CC BY
42
Нелинейные волновые эффекты солнтонов кривизны в поверхностных слоях поликристаллов высокочистого алюминия при интенсивной пластической деформации. I. Эксперимент
В.Е. Панин, Т.Ф. Елсукова, В.Е. Егорушкин,
О.Ю. Ваулина, Ю.И. Почивалов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упругодеформируемый плоский образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Обнаружены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильнодеформированных металлических материалов. Подчеркивается необходимость учета найденных закономерностей интенсивной пластической деформации в описании поведения твердых тел в экстремальных условиях нагружения, наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.
Nonlinear wave effects of curvature solitons in surface layers of high-purity aluminum polycrystals under severe plastic deformation. I. Experiment
V.E. Panin, T.F. Elsukova, V.E. Egorushkin,
O.Yu. Vaulina, and Yu.I. Pochivalov
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
The mechanisms of severe plastic deformation are experimentally studied under alternating bending of high-purity aluminum polycrystalline foil attached to an elastically deformed flat specimen of commercial aluminum or titanium. New nonlinear wave processes associated with curvature solitons in surface layers of highly deformed metallic materials are revealed. We underline that it is necessary to account for the found regularities of severe plastic deformation in describing the behavior of solids under extreme loading conditions, nanostructured materials, thin films and coatings.
1. Введение
Деформируемое твердое тело традиционно описывается на двух масштабных уровнях. На макромасштабном уровне используется математический аппарат механики сплошной среды. Пластическое течение описывается как суперпозиция сдвигов в поле средних приложенных напряжений при нагружении материала выше предела упругости. Расчет кривой пластического течения выше предела текучести проводится только с учетом деформационного упрочнения, связанного с полями
внутренних напряжений в нагруженном твердом теле. Механизмы деформации при разных видах и условиях нагружения классифицируются как независимые специфические процессы, не имеющие общей природы. На микромасштабном уровне на основе изучения элементарных актов пластической деформации развивается теория деформационных дефектов, дающая физическую интерпретацию феноменологических закономерностей механики сплошной среды. Поворотные моды деформации описываются теорией дисклинаций. Как в
© Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Егорушкин В.Е., Ваулина О.Ю., Почивалов Ю.И., 2007
механике сплошной среды, так и в теории дислокаций подход сугубо одноуровневый, методология описания деформируемого твердого тела базируется на его силовых моделях.
В физической мезомеханике развивается релаксационный многоуровневый подход. Согласно [1-3] пластическая деформация и разрушение нагруженных твердых тел связаны с потерей их сдвиговой устойчивости на различных структурно-масштабных уровнях. Пластические сдвиги развиваются как локальное структурное превращение в деформируемом материале в зонах растягивающих нормальных напряжений различного масштаба. Методология многоуровневого подхода предполагает единую природу всех типов деформационных дефектов, которые должны описываться в рамках термодинамики сильнонеравновесных состояний [4]. Элементарным актом пластической деформации на любом масштабном уровне предлагается рассматривать локальные структурные превращения нанокластеров различных атомных конфигураций [5].
В литературе наиболее подробно изучены механизмы пластического течения на микромасштабном уровне, связанном с деформационными дефектами кристаллической решетки твердых тел. Их теоретическое описание проводится на основе теорий дислокаций и дис-клинаций.
При достаточно больших степенях деформации, когда плотность дефектов кристаллического строения резко возрастает и сдвиговая устойчивость нагруженного материала значительно снижается, развиваются механизмы деформации мезомасштабного уровня: некристаллографическое распространение мезополос локализованного пластического течения, повороты структурных элементов как целого, макрофрагментация материала, эффекты его экструзии-интрузии и др. Эти механизмы деформации не могут быть описаны на основе традиционной теории дислокаций. Между тем, в современных высокопрочных материалах, особенно имеющих субмикрокристаллическую или нанокристалли-ческую структуру, в материалах с модифицированным поверхностным слоем (или покрытием), сильнонеравновесных материалах механизмы деформации мезомас-штабного уровня играют определяющую роль. Среди них особый интерес представляют нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами формы (кривизны) на интерфейсе «поверхностный слой - подложка». Впервые этот вопрос был теоретически рассмотрен в
[6], где было введено понятие солитонов формы на поверхности деформируемого твердого тела или на интерфейсе двух нагруженных сред. Позднее подобное понятие на поверхности с кривизной было введено в
[7] как солитоны гофрировки. Оба термина равноправны и отражают модуляцию кривизны интерфейсной среды или тонкой оболочки в нагруженном состоянии. Мы данные эффекты будем называть солитонами кривизны.
Согласно [6] солитоны формы (кривизны) при переводе модулированного интерфейса из трехмерного профиля в плоскость за счет стесненных условий приводят к сбросу локализованной пластической деформации перпендикулярно плоскости образца. Подобные сбросы могут возникать и вдоль интерфейса, если он на одном участке испытывает растяжение, а на другом — сжатие. Аналогичные условия могут возникать при знакопеременном нагружении и на границах зерен в поверхностных слоях интерфейсных сред. Тогда, если даже первичное скольжение в каждом из смежных зерен аккомодируется волной солитонов формы (кривизны), на границах зерен эти волны гасят друг друга. Это обусловливает сильную концентрацию напряжений на границах зерен.
