CC BY
84
Микромеханика разрушения и деформации латуни
С.В. Смирнов, Н.Б. Пугачева, М.В. Мясникова, П.П. Матафонов, Т.В. Полковников
Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Россия
Экспериментально исследованы микромеханические особенности пластической деформации и разрушения сложнолегированной многофазной латуни марки ЛМцАЖКС. С позиций структурно-феноменологического подхода осуществлено компьютерное моделирование деформации с учетом взаимовлияния структурных составляющих. Сопротивление деформации структурных составляющих определялось по результатам экспериментов по микроиндентированию. Сделаны интервальные оценки количественной связи предельной деформации силицидов с характеристиками локального напряженного состояния. Описаны особенности формирования сетки полос локализованной деформации, приводящей к фрагментации на мезоуровне.
Micromechanics of brass destruction and deformation
S.V Smirnov, N.B. Pugacheva, M.V Myasnikova, P.P. Matafonov, and T.V. Polkovnicov
Micromechanical features of plastic deformation and destruction of complex alloy brass are investigated experimentally. From positions of the structural-phenomenological approach computer modeling of deformation is carried out in view of interference of structural components. Stress-strain curve of the structural components was defined by results of experiments by microindentation. Interval estimations of the quantitative relation of ultimate strain of silicides with micromechanical features of plastic deformation are made. Features of formation of localized deformation bands leading to fragmentation at the mesolevel are described.
1. Введение
Используемые в технике материалы, как правило, состоят из нескольких структурных составляющих, каждая из которых имеет свои свойства. Даже при равномерной макроскопической деформации на мезомасштабном уровне реализуется неравномерное напряженно-деформированное состояние из-за различия упругих и пластических свойств структурных составляющих сплавов. Это во многом является причиной возникновения деформационных микродефектов сплошности, приводящих к разрушению материала при его обработке или в условиях эксплуатации.
Развитие представлений о взаимосвязи процессов деформирования на разных масштабных уровнях [1], а также совершенствование вычислительной техники позволяет осуществлять математическое моделирование поведения структуры материалов при внешнем механическом воздействии [2]. Особенно эффективно математическое моделирование в сочетании с проведением физических экспериментов, так как в ряде случаев позволяет более глубоко понять и получить количественные оценки сложных процессов деформирования и разрушения гетерофазных материалов. Одной из сложностей, возникающих при моделировании, является необходимость знать такие механические свойства структурных составляющих, как их сопротивление деформи-
рованию и предельные характеристики в момент разрушения. Эти вопросы, тривиальные при исследовании макроскопических свойств материалов, требуют своего решения для мезоуровня. Задача определения механических свойств структурных составляющих имеет место и в механике композиционных материалов. Однако структурные составляющие композиционных материалов, в силу особенностей их производства, как правило, имеют механические свойства, близкие к тем, что имели исходные материалы, из которых они были изготовлены. Поэтому определить эти свойства в стандартных испытаниях не представляет особых сложностей. Структурно-фазовые составляющие в металлических сплавах обычно имеют характерный размер менее 50 мкм, а в процессе изготовления их химический состав и свойства меняются сложным образом. Поэтому механические свойства структурно-фазовых составляющих сплавов должны быть определены без их экстрагирования из матрицы. В работах [3, 4] нами был предложен и последовательно развит метод определения сопротивления деформации структурных составляющих и микрообъектов по результатам испытаний на микроиндентирова-ние, а также методика постановки и решения задач компьютерного моделирования больших пластических деформаций микронеоднородного материала [5].
