CC BY
42
УДК 69.4, 539.376
Нелинейные волновые эффекты солнтонов кривизны в поверхностных слоях поликристаллов высокочистого алюминия при интенсивной пластической деформации. II. Роль граничных условий, интерфейсов и неравновесности деформированного состояния
В.Е. Панин, Т.Ф. Елсукова, О.Ю. Ваулина, Ю.И. Почивалов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Исследованы механизмы знакопеременной интенсивной пластической деформации на мезомасштабных уровнях тонких фольг высокочистого алюминия. Поликристаллические фольги различной толщины приклеивали к более жестким образцам технического титана или алюминия и подвергали знакопеременному изгибу. Это обусловило сильное различие граничных условий на лицевой и обратной сторонах фольги и позволило показать важную роль взаимного влияния растягивающих и сжимающих нормальных напряжений в развитии пластической деформации материала. Исследованные механизмы локализованной пластической деформации и ее самоорганизация на мезомасштабных уровнях контролируются полем максимальных касательных напряжений и вызываемых ими поворотных мод деформации. На свободных поверхностях фольг в условиях их интенсивной пластической деформации развивается пористость, которая сильно зависит от толщины фольги. На обратных сторонах всех исследованных фольг пористость не возникает. Очень тонкое скольжение и формирование твидовой структуры в тонких фольгах связывается с «шахматным» распределением растягивающих и сжимающих напряжений на внутренних границах раздела. Влияние степени неравновесности материала в условиях интенсивной пластической деформации на механизмы деформации анализируется на основе неравновесной термодинамики локальных структурно-фазовых превращений в зонах гидростатического растяжения.
Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация, мезомеханика, неравновесная термодинамика
Nonlinear wave effects of solitons of curvature in surface layers of high-purity aluminum polycrystals at severe plastic deformation.
II. The role of boundary conditions, interfaces, and nonequilibrium of a deformed state
V.E. Panin, T.F. Elsukova, O.Yu. Vaulina, and Yu.I. Pochivalov
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
Mechanisms of alternating severe plastic deformation at mesoscale levels of thin high-purity aluminum foils were investigated. Polycrystalline foils of varying thickness were glued to more rigid commercial titanium or aluminum substrates and the resulting two-layer specimens were then subjected to alternating bending. This provided a marked difference in boundary conditions between the front and back sides of the foil and enabled a crucial role of the combined effect of tensile and compressive normal stresses on the development of plastic deformation of the test materials to be demonstrated. The examined mechanisms of localized plastic deformation and its selforganization at mesoscale levels are controlled by the field of maximum tangential stresses and resulting rotational deformation modes. Free foil surfaces undergoing severe plastic deformation exhibit porosity strongly dependent on the foil thickness. No porosity is observed on back sides of all examined foils. Very thin slip and tweed structure seen in thin foils are attributed to “chessboard-like” distribution of tensile and compressive stresses over internal interfaces. The influence of the extent of nonequilibrium of the state of materials subjected to severe plastic deformation on the mechanisms of deformation involved is interpreted in terms of the nonequilibrium thermodynamics of local structural phase transformations in zones of hydrostatic tension.
Keywords: severe plastic deformation, mesomechanics, nonequilibrium thermodynamics
© Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ваулина О.Ю., Почивалов Ю.И., 2008
1. Введение
В работе [1] были исследованы механизмы интенсивной пластической деформации на мезомасштабном уровне в специфических условиях нагружения. Фольги поликристаллического высокочистого алюминия А999 толщиной 150 мкм наклеивали на плоские образцы наклепанного технического алюминия А7 или титана ВТ 1-0 и подвергали знакопеременному изгибу при 293 К. Более жесткая подложка нагружалась упруго, а фольга — пластически. Изучали изменение деформационного рельефа, возникающего на лицевой стороне фольг, по мере увеличения числа циклов знакопеременного изгиба.