Предсказания теории [6] особенно актуальны при знакопеременном нагружении сильнонеравновесных материалов. Во-первых, в них все нелинейные волновые процессы в поверхностных слоях характеризуются низкими энергиями активации и поэтому развиваются особенно интенсивно. Во-вторых, полосы сброса сильно локализованной деформации вызывают в неравновесных материалах развитие усталостных трещин.
Настоящая работа посвящена изучению нелинейных волновых процессов пластического течения в поверхностных слоях поликристаллов высокочистого алюминия при его знакопеременном нагружении в условиях запредельно высоких степеней его пластической деформации.
2. Материал и методики исследования
В качестве материала исследования использовали высокочистый поликристаллический алюминий А999. Он характеризуется высокой энергией дефекта упаковки, что свидетельствует о высокой сдвиговой устойчивости его кристаллической решетки. Комнатная температура составляет для алюминия 0.3Гпл. В этих условиях развитие диффузионных процессов в кристаллической решетке и на границах зерен затруднено, а пластическая деформация объема зерен в равновесном кристаллическом состоянии осуществляется дислокационными механизмами. В то же время, при очень большой плотности дефектов, например в условиях интенсивной пластической деформации, следует ожидать резкого возрастания роли в пластическом течении мезомасштаб-ных механизмов деформации. Дефектная подсистема в таких материалах обусловливает сильное снижение его сдвиговой устойчивости. В условиях знакопеременного нагружения это должно вызывать развитие в поверхностных слоях материала различных нелинейных волновых процессов недислокационной природы.
Традиционно используются такие методы интенсивной пластической деформации, как равноканальное угловое прессование, деформация по схеме «сжатие + кручение» на наковальнях Бриджмена, глубокая прокатка и др. Они не позволяют изучать многоуровневый
характер пластического течения кристаллического материала в ходе его интенсивной пластической деформации. В настоящей работе использован метод интенсивной пластической деформации путем наклеивания тонкой фольги мягкого высокочистого алюминия на плоские образцы технического алюминия и титана, имеющие высокий предел текучести. При циклическом нагружении таких двухслойных образцов удается получить запредельно высокие степени пластической деформации в фольге алюминия А999 при упругом нагружении подложки. Поскольку гофрированная поверхность фольги при этом сохраняется, использование сканирующих приборов высокого разрешения позволяет исследовать механизмы ее нелинейной деформации на мезомас-штабном уровне в условиях сверхнеравновесного состояния материала.
Приготовленные холодной прокаткой фольги из алюминия А999 наклеивали на значительно более прочную подложку из наклепанного технического алюминия А7 или технического титана ВТ1-0. Образцы-подложки имели форму двойной лопатки с размером рабочей части 40x8x1 мм3. Фольги готовили холодной прокаткой бруска 30x16x8 мм3 алюминия А999 до толщины 250 мкм. Для снятия наклепа проводили отжиг при 240 °С в течение 15 мин. Полученную ленту разрезали на полоски длиной 15 мм, которые отжигали при 450 °С в течение 10 мин и затем подвергали электрополировке до толщины 30-180 мкм. Размер зерна в фольге составлял ~200 мкм. В ряде случаев наклеивали неотожжен-ную фольгу. Приготовленные таким образом фольги наклеивали специальным клеем на образцы-подложки непосредственно у одной из головок образца.
Полученные двухслойные образцы подвергали испытаниям на знакопеременный изгиб, при этом участок с фольгой находился в зоне максимального изгиба. При таком способе нагружения площадь сопряжения «фольга - подложка» оставалась неизменной и в пластической деформации фольги была значительно выражена нормальная к плоскости образца составляющая пластического течения. Это позволило получить хорошо выраженное трехмерное представление нелинейных механизмов пластической деформации фольги. Знакопеременный изгиб осуществляли при комнатной температуре в режиме многоцикловой усталости (амплитуда — ±1 мм, частота — 430 мин4 для композиции А999/А7 и ±2 мм, 480 мин4 — для композиции А999/'П).
Структурные исследования выполняли методами световой и растровой электронной микроскопии на различных этапах нагружения. Трехмерную картину формирующейся поверхностной мезосубструктуры при упругой деформации подложки получали с использованием микроскопов Zeiss Axiovert 25CA и 200MAT, снабженных устройством DIC для получения дифференциально-интерференционного контраста. Для выявле-
ния тонкой структуры поверхностного слоя и его элементного состава использовали лазерную профиломет-рию (Micromeasure-3D), растровую электронную микроскопию и зондовый анализ на приборе Quanta 200 3D. Для изучения стадийности самосогласованного взаимодействия деформирующихся зерен на большом участке поверхности образца применяли метод фотомонтажей.
