CC BY
52
Мезомасштабный механизм локализации деформации при растяжении поликристаллов низкоуглеродистой стали с линейными концентраторами напряжений
B.C. Плешанов, В.Е. Панин, С.А. Кобзева, H.A. Лебедева1, A.B. Козлов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
Изучены закономерности локализации деформации и формирования мезополосовых структур в поликристаллах низкоуглеродистой стали 10 с линейными концентраторами напряжений в условиях статического растяжения. Показана определяющая роль максимальных касательных напряжений в процессе образования мезополос пластического течения от зон осциллирующих мезоконцентраторов напряжений на протяженных внутренних границах раздела. Обнаружено два типа мезополосовых структур в основном металле: системы параллельных и сопряженных мезополос, и установлена их связь с особенностями развития фронта полосы Людерса. Выявлено три способа формирования системы сопряженных мезополос. Установлена связь механизма формирования полосовых структур с возникновением и релаксацией промежуточных мезоконцентраторов напряжений.
1. Введение
Формирование полосовых структур различного типа и масштаба представляет собой одно из фундаментальных явлений при пластическом течении твердых тел. В работах многих авторов теоретически и экспериментально анализируются условия и механизмы зарождения и развития полос деформации, их морфологические аспекты [1-5 и др.]. Однако до сих пор природа полосовых структур, особенно механизм их зарождения, выяснена недостаточно. В соответствии с представлениями физической мезомеханики, образование полос локализованной деформации следует рассматривать как результат формирования и релаксации концентраторов напряжений мезо- и макромасштабного уровней [4-6].
В настоящей работе исследованы закономерности зарождения и развития мезополосовых структур в поликристаллах низкоуглеродистой стали 10 с линейными концентраторами напряжений. Последние формируются в образцах в виде поперечных протяженных зон переплава (сварных швов). Учитывая особенности поликристаллов со сварным швом, а именно различие металлографических структур и физико-механических
свойств в областях «шов - зона термического влияния -основной металл», их можно отнести к классу гетерогенных материалов. Известно, что при нагружении гетерогенных материалов на внутренних границах раздела возникают осциллирующие концентраторы напряжений [7] как следствие несовместности деформаций сопряженных вдоль границы раздела сред. Этот процесс подробно изучен при нагружении материалов с покрытиями и поверхностно упрочненными слоями, в которых релаксация квазипериодических мезоконцентра-торов напряжений на границе раздела «покрытие - подложка» происходит путем развития мезополос деформации в подложке и образования трещин в покрытии [8, 9]. Теоретическая модель формирования осциллирующих мезоконцентраторов напряжений на границе раздела «зона термического влияния - основной металл», релаксация которых обусловливает формирование в поликристаллах мезополосовых структур, приведена в работе [10]. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование механизма формирования мезополосовых структур и выявление основных этапов пластической деформации на мезомасштабном
в Плешанов B.C., Панин В.Е., Кобзева С.А., Лебедева H.A., Козлов A.B., 2001
уровне поликристаллов низкоуглеродистой стали с линейными концентраторами напряжений в условиях статического растяжения.
2. Материал и методика исследований
В качестве материала для исследований использовали листовой прокат низкоуглеродистой стали 10 толщиной 1 мм, подвергнутый импульсно-дуговой сварке в среде аргона [11 ]. Схема образца для испытаний на растяжение, вырезанного электроэрозионным способом, представлена на рис. 1. Поверхность образцов предварительно механически полировали. Для аттестации и анализа количественных характеристик полос локализованной деформации, формирующихся при растяжении, использовали автоматизированный оптико-телевизионный измерительный комплекс TOMSC, позволяющий получать и обрабатывать картины полей векторов смещений на поверхности деформируемых образцов. Количественно распределение деформации в области формирования мезополосовых структур оценивали по значениям главного пластического сдвига YLx, которые вычисляли по формуле [12]
Ymax _ (8хх — 8yy ) + 48xy ,
где 8хх, 8yy, 8xy — продольная, поперечная и сдвиговая компоненты тензора пластической деформации соответственно.