© Смирнов С.В., Пугачева Н.Б., Mяcникoвa M.B., Maтaфoнoв П.П., Полковников T.B., 2004
Рис. 1. Микроструктура латуни ЛМцАЖКС, х400
Рис. 2. Характер разрушения силицидов в процессе деформации: растрескивание и расслоение крупных силицидов ^е,Мп)^3 (а); растрескивание и выкрашивание мелких силицидов Мп^з (б)
Особенностью данной работы является попытка постановки задачи по определению предельных деформаций структурных составляющих, используя результаты экспериментальных методов материаловедческого анализа и конечно-элементного моделирования пластической деформации и разрушения многофазного материала с учетом взаимовлияния структурных составляющих на примере сложнолегированной латуни марки ЛМцАЖКС. Этот сплав является удобным модельным гетерофазным материалом, так как содержит существенно отличающиеся по химическому составу и свойствам структурные составляющие.
2. Материал и методики исследования
Образцы для исследований изготавливали из прессованного прутка (температура прессования 740 °С), который подвергали отжигу при температуре 480 °С в течение 3 часов. Количественную оценку структурных составляющих сплава выполняли с помощью структурного анализатора EPIQUANT в полуавтоматическом режиме. Типичная структура сплава приведена на рис. 1. После термообработки в сплаве содержатся три основные структурно-фазовые составляющие: а-твердый раствор цинка и легирующих элементов в меди с низкими значениями микротвердости (НУ 0.05 130-146); эвтектоидная (а + в)-смесь с повышенной твердостью (НУ 0.05 200-275); включения силицидов ^е, Мп)^13 с высокой твердостью (НУ 0.05 550-725). Строго говоря , выделения свинца также образуют самостоятельную фазу, однако ее количество значительно ниже, чем указанных выше трех основных структурных составляющих, поэтому частицы свинца в работе не рассматривались. Колонии (а + в) имеют мелкодисперсное строение, которое весьма характерно для структурных составляющих, образующихся в результате эвтектоидного превращения.
По данным микрорентгеноспектрального анализа, весь кремний, железо и большая часть марганца в сплаве связаны в силициды ^е, Мп)^13 и Мп^13. В твердый раствор из этих трех элементов переходит лишь некоторая часть марганца. Частицы силицидов в исследуемом сплаве имеют столбчатую и глобулярную форму. При количественном анализе силициды разделяли на группы по признакам,
приведенным в таблице 1. Более подробно с результатами количественного металлографического и элементного состава структурных составляющих можно ознакомиться в статье [6].
Исследование характера возникающих дефектов и их развитие в зависимости от величины деформации латуни проводили при испытаниях на осадку призматических образцов с соотношением 1:1:8, на малых боковых гранях которых были сделаны металлографические шлифы. Осадку образцов проводили в несколько стадий с небольшими приращениями величины деформации. При проведении испытаний на осадку образцов вплоть до возникновения диагональной скалывающей трещины видимых невооруженным глазом микротрещин на шлифах не обнаруживалось. Степень деформации сдвига образца Л определяли по формуле
Л = 21п *°,
*1
где *о и Н1 — высота образца до и после испытания соответственно.
После каждой ступени нагружения измеряли размеры образцов и проводили микрофотосъемку поверхности. На каждой ступени деформирования изучали по 20 полей зрения и фиксировали количество разрушившихся силицидов. Подобным образом процесс осадки продолжали до разрушения образцов.
Для компьютерного моделирования использовали структурно-феноменологический подход [7], связывающий решение задач на разных масштабных уровнях. Считалось, что в пределах структурных элементов остаются справедливыми все классические феноменологические уравнения и соотношения механики. Микронеоднородная среда принимается состоящей из связных областей, разме-
Таблица 1
Характеристика частиц силицидов
Мп^і3 ^е, Мп)^і3
Глобулярные Игольчатые Глобулярные Игольчатые
Размер частиц, мкм до 10х 10 до 4х20 от 10х 10 от 4х20 до 80х80 до 20х120
Пп
80
40
А
У/
ЛУз
У
Рис. 3. Зависимость доли разрушенных силицидов Пр от степени деформации образца Л при осадке и их усредненной степени деформации сдвига Лс: 1, 2 — силициды (Fe,Mn)5Si3; 3, 4 — Mn5Si3; 1, 3 — игольчатая форма силицидов; 2, 4 - глобулярная форма
ры и свойства которых соответствуют тем, которые имеют структурные составляющие сплава, определяемые с использованием методик [4, 5] на аппаратно-программном комплексе. Аппаратно-программный комплекс создан на основе микротвердомера ПМТ-3, который оборудован электромагнитным нагружающим устройством, датчиками измерения усилия и перемещения. В качестве индентора использовали твердосплавный конус с углом конусности 90°. Управление нагружающим устройством осуществляется блоком задания нагрузки, позволяющим осуществлять как монотонное, так и ступенчатое нагружение с циклическим реверсом направления нагружения. Информация о нагружении передается в компьютер, где проводится ее обработка и хранение. Идентификацию кривых сопротивления деформации, описываемых степенным законом, осуществляли по результатам сопоставления экспериментальных диаграмм вдавливания и результатов конечно-элементного моделирования по методике [4, 5].