3. Результаты исследования
Вышеуказанный способ закрепления и нагружения фольги обеспечивает постепенное увеличение в ней плотности деформационных дефектов от нормальной для равновесных кристаллических образцов алюминия А999 на начальных этапах знакопеременного изгиба до запредельной на поздних ее этапах. Подчеркнем, что монолитные образцы А999 с площадью поперечного сечения 8 мм2 выдерживают до разрушения в данных условиях нагружения ~105 циклов. С учетом поперечного сечения фольги ее усталостная долговечность в свободном состоянии должна быть ничтожно малой (~103 циклов). В плоском двухслойном образце фольга А999 нагружалась до N = 2 -107 циклов. Это свидетельствует о сверхвысокой степени пластической деформации фольги, наклеенной на упругодеформируе-мую подложку, и, как следствие, о сильнонеравновесном ее состоянии на поздних этапах пластической деформации при знакопеременном изгибе. Рассмотрим последовательно развитие структурных изменений в поверхностном слое фольги высокочистого алюминия по мере увеличения числа циклов знакопеременного изгиба.
3.1. Механизмы деформации мезомасштабного уровня в композиции А999/А7
Относительно мягкая (по сравнению с титаном) подложка из технического алюминия А7 и небольшая амплитуда знакопеременного изгиба обеспечили плавное повышение дефектности фольги по мере роста числа циклов нагружения. Это позволило выявить стадийность формирования мезоструктуры на поверхности деформируемой фольги в условиях ее интенсивной пластической деформации. На всех стадиях сильно выражены поворотные моды пластического течения, что отражает специфику нагружения поверхностного слоя фольги по схеме «растяжение - сжатие».
3.1.1. Число циклов N = 0 -103 (стадия кристаллографических сдвигов)
При малых деформациях (N ~ 103 циклов) на поверхности фольги в отдельных благоприятно ориентированных зернах в оптическом микроскопе наблюдаются сравнительно тонкие следы одиночного скольжения (рис. 1). Кристаллографическое одиночное скольжение в пределах структурного элемента, как известно [2], вызывает развитие на его границах поля поворотных
Рис. 1. А999/А7. Одиночное скольжение в зернах, N = 3.2 ■ 103 циклов, х160
моментов, действующих на данный структурный элемент со стороны окружения. Как следствие, развиваются аккомодационные механизмы поворотного типа, приводящие к релаксации указанных поворотных моментов.
В условиях знакопеременного нагружения при наличии по соседству с пластически деформирующимся (при растяжении) зерном смежного благоприятно ориентированного (при сжатии) зерна в них происходит самосогласование скольжения. То есть, если в зерне 1 происходит сдвиг при прямом нагружении (в условиях растяжения), то аккомодирует его сдвиг в смежном зерне 2 при обратном нагружении (в условиях сжатия). С увеличением числа циклов нагружения все больше подобных зерен включаются в самосогласованную пластическую деформацию. Как следствие, релаксация поворотных моментов одиночного скольжения на отдельных
Рис. 2. А999/А7. Конгломерат самосогласованно деформирующихся зерен (обозначены цифрами) с центром из слабодеформированного зерна А, N = 4.8 • 105 циклов, х90
участках поверхностного слоя фольги происходит само-согласованием первичного скольжения в целой группе смежных зерен (рис. 2). Формируется деформационный конгломерат зерен, имеющий вид петли с центром из слабодеформированного зерна А. Указанная самоорганизация благоприятно ориентированных, сильнодефор-мирующихся зерен обеспечивает релаксацию поворотных моментов внутризеренного одиночного сдвига в соответствии с законом структурных уровней деформации твердых тел:
N
X rot J = 0,
І=1
где Jt — поток деформационных дефектов на г-м структурном уровне [8].
3.1.2. Число циклов N = 103-105 (развитие мультиплетной складчатой структуры в поверхностном слое)
При числе циклов нагружения N ~ 105 формируется деформационный профиль поверхностного слоя в виде складок экструдированного материала (солитонов формы). Их неравновесное состояние вызывает развитие нелинейных процессов, которые локализуются только в сильнодеформированном поверхностном слое (рис. 3):
- возникновение множественной складчатой мезо-структуры в пределах одного зерна (рис. 3, а, зерно 1);
- размытие поверхностных контуров исходных границ зерен (АВС на рис. 3, а);
- возникновение на поверхности отдельных зерен фольги новых границ (солитонов кривизны), связанных с декорированием скрытых границ нижележащих зерен.
