomsk, 634050, Russian Federation,

e-mail: avb@ispms.tsc.ru

Evolution of localized plastic deformation in bimetal material casting in configuration: the working part (layer) from austenitic stainless steel and bearing part from low-carbon steel was investigated. The pictures of localization of the plastic flow during the process of uniaxial tension were obtained by the digital image correlation method (DIC). The deformation diagrams were examined for deformed samples of bimetal. These were found to show all the plastic flow stages: the linear, parabolic and pre-failure stages would occur for the respective values of the exponent in from the Ludwik-Holomon equation. An analysis was performed for the plastic flow stages and localized plastic deformation parameters. A metallographic analysis was performed for more detailed investigation of the failure cause.

Key words: bimetal; plastic deformation; localized of the plastic deformation; ultrasound velocity.

REFERENCES

1. Golovanenko S.A., Meandrov L.V. Proizvodstvo bimetallov. Moscow, Metallurgy Publ., 1966. 297 p.

2. Danenko V.F., Trykov Yu.P., Gurevich L.M., Ponkratova G.V. O neodnorodnosti deformatsii v perekhodnoy zone bimetalla uglerodis-taya stal' - stal' 12Kh18N10T. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2013, no. 6, pp. 36-41.

3. Barannikova S.A., Zuev L.B., Danilov V.I. Kinetika periodicheskikh protsessov pri plasticheskom techenii. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 1999, vol. 41, no. 7, pp. 1222-1224.

4. Barannikova S.A., Nadezhkin M.V., Zuev L.B. O lokalizatsii plasticheskogo techeniya pri szhatii kristallov NaCl i KCl. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2009, vol. 51, no. 16, pp. 1081-1086.

5. Plekhov O.A., Saint'e N., Naymark O.B. Eksperimental'noe issledovanie protsessov nakopleniya i dissipatsii energii v zheleze pri upru-goplasticheskom perekhode. Zhurnal tehnicheskoj fiziki - Technical Physics, 2007, vol. 77, no. 9, pp. 135-137.

6. Murav'ev V.V., Zuev L.B., Komarov K.L. Skorost' zvuka i struktura staley i splavov. Novosibirsk, Nauka Sib. enterprise RAS Publ., 1996. 184 p.

GRATITUDE: The work is fulfilled within a framework of Program of Fundamental Research of State Academy of Sciences in 2015-2020 and grant of Russian Fund of Fundamental Research no. 16-08-00385-a.

Received 10 April 2016

Баранникова Светлана Александровна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник; Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры «Механика деформируемого твердого тела», email: bsa@ispms.tsc.ru

Barannikova Svetlana Aleksandrovna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker; National Research Tomsk State University, Professor of Mechanics of Deformed Solid State Department, e-mail: bsa@ispms.tsc.ru

88G

Бочкарева Анна Валентиновна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, кандидат технических наук, младший научный сотрудник; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доцент кафедры «Теоретической и прикладной механики», e-mail: avb @ispms.tsc.ru

Bochkareva Anna Valentinovna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Junior Research Worker, Strength; National Research Tomsk Polytechnic University, Associate Professor of Theoretical and Applied Mechanics Department, e-mail: avb@ispms.tsc.ru

Ли Юлия Владимировна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, аспирант, лаборатория физики прочности, e-mail: jul2207@mail.ru

Li Yuliya Vladimirovna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Post-graduate Student, Strength Physics Laboratory, e-mail: jul2207@mail.ru

Лунев Алексей Геннадьевич, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, кандидат технических наук, научный сотрудник; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доцент кафедры «Теоретической и прикладной механики», e-mail: avb @ispms.tsc.ru

Lunev Aleksey Gennadevich, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Research Worker; National Research Tomsk Polytechnic University, Associate Professor of Theoretical and Applied Mechanics Department, e-mail: agl@ispms.ru

Шляхова Галина Витальевна, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, кандидат технических наук, научный сотрудник; Северский технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ (СТИ НИЯУ МИФИ), доцент кафедры «Машины и аппараты химических и атомных производств», e-mail: shgv@ispms.tsc.ru

Shlyakhova Galina Vitalevna, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Research Worker; Seversk Technological Institute - branch of National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute), Associate Professor of Machines and Apparatus of Chemical and Nucleus Production Department, e-mail: shgv@ispms.tsc.ru

Зуев Лев Борисович, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник; Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры «Теории прочности и проектирования», e-mail: lbz@spms.tsc.ru

Zuev Lev Borisovich, Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker; National Research Tomsk State University, Professor of Strength and Design Theory Department, e-mail: lbz@spms.tsc.ru