Механическое поведение ультрамелкозернистых сплавов при высоких скоростях деформации Текст научной статьи по специальности «Физика»

2496

Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2496-2498

УДК 539.4.015;539.4.019;539.411.5

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ СПЛАВОВ ПРИ ВЫСОКИХ СКОРОСТЯХ ДЕФОРМАЦИИ

© 2011 г. В.А. Скрипняк, Н.В. Скрипняк

Томский госуниверситет

skrp2006@yandex.ru

Поступила в редакцию 24.08.2011

Особенности механического поведения ультрамелкозернистых титановых, магниевых, алюминиевых сплавов и меди при квазистатическом и ударно-волновом нагружении с амплитудами до 10 ГПа исследованы методом численного моделирования. Для описания механического поведения сплавов использована многоуровневая модель, которая учитывает ряд структурных факторов, влияющих на механическое поведение крупнозернистых и ультрамелкозернистых сплавов. Полученные результаты свидетельствуют о существенном различии скоростной чувствительности напряжения течения у исследованных ГПУ и ГЦК крупнокристаллических и ультрамелкозернистых сплавов в диапазоне от 10-3 до 106 с-1. Откольная прочность ГЦК-сплавов с ультрамелкозернистой структурой выше, чем у крупнокристаллических сплавов, но не превышает значений откольной прочности монокристаллов в диапазоне скоростей деформации от 103 до 106 с-1.

Ключевые слова: ультрамелкозернистые сплавы, динамическое нагружение, скоростная чувствительность напряжения течения, откольная прочность.

Уменьшение размеров зерна в поликристал-лических сплавах существенно увеличивает их твердость и статическую прочность при комнатной температуре, но сопровождается значительным снижением вязкости и пластичности. Механическое поведение ГЦК-, ГПУ-, ОЦК-сплавов с субмикронными размерами зерна при скоростях деформации от 103 до 106 с-1 изучено недостаточно полно. Вместе с тем режимы механических воздействий, при которых реализуется высокоскоростная деформация субмикрокристаллических сплавов, имеют важное практическое значение. Открытыми остаются вопросы о возможности существенного повышения динамических прочностных характеристик сплавов, включая отколь-ную прочность, при уменьшении размеров зерна до субмикронных размеров.

Методом компьютерного моделирования исследовались закономерности высокоскоростной деформации и откольного разрушения ГПУ и ГЦК сплавов (ВТ 1-0, Т 6-2222Б, ВТ-6, Т1-6А1-4У), Ма-2, меди и алюминиевого сплава АА 6063Т6 с размерами зерна 300-500 нм при ударно-волновом нагружении с амплитудами от 4 до 6 ГПа [1-5]. Представлены результаты моделирования на макроскопическом и мезоскопическом уровнях распространения плоских ударных волн в исследуемых сплавах. Рассмотрены условия высокоскоростного нагружения образцов сплавов ударом тонких алюминиевых пластин со скоростью от 600 м/с до 1200 м/с [1-5].

Для описания механического поведения металлов и сплавов с размерами зерна от 1 мкм до 100 нм при высокоскоростной деформации применялась двухуровневая модель, учитывающая физические механизмы пластической деформации. Рассматривался модельный структурированный объем ультрамелкозернистых (УМЗ) сплавов, образованный на мезоскопическом уровне зернами кристаллических фаз и границами раздела ко -нечной толщины.

В рассматриваемых наноструктурных сплавах релаксация сдвиговых напряжений при гомологических температурах Т/Тт < 0.4 обусловлена преимущественно дислокационными механизмами пластической деформации и двойникованием. Определяющие соотношения построены с учетом типа кристаллической решетки сплавов, температурного диапазона деформирования, параметров зеренной структуры.

Для оценки сопротивления динамическому разрушению использована величина разрушающего напряжения при отколе (откольная прочность материала). Для описания процесса разрушения при моделировании высокоскоростного соударения пластин использованы варианты моделей повреждаемых сред.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при размерах зерна от 0.5 до 100 мкм откольное разрушение является результатом протекания процессов зарождения центров разрушения и роста размеров.

На рис. 1а показаны зависимости разрушающих напряжений (откольной прочности) от скорости деформации в поликристаллических и уль-трамелкозернистых алюминиевых сплавах, а на рис. 1б — соответствующие зависимости для технически чистой меди. Заполненными символами обозначены экспериментальные данные [4—7]. Линиями показаны теоретические прогнозы изменения разрушающего напряжения от логарифма скорости деформации в области формирования откольного разрушения.