На начальной стадии нагружения в зернах фольги развивались обычные кристаллографические сдвиги дислокационной деформации. Однако при большом числе циклов нагружения, вплоть до N = 17 ■ 106, на лицевой поверхности фольг лазерная профилометрия выявила сильно выраженные эффекты аномального массопереноса и некристаллографической самоорганизации полос локализованной деформации в условиях интенсивной пластической деформации:
- возникновение крупных клеток экструдированного материала, стороны которых ориентированы по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений т^;
- развитие аномально высокой пористости и локального «холодного растворения» материала фольги, пример которого представлен на рис. 1;
- образование на поверхности фольги тонкой хрупкой пленки состава А1^-0-С , которая отслаивалась в зонах экструзии материала, обнажая мелкую клеточную структуру типа твидовой.
Подобные эффекты были проанализированы в [2] на основе неравновесной термодинамики деформируемого твердого тела. Согласно [2] в условиях интенсив-
а = 29°, в = 28
66.9 мкм
80.5 мкм
81.2 мкм
Рис. 1. Образование пор на лицевой поверхности фольги толщиной 140 мкм, наклеенной на плоский образец титана ВТ1-0, при знакопеременном изгибе, N = 2.5 • 104 циклов; лазерная профилометрия
ной пластической деформации в локальных зонах образца может происходить сильное увеличение молярного объема материала, которое сопровождается возрастанием неравновесного термодинамического потенциала Гиббса F(v). Пока F(v) < 0, интенсивная пластическая деформация развивается механизмами зарождения и распространения вдоль сопряженных направлений т^^ мезо- и макрополос локализованной пластической деформации. Такие полосы хорошо известны в литературе в условиях интенсивной пластической деформации. Но если локальный неравновесный потенциал Гиббса становится положительным, материал должен испытывать структурный распад, выделяя избыточный молярный объем в виде микропор. В этих условиях могут развиваться процессы интенсивного массопере-носа материала недиффузионной природы в градиентных полях внутренних напряжений.
Развитые в [2] концепции неравновесной термодинамики интенсивной пластической деформации требовали дополнительного экспериментального обоснования. Этому посвящена настоящая работа.
Лицевая и обратная стороны фольги А999, наклеенной на жесткую подложку, деформируются в разных граничных условиях. Лицевая сторона может увеличивать свой молярный объем в перпендикулярном к поверхности образца направлении. Обратная сторона фольги фиксирована клеевым соединением, и в ней не может реализоваться условие F(v) > 0. Это должно обусловить резкое различие механизмов интенсивной пластической деформации на лицевой и обратной сторонах наклеенной фольги. Степень этого различия должна зависеть от толщины фольги. Поэтому в настоящей работе исследовали влияние толщины фольги на характер мезоструктуры, формирующейся как на лицевой, так и на обратной ее сторонах при знакопеременном изгибе двухслойных образцов. Проведенное исследование подтвердило эффективность использования подходов неравновесной термодинамики в объяснении механизмов пластического течения и аномальных эффектов массопереноса в условиях интенсивной пластической деформации.
2. Материалы и методы исследования
В работе использовали высокочистый алюминий марки А999 в виде фольг толщиной 35-130 мкм, наклеенных на значительно более прочные массивные образцы наклепанного технического алюминия А7 или титана ВТ1-0. Полученные двухслойные образцы подвергали испытаниям на знакопеременный изгиб, при этом участок с фольгой находился в зоне максимального изгиба. Знакопеременный изгиб осуществляли при комнатной температуре в режиме многоцикловой усталости. При таком способе нагружения площадь поверхности сопряжения «фольга - подложка» остается неиз-
менной и в пластической деформации фольги значительно выражена нормальная к плоскости образца составляющая пластического течения. Это позволяет получить хорошо выраженное трехмерное представление нелинейных механизмов пластической деформации фольги.
Структурные исследования выполняли методами световой и растровой электронной микроскопии. Трехмерную картину формирующейся поверхностной мезо-субструктуры получали с использованием микроскопов Zeiss Axiovert 25CA и 200 МАТ, снабженных устройством DIC для получения дифференциально-интерференционного контраста, и лазерного профилометра Micromeasure 3D Station. Для выявления тонкой структуры поверхностного слоя и его элементного состава исполь-
зовали растровую электронную микроскопию и зондо-вый анализ на приборе Quanta 200 3D. Для изучения стадийности самосогласованного взаимодействия деформирующихся зерен на большом участке поверхности образца применяли метод фотомонтажей.