Анализ микроструктуры в областях «шов - зона термического влияния - основной металл» проводили на металлографическом микроскопе NEOPHOT после химического травления в трехпроцентном растворе азотной кислоты, структурно-фазовый анализ — на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4 в Ka излучении. Микротвердость измеряли на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г. Механические характеристики (предел прочности aB, предел текучести а0x, относительное удлинение 8) рассчитывали на основе диаграмм растяжения, полученных на установке Schenck Sinus-100.40 при скорости растяжения 0.05 мм/мин.
3. Результаты исследований и их обсуждение
В зоне термического влияния поликристаллов низкоуглеродистой стали в процессе нагрева и охлаждения при сварке, а также в области переплава при кристаллизации и охлаждении происходит ряд фазовых и структурных превращений. Полиэдрический феррит основного металла с размерами зерна около 15 мкм в результате фазовой перекристаллизации в зоне термического влияния измельчается до размеров зерна ~8 мкм (рис. 2, а). В областях сильного перегрева зоны термического влияния и переплава (шов) образуются структуры, состоящие из видманштеттова феррита и бейнита (рис. 2, б, в), которые различаются лишь своей дисперс-
75
Рис. 1. Схема образца с линейным концентратором напряжений (сварным швом). Все размеры даны в мм
ностью. Полученные данные свидетельствуют также о достаточно выраженном изменении механических характеристик областей основного металла, зоны термического влияния и шва. Так, значения микротвердости в шве выше по сравнению с основным металлом более чем на 30 % (рис. 3, а).
Учитывая вышесказанное, рабочую часть образца можно разделить на следующие области:
1) зона переплава (шов) шириной ~4 мм, характеризующаяся литой структурой материала и состоящая из крупного видманштеттова феррита и бейнита;
2) зона термического влияния — участки шириной ~2 мм каждый с обеих сторон от шва, включающие зону измельченного феррита и зону видманштеттовых и бей-нитных зерен, в пределах которых вследствие теплового воздействия сварочного источника протекают фазовые и структурные превращения;
3) области основного металла (~13 мм каждая от зоны термического влияния до галтелей образца), не претерпевшие структурных изменений при сварке.
Сопоставление механических характеристик образцов с линейными концентраторами напряжений (сварным швом) и без него, полученных на основе диаграмм «напряжение - деформация», показало, что в обоих случаях прочностные характеристики поликристаллов определяются свойствами основного металла (рис. 3, б). Отличительные особенности кривых течения поликристаллов с линейными концентраторами напряжений (наличие совокупности зубов текучести, меньшее значение 8 и коэффициента деформационного упрочнения 0 = ёа/ё8) обусловлены механизмами их деформации.
Анализ результатов проведенных в работе экспериментальных исследований позволил выявить три основных этапа пластического течения поликристаллов низкоуглеродистой стали с линейными концентраторами напряжений. Каждый этап достаточно жестко связан с определенной степенью деформации образца.
На первом этапе пластического течения (0.05 % < 8 < <1.3 %) наблюдается локализация деформации в зоне термического влияния в виде узких мезополос и возникновение в основном металле полос Людерса.
Второй этап (1.3 % < 8 < 5.5 %) связан с развитием в области основного металла, прилегающей к зоне тер-
Рис. 2. Металлографические структуры: а — граница основного металла (ОМ) и зона термического влияния (ЗТВ); б — область перегрева зоны термического влияния; в — зона переплава (шов). х200
мического влияния, совокупности мезополос локализованной деформации.
Третий этап (5.5 % < 8 < 16 %) является заключительным и связан с деформацией основного металла и последующим разрушением в месте образования локальной «шейки».
Рассмотрим более подробно процессы, протекающие в нагруженных поликристаллах на каждом этапе.
Рис. 3. Механические свойства поликристаллов: а — распределение микротвердости поперек сварного шва; б—зависимость напряжения течения о от относительного удлинения 8 (1 — образец без шва; 2 — с аргонодуговым швом)
1 этап
При растяжении образца на стадии микропластического течения в зоне термического влияния наблюдается появление слабо выраженного деформационного рельефа. Далее в диапазоне деформаций 0.05 % < 8 < 1.3 % в данной области проявляются элементы полосовой мезо-скопической структуры в виде узких полос локализованной деформации, распространяющихся в пределах конгломератов элементов внутренней структуры и ориентированных в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений (рис. 4, а). Схематично распространение мезополос деформации в зоне термического влияния представлено на рис. 4, б.