Как будет показано в п. 3.1.3, на более поздней стадии циклического нагружения (N ~ 106 циклов) в фольге алюминия А999 при знакопеременном изгибе происходят повороты зерен как целого. В приграничных зонах развивается целый спектр аккомодационных механизмов деформации. Согласно [6] при этом перпендикулярно плоскости образца возникают потоки дефектов. Как следствие, границы нижележащих зерен фольги декорируются в виде новых границ на поверхностных зернах фольги. Неудивительно, что новые границы в поверхностных зернах фольги всегда имеют строчечную структуру. Эти эффекты хорошо видны на рис. 3. Так, на рис. 3, б новая граница АС1В1 возникла в зоне исходной границы АА1В1В2С зерен 1, 2, 3. Ее строчечная дуга АС1В1 декорирует соответствующую границу зерна 1, скрытую зерном 3. Тройной стык 0 зерен 1, 2, 3 при их разворотах проявился в виде солитонов кривизны в тонком зерне 4, которое первоначально данный стык закрывало (рис. 3, в).
Внешне этот эффект напоминает известную в литературе миграцию границ зерен. Однако последняя является термоактивируемым диффузионным процессом и реализуется обычно при повышенных температурах.
Рис. 3. А999/А7. Формирование новых границ зерен в поверхностном слое фольги, N = 4.8-105 циклов, х320, DIC
В данном случае температура испытания составляет 0.3Гпл и процесс миграции границ зерен происходить не может. Экспериментально показано, что исходные границы зерен в поликристаллической фольге алюминия А999 сохраняются даже при N = 107 циклов знакопеременного изгиба (см. ниже исходную границу АВ на рис. 7). В условиях длинноволновых изгибающих напряжений при знакопеременном изгибе исходные границы зерен могут испытать «холодное растворение» и в тонком поверхностном слое граница зерна раскрывается в виде двугранного угла. В основе данного эффекта лежит развитие потоков дефектов (связанных с перестроением нанокластеров различных атомных конфигураций ) в поле градиентов дальнодействующих напряжений [6]. Более подробно это будет рассмотрено ниже.
3.1.3. Число циклов N ~ 106 (повороты крупных зерен как целого, эффекты квазипериодической экструзии мезообъемов материала в приграничных зонах и генерация ими микротрещин в хрупком поверхностном слое образца)
На рис. 4, а показана сильно вдавленная приграничная зона в зерне 1 около его границы АС с зерном 3. Она сформировалась вследствие поворота зерна 1 как целого. Подобные эффекты наблюдаются вблизи многих стыков трех зерен, что свидетельствует об интенсивном развитии поворотов зерен как целого при N ~ 106 циклов. Если поворот зерна происходит не в плоскости образца, он приводит к формированию в приграничных зонах мощных концентраторов напряжений, которые вызывают квазипериодическую экструзию мезообъемов материала фольги в перпендикулярном к плоскости
Рис. 4. А999/А7. Поворот зерна 1 как целого и возникновение на границе зерен САВ углубленной приграничной зоны с образованием в ней квазипериодических аккомодационных сдвигов поперек плоскости образца (в виде экструзии мезообьемов внутреннего материала (б) и в плоскости образца (в виде регулярных микротрещин (в)): N = 2.5-106 циклов, х250, DIC (а); N = 2.6-106 циклов, ХІ440, DIC (б); N = = 2.9-106 циклов, х500, DIC (в)
Рис. 5. А999/А7. Система регулярных микротрещин (регулярное
множественное растрескивание) в поверхностной пленке химическо- Рис. 6. А999/А7. Мезоячеистая структура солитонов кривизны на
го соединения ЛІ-Б-О-О, N = 106 циклов, х360, DIC поверхности образца, N = 1.3 ■ 107 циклов, х50, DIC
образца направлении (рис. 4, б). В теории [6] подобные экструдированные мезообъемы при повороте зерна 1 как целого классифицируются как поперечные полосы сброса локализованной пластической деформации. Наряду с поперечными полосами сброса в этих зонах возникают продольные полосы сброса. Они проявляются в виде периодических микротрещин в тонкой хрупкой пленке на поверхности образца (рис. 4, в).
Возникновение на поверхности фольги сверхчистого алюминия хрупкой пленки сложного химического соединения при большом числе циклов ее знакопеременного изгиба будет обсуждено ниже в п. 3.2. Отметим только, что возникновение системы микротрещин в хрупкой поверхностной пленке хорошо декорирует профиль кривизны поверхностного слоя фольги (рис. 5). Представленные на рис. 5 две системы пересекающихся микротрещин отражают топографию поверхности деформируемой фольги, у которой площадь контакта с упругонагруженной подложкой остается неизменной.
3.1.4. Число циклов N > 107 (крупная фрагментированная складчатая структура в сильнодеформированных зернах, развитие на всей поверхности ячеистой мезосубструктуры)
При столь большом числе циклов знакопеременного изгиба сильнодеформированные зерна претерпевают значительный изгиб как целое (рис. 6). Это приводит к фрагментации складок поверхностного слоя и возникновению в нем трещин. Лазерная профилометрия выявляет в зонах сильной выпуклости фольги раскрытие границ зерен и возникновение цепочек микропор (рис. 7). Происходит, по-существу, макрофрагментация поверхностного слоя фольги в поле изгибающих напряжений. Процесс качественно подобен полигонизации материала на микромасштабном уровне, который осуществляется формированием стенок дислокаций одного знака, представляющих границы фрагментов. В усло-
виях изгиба сильнонеравновесного материала макрофрагментация развивается как структурно-фазовый переход. Материал фрагментов переходит в более равновесное состояние, а на границах макрофрагментов конденсируется избыточный объем (в виде «пустоты»).
