CC BY
41
УДК 5З9.З
МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО IN SITU ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ И МОРФОЛОГИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛОС НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
© А.А. Шибков, А.В. Шуклинов, М.А. Желтов, В.В. Скворцов, А.Е. Золотов, Д.В. Михлик
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия,
е-mail: shibkov@tsu.tmb.ru
Ключевые слова: полосы деформации; эффект Савара-Массона; неустойчивое пластическое течение; алюминий-магниевые сплавы.
Описан экспериментальный комплекс in situ методов исследования макролокализованной деформации при неустойчивом пластическом течении сплава в мягкой деформационной машине с использованием скоростной видеосъемки синхронно с регистрацией ступеней на кривой деформации.
Прерывистое пластическое течение металлов обычно исследуется в условиях одноосного растяжения с постоянной скоростью в жестких испытательных машинах типа «Инстрон» (эффект Портевена - Ле Шате-лье [1-3]). 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 ст = CT(t) , а измеряемой
функцией отклика является собственно деформация образца. В этом случае информация о развитии неустойчивости пластического течения извлекается из прямого измерения нестационарной деформации s(t).
Появлению повторяющихся скачков деформации на кривых деформация-напряжение при растяжении с постоянной скоростью возрастания напряжения, т. е. эффекту Савара-Массона [1], посвящено сравнительно небольшое количество работ на сплавах Al-Mg и Al-Cu [2-4]. В настоящей работе описан комплекс in situ методов исследования макролокализованной деформации при неустойчивом пластическом течении сплава в мягкой деформационной машине с использованием скоростной видеосъемки синхронно с регистрацией ступеней на кривой деформации.
1. Мягкая деформационная машина. Для экспериментального изучения эффекта Савара-Массона использовалась мягкая деформационная машина (рис. 1), которая 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 массивном основании 7. Установка снабжена блоком измерения
смещения штока 8 и цифровой видеокамерой 9. Данная деформационная машина способна производить растяжение 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 исследования неустойчивой деформации и разрушения сплавов с пределом прочности не более 0,5 ГПа, демонстрирующих ступенчатую деформацию Савара-Массона (в основном, сплавов на основе алюминия и меди).
Предварительные эксперименты на промышленном сплаве АМг6, демонстрирующем скачкообразную пластическую деформацию, показали, что, по данным ви-деофильмирования движения верхнего захвата машины, ускорение, развиваемое системой машина-образец на фронте макроскопического скачка деформации амплитудой ~10%, не превышает ~1 мм/с2, что составляет ~10"3,? (? - ускорение свободного падения), и на полтора порядка меньше ускорения системы в момент разры-
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 - основание; 8 - блок измерения смещения штока; 9 - видеокамера; 10 - стальной экран; 11 - образец; 12 - одноосный шарнир; 13 - сосуд с водой; 14 - шланг; 15 -регулятор расхода воды
9В9
ва 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 от жесткой машины типа «Инстрон» состоит в том, что данная машина 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 или эффект Портевена - Ле Шателье), оказывает существенное влияние на дальнейшее развитие этой неустойчивости (отрицательная обратная связь) и затрудняет изучение природы неустойчивой пластической деформации.
2. Видеосъемка полос деформации и трещин. Исследования динамики полос деформации в мелкозернистых (с размером зерна ~ 10 мкм) промышленных
сплавах Al-Mg проводили с использованием скоростной цифровой видеокамеры VS-FAST/G6 (НПО «Видеоскан») в диапазоне скоростей 500-5000 кадр/с. Для регистрации полос деформации в плоском образце размерами 6x3x1,2 мм3 поле зрения видеокамеры выбиралось 10x10 мм. При скорости съемки 500 кадр/с и формате изображения 1204x1280 пикселей это соответствует разрешению около 8 мкм/пкс. Поскольку средний размер зерна промышленных сплавов Al-Mg, с содержанием магния 2-6 %, обычно составляет 1020 мкм, то данная методика предназначена для in situ исследования измерений поверхностного рельефа, связанных с динамикой агрегата зерен размером от нескольких зерен до размера образца.