Зарождение и распространение по схеме сдвига полосы в зоне термического влияния обусловлено релаксацией первичного мезоконцентратора напряжений, который формируется на границе раздела недеформируе-мой зоны шва и слабо продеформированной зоны термического влияния. Физическая природа возникновения концентраторов напряжений на границе раздела двух
шов
II1
ШШм
■sssss I
¡W
'■VM 1/////ЛИТП// I/" I "
М./М/М/М, \SSSSS I ■ -Mz" I М I
M M M ' M !
MM l/A-/— I// I I ISy-^y-SSS^
MM MM. I M /" /" /■/*/* I ■ T/V 1 MM MM I I M ! T I I MM \M ! I MM MM MM MM
i м i \л i i i м i i м мм мм ..мм.. . .
r V-^Л VVT MM
^ ....... - ч-тч' ' ;' ------
„ * i ' '^4/ м/" ■Nb.vv^ i, t- ^ -■ ■
VVVTS^-/- V^VM VM к* ""'
............" M ^iM - \ V^I I
....... ■ I ЧМ, MM ■ ^
.... ..n ! i vv^ i v ■ ■ ■ ■ — т i i// ^^lvvvi - л-...... ■
M M I VM Ml -r V
VM I VM......
VV I \\\4\\\W I ------ "
I V I I M I M— ""V T ЧМ T WW VVT I ЧЧМ VT----
i M;
МММ/" -M" I I//" Л /М 1 IS ■ — M M M ■
I/*/"/* I I ' 1SS 1 1 ./"/M I I I '
MM------<"
МММ '--<" -
I I M /" M M T ■ 4 МММ ! • ■ ■ ■
МММ ™--
M M M M M ' 1 M M ■M M ' ' 1 M M M ' T I I I M I ■ ■ ■ ■ ■ M M VM M ■ ■ ' . MM V
I ' ' ' r " ' M M M H
МММ' -------
MM' VV------
I VM M V-- ■ ■— ^ VM I" ------
^ VM MM ■-■-■ ■ '
I VW .....
I VVVVVV_".....
WVI I I ^^ ■ ■ ■
Рис. 4. Мезополосовая структура в зоне термического влияния: а — оптическое изображение; 8 = 1.1 %, х40; б—схема распространения мезополосы; в — поле векторов смещений на границе раздела в области £ (размер наблюдаемого участка 420x317 мкм2)
сред с различными упругими модулями, подвергнутых внешнему нагружению, связана с несовместностью их упругой деформации. Согласно модели [7] на границе раздела сред при этом должна проявляться осцилляция локальных контактных напряжений. Хотя данная модель рассчитана только для области упругого нагруже-ния, она качественно сохраняется и в области малой
пластической деформации [13]. При достижении границы раздела «зона термического влияния - основной металл» полоса останавливается. В условиях стесненной деформации в области £ (рис. 4, б) возникает локальная зона изгиба-кручения, которая в поле векторов смещений проявляется в виде незамкнутого мезовихря (рис. 4, в). Последний представляет собой зону вторичного (промежуточного) мезоконцентратора напряжений и обеспечивает генерацию сопряженной мезополосы в зоне термического влияния. Затем процесс сдвига и инициируемого им вихревого течения материала повторяется, приводя к образованию на границе раздела совокупности эквидистантных областей £ и квазипериодической мезополосовой структуры в зоне термического влияния (рис. 4, а). Подобный механизм развития пластической деформации по схеме: «первичный концентратор напряжений — релаксационный сдвиг, сопровождаемый поворотной модой — генерируемый этой модой вторичный концентратор напряжений — последующий релаксационный сдвиг и т.д.» был изучен с помощью просвечивающей электронной микроскопии авторами работы [14] при дискретном квазипериодическом распространении мезополосы локализованной деформации в субмикрокристаллической меди. Подробный анализ данного механизма приведен в работе [13].