сг

К

I- ,

О)

а

■D

s

W

cd

К

■и

■и

а

2

сз

0

>■>

Он

гп

cd

Рч

’ АМгб

О L

шлав АА6063Т6 п (<*в~100мкм) О (dfl ~ 1.2 мкм) Д (с1в~1.5мкм)

103 ю4 105 10'

Скорость деформации, с а)

10 10 -1

б)

Рис. 1

В процессе откольного разрушения ультра-мелкозернистых сплавов можно выделить три стадии, на которых эволюция структуры сопровождается зарождением центров разрушения, ростом их размеров и формированием зоны макроскопического разрушения (магистральной трещины). Длительность стадий и соответствующие значения плотности внутренней энергии в субмикрок-ристаллических сплавах отличаются от соответствующих значений, реализующихся в крупнокристаллических сплавах при сходных интенсивностях и длительностях импульсов. Зона откольно-го повреждения в одинаковых условиях нагружения имеет большую ширину в материалах с крупнокристаллической структурой.

Заключение

Проведенный анализ влияния размеров зерна на величину разрушающих напряжений при высокоскоростном растяжении показал, что от-кольная прочность ГЦК-сплавов с ультрамелко-зернистой структурой выше, чем у крупнокристаллических сплавов, но не превышает значений откольной прочности монокристаллов в диапазоне скоростей деформации от 103 до 106 с-1.

С увеличением дисперсии распределения зерен по размерам разрушающие напряжения уменьшаются, а характерное время зарождения центров разрушения возрастает. В результате ширина пространственной зоны откольного разрушения в сплавах с ультрамелкозернистой структурой оказывается меньше, чем в крупнокристаллических аналогах.

Зона разрушения в ультрамелкозернистых сплавах формируется из множества локальных очагов повреждений, размеры которых зависят от скорости деформации.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант №08-08-l20SS), Минобрнауки РФ АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проекты 2.l.l/l3S2l, 2.l.2/l3S26), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-20l3 годы ГК № П ббб от l9.0S. 20l0.

Список литературы

1. Скрипняк Е.Г., Скрипняк В.А., Козулин А.А., Скрипняк В.В. II Вестник Томского гос. ун-та. Математика и механика. 2010. Т. 11, №3. С. 120-128.

2. Скрипняк В.А., Скрипняк В.В., Тюлина Н.А. II Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. XI Харитоновские чтения: Тр. Междунар. конф. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2009. C. 328-333.

3. Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г. II Shock Wave in Condensed Matter: Тр. Междунар. конф. С.-Петербург -Новгород, 5-10 сент., 2010. С. 319-322.

4. Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г., Козулин А.А., Скрипняк Н.В. II XIX Петербургские чтения по проблемам прочности: Сб. матер. СПб., 2010. Ч. 2. С. 175-178.

5. Скрипняк В.А. и др. II Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. IX Харитоновские тематические научные чтения: Тр. Междунар. конф. Саров, РФЯЦ ВНИИЭФ. 2007. С. 369-373.

6. Гаркушин Г.В., Разоренов С.В., Игнатова О.Н. II Забабахинские научные чтения 2007: Сб. статей Меж-дунар. конф. Снежинск, 2007. С. 5-15.

7. Гаркушин Г.В. и др. II Физическое материаловедение. Наноматериалы технического и медицинского назначения: Матер. докл. III Междунар. школы-конференции. Тольятти, 2007. C. 190-192.

MECHANICAL BEHAVIOUR OF ULTRAFINE-GRAINED ALLOYS UNDER HIGH STRAIN RATES

V.A. Skripnyak, N. V Skripnyak

Features of the mechanical behavior of ultrafine-grained titanium, magnesium, aluminium alloys and copper under quasistatic loading and shock-wave loading with the amplitudes below 10 GPa are investigated using a numerical simulation method. The multi-scale level model is used to describe the mechanical behavior of the alloys. The model accounts for a number of structural factors influencing the mechanical behavior of coarse-grained and ultrafine-grained alloys. The obtained results testify to essential distinction between strain-rate sensitivity of the yield stress of the investigated coarse grained and ultrafine-grained HCP and FCC alloys in the strain rate range of 10-3 to 106 s-1. The spall strength of a UFG FCC alloys is higher than that of the coarse grained alloys, but does not exceed values of the spall strength of single crystals in the range of strain rates of 103 to 106 s-1.

Keywords: ultrafine-grained alloys, dynamic loading, strain-rate sensitivity of the yield stress, the spall strength.