CC BY
39
УДК 620.172.2:539.37
КОМПЛЕКС МЕТОДОВ ИССЛЕДОВAНИЯ ПРЕРЫВИСТОЙ ДЕФОРМAЦИИ СAВAPA-МAССОНA
© А.А. Шибков, А.А. Денисов, М.Ф. Гасанов,
С.А. Титов, В.В. Ломакин, О.В. Гребеньков
Ключевые слова: прерывистое течение металлов; деформационная полоса; высокоскоростные методы; алюми-ний-магниевые сплавы; эффект Савара-Массона.
Разработан оригинальный комплекс быстродействующих in situ методов исследования скачкообразной пластической деформации металлов, позволяющий выявлять и исследовать тонкую временную структуру скачков, связанную с динамикой деформационных полос, и устанавливать корреляционные связи между скачками деформации на мезо- и макроуровне.
Известно, что между поведением дефектов решетки на атомном и микроуровне и деформационным поведением кристалла на макроуровне существует промежуточный мезоскопический уровень процессов структурной релаксации, связанный с коллективной динамикой ансамблей дефектов: деформационных полос, дислокационных полос скольжения, дисклинаций, двойников и т. д. Подобные мезоскопические дефекты локализуют процессы пластической деформации и вызывают формирование пространственно-неоднородной структуры кристалла на уровне выше дислокационного, т. е. на мезо- и макроскопическом структурных уровнях. Экспериментальное изучение динамики мезоскопических дефектов кристалла, а также статистических и автокорреляционных свойств ансамбля мезодефектов, ответственных за макроскопическое деформационное поведение образца в реальных условиях деформирования, является актуальной проблемой. Она включает в себя разработку быстродействующих in situ методов исследования динамики и статистики мезодефектов, особенно в сильно неравновесных условиях испытания, и установление их роли в формировании реальной структуры деформируемого кристалла.
Из анализа литературных данных следует, что наиболее перспективным является отображение сложного морфогенеза мезоскопической структуры кристалла в виде временных рядов различной природы (нерегулярные кривые деформирования, сигналы акустической и электромагнитной эмиссии и т. д.) и последующие их статистический и динамический анализ в сочетании с детальными структурными исследованиями для получения более полной информации о пространственновременной эволюции иерархической структуры деформируемого кристалла.
В настоящей работе представлен оригинальный комплекс in situ методов исследования неустойчивой пластической деформации металлов преимущественно на мезо- и макроскопическом уровнях, который основан на одновременном использовании оптических методов изучения динамики поверхности, включая спек-ловую интерферометрию, совместно с традиционным
способом регистрации скачков на кривых нагружения. Показано, что данный комплекс, созданный на базе мягкой деформационной машины, в большей степени отвечает задачам экспериментального исследования неустойчивого пластического течения металлов, чем традиционные методы исследования скачков нагрузки в жестких испытательных машинах.
Мягкая деформационная машина. Прерывистое пластическое течение металлов обычно исследуется в условиях одноосного растяжения с постоянной скоростью в жестких испытательных машинах типа «Инс-трон» (эффект Портевена-Ле Шателье [1]). Однако при испытании в жесткой машине измеряемой величиной является нагрузка, а не деформация образца, и изучение кинетики нестационарной пластической деформации связано с необходимостью анализировать силовой отклик системы машина - образец на потерю устойчивости пластического течения образца. При испытаниях в мягкой деформационной машине задается закон нагружения а = а(ґ) , а измеряемой функцией отклика является собственно деформация образца. В этом случае информация о развитии неустойчивости пластического течения извлекается из прямого измерения нестационарной деформации е(ґ) . Появлению повторяющихся скачков деформации на кривых деформация -напряжение при растяжении с постоянной скоростью возрастания напряжения, т. е. эффекту Савара-Массона [2], посвящено сравнительно небольшое количество работ, в основном, на сплавах Al-Mg и Al-Cu [3-4].