Отметим в связи с этим работу [9], где приводится обзор измерений концентрации вакансионных дефектов в металлах и сплавах после интенсивной или высокоскоростной пластической деформации. В таких сильнонеравновесных материалах обнаруживается аномально высокая концентрация вакансионных дефектов, достигающая 10~3-10~5. Конечно, речь идет не о равновесных вакансиях, а об избыточном объеме в сильно дефектной структуре. Такие состояния возникают и в фольге алюминия А999 при нескольких миллионах циклов знакопеременного изгиба.
Подчеркнем, что механизмы макрофрагментации сильнонеравновесного материала, представленные на рис. 7, обнаружены в данной работе впервые. Естественно, что понимание их природы требует специальных структурных исследований.
3.2. Механизмы деформации мезомасштабного уровня в композиции А999/ВТ1-0
В отличие от рассмотренной выше композиции А999/А7 закрепленная на образце титана фольга нагружается значительно более высокими напряжениями со стороны упругонагруженной подложки. Поэтому формирующаяся при этом мезоструктура солитонов кривизны развивается в мягкой фольге А999 уже на самых ранних этапах знакопеременного изгиба.
Так, уже при N = 500 циклов знакопеременного изгиба в отдельных зернах фольги А999, жестко закрепленной на образце титана, формируется сильно выраженный поверхностный рельеф солитонов кривизны в виде грубой полосовой структуры и длинноволновой модуляции кривизны поверхности (рис. 8, а). Как и в компози-
1.51 мкм
» 72.2 мкм
Ш
62.5 мкм
Рис. 7. А999/А7. Профилометрическая картина зоны поверхности вблизи границы АВ зерен фольги, N = 1.8-107 циклов
ции А999/А7, в отдельных зернах фольги солитоны кривизны отражают прямолинейные мезополосы локализованной пластической деформации, распространяющиеся в объеме фольги, как правило, в направлении максимальных касательных напряжений На рис. 8, б
видно образование на поверхности фольги тонкой хрупкой пленки, которая отслаивается в отдельных зонах поверхности, обнажая мелкозернистую твидовую структуру поверхностного слоя. Данный эффект еще более сильно выражен при увеличении числа циклов знакопеременного изгиба композиции ЛІ999/ВТ1-0 (рис. 9, 12).
На рис. 9 представлена четко выраженная твидовая структура крупных солитонов кривизны, которая проявилась в одном из сильнодеформированных зерен фольги при N = 5.7 • 104 циклов. В другом образце А999/
ВТ1-0 N = 2.9 • 104 циклов) лазерная профилометрия выявила в сильнодеформированном зерне два новых механизма интенсивной пластической деформации неравновесного поверхностного слоя фольги:
- экструзия материала фольги в форме крупной клеточной структуры (рис. 10); линейные размеры клеток составляют 400-500 мкм, толщина и высота их стенок достигают 100-150 мкм;
- послойное «холодное растворение» локальных зон поверхностного слоя неравновесной фольги алюминия А999.
Оба эффекта хорошо согласуются с «шахматным» распределением нормальных и касательных напряжений на интерфейсе «фольга А999 - титан ВТ1-0» [10, 11]. Напомним, что при знакопеременном изгибе напы-
:г-\:
.. ! 41 VI
ЧІ
ю:ы
'. у ї ■
Л*''» „і
» , Ч ■ ■?, ■■■ :
Л' V
Рис. 8. А999/ВТ1-0. Грубая полосовая мезоструктура солитонов кривизны, N = 4.8-102 циклов, DIC: х150 (а); х380 (б)
Рис. 9. А999/ВТ1-0. Твидовая структура прямолинейных солитонов кривизны, N = 5.7-104 циклов, х540, DIC
ленных тонких пленок меди и титана толщиной ~300 мкм в [12] обнаружена подобная клеточная структура с линейным размером клеток ~30-40 мкм. При толщине 150 мкм наклеенной алюминиевой фольги линейный размер клеток составляет ~400 мкм. Примерно в таком же соотношении находятся толщины стенок экструдированного материала в напыленных пленках и наклеенных фольгах. Это качественно коррелирует с теорией эффекта «шахматной доски» на интерфейсе «покрытие- подложка» [10, 11], согласно которой линейные размеры клеточной структуры на интерфейсе возрастают с увеличением толщины покрытия.
Локальные зоны послойного «холодного растворения» поверхностного слоя расположены между стенками экструдированного материала (рис. 10). Они соответствуют внутренним областям клеток «шахматной доски» интерфейса, которые находятся под действием сжимающих нормальных напряжений. Согласно [10] одновременно на поверхностный слой действуют со стороны интерфейса касательные напряжения. Они модулируют вдоль интерфейса со сдвигом фазы на л/ 2 по сравнению с нормальными напряжениями. Можно думать, что совместное воздействие касательных и сжимающих нормальных напряжений вызывает локальный массо-перенос неравновесного материала по механизму его послойного «холодного растворения». Подобное явление представляется концептуально важным для понимания закономерностей интенсивной пластической деформации и требует специального исследования.