Обработка видеофильма состояла в вычитании с помощью компьютерной программы последовательных во времени кадров видеофильма (рис. 2). При такой методике обработки изображений выделяются только движущиеся объекты - полосы деформации и трещины. Видеосъемку плоского образца размерами 1,2x3x6 мм3 проводили с двух проекций: фронтальную съемку - со стороны грани 3x6 мм2 и боковую - со стороны грани 1,2x6 мм2. Для видеосъемки полос деформации образцы полировали алмазной пастой; глубина рисок не превышала ~ 1мкм.
а)
б)
Рис. 2. Результаты программного вычитания последовательных цифровых изображений с движущейся (а) и остановившейся (б) полосой деформации (1 и 2 - соседние кадры цифрового видеофильма, 3 - результат вычитания изображения 1 из 2)
б а
Рис. 3. Схема видеосъемки с зеркалом для получения синхронных изображений полос на фронтальной и боковой грани: 1 - образец, 2 - зеркало, 3 - видеокамера. Ось растяжения перпендикулярна плоскости чертежа. На вставке - полоса деформации в двух проекциях: боковой (а) и фронтальной (б)
б а в
Рис. 4. Схема видеосъемки с двумя зеркалами для получения синхронных изображений полос на боковой и двух противоположных фронтальных гранях плоского образца. 1 - образец, 2 - зеркала, 3 - видеокамера. На вставке фотографии деформационной полосы: а - на боковой поверхности, б и в - на противоположных фронтальных поверхностях
Для экспериментального исследования динамики и геометрии полос деформации, особенно на стадии предразрушения, важно не только достаточно высокое быстродействие и чувствительность используемых методов измерения, но возможность получать объемную картину макролокализации деформации, используя, например, одновременную съемку различных поверхностей деформируемого образца. В настоящей работе применялась съемка одной видеокамерой с использованием зеркала (зеркал).
Для синхронной записи полос макролокализован-ной деформации плоского образца на фронтальной и боковой поверхности использовали схему видеосъемки с одним зеркалом (рис. 3). Такая схема эксперимента позволяет получать информацию об ориентации плоскости, в которой распространяется полоса деформации относительно оси растяжения. Анализ данных о распространяющихся полосах деформации сталкивается с проблемой размерности задачи: являются ли полосы поверхностным явлением или они пронизывают все сечение образца. Для выяснения этого вопроса необходима синхронная съемка полос деформации противоположных поверхностей. Такая возможность может быть реализована с помощью видеосъемки по схеме двух зеркал (рис. 4).
Данный комплекс методов исследования неутойчи-вой скачкообразной деформации может быть дополнен
синхронным использованием методов акустической и электромагнитной эмиссии [5, 6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Шибков А.А., Лебедкин М.А., ЖелтовМ.А., Скворцов В.В., Кольцов
Р.Ю., Шуклинов А.В. // Заводская лаборатория. 2005 № 7.
Т. 71. С. 20-27.
2. Шибков А.А., Лебедкин М.А., ЖелтовМ.А., Кольцов Р.Ю., Золотов
А.Е., Шуклинов А.В. // Деформация и разрушение материалов.
2005. № 6. С. 24-34.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, контракт № П2600.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Shibkov A.A., Shuklinov A.V., Zheltov M.A., Skvortsov V.V., Zolotov A.E., Mihlik D.V. Method of complex in situ investigation of dynamics and morphology of deformation bands on the surface of metallic alloys.
Experimental complex of in situ methods of investigation macrolocalized deformation during unstable plastic flow in soft deformation machine with using high-speed videotaping synchronously with registration of steps on the deformation curve is presented.
Key words: deformation bands; the Savart-Masson effect; unstable plastic flow; aluminum-magnesium alloy.