В области основного металла сварного соединения вблизи захвата на данном этапе происходит зарождение и развитие полосы Людерса.
2 этап
При возрастании внешней нагрузки от зон мезокон-центраторов напряжений £, генерировавших ранее ме-зополосовую структуру в зоне термического влияния, в области основного металла также происходит формирование полосовой мезоскопической структуры, представляющей собой совокупность квазипериодических параллельных мезополос локализованной деформации (рис. 5, а). Направление их распространения совпадает с направлением максимальных касательных напряжений, а кинетика мезополосовой структуры в целом свидетельствует о последовательном вовлечении в процесс релаксации мезоконцентраторов напряжений из осциллирующего ряда (областей £, рис. 4, б). Это проявляется в последовательном дискретном характере формирования мезополос от границы раздела в область основного металла с ростом степени деформации (рис. 6). Формирование каждой полосы происходит с большой скоростью и сопровождается сдвигом смежных областей материала друг относительно друга, что иллюстрируется картинами полей векторов смещений (рис. 5, б) и значениями главного пластического сдвига у ^ах (рис. 5, в) (здесь и далее значения у^ах нормированы на единицу времени).
Исследование тонкой структуры мезополос, изображенных на рис. 5, а, показало наличие в них микрополос
1 1\\\ 1WW 1W 1\\ 1W 1 1W\ 1 1 1WW 1\\\ _ \ I 1W 1\ 1W 1WW\ 1W\ I 1W 1 1 I |\\ I 1WWW
1W\ 1W\ 1WW4WWWWW 1 1 1WWWW\^\ 11.........
1 1\ 1 1 1 1 1 1 1\\\\\\\\ 1 1\\ 1 1WWWWWW . 1 .........
1 1 |\\ 1111111 1WW 1 1W 1 1 1W 1W\ 1 1\\\\ 1 1__„.„..„,
1 1 1\ 1W 1 1\\\\\\\\ 111111 1W 1 1 1 1\ 1W 1WW .
1 1\\ 1W\ IWWWW 1W 1\\ TW lililí 1WWW\VT>.................
1 1W 1W\ 1 1\\ IWWWW 1WW 11111 1WWWW\ 1 1 . .............
\\\__w\ 1 1WW . 1 1 1W\ 1W 1\ 1 1 1 1W\ 1 1 1 1WW____ . ■ ...........
WW 1WW 1W 1 1\ 1 1 IW\ 1 1 1 1 1\ 1 1 1 1W 1111 1\\--\---1 . . . _......
W 1 1 1 1\ 1WW 1 1\ 1 1WWW 1 1 1\ 1 1 1 1\\\ 1 1 1 1WWW „ 1 . . . -......
lili i iwwww i i\ i i i i i i iw\ i i i i\www ...... .......
1 1\\ 1 1WW\ 1 1WW 1 1 1 1 1 1WW 1 1 1 1\ 1 1\ 1 . „ 1 . _.......
1 1 1W 1WW\ 1 U 1W 1 1 1W 1 1\\ 1111 1WW\ 1W\ 1■ ■ .W 11.. „......
\ i iw iw\ i i\ i i\\ i iww i iw\ i i\\\\\\\ i i\ i i i . . . L_......
\\\\\\\\\ iwww i i\\\ i iwwww i i i\ i . i\ . r^-c......
W\ 1WWWN, 1 1WWW 1 1 1 1W IT-. .WW\ 1W\ 1 1 1 1\WWW\ . ^^......
1 1WWW 1W 1\ 1 1 1WW\ 1 1W 1 1 1 1\\\ 1W\ 1 1 1\ 1\ . . . . -......
w ww\ 1 1 1\\\ 1 1 1 1 w w w w\ 1 1 1 1 w 1 1 w\ lililí ____lililí-...