Фотоснимки микроструктуры оцифровывали и на основании этого строили геометрические модели деформируемых участков (в дальнейшем мезоячейки) размером около 100 х 100 мкм. В соответствии с рекомендациями [7], мезоячейки окружали буферным слоем такой же толщины со средними свойствами материала, определяемыми из экспериментов по растяжению образцов на испытательной машине. При моделировании использовали треугольные конечные элементы типа PLANE. Разбиение элементной сетки осуществляли неравномерно с учетом того, что область, моделирующая каждую структурную составляющую, должна содержать не менее 20 конечных элементов. При моделировании ограничивались случаем плоского деформированного состояния, что было достаточно близко к условиям проведения экспериментов. На гранях буферного слоя накладывали граничные условия в перемещениях, воспроизводящие условия экспериментов.
3. Результаты и их обсуждение
Исследования показали, что деформация латуни при осадке происходит в основном за счет пластичной матрицы — а-твердого раствора и колоний (а + в). Разрушению подвергаются хрупкие частицы силицидов. Характерный вид разрушенных силицидов показан рис. 2.
Зависимость доли разрушенных силицидов Пр от степени деформации образца Л при осадке приведена на рис. 3, а. Наиболее подвержены растрескиванию крупные силициды ^е, Мп)^13 игольчатой формы (рис. 2, а). При увеличении деформации образовавшаяся микротрещина в силицидах начинает быстро прогрессировать, увеличиваясь как по длине (рост трещины к противоположной грани), так и по ширине. Разделенные трещиной частицы начинают расходиться, а в образующееся пространство трещины затекает более пластичная матрица, состоящая из а- и (а + вО-колонии. Ненамного от игольчатых отличается пластичность глобулярных силицидов ^е, Мп)^13 и игольчатых Мп^13. Частицы Мп^13 глобулярной формы в меньшей степени подвержены разрушению. Для них наблюдали несколько иной характер разрушения. Так, уже при малых степенях деформации вокруг них имело место расслоение вследствие малой степени когерентной связи по поверхности раздела «силицид - матрица».
При увеличении степени деформации образца происходит рост расслоений с превращением их в вакуоли. Из-за потери связи силицида с матрицей по всей поверхности межфазной границы регистрировали частые случаи выкрашивания частиц данного вида в процессе изготовления шлифа, а также в ходе деформирования образцов (рис. 2, б). Частицы ^е, Мп)^13 любой формы при одинаковых условиях деформирования более подвержены разрушению, чем частицы Мп^13. Это связано с их большими
Рис. 4. Диаграммы индентирования (а) и кривые сопротивления деформации (б) структурных составляющих латуни: 1 — силициды; 2 — колонии (а + в); 3 — а-фаза
Показатель напряженного состояния
Рис. 5. Функция распределения показателя напряженного состояния для силицидов (Ре,Мп)^3 игольчатой формы при плоской осадке
размерами, которые в конечном итоге определяются химическим составом частицы [6].
Несмотря на то, что при степени деформации сдвига образца свыше 0.25 в образцах практически не остается целых силицидов, латунь обладает еще существенным запасом пластичности за счет свойств матрицы и разрушение образцов путем возникновения диагональной трещины происходит только при степени деформации образца Л = = 1.2.