Использованный способ интенсивной пластической деформации фольги выгодно отличается от традиционных методов, которые не позволяют изучать трехмерное представление пластического течения материала в ходе интенсивной пластической деформации. При циклическом нагружении двухслойных образцов удается получить сверхвысокие степени пластической деформации в мягкой фольге при сохранении ее гофрированной поверхности. И затем, используя сканирующие приборы высокого разрешения, имеется возможность ис-
151 мкм
Рис. 2. Двухслойные образцы А999/ВТ1-0. Возникновение кристаллографической огранки в крупных солитонах кривизны материала, экструдированного на лицевой стороне фольги толщиной 140 мкм вдоль сопряженных направлений т,^; N = 2.5 • 104 циклов; лазерная профилометрия [1] (а). Образование вдоль сопряженных направлений ттах локальных зигзагов складок экструдированного материала по границам зерен (б) и мезополос локализованной деформации (е) на обратной стороне фольги толщиной 130 мкм после ее отклеивания от подложки; N = 8 • 105 циклов; растровая электронная микроскопия
следовать механизмы ее деформации на мезомасштаб-ном уровне в условиях сверхнеравновесного состояния материала.
3. Результаты исследования
Как и предполагалось, механизмы пластической деформации на мезомасштабном уровне существенно различаются на лицевой и обратной поверхностях отклеенной фольги и существенно зависят от ее толщины. Поэтому рассмотрим полученные результаты раздельно для фольг каждой толщины.
3.1. Толщина фольги 130 мкм
Механизмы деформации на лицевой поверхности фольги качественно подобны описанным в [1] для фольг толщиной 150 мкм. Аномальные эффекты массоперено-са перечислены во введении и в качестве примера приведены на рис. 2, а.
На обратной поверхности отклеенной фольги (рис. 2, б, в) выявлены следующие закономерности. Прежде всего, отсутствуют микропористость и аномальные эффекты массопереноса, сильно развитые на лицевой (свободной) поверхности. Грубая складчатая мезо-структура выражена очень слабо и формируется только в приграничных зонах отдельных сильнодеформирован-ных зерен. Другим эффектом, характерным только для обратной поверхности фольги, является зигзагообразное распространение мезополос локализованной пластической деформации по сопряженным направлениям ттах. Этот процесс развивается на обратной поверхности фольги после ее отклеивания под действием накопившихся в ее объеме упругих напряжений.
Полученные результаты убедительно свидетельствуют, что гидростатическое сжатие на интерфейсе «обратная сторона фольги - клеевая прослойка» полностью подавляет образование микропор и структурно-фазовый
Рис. 3. Самоорганизация зигзагов складок с разными знаками углов поворота на лицевой стороне фольги толщиной 90 мкм; N = 2.9 • 106 циклов; границы зерен проявляются в виде белых контуров
Рис. 4. Схема самоорганизации зигзагов складок поверхностного слоя фольги с разными знаками углов поворота
распад материала. В то же время, отдельные детали развития мезополос локализованной деформации и ее самоорганизации на мезомасштабном уровне, характерные для лицевой поверхности, потенциально запрограммированы в поле напряженно-деформированного состояния в объеме материала и проявляются на обратной стороне фольги после ее отклеивания.
3.2. Толщина фольги 90 мкм
Уменьшение кристаллической составляющей в объеме поликристаллической фольги усиливает влияние жесткого закрепления ее обратной стороны и резко изменяет характер деформации ее поверхностных слоев на мезомасштабном уровне. Весь деформационный рельеф отражает определяющую роль поля максимальных касательных напряжений.
3.2.1. Лицевая сторона, рис. 3-7
Основную долю деформационного рельефа составляют два типа зигзагообразных складок по сопряженным направлениям ттах, представленных на рис. 3.1 Анализ большого количества зигзагообразных складок показывает, что одна составляющая зигзага связана со сдвигом вдоль ттах на полуциклах растяжения, другая составляющая — со сдвигом вдоль сопряженного направления ттах на полуциклах сжатия. Охваченный сдвигом мезообъем материала испытывает поворот. Поскольку в соответствии с законом структурных уровней деформации [3] суммарный поворот всех потоков дефектов на различных структурно-масштабных уровнях в наклеенной фольге должен быть равен нулю, возникает самоорганизация зигзагов, схематично показанная на рис. 4.