\ 1 1\\ 11111 1WW 1 1W 1 1WW\ 1 1\ 1 1 1 1WWW 1 1\ 1"\W^.W\ 1111111.. WW\ 1 1\ 1 1 1 1\\\\ 1 1W 1 1WWW 1 1 1 1 1\ 1 1 1\\ 1\ 1 IW^ÍVNW^ ....111. WWWW\ IWWWW 1WW\ 1111111 1TW 1\ . IWWWW-^WW .... 1 IWWN 1 IWWWWW 1W\ 1 1 1 1\ 1 1 1\ 1WWW 1\ 11111.1
\\\\\\\ 1 . 1 1 IWWWW 1 1 1\\\ 1WWWWW\ 1 ■ "VWW 1 1 . . 1
\ 1 1WW 1 ... 1 1 1 1 1\ IWWW 1 1W 1 1\\ IWWWWW 1\ 1 1W ■ ■ ■ 1\\.....
1 1 1WWW\ 1 1\ 1 1 1 1 1\\\\ 1\ 1 1\ 1\ IWWWWW 1W 1\ 1 1 >.W .... 1
i i i\\ . i\\ i i\\ lili iww-. iwww lililí i\\\ i i\\ „^w ..ii
1 1\ 1 1W 1\\\ 1 1\ IWWWW WWW 1 1 1 1\\\\ 1111111 ITftVffi^ ■ 1 1 . . 1 .
1W 1 1 W W 1 1 1 1W W . 1\\\ 1 1W 1111 1WW\ 1 1 IWWWW 1 T-. ■ ■ . . .
W 1 1 1 1 1\\\\\ 1\ 1 1 1\ 1 1\\ 1 1 1 IWWWW 1 W\WWW 1 T-. ____\ .
1\ 1 1W 1 1WW 1W\W 1\ 1 1\ 1 1W 1 1 1WWW 1 1\WW . .w WWW 1 1WW 1WWWW\ 1 1 1WWW 1W\ 1 1 1 1W\
WWWW\ IWWWWWW 1 1WWWWWW 1 1 IWWWW 1 ^-^^Í^W^W
W 1 IWWWW 1W\\WWWW IWWWWW 1 1 1W 1 .H
w\w iw iw\ i iwwwww i i\>;-.w>w i--.\ww\w i\ itww^—\—\ \wwwwww lili iwwww--¡vvv!vv-!wwww i i i
\WW 1 1W 1 1WWW IWW^WWÜÜ WW 1 1 1W IWWWWW^Í-.WWW \WW l\WW\WWW\W=í-,\^W\ 1
y^ax-103
Y, мм
8.04.0\ i \
4.0
0.2
0.6
1.0
1.4 X, MM
Рис. 5. Формирование мезополос деформации в основном металле, 8 = 1.5 %: а — оптическое изображение; б — соответствующее поле векторов смещений; в — распределение значений главного пластического сдвига у тах
сдвига, распространяющихся через многие зерна поликристалла без отклонения независимо от их кристаллографической ориентации (рис. 7). В пределах этих микрополос пластическое течение реализуется как процесс последовательных сдвигов отдельных ламелей материала. Результаты многочисленных исследований микрополос сдвига свидетельствуют, что в общем случае их появление на определенной стадии пластического течения
Рис. 6. Эволюция мезополосовой структуры в области основного металла. 8 = 2 (а); 2.1 (б); 2.3 % (в). х90
не связано с характером распределения дислокаций на предшествующих стадиях деформации и они имеют некристаллографическую природу. Морфологические
х2 000 х5 000
Рис. 7. Тонкая структура мезополос локализованной деформации; растровая электронная микроскопия
особенности микрополос не связаны с характеристиками текстуры и типом кристаллической решетки [13, 15]. Несмотря на большой объем исследований, проведенных различными авторами, механизм локализации деформации в микрополосах и их природа до сих пор остаются неясными. Однако очевидно, что зарождение и развитие микрополос в зонах мезоконцентраторов напряжений сопутствуют формированию мезополос и контролируются максимальными касательными напряжениями.
При дальнейшем нагружении деформация в каждой мезополосе распространяется по схеме расширения полосы путем перемещения ее границы аналогично фронту полосы Людерса, вовлекая упругодеформированные зерна в пластическое течение, при этом сдвиг на картине векторов смещений отсутствует.