Для экспериментального изучения скачкообразной деформации металлов нами разработана мягкая деформационная машина (рис. 1), аналогичная описанной в статье [4]. Машина представляет собой рычажное устройство, состоящее из подвижного штока 1, соединенного с помощью стальной ленты 2 с коромыслом 3, цилиндрического сосуда 4, заполняемого водой с заданным постоянным расходом, демпфирующего устройства 5, состоящего из массивного сосуда и двух тороидальных резиновых камер для гашения низкочастотных колебаний сосуда, и опоры 6, укрепленной на
Рис. 1. Схема мягкой деформационной машины для растяжения металлических образцов: 1 - шток; 2 - тяга (стальная лента); 3 - коромысло; 4 - цилиндрический сосуд; 5 - демпфер; 6 - опора; 7 - массивное основание; 8 - блок измерения смещения штока; 9 - блок измерения сигналов АЭ и ЭМЭ; 10 - видеокамера; 11 - образец; 12 - одноосный шарнир; 13 - сосуд с водой; 14 - шланг; 15 - регулятор расхода воды
массивном основании 7. Установка снабжена блоком измерения смещения штока 8, экранированной электрометрической ячейкой для измерения сигналов акустической и электромагнитной эмиссии 9 и цифровой видеокамерой 10.
Данная деформационная машина способна производить растяжение (рис. 2) металлических образцов с постоянной скоростью возрастания нагрузки, которая варьируется в пределах от нуля (режим ползучести) до 40 Н/с, развивать максимальное усилие 4 кН и предназначена для механических испытаний материалов с пределом прочности не более 0,5 ГПа (в основном, сплавов на основе алюминия и меди).
Предварительные эксперименты на промышленном сплаве АМг6, демонстрирующем скачкообразную пластическую деформацию, показали, что по данным видеосъемки движения верхнего захвата машины ускорение, развиваемое системой машина - образец на фронте макроскопического скачка деформации амплитудой ~10 %, не превышает ~1 мм/с2, что составляет ~10-^ ^ - ускорение свободного падения), и на полтора порядка меньше ускорения системы в момент разрыва образца (~30 мм/с2). Это означает, что данная испытательная машина действительно мягкая, и скорость деформации образца не ограничена переходными процессами в машине, связанными с ее инерционностью, в частности, с разгрузкой системы машина - образец при потере устойчивости пластического течения, которая не превышает ~0,1 % при образовании шейки перед разрывом образца.
Наиболее существенное отличие данной машины от жесткой машины типа «Инстрон» состоит в том, что она не может разгружаться при развитии неустойчивости пластической деформации образца; таким образом, поддерживается условие постоянной скорости возрастания нагрузки. В то же время при испытаниях в жесткой машине разгрузка системы машина - образец, возникающая в результате потери устойчивости пластического течения металла, которая регистрируется в виде резкого падения нагрузки (зуб текучести [5] или эффект
Є,%
30
20
10
0 05 U) 't, 103С
Рис. 2. Типичная ступенчатая кривая растяжения с постоянной скоростью роста нагрузки 0,8 Н/с поликристалличе-ского сплава АМг6. На вставке представлен фронт одного из скачков пластической деформации
Портевена-Ле Шателье [6]), оказывает существенное влияние на дальнейшее развитие этой неустойчивости (отрицательная обратная связь), что затрудняет изучение природы неустойчивой пластической деформации.
Оптические методы. Нерегулярные кривые нагружения, сигналы акустической и электромагнитной эмиссии представляют одномерные отображения процесса развития пространственно-временной неустойчивости деформации образца. Для получения более полной информации необходимо сопоставление этих временных рядов с видеорядами, способными in situ регистрировать неоднородную деформацию поверхности образца. В настоящей работе для визуализации распространяющихся деформационных полос на фронте скачков деформации использовали метод видеофильмиро-вания изменения рельефа в отраженном рассеянном свете и метод лазерной спекл-интерферометрии. Первый
Дє, %
а
2 мм і------1
Рис. 3. Данные видеофильмирования поверхности образца сплава АМг6 с распространяющейся полосой деформации (а = 160 МПа): а - эволюция спекловой структуры при освещении поверхности лазерным источником света с длиной волны X = 650 нм; б и в - результаты программного вычитания друг из друга последовательных цифровых изображений при немонохроматическом освещении поверхности с движущейся (б) и остановившейся (в) полосой деформации (1 и 2 - соседние кадры цифрового видеофильма, 3 - результат вычитания изображения 1 из 2
из них основан на том, что при выходе дислокационного скопления на поверхность кристалла образуется ступенька в плоскости скольжения, и скользящий вдоль поверхности луч, отражаясь от этой ступеньки, дает ее изображение, если размер ступеньки больше длины волны света, т. е. > 0,5 мкм [5].