В связи с этим следует обратить внимание на развитие еще одного механизма деформации на поверхности сильнонеравновесного алюминия А999 при знакопеременном изгибе. При числе циклов N = 106-107 на границах крупных зерен зарождается и фронтально распространяется вдоль их поверхности тонкая «паутина» ме-зоячеистой субструктуры с линейным размером ячеек ~30 мкм (рис. 6). В зернах с хорошо выраженными солитонами кривизны «паутина» мезосубструктуры распространяется в промежутках между складками экструдированного материала. Подобный эффект наблюдается и на поверхности массивных плоских образцов алюминия А999 при их знакопеременном изгибе (рис. 11). Дан-
151
Рис. 10. А999/ВТ1-0. Солитоны кривизны в виде крупной клеточной структуры (белые полосы) экструдированного материала; стрелками указаны зоны послойного «холодного растворения», N = 2.5 • 104 циклов, лазерная профилометрия
Рис. 11. Массивный образец А1 А999. «Паутина» мезоячеистой структуры на поверхности образца, N = 7 ■ 104 циклов, Х310
ный механизм массопереноса на поверхности может быть связан либо с потоком точечных дефектов, либо с перестроением нанокластеров различных атомных конфигураций [12]. Принципиально он способен обеспечить послойное «холодное растворение» поверхностных слоев алюминия А999 в локальных зонах совместного воздействия сжимающих нормальных и касательных напряжений, представленных на рис. 10.
Наконец, еще одним проявлением «холодного» массопереноса при интенсивной пластической деформации сильнонеравновесного алюминия А999 является образование на его поверхности хрупкой пленки химического соединения. В условиях сильно выраженной кривизны экструдируемого материала образовавшаяся на его поверхности хрупкая пленка растрескивается и отслаивается (рис. 12). Зондовый анализ показал, что эта пленка представляет собой химическое соединение А1-
S-O-C. Другими словами, зона растягивающих нормальных напряжений проявляется как «насосТ», выкачивающий малорастворимые примеси на поверхность экструдируемого материала. Подобный эффект может развиваться при комнатной температуре только по механизму восходящего массопереноса в сильнонеравновесном материале. Квазивязкий характер экструзии материала, видимый в зоне отслоившейся хрупкой пленки на рис. 12, также свидетельствует о возможности эффектов восходящего массопереноса примесей на поверхность алюминия А999 в условиях его интенсивной пластической деформации.
4. Обсуждение результатов
Использованный в работе метод интенсивной пластической деформации путем знакопеременного изгиба поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упругодеформируемые плоские образцы алюминия и титана технической чистоты, позволил исследовать важную область интенсивной пластической деформации, связанную с солитонами формы на поверхности материала, характеризуемого запредельно высоким неравновесным состоянием. Это дало возможность выявить ряд принципиально новых эффектов и механизмов поведения металлических материалов в условиях интенсивной пластической деформации:
- образование в поверхностном слое исходных крупных зерен фольги мелкозернистой твидовой структуры с размером зерна ~2 мкм;
- развитие в фольге поворотов зерен как целого, которые сопровождаются экструзией в приграничных зонах квазипериодических мезообъемов материала; последние являются мезоконцентраторами напряжений и генерируют в поверхностном слое квазипериодические микротрещины;
- возникновение системы прямолинейных солито-нов кривизны на поверхности отдельных крупных зерен, отражающих развитие пластических сдвигов в их объе-
Рис. 12. А999/ВТ1-0. Локальная экструзия субмикрокристаллического материала с разрывом поверхностной пленки А1-8-0-С (а); зондовый анализ состава поверхностной пленки (в) и материала под пленкой, экструдируемого из объема образца (б), х190
ме; при большом числе циклов нагружения солитоны кривизны имеют мелкозернистую твидовую структуру;
- формирование в поверхностном слое в условиях сильнонеравновесного состояния солитонов кривизны в виде крупной клеточной структуры экструдированного материала, имеющего твидовую структуру; между стенками клеток возникают локальные области послойного «холодного растворения» материала фольги, обеспечивающего его массоперенос в зоны клеточной экструзии;
- образование на поверхности сильнодеформируе-мой фольги высокочистого алюминия хрупкой пленки химического соединения А1^-0-С, в которой развивается система регулярных микротрещин и локальных отслоений.
В основе всех перечисленных выше нелинейных волновых процессов в условиях интенсивной пластической деформации лежат два взаимосвязанных явления:
1) возникновение в поверхностных слоях сильноде-формированной фольги алюминия А999 солитонов кривизны;
2) развитие в поверхностном слое фольги алюминия А999 в условиях сильнонеравновесного состояния потоков дефектов недислокационной природы J; их движущая сила связана как с эффектами локальной кривизны, так и с градиентами напряжений в поликристалличес-кой фольге алюминия, закрепленной в двухслойном образце «фольга - подложка».
