CC BY
52
Макролокализация пластического течения при деформировании
и разрушении дуралюмина
А.В. Стрельникова, Л.Б. Зуев, В.И. Данилов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Представлены результаты исследования характера макролокализации пластического течения поликристаллического дуралюмина марки Д1. Установлено, что деформационная кривая этого материала содержит три основных стадии: линейного упрочнения, параболического упрочнения (n = 1/2), предразрушения (n < 1/2). Картины распределения очагов локализованной пластической деформации эволюционируют в соответствии со стадиями упрочнения. На стадии предразрушения наблюдается самосогласованное движение очагов локализации к месту будущего разрушения. Скорости таких очагов линейно зависят от координат их зарождения.
Plastic flow macrolocalization during deformation and fracture of duralumin
A.V. Strelnikova, L.B. Zuev, and VI. Danilov
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
We study the character of plastic flow macrolocalization of polycrystalline duralumin D1 (in the Russian designation). It is found that the stress-strain curve for this material can be divided into three main stages: linear hardening, parabolic hardening (n = 1/2) and prefracture (n < 1/2). Localized plastic deformation patterns are found to evolve in correspondence with flow stages. At the prefracture stage the localization zones move in a coordinated manner towards the site of future fracture. Velocities of such zones depend linearly on the coordinates of their formation.
1. Введение
Исследования характера пластического течения, выполненные в [1-3], показали, что типы картин локализации определяются законом деформационного упрочнения (стадийностью кривых нагружения). Наиболее полно эволюция типов распределений очагов локализации была изучена в поликристаллических ОЦК- и ГПУ-сплавах. Из ГЦК-поликристаллов в [1, 2] представлен только чистый алюминий, где стадийность выражена слабо даже в монокристаллическом состоянии [4]. В этом отношении более перспективны сплавы с твердорастворным упрочнением. На базе алюминия существует целая гамма сплавов, где путем отжигов при разных температурах, закалки и последующего старения можно регулировать степень насыщения твердого раствора, а следовательно, продолжительность стадий. Такими являются, например, дуралюмины.
2. Материал и экспериментальные процедуры
Для проведения испытаний был выбран дуралюмин марки Д1 химического состава: 94.9 % А1, 3.5 % Си, 0.5 % Мп, 0.3 % Si, 0.2 % Mg, 0.2 % Fe. Плоские образцы размерами 50x10x2 мм после отжига-возврата, проводимого при температуре 300 °С в течение 1 ч, испытывали на одноосное растяжение со скоростью 6.67-10-5 с-1 при комнатной температуре. Одновременно методом двухэкспозиционной спекл-интерферометрии [2, 5] осуществляли регистрацию и анализ полей компонент тензора пластической дисторсии.
Кривая нагружения данного сплава относятся к диаграммам общего типа. Поэтому для анализа стадийности таких диаграмм деформации следует использовать прием, описанный в [6]. В нем постулируется соотношение Тейлора [7], согласно которому деформационная кривая материала в истинных напряжениях ^ = ст(1 + е)
© Стрельникова А.В., Зуев Л.Б., Данилов В.И., 2006
и истинных деформациях е = ln(1 + е) на любой стадии может быть представлена параболической функцией как
s = s0 + Ken, (1)
где s0 — критическое напряжение сдвига; K — величина, по размерности соответствующая коэффициенту деформационного упрочнения; n — показатель деформационного упрочнения. Далее путем логарифмирования выражение (1) приводится к виду:
ln(s - s0) = lnK + nlne. (2)
При построении диаграммы нагружения в координатах ln(s - s0) - lne на ней проявляется несколько прямолинейных участков, где значения n и K постоянны. Они и представляют собой стадии упрочнения. Коэффициент деформационного упрочнения на каждой стадии выражается как
0 = ds/ de = Kne(n-1) (3)
и, следовательно, определяется не только величиной, но и знаком показателя параболичности n.
3. Результаты эксперимента и их анализ
Использование метода логарифмирования позволило достаточно четко выделить на диаграмме нагружения сплава Д1 три стадии пластической деформации, а именно: стадию линейного упрочнения продолжительностью от 1.3 до 2.4 % общей деформации, стадию параболического упрочнения Тейлора с показателем пара-боличности n ~ 0.5, которая продолжалась на интервале от 3.5 до 6.7 %, и продолжительную стадию параболического упрочнения с n = 0.3, интервал которой от 7.1 до 15.2 %. В работе [3] стадии с n <1/2 предложено считать стадиями предразрушения.