Так как непосредственно из экспериментов степень деформации силицидов Лс определить не представляется возможным, использовали результаты моделирования. Диаграммы индентирования, усредненные по результатам параллельных экспериментов, и кривые сопротивления деформации для структурных составляющих латуни приведены на рис. 4. По результатам расчетов строили функции распределения накопленной степени деформации сдвига Лс по группам силицидов после каждой ступени нагружения. В качестве количественной характеристики усредненной степени деформации Лс использовали значение Л, соответствующее наибольшей частоте встречаемости. Сопоставление графиков на рис. 3 показывает, что при осадке образца первыми разрушаются крупные силициды (Ре, Мп)^13 игольчатой формы. Из рис. 3, а следует, что форма силицидов слабо влияет на их пластичность. Фактором, определяющим пластичность, является состав силицидов: содержание железа существенно снижает их предельную деформацию до разрушения. Разрушению силицидов способствует также наличие участков, где несмотря на деформацию сжатия образцов среднее нормальное напряжение положительно, то есть преобладают растягивающие напряжения. Об этом судили по величине показателя напряженного состояния, рассчитываемого как отношение среднего нормального напряжения к интенсивности касательных напряжений (рис. 5). Моделирование показало формирование полос интенсивной деформации (рис. 6), которые могут быть интерпретированы как мезо-полосы локализации деформации, наблюдаемые в экспериментах. Направление полос близко к направлению действия максимальных касательных напряжений. Аналогичная
Рис. 6. Мезополосы локализации деформации при плоской осадке, полученные при моделировании
картина наблюдается также при моделировании растяжения и сдвига.
4. Выводы
1. Исследована пластическая деформация сложнолегированной латуни ЛМцАЖКС с учетом структурных составляющих в процессе осадки. Показано, что деформация латуни происходит за счет пластичной матрицы — а-твер-дого раствора и колоний (а + в), а разрушению подвергаются частицы силицидов.
2. Построены кривые сопротивления деформации структурных составляющих латуни и зависимость доли разрушенных силицидов разного состава и формы.
3. Поставлена и решена задача моделирования методом конечных элементов пластической деформации латуни на мезомасштабном уровне. Моделирование показало формирование полос интенсивной деформации, которые могут быть интерпретированы как мезополосы локализации деформации, наблюдаемые в экспериментах. Направление полос близко к направлению действия максимальных касательных напряжений.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 04-01-00882).
Литература
1. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 1998. -
Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
2. Макаров П.В. Подход физической мезомеханики к моделированию про-
цессов деформации и разрушения // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. -№ 1. - С. 61-81.
3. Смирнов С.В., Швейкин В.П. Метод определения диаграмм упрочнения
отдельных структурных составляющих в многокомпонентных системах // Физика металлов и металловедение. - 1995. - Т. 80. - Вып. 1. -С. 145-151.
4. Смирнов С.В., Смирнов В.К., Солошенко А.Н., Швейкин В.П. Определение сопротивления деформации по результатам внедрения конического индентора // Кузнечно-штамповочное производство. - 2000. -№ 3. - С. 3-6.
5. Смирнов С.В., Пугачева Н.Б., Тропотов А.В., Солошенко А.Н. Сопротивление деформации структурных составляющих сложнолегированной латуни // Физика металлов и металловедение. - 2001. - Т. 91. -№2. - С. 106-111.
6. Пугачева Н.Б., Тропотов А.В., Смирнов С.В., Кузьмин О.С. Влияние содержания железа в легированной латуни ЛМцАЖКС на состав и морфологию силицидов (Ре, Мп)^3 // Физика металлов и металловедение. - 2000. - Т. 89. - № 1. - С. 62-69.
7. Вильдеман В.Э., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов / Под ред. Ю.В. Соколкина. - М.: Наука. Физматлит, 1997. - 288 с.