Согласно теории [6] плотность потока дефектов J в слоистой структуре связана с локальной кривизной и градиентами внутренних напряжений выражением
¿1 - Ь2 4л
1п
2 L
-1 \-У/,
(1)
где Ь — вектор бинормали в локальной системе координат; t — касательная; L — протяженность области интерфейса (в нашем случае интерфейса «зерно фольги -подложка»), 5 — текущее значение длины области; г — текущая координата, г < L; % — изменение кривизны локальной области, обусловленное внешней нагрузкой, ¿2 — модули вектора Бюргерса объемной трансляционной и приповерхностной ротационной несовместности соответственно; V/ — градиентная часть потока, обусловленная неоднородностью распределения внутренних напряжений.
Если г > L, то
—3
J = -^- х(л г )Ь(Л г) 12я
-1 -V/.
(2)
Согласно (2) при достаточно больших расстояниях от поверхности или интерфейса потоки дефектов в основном определяются градиентом внутренних напряжений и эффектами кривизны можно пренебречь.
Из соотношений (1), (2) следует, что чем меньше длина деформируемой области L, тем на меньшую глу-
бину распространяется поток дефектов и тем меньше поперечные пространственные размеры распространения пластической деформации. Это заключение приводит к ряду важных практических рекомендаций для поверхностного упрочнения материалов или нанесения на них упрочняющих покрытий. Данный вопрос будет рассмотрен в последующих работах авторов.
Из выражения (1) следует, что в слоистых материалах с малой толщиной слоев потоки распространяются по закону логарифмической спирали. В этом случае разность Ь ~ ^2 изменяет знак вблизи границ раздела в слоистом образце и материал тонкого слоя при распространении потока по логарифмической спирали фрагментируется. Это лежит в основе образования твидовых структур, возникающих в экструдируемом материале алюминиевой фольги А999 под тонкой пленкой химического соединения А1^-С-0^
Остановимся подробнее на анализе двух слагаемых в выражениях (1), (2) для потока дефектов J.
Поскольку локальная кривизна поверхностного слоя фольги алюминия обусловлена градиентом распределения внутренних напряжений в каждом зерне фольги, соответствующий поток дефектов направлен к центру зоны кривизны. Он представлен в выражении (1) слагаемым V/ и отражает процесс выравнивания неоднородности распределения внутренних напряжений. Кроме того, слагаемое V/ может отражать градиент химического потенциала примесей в деформируемой фольге алюминия. Это означает, что малорастворимые примеси в алюминии А999 будут сегрегировать в локальных зонах кривизны механизмом восходящего массоперено-са. Потоки, связанные с градиентной составляющей V/, определяются дальнодействующими внутренними напряжениями.
В то же время, любая локальная кривизна не свойственна кристаллической решетке. Стабильность кристалла обеспечивается его трансляционной инвариантностью, которая определяет минимум внутренней энергии электронно-зонной подсистемы. Локальная кривизна повышает внутреннюю энергию кристалла. Это обусловливает развитие потоков дефектов в поле близкодействующих напряжений солитонов кривизны. Данный процесс приводит к формированию в зонах локальной кривизны террасно-ступенчатой структуры. Рассматриваемые потоки дефектов представлены в выражениях (1), (2) первым слагаемым, содержащим изменение кривизны % локальной области кристалла.
Выражение (1) позволяет качественно объяснить все обнаруженные в данной работе эффекты. С потоками
1 Исследование эволюции формирования твидовых структур на поверхности фольг монокристаллов алюминия, наклеенных на алюминиевый сплав и подвергаемых циклическому нагружению, представлено в работе [13]
дефектов, вызванных дальнодействующими полями внешних приложенных напряжений, связаны:
- послойное «холодное растворение» локальных зон в крупных зернах алюминия А999, материал которых переносится в зоны крупной клеточной экструзии;
- восходящий массоперенос примесей внедрения S, С, О на поверхность экструдируемого материала в крупной клеточной мезоструктуре с образованием хрупкой пленки химического соединения; отметим в связи с этим, что микротвердость белого слоя на поверхности экструдированного материала на рис. 10 составляет 26 кг/мм2, а в зонах между стенками клеточной структуры — 19 кг/мм2;
- фронтальное распространение «паутины» потоков дефектов вдоль поверхности на рис. 6, 11;
- раскрытие границ зерен в поверхностном слое фольги (граница АВ на рис. 7) при возникновении длинноволновой кривизны поверхности.
Потоки дефектов, связанные с близкодействующими напряжениями солитонов кривизны, трансформируют локальную кривизну в террасно-ступенчатую структуру, приводят к фрагментации изогнутого материала на ме-зомасштабном уровне или возникновению твидовой структуры.