Описанный характер развития пластической деформации, когда в диапазоне 1.3 < 8 < 2.5 в области основного металла вблизи зоны термического влияния формировалась квазипериодическая система преимущественно параллельных мезополос, наблюдался в большинстве случаев (~ 60 %) при растяжении образцов. Следует отметить, что в данном диапазоне степеней деформации вблизи захвата происходит развитие полосы Людерса. В остальных случаях (~ 40 %) в основном металле вблизи зоны термического влияния зарождения мезополосо-вой структуры не происходило вплоть до приближения к зоне термического влияния полосы Людерса. В момент подхода последней к зоне термического влияния (2.5 < 8 < 5 %) в основном металле развивалась система сопряженных мезополос (рис. 8, а).
Как показали результаты экспериментальных исследований, существуют два механизма пластической деформации поликристаллов с линейными концентраторами напряжений, обусловливающих формирование в области основного металла двух различных типов мезо-полосовой структуры (см. рис. 5, 8). Их отличие связано с особенностями развития фронта полосы Людерса. В
первом случае распространение фронта полосы Людерса под углом 45-60° к оси растяжения вызывает воздействие на деформируемый образец дальнодействую-щих сильных изгибающих моментов. Компенсация последних происходит путем зарождения на границе раздела «основной металл - зона термического влияния» и последующего развития в область основного металла системы аккомодационных квазипериодических преимущественно параллельных мезополос локализованной деформации (рис. 9, а, стрелкой показано направление сдвигов). Эстафетное формирование и эволюция последних происходит вплоть до слияния полосы Людерса с деформированной зоной термического влияния.
Во втором случае движение нормального (~ 90°) к оси нагружения фронта полосы Людерса не вызывает существенного изгиба образца и полосовые структуры в таких условиях до определенного момента не зарождаются. При сближении такого фронта полосы Людерса с зоной термического влияния даже незначительное отклонение его ориентации от нормали к оси растяжения вызывает возникновение в поликристалле близкодействующих слабых изгибающих моментов. В результате релаксации инициируемых ими напряжений в области основного металла происходит формирование системы сопряженных мезополос локализованной деформации (рис. 9, б). Обнаружено три способа формирования такого рода мезополосовых структур:
- самосогласованное развитие сопряженных полос от квазипериодических зон мезоконцентраторов напряжений на границе раздела «зона термического влияния -основной металл» (областей £, рис. 4, б);
- формирование полос по схеме полного внутреннего отражения в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений (рис. 10), когда в ходе растяжения образца мезополоса зигзагообразно распространяется в области основного металла между зоной термического влияния и фронтом полосы Людерса. Подобный механизм зигзагообразного распространения
____
. . ■ ■-.......
. , ; . , ....... . ..
..............
........-
....... .... .... . . ...
........................ ............
------ -—^------
................
— ......—---
. . . ...............
. . .____________^
. ...................
^ . . . . . . . ......... .
.
" - ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
____
_________.
_
I
Рис. 8. Система сопряженных мезополос в основном металле, 8 = = 4.3 %: а — оптическое изображение; б — соответствующее поле векторов смещений; в — распределение значений главного пластического сдвига у ^ах
макрополосы локализованной деформации наблюдался ранее в работе [16] при пластической деформации поверхностно упрочненных образцов стали 12Х1МФ: макрополоса распространялась в матрице между упрочненными слоями по механизму полного внутреннего отражения;
Рис. 9. Схема формирования двух типов мезополосовой структуры в основном металле в зависимости от ориентации фронта полосы Лю-дерса
- ветвление полос локализованной деформации, связанное с компенсацией поворотных моментов в локальных мезообъемах, заключенных между мезополосами (рис. 11).
В двух последних случаях, когда пластическое течение в области основного металла развивается по схеме отражения или ветвления локализованных полос, формирование каждой сопряженной мезополосы обусловлено релаксацией промежуточного мезоконцентратора напряжений. Последний формируется в вершине исходной полосы в виде локальной зоны изгиба-кручения, которая в поле векторов смещений проявляется в форме незамкнутого мезовихря аналогично представленному на рис. 4, в.