На фольгах толщиной 90 мкм не возникают геометрически правильные макроклетки со сторонами экструдированного материала вдоль сопряженных направлений ттах (рис. 2, а), которые наблюдались на фольгах толщиной 150 мкм в [1]. Это свидетельствует о более сильном влиянии жесткого закрепления обратной сто-
1 Поверхность фольги алюминия А999 в ходе циклического нагружения покрывается пленкой состава А1-0-С-8, которая затрудняет выход на поверхность мезополос локализованной деформации и обусловливает формирование в лицевом поверхностном слое складок по направлениям ттах
Рис. 5. Мезовихрь тонкого скольжения с поворотом зерна С; лицевая сторона фольги толщиной 90 мкм; N = 2.9 • 106 циклов; растровая электронная микроскопия
роны фольги при меньших ее толщинах на характер мезосубструктуры в ее поверхностных слоях.
Определяющую роль поворотных мод деформации в самоорганизации сдвигов по сопряженным направлениям ттах убедительно иллюстрирует рис. 5. В зоне стыка А трех зерен зарождается полоса тонкого скольжения по направлению ттах, связанная с полуциклами растяжения. Она формирует во встречном материале складки стесненной деформации. Связанные с ними концентраторы напряжений генерируют тонкое скольжение по сопряженному направлению ттах в полуциклах сжатия. По мере увеличения числа циклов изгиба суперпозиция сопряженных потоков тонкого скольжения формирует вихрь полосы тонкого скольжения вокруг зерна С. Последнее испытывает кристаллографический поворот, при котором фрагментируется нижняя часть зерна С и раскрываются отдельные участки его границы. Правый верхний угол зерна С при его повороте генерирует новую пачку тонкого скольжения и сам испытывает фрагментацию. Поворот зерна С как целого сопровождается вихревой экструзией материала в его поверхностном слое, которая выявляется оптическим профилометром-интерферометром NewView 6200 вы-
Рис. 6. Вихревая экструзия складок в поверхностном слое зерна С при его повороте; N = 2.9 ■ 106 циклов
Рис. 7. Микропоры в зоне тонкого скольжения, представленного на рис. 5; растровая электронная микроскопия
сокого разрешения (рис. 6). Подобные локальные мезо-вихри возникают около зерен, которые не соприкасаются с подложкой через клеевое соединение и форма которых близка к равноосной.
Стесненность локальных поворотов в поверхностных слоях фольги вызывает искривление ее поверхности. В зонах экструзии создается область гидростатического растяжения, в которой развивается микропористость (рис. 7). Однако размеры пор (~2-5 мкм) в фольгах толщиной 90 мкм значительно меньше их размера в фольгах толщиной 130 мкм (рис. 1). Как видно из рис. 1, в очень толстых фольгах поры могут прорастать через всю глубину фольги, обусловливая «холодное растворение» материала в зонах гидростатического растяжения [1].
3.2.2. Обратная сторона, рис. 8
Как показано выше на рис. 2, в, при толщине фольги 130 мкм на ее обратной стороне наблюдаются одиночные следы недислокационной деформации — мезопо-лосы локализованной пластической деформации, распространяющиеся в направлении ттах. Выделить этот
Рис. 8. Развитие поперечных зигзагов мезополос локализованной деформации на обратной стороне фольги толщиной 90 мкм после ее отклеивания от подложки; N = 2.9 • 106 циклов; растровая электронная микроскопия
Рис. 9. Образование двухслойной поверхностной пленки на лицевой стороне фольги толщиной 35 мкм; N = 2.9 • 106 циклов, белая зона — поверхность разрушения фольги алюминия А999, растровая электронная микроскопия
механизм деформации поверхностного слоя на обратной стороне фольги удается благодаря тому, что на него не накладывается изменение поверхностного рельефа, связанного с другими механизмами пластической деформации (как это происходит на лицевой стороне фольги). При уменьшении толщины фольги и, как следствие, объемной доли кристаллической прослойки, степень недислокационной деформации должна увеличиваться. Это предположение убедительно подтвердилось при исследовании фольги толщиной 90 мкм. На рис. 8 показан фрагмент обратной стороны отклеенной фольги с h =90 мкм. Он ярко демонстрирует множество зигзагообразных полос локализованной пластической деформации, развивающихся в поле сопряженных направлений ттах. Эти результаты позволяют сделать важное заключение об определяющей роли максимальных каса-
Рис. 11. Нелинейные волны солитонов кривизны в мезополосах локализованной пластической деформации; лицевая сторона фольги толщиной 35 мкм; N = 2.9 • 106 циклов; растровая электронная микроскопия
тельных напряжений в локализации пластической деформации на мезомасштабном уровне.