Необходимо отметить, что в поликристаллических сплавах с ГЦК-решеткой стадия предразрушения такой продолжительности получена впервые. Это, в свою очередь, позволило подробно проанализировать эволюцию картин макролокализации пластической деформации на всем протяжении кривой нагружения сплава Д1.
На рис. 1 приведено распределение локальных удлинений по всему образца, которое наблюдается на стадии Тейлора. Видно, что оно представляет собой совокупность равноотстоящих друг от друга максимумов еxx с примерно одинаковыми амплитудами.
Пространственный период X = 5±1 мм. Такие же пространственно-периодические распределения харак-
sxx
Рис. 1. Пространственное распределение локальных удлинений на стадии параболического упрочнения с п ~ 1/2 в сплаве Д1
терны и для стадии линейного упрочнения. Различие состоит лишь в том, что на стадии линейного упрочнения очаги локализации подвижны, а на тейлоровской стадии — стационарны. Это хорошо видно из рис. 2 и
3, где положения очагов локализации приведены в зависимости от времени нагружения. Последовательность координат для каждого очага локализованной деформации на стадии линейного упрочнения аппроксимируется почти параллельными прямыми линиями, по тангенсу угла наклона которых можно определить скорости движения (рис. 2). На данной стадии усредненная по всем очагам скорость локализации составила VII = = (9.2±0.9) • 10-5 м/с. На тейлоровской стадии графики X(t) практически параллельны оси абсцисс, т.е. положения очагов локализованной пластичности действительно не меняются.
На стадии предразрушения вновь приходят в движение все очаги локализованной деформации за исключением одного с координатой X = 33 мм (рис. 4). Пространственная периодичность в их расположении нарушается, так как очаги движутся с различными скоростями. Амплитуда деформации в отмеченном выше неподвижном очаге значительно больше и постоянно нарастает. В конце концов, здесь формируется шейка и происходит разрушение. Остальные очаги локализованной пластичности перемещаются самосогласованно в направлении неподвижной высокоамплитудной зоны ло-
X, мм
0............................................-
320 380 440 500 560 1, с
Рис. 2. Движение очагов локализованной пластичности на стадии линейного упрочнения
X, мм ь
0 I........................................-
600 700 800 900 1000 t, с
Рис. 3. Распределение зон локализации на стадии Тейлора (n = 0.49)
Рис. 4. Движение доменов локализованного течения на стадии пред-разрушения сплава Д1 (п = 0.3)
кализации. Чем дальше расположен очаг локализации от данной зоны, тем выше скорость его движения, что хорошо видно на рис. 4.
Ранее [1, 2] авторами настоящей работы была предложена автоволновая концепция развития макролокализации деформации в нагружаемых телах. Все представленные здесь результаты соответствуют этой концепции. Действительно, на стадии линейного упрочнения домены локализованной пластичности образуют фазовую волну с четко определенной длиной и постоянной скоростью распространения. Эта скорость должна быть обратно пропорциональна коэффициенту деформационного упрочнения, нормированному на модуль материала. На рис. 5 приведена такая зависимость из работы [1]. Видно, что скорость волны локализованной пластической деформации на стадии линейного упрочнения в сплаве Д1 удовлетворительно соответствует ей.
На стадии параболического упрочнения Тейлора, когда показатель деформационного упрочнения близок к 1/2, должна возникать стационарная диссипативная структура. В сплаве Д1 она реализуется в виде неподвижного пространственно-периодического распределения зон локализации с близкими значениями амплитуд деформаций. Как и в большинстве ранее исследованных материалов, пространственный период данного распределения совпадает с длиной фазовой автоволны локализованной пластической деформации на стадии линейного упрочнения.
В [3] стадии с показателями деформационного упрочнения < 1/2 характеризуются движением очагов локализованной пластичности по траекториям, которые образуют пучок с фокусом в области неподвижной высокоамплитудной зоны деформации, являющейся зародышем шейки разрушения или вязкохрупкой трещины. На рис. 4 отчетливо видно, что такой пучок траекторий доменов локализованной пластичности образуется и при деформировании сплава Д1. Эти данные, также как результаты работ [3, 8], позволяют предсказать не только место разрушения, но время жизни образца.