Параллельные и сопряженные мезополосы имеют одну природу. Однако численные значения главного пластического сдвига у^ах? характерные для квазипериодической системы параллельных мезополос, приблизительно в два раза выше соответствующих значений, характерных для системы сопряженных мезополос (см. рис. 5, в, 8, в). Это обусловлено различием значений мощности мезоконцентраторов напряжений, связанных с воздействием на образец дально- и близкодействующих изгибающих моментов.
В целом, образование мезополос локализованной деформации, их самоорганизация и трансформация деформационной структуры в квазипериодическую мезо-полосовую структуру на первом и втором этапах деформации означает локальную потерю сдвиговой устойчивости поликристаллов на мезомасштабном уровне и иллюстрирует явление мезоскопической фрагментации материала зоны термического влияния и основного металла.
3 этап
После завершения процесса мезоскопической фрагментации зоны термического влияния и основного металла данный канал релаксации мезоконцентраторов напряжений исчерпывает свои возможности. Дальнейшее
Рис. 10. Отражение мезополосы локализованной деформации от фронта полосы Людерса (справа — зона термического влияния, слева— полоса Людерса); 8 = 4.50 (а); 4.55 (б); 4.60 % (в). х90
пластическое течение нагруженных поликристаллов связано с деформацией основного металла. В нем несмотря на активно протекающие процессы формирования квазиравномерного деформационного рельефа, вплоть до разрушения сохраняются признаки мезополо-совой структуры (рис. 12). При 8 ~ 14 % в основном металле поликристалла с линейными концентраторами напряжений происходит глобальная потеря его сдвиговой устойчивости, связанная с возникновением и ре-
Рис. 11. Ветвление мезополос (указано стрелками); 8 = 4.60 (а); 4.65 (б); 4.70 % (в). х90
лаксацией макроконцентратора напряжений. На этом этапе пластическое течение сосредоточивается в малом макрообъеме, охватывающем все поперечное сечение — локализованной «шейке». Развитие «шейки» завершается разрушением образца при 8 ~ 16 %. Механизм пластического течения и разрушения поликристаллов в «шейке» связан с формированием и эволюцией двух сопряженных макрополос локализованной деформации и аналогичен изложенному в работах [13, 17, 18].
Рис. 12. Следы мезополосовой структуры (а — параллельной, б — сопряженной) в основном металле на стадии образования «шейки»; 8 = 14 %. х90
4. Заключение
1. На всем протяжении процесса растяжения поликристаллов низкоуглеродистой стали с линейными концентраторами напряжений их деформация на мезо- и макромасштабном уровнях контролируется максимальными касательными напряжениями.
2. Полосовые мезоскопические структуры в поликристаллах зарождаются в результате локальной потери их сдвиговой устойчивости и развиваются эстафетно от зон квазипериодических мезоконцентраторов напряжений, формирующихся на протяженных внутренних границах раздела.
3. В зоне термического влияния образование сопряженных мезополос локализованной деформации происходит по схеме волнового процесса: первичный концентратор напряжений на границе «шов - зона термического влияния»—релаксационный сдвиг, формирующий зону вторичного мезоконцентратора в виде мезо-вихря на границе «зона термического влияния - основной металл» — последующий релаксационный сдвиг и т.д.
4. Формирование элементов мезополосовых структур — полос локализованной деформации — сопровож-
дается сдвигом частей образца друг относительно друга и происходит в направлении максимальных касательных напряжений. Исследование тонкой структуры мезополос показало наличие в них микрополос сдвига, распространяющихся через границы зерен без отклонения в направлении развития мезополос.
5. Обнаружено два механизма пластической деформации поликристаллов с линейными концентраторами напряжений, обусловливающих формирование в области основного металла различных типов мезополосовой структуры:
- системы параллельных мезополос,
- системы сопряженных мезополос. Формирование того или иного типа мезоструктуры определяется различием мощности изгибающих моментов, действующих на образец со стороны полосы Лю-дерса. Значения главного пластического сдвига Y ^ax, характеризующие деформированное состояние материала в области формирования полос, отличаются при этом приблизительно в два раза.