3.3. Толщина фольги 35 мкм
Деформационный рельеф на поверхностях тонкой фольги (35 мкм) радикально отличается от деформационного поведения фольг толщиной 90 и 130 мкм.
Прежде всего, на ее лицевой стороне полностью отсутствуют зигзагообразные складки, а на обратной стороне — зигзагообразные мезополосы локализованной деформации, ориентированные по сопряженным направлениям ттах. Как отмечалось выше, зигзаги пластических сдвигов отражают самоорганизацию деформации при циклическом чередовании растяжения и сжатия наклеенной фольги в условиях знакопеременного изгиба. В фольге толщиной 35 мкм в отдельных крупных зернах развиваются мезополосы одиночного скольжения только в одном из направлений ттах. Они могут самосогласовывать сдвиги на полуциклах «растяже-
Рис. 10. Твидовая структура на лицевой стороне фольги толщиной 35 мкм под отслоившейся поверхностной пленкой (а); крупный план шаровидных выступов твидовой структуры (б); N = 2.9 • 106 циклов
Рис. 12. Фольга толщиной 35 мкм, N = 2.9 • 106 циклов, растровая электронная микроскопия: а — развитие в отдельных зернах лицевой стороны одиночных мезополос локализованной деформации, сопровождаемое отслоением хрупкой поверхностной пленки; б — тонкое субмикронное скольжение в промежутках между одиночными мезополосами локализованной деформации на обратной стороне фольги
ние - сжатие» двумя способами: либо чередованием встречных локализованных сдвигов, либо развитием между мезополосами более тонкого вторичного аккомодационного скольжения. Это действительно имеет место, но развивается по-разному на лицевой и обратной сторонах фольги.
Обе поверхности фольги толщиной 35 мкм в ходе циклического нагружения покрываются двухслойной хрупкой пленкой. Она локально отслаивается от поверхности зерен при распространении в них мезополос локализованной деформации.
На рис. 9-12 представлены примеры деформационного рельефа лицевой и обратной поверхностей фольги толщиной 35 мкм после N = 2.9 ■ 106 циклов нагружения. Внешняя пленка (темная) отслаивается хрупко (рис. 9). Промежуточная пленка (серая) может отслаиваться как хрупко (рис. 10, а), так и квазивязко наследовать деформационный рельеф алюминиевой подложки (рис. 11).
На лицевой поверхности формируется трехмерный деформационный профиль в виде нелинейной волны экструдированных ламелей в одиночных мезополосах локализованной деформации (рис. 11), либо твидовой структуры (рис. 10, а). Размер шаровидных выступов твидовой структуры составляет 2-3 мкм. Каждый экструдированный шаровидный выступ состоит из более мелких структурных элементов размером ~0.1 мкм (рис. 10, б). На поверхности твидовой структуры развита нанопористость. Длина нелинейной волны экструдированных ламелей в мезополосах локализованной деформации также составляет десятые доли микрометра.
На обратной стороне фольги в отдельных зернах развивается система периодических мезополос с расстоянием между ними ~10 мкм (рис. 12, а). В промежутках между мезополосами происходит пластическое течение механизмом тонкого скольжения (рис. 12, б).
Расстояние между линиями тонкого скольжения на обратной стороне фольги составляет около 0.22 мкм. Эти данные свидетельствуют о многоуровневости пластической деформации тонкой фольги, связанной с ее сопряженностью с подложкой. Очень важно, что интервал масштабов самоорганизации пластической деформации фольг толщиной 35 мкм составляет 0.1-10 мкм, в то время как у фольг толщиной 90 и 130 мкм он смещен в область значительно больших размеров, достигающих ~400 мкм.