Оба типа дефектов в условиях интенсивной пластической деформации имеют недислокационную природу. В литературе их часто связывают с точечными дефектами [9, 14 и др.]. Однако высокая плотность дефектов и сильно выраженная локальная кривизна кристаллической решетки не позволяют корректно определить понятие точечных дефектов, которые обычно рассматриваются в трансляционно-инвариантном кристалле. В сильнонеравновесном кристалле следует ожидать нано-кластерной структуры с широким спектром атомных конфигураций, что определяется конфигурационной энтропией сильно возбужденного состояния [15-17]. Поэтому потоки дефектов, описываемые выражением (1), по существу, связаны с локальными структурными превращениями в системе нанокластеров различных атомных конфигураций. В условиях интенсивной пластической деформации данный механизм массопереноса является определяющим во всех нелинейных волновых процессах формоизменения материала.
5. Заключение
Твердое тело в условиях интенсивной пластической деформации находится в сильнонеравновесном состоянии и не может быть описано в рамках традиционных представлений механики сплошной среды и теории дислокаций. В настоящей работе изучены закономерности интенсивной пластической деформации при знакопеременном изгибе тонких поликристаллических фольг высокочистого алюминия А999, наклеенных на
более твердые плоские образцы алюминия А7 и титана ВТ1-0 технической чистоты. Это позволило наблюдать на поверхности деформируемой фольги алюминия нелинейные волновые эффекты солитонов кривизны и потоки дефектов недислокационной природы, свойственные поведению материала в сильнонеравновесном состоянии.
Все обнаруженные закономерности хорошо согласуются с полевой теорией дефектов [6]. Они свидетельствуют об эффективности описания механизмов интенсивной пластической деформации как локальных структурных превращений в неоднородных полях дально-действующих внешних приложенных напряжений и локальных близкодействующих напряжений солитонов кривизны кристаллической решетки. Развиваемый полевой подход представляется актуальным для описания поведения твердых тел в экстремальных условиях нагружения, наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий в полях внешних воздействий различной природы.
Работа выполнена при финансовой поддержке проектов СО РАН (№ 3.6.1.1), Президиума РАН (№ 9.6) и ОЭММПУ РАН (№ 4.12.5).
Литература
1. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.
2. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
3. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 520 с.
4. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика
деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. I. Физические основы многоуровневого подхода // Физ. мезомех. -
2006. - Т. 9. - № 3. - С. 9-22.
5. Панин В.Е., Панин А.В. Фундаментальная роль наномасштабного структурного уровня пластической деформации твердых тел // МиТОМ. - 2006. - № 12(618). - С. 5-10.
6. Егорушкин В.Е. Динамика пластической деформации. Волны лока-
лизованной пластической деформации в твердых телах // Изв. вузов. Физика. - 1992. - Т. 35. - № 4. - С. 19-41.
7. Киселев В.В., Долгих Д.В. Локальная неустойчивость, долгодействующие возбуждения в слоистой среде и на поверхности цилиндрической оболочки // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск.- Ч. I. - С. 173-177.
8. Панин В.Е. Физические основы мезомеханики среды со структурой
// Изв. вузов. Физика. - 1992. - Т. 35. - № 4. - С. 5-18.
9. Лотков А.И., Батурин А.А., ГришковВ.Н., Копытов В.И. О возмож-
ной роли дефектов кристаллического строения в механизмах нанофрагментации зеренной структуры при интенсивной холодной пластической деформации металлов и сплавов // Физ. мезомех. -
2007. - Т. 10. - № 3. - С. 67-79.
10. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д. «Шахматный» мезоэф-фект интерфейса в гетерогенных средах в полях внешних воздействий // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 6. - С. 5-15.
11. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю., Максимов П.В. Эффект «шахматной доски» в распреде-
лении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле // Доклады Академии наук. - 2006. - Т. 409. - № 5.- С. 606-610.
12. Панин В.Е., Панин А.В., Сергеев В.Т., Шугуров А.Р. Эффекты скейлинга в структурно-фазовой самоорганизации на интерфейсе «тонкая пленка - подложка» // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. -№3. - С. 9-21.
13. Кузнецов П.В., Петракова И.В., Гордиенко Ю.Г., Засимчук Е.Э., Карбовский В.Л. Образование самоподобных структур на (001^
{100} фольгах монокристалла алюминии при циклическом растяжении // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 6. - С. 33^2.
14. Регель В.Р., Акчурин М.Ш. Влияние структуры и свойств приповерхностного слоя на механические свойства кристалла в целом // Дефекты в сегнетоэлектриках. - Л.: Наука, 1981. - С. 88-96.
15. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф. Атом-вакансионные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. -1982. - № 12. - С. 5-28.
16. Панин В.Е. Новая область физики твердого тела // Изв. вузов. Физика. - 1987. - Т. 30. - № 1. - С. 3-8.
17. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Савушкин Е.В., Хон Ю.А. Сильно возбужденные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. -1987.- Т. 30. - № 1. - С. 9-33.
Поступила в редакцию 30.11.2007 г.