6. Выявлено три способа формирования системы сопряженных мезополос локализованной деформации в области основного металла:
- по схеме самосогласованного развития полос от границы раздела «зона термического влияния -основной металл»,
- по схеме полного внутреннего отражения полос,
- по схеме ветвления полос локализованной деформации.
В двух последних случаях формирование мезополосо-вых структур связано с возникновением и релаксацией промежуточных мезоконцентраторов напряжений.
7. Самоорганизация мезополос локализованной деформации и образование мезополосовой структуры обусловливают мезоскопическую фрагментацию поликристаллов с линейными концентраторами напряжений. В общем случае завершение процесса мезофрагмента-ции образца означает исчерпание возможностей данного механизма деформации как релаксационного процесса на мезоуровне. Дальнейшее нагружение поликристалла приводит к глобальной потере его сдвиговой устойчивости на макромасштабном уровне, локализации деформации в «шейке» и разрушению в области основного металла.
Литература
1. Gilman J.J. Micromechanics of shear banding // Mechanics of materials. - 1994. - V. 17. - P. 83-96.
2. Moril K., Mecking H., Nakayama Y. Development of shear bands in f.c.c. single crystals // Acta Met. - 1985. - V. 33. - No. 3. - P. 379386.
3. Paulus N., Ubbowitzer P.I., Shedel M.O. Shear bands in high nitrogen steels // Strength of materials. Proc. 10th Int. Conf. on the Strength of Materials. - Sendai: Jpn. Inst. of Metals. - 1994. - P. 267-270.
4. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с.
5. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -
1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
6. Панин В.Е. Современные проблемы пластичности и прочности твердых тел // Изв. вузов. Физика. - 1998. - Т. 41. - № 1. - С.7-34.
7. Гриняев Ю.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в упру-гонагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика, - 1978. -№ 12.- С. 95-101.
8. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ. -1996. - Т. 82. - № 2. - С. 129-136.
9. Панин С.В., Коваль А.В., Трусова Г.В., ПочиваловЮ.И., Сизова О.В.
Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне бори-рованных образцов конструкционных сталей // Физ. мезомех. -2000. - Т. 3. - № 2. - С. 99-115.
10. Панин В.Е., Плешанов В.С., Гриняев Ю.В., Кобзева С.А. Формирование периодических мезополосовых структур при растяжении поликристаллов с протяженными границами раздела // Прикладная механика и техническая физика. - 1998. - Т. 39. - № 4. -С. 141-147.
11. Сараев Ю.Н. Импульсные технологические процессы сварки и наплавки. - Новосибирск: Наука, 1994. - 108 с.
12. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кибиткин В.В., Лебедева Н.А. Эволюция мезоструктуры и кинетика накопления усталостных повреждений в сварных соединениях конструкционной стали в условиях, близких к плоскому напряженному состоянию // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 6. - С. 105-117.
13. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
14. Тюменцев А.Н., Панин В.Е., Деревягина Л.С., Валиев Р.З., Дубовик Н.А., Дитенберг И.А. Механизм локализованного сдвига на мезоуровне при растяжении ультрамелкозернистой меди // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 115-123.
15. Korbel A., Martin P. Microstructural events of macroscopic strain localization in prestrained tensile specimens crystals // Acta Met. -1988. - V. 36. - No. 9. - P. 2575-2586.
16. Антипина Н.А., Панин В.Е., Слосман А.И., Овечкин Б.Б. Волны переключения локализованной деформации при растяжении поверхностно упрочненных образцов // Физ. мезомех. - 2000. - Т.3.-№ 6. - С. 37-41.
17. Панин В.Е., Деревягина Л.С., Валиев Р.З. Механизм локализованной деформации субмикрокристаллической меди при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 89-95.
18. Дерюгин Е.Е., Панин В.Е., Шмаудер 3., Стороженко И.В. Эффекты локализации деформации в композитах на основе Al с включениями Al2O3 // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 35-47.