Спекл-интерферометрия основана, как известно, на исследовании структуры и динамики спеклов, т. е. пятен в распределении интенсивности когерентного света, отраженного от шероховатой поверхности, неровности которой соизмеримы с длиной волны [7]. Спеклы возникают вследствие интерференции света, рассеиваемого отдельными шероховатостями поверхности образца. Вычитая с помощью компьютерной программы последовательные цифровые изображения поверхности образца, освещенной лазерным лучом, можно получить контрастную картину рельефа поверхности с движущейся полосой деформации, которая представлена на рис. 3а. Такая методика разработана и исполь-
зована ранее [8] для исследования полос Портевена-Ле Шателье. Более высокий оптический контраст фронта полосы деформации и фактуры поверхности за фронтом может быть достигнут, как обнаружено, освещением поверхности металла источником белого света (лампа накаливания). Для изучения временных изменений фактуры поверхности, связанных с эволюцией деформационных полос, также применяли методику вычитания друг из друга двух последовательных во времени цифровых изображений поверхности деформируемого образца. При этом образуется цветная пятнистая структура, более тонко отражающая динамику поверхности по сравнению со спекловой структурой при использовании лазерного источника света (рис. 3б и 3в).
В заключение отметим, что деформационное поведение поликристаллических металлов и сплавов при больших степенях деформации (в > 10 %) характеризуется, как правило, активизацией нескольких самосогла-
сованных механизмов пластической деформации: дислокационного скольжения, проскальзывания по границам зерен, ротации зерен и/или их фрагментов и т. д. [9]. Поэтому для их изучения необходим комплексный подход, основанный на сочетании взаимодополняющих экспериментальных методов исследования динамики ансамблей дислокаций и других дефектов соседних иерархических уровней.
Описанный комплекс in situ методов обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами, т. к. позволяет бесконтактно регистрировать и измерять скачки деформации на мезо- и макроуровне, выявлять и исследовать кинетику распространения полос деформации на поверхности металла, т. е. позволяют получать более многомерную информацию о кинетике и пространственной неоднородности пластической деформации образца.
ЛИТЕРАТУРА
1. Portevin A., Le Chatelier F. Heat treatment of aluminum-copper alloys // Transactions of american society for steels treating. 1924. V. 5. P. 457-478.
2. Белл Дж. Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 2. М.: Наука, 1984. 432 с.
3. McReynolds A.W. Plastic deformation waves in aluminum // Metals Transact. 1949. № 1. Р. 32-45.
4. Шибков А.А., Золотов А.Е. Нелинейная динамика пространственно-временных структур макролокализованной деформации // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. № 5. С. 412-417.
5. Neuhauser A., Hampel A. Observation of Luders bands in single crystals // Scripta Metall. Mater. 1993. V. 29. P. 1151-1157.
6. Chihab K., Estrin Y., Kubin L.P., Vergnol J. The kinetics of the Porte-vin-Le Chatelier effect in an Al-5 at. % Mg Alloy // Scripta Metall. 1987. V. 21. P. 203-208.
7. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. М.: Мир, 1986. 328 с.
8. Shabadi R., Kumar S., Roven HJ. et al. Caracterisation of PLC band parameters using laser speckle technique // Mat. Sci. Engin. 2004. Т. A364. С. 140-150.
9. Конева Н.А., Козлов Э.В. // Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука, 1990. С. 123-186.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.132.21.1406.
Поступила в редакцию 21 октября 2012 г.
Shibkov A.A., Denisov A.A., Gasanov M.F., Titov S.A., Lomakin V.V., Grebenkov O.V. COMPLEX OF METHODS OF INVESTIGATION OF SAVART-MASSON JERKY DEFORMATION
Complex of high-speed methods of investigation of jerky flow and propagation of deformation bands in metals is developed. This complex allows to reveal and investigate the fine temporal structure of deformation steps connected with the deformation band dynamics and to establish a correlation bonds between the deformation steps on a meso- and macro-levels.
Key words: jerky flow of metals; deformation band; highspeed methods; aluminum-magnesium alloys; Savart-Masson effect.