Рис. 5. Зависимость скорости волн локализованной пластической деформации от коэффициента деформационного упрочнения на линейной стадии [1]
В работе [9] была обнаружена зависимость скорости очагов локализованной пластической деформации от показателя деформационного упрочнения вида
V(n) = V,(n - q)2,
(4)
где V0 и q — константы, определяемые локальными деформационными характеристиками материала в очаге. Если подобно [3] произвести нормировку выражения (4) по экспериментально полученным значениям скоростей, соответствующих стадиям линейного (VII = = const, n - 1) и тейлоровского (VIII = 0, n -1/2) деформационного упрочнения, можно оценить значения показателя n для каждого из подвижных доменов локализованной пластичности на стадии предразрушения сплава Д1. Результаты такой обработки приведены на рис. 6. Видно, что наиболее быстро движущимся доменам 1 и 2 соответствуют значения показателя параболичности n < 0, а следовательно, согласно уравнению (3), отрицательные коэффициенты упрочнения. При этом определяемый для образца в целом показатель деформационного упрочнения на этой стадии положителен и равен 0.3. Это означает, что в пределах образца на стадии
V, мм/с
0.1
0.0
V
\ ,2 7 /
\ V|/
Ч3 \5 . V„U
0.0
0.4
0.8
Рис. 6. Зависимость скоростей доменов локализованной пластичности V(n) на стадии предразрушения. Цифрами отмечены номера доменов рис. 4
предразрушения сосуществуют области, где материал упрочняется и зоны где он разупрочняется. Как и в работе [3], домены локализованного пластического течения, для которых n < <0, самопроизвольно зарождаются на стадии предразрушения и геометрически не связаны с областями локализации, появившимися на стадии тейлоровского упрочнения и остающимися неподвижными, пока s ~ e1/2.
4. Выводы
Результаты представленных исследований позволяют сформулировать следующие положения о характере макролокализации деформации поликристалличес-кого ГЦК-сплава Д1.
В ГЦК-сплаве Д1 обнаружена протяженная стадия предразрушения, где показатель деформационного упрочнения n = 0.3, т.е. < 1/2.
Картины зон локализованной деформации, как это предсказано в [1-3], эволюционируют в соответствии со стадиями кривой нагружения сплава Д1. На линейной стадии возникает фазовая волна локализованной пластической деформации, на стадии Тейлора — стационарное пространственно-периодическое распределение зон локализации деформации, на стадии предразруше-ния происходит схождение доменов локализованной пластичности к месту будущего разрушения.
Скорость волны локализованной пластической деформации на стадии линейного упрочнения сплава Д1 соответствует зависимости от приведенного коэффициента упрочнения материала [1].
На стадии предразрушения в деформируемом образце возникают независимо эволюционирующие домены локализованной деформации, движущиеся с постоянной для каждого из них скоростью, величина которой линейно зависит от координаты места рождения домена.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 05-08-18248a) и Лаврентьевского конкурса молодежных проектов СО РАН 2006 г., № 29.
Литература
1. Зуев Л.Б., ДаниловВ.И., Семухин Б.С. Пространственно-временное упорядочение при пластической деформации твердых тел // Успехи физики металлов. - 2002. - Т. 3. - № 3. - С. 237-304.
2. Zuev L.B., Danilov VI. A self-exited wave model of plastic deformation
in solids // Phil. Mag. - 1999. - V. 79. - No. 1. - P. 43-57.
3. Зуев Л.Б., Данилов В.И. Кинетика макродоменов локализованной пластичности на стадии предразрушения металлов // ЖТФ. -2005 - Т. 75. - Вып. 12. - С. 102-105.
4. Бернер Р., Кронмюллер Г. Пластическая деформация монокристаллов. - М.: Мир, 1969. - 272 с.
5. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1990. - 255 с.
6. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. - Киев: Наукова думка, 1989. - 256 с.
7. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. - М.: Мир, 1972. - 408 с.
8. Данилов В.И., Зуев Л.Б., Летахова Е.В., Орлова Д.В., Охримен-ко И.А. Типы локализации пластической деформации и стадии нагружения металлических материалов с различной кристаллической структурой // ПМТФ. - 2006. - Т. 47. - № 2. - С. 176-184.
9. Полетика Т.М., Нариманова Г.Н., Колосов С.В., Зуев Л.Б. Локализация пластического течения в технических сплавах циркония // ПМТФ. - 2003. - Т. 44. - № 2. - С. 132-142.