Представленные выше результаты свидетельствуют о важной роли в развитии интенсивной пластической деформации таких факторов, как термодинамическая неравновесность материала, распределение в его напряженно-деформированном состоянии не только сдвигов, но и растягивающих и сжимающих нормальных напряжений, степень свободы поворотных мод деформации. Остановимся более подробно на анализе данного заключения.
4. Обсуждение результатов
Проведенное исследование выявило концептуально важные закономерности развития механизмов интенсивной пластической деформации на мезомасштабных уровнях, которые могут быть объяснены только в рамках многоуровневого подхода физической мезомеха-ники и с привлечением представлений неравновесной термодинамики.
Для объяснения полученных выше результатов необходимо дать ответы на следующие вопросы:
1. Каков механизм влияния различных граничных условий на лицевой и обратной сторонах приклеенной фольги на развитие пластической деформации в соответствующих поверхностных слоях и в объеме фольги на мезомасштабных уровнях?
2. Почему и как влияет толщина наклеенной фольги на механизмы деформации ее поверхностных слоев?
3. Как влияет возрастание неравновесности материала деформируемой фольги по мере увеличения в ней плотности деформационных дефектов на механизмы ее пластической деформации?
Прежде всего, подчеркнем, что постановка эксперимента со знакопеременным изгибом фольг различной толщины высокочистого алюминия, наклеенных на упруго нагружаемую подложку, позволяет получить прямые ответы на поставленные вопросы. Различие граничных условий развития деформации на мезомасштаб-ных уровнях задается на одном и том же образце и в одинаковых условиях нагружения. Знакопеременный изгиб наклеенной фольги позволяет задавать ей сверхвысокие степени пластической деформации без разрушения и с возможностью наблюдать развитие механизмов деформации на поверхностях фольг на различных мезомасштабных уровнях.
Изменение толщины фольги позволяет:
- влиять на различие степеней пластической деформации по схеме «растяжение - сжатие» на лицевой и обратной (приклеенной к подложке) сторонах фольги, нагружаемой знакопеременным изгибом;
- варьировать масштабы «шахматной» структуры в распределении на интерфейсе «фольга - подложка» зон растягивающих и сжимающих гидростатических напряжений, которые определяют мезомасштабы локализованной пластической деформации [5-8, 10];
- воздействовать при циклическом чередовании нагружения поверхностных слоев фольги по схеме «растяжение - сжатие» на поворотные моды локализованных пластических сдвигов, развитие которых сильно зависит от толщины фольги, приклеенной к жесткой подложке.
Совместные подходы физической мезомеханики и неравновесной термодинамики позволяют дать ответы на поставленные вопросы.
Неподвижность границы раздела «приклеенная фольга - подложка» обусловливает невозможность формирования складок поверхностного слоя, зарождения на этой границе раздела дислокаций и неизбежность развития в приграничном слое только мезополос локализованной деформации. Согласно [4-8, 10] мезопо-лосы могут распространяться только вдоль клеток «шахматного» распределения растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе, где возникают локальные зоны гидростатического растяжения. На полуцик-лах растяжения образца мезополоса распространяется вдоль одного направления ттах, на полуциклах сжатия она изменяет направление своего движения вдоль сопряженного ттах. Это обусловливает возникновение зигзагообразных складок на лицевой поверхности (рис. 3) или мезополос локализованной деформации на
обратной стороне фольг (рис. 8). Поскольку мезообъе-мы, охватываемые зигзагообразными поверхностными складками или мезополосами, испытывают повороты, они могут осуществляться только в фольгах достаточной толщины с многослойной структурой прокатанных зерен. Только в таких конгломератах зерен может осуществляться их взаимный поворот механизмом зернограничного проскальзывания.
Фольги толщиной 35 мкм в основном состоят либо из монослоя раскатанных зерен, либо из нескольких слоев сильно текстурированных зерен. Приклеенные к подложке, такие зерна не могут испытывать поворот. Поэтому на обратной стороне фольг толщиной 35 мкм зигзагообразных мезополос не наблюдается.
В отдельных зернах тонких фольг развивается система мезополос одиночного скольжения, связанного с полуциклами растяжения (рис. 12, а). Поворотные моды на полуциклах сжатия развиваются в промежутках между мезополосами в виде тонкого скольжения (рис. 12, б). Первичные мезополосы генерируются базовыми концентраторами напряжений на боковой поверхности фольги или границах смежных зерен. Тонкое скольжение в промежутках между полосами может распространяться по механизму спирали, описанной в [1, 9] как нелинейные волны солитонов кривизны. Его возможность обеспечивается мелкими клетками «шахматного» распределения областей гидростатического растяжения на интерфейсе «тонкая фольга - подложка».
На лицевой поверхности фольг формируется трехмерный деформационный рельеф, профиль которого сильно зависит от толщины фольги.
На толстых фольгах толщиной 130 мкм вдоль всей длины развиваются протяженные зигзагообразные ме-зополосы локализованной деформации. На их фоне возникают крупные клетки экструдированного материала, стороны которых ориентированы вдоль сопряженных направлений ттах (рис. 2, а) [1].
С уменьшением толщины фольг до 90 мкм на их лицевой поверхности возникают только отдельные зигзаги складок, ориентированных вдоль сопряженных направлений ттах. Они самоорганизованы в незавершенные петли или мезовихри тонкого скольжения, локализованные около зерен, испытывающих поворот. В основе образования зигзагов складок поверхностного слоя, локальных мезовихрей и их самоорганизации лежат пластические сдвиги на мезомасштабном уровне вдоль сопряженных направлений ттах и связанные с ними поля поворотных моментов.
В самых тонких фольгах (35 мкм) распространение одиночных мезополос в отдельных зернах происходит в виде нелинейных волн периодической экструзии ламелей лицевого поверхностного слоя (рис. 11). Очевидно, на полуциклах растяжения в голове мезополосы происходит локальное структурное превращение. На полуцик-
лах сжатия в зоне термодинамически нестабильного структурного превращения происходит экструзия мезо-ламели. Процесс распространяется пошагово в виде нелинейной волны солитонов кривизны, подробно описанной в [1].
В развитии тонкого скольжения (рис. 5, 6, 12, б) и твидовой структуры (рис. 10, а) важную роль играет интерфейс «алюминиевая фольга - тонкая поверхностная пленка». Согласно [4-8, 10] на данной границе раздела должна формироваться мелкоклеточная структура «шахматного» распределения зон гидростатического растяжения и сжатия в отличие от формирования более крупной «шахматной» структуры распределения растягивающих и сжимающих напряжений на интерфейсе «фольга - подложка». Тонкое некристаллографическое скольжение поверхностного слоя алюминиевой фольги, сопряженного с поверхностной пленкой, можно понять только в рамках концепции «шахматного» распределения зон гидростатического растяжения на данном интерфейсе, где могут развиваться локальные структурные превращения при распространении пластического сдвига.
Возможность квазивязкой экструзии материала поверхностного слоя на лицевой поверхности в клетках гидростатического растяжения приводит к формированию твидовой структуры, которая обнажается при отслоении поверхностной пленки (рис. 10, а). Ее формирование можно рассматривать как еще одно экспериментальное подтверждение эффекта «шахматного» распределения напряжений и деформаций на интерфейсах разнородных сред, которое широко обсуждается в физической мезомеханике.
Особого внимания заслуживает результат, связанный с влиянием толщины фольги на развитие пористости материала на лицевой ее стороне. В пленках толщиной 150 мкм крупные поры вначале возникают на границах зерен и в мезополосах локализованной пластической деформации [1]. В условиях большой амплитуды знакопеременного изгиба они прорастают на всю глубину фольги, обусловливая «холодное» растворение материала в локальных зонах размерами десятки и сотни микрометров (рис. 1). При уменьшении толщины фольги до 90 мкм возникают мелкие поры размером несколько микрометров в локальных областях поверхностного слоя, особенно в зонах стесненного тонкого скольжения (рис. 7). При знакопеременном изгибе тонкой пленки толщиной 35 мкм пористость развивается еще меньше, а также наблюдается нанопористость на шаровидных выступах твидовой структуры.
Эффект возникновения аномально высокой пористости материала в условиях интенсивной пластической деформации был объяснен в [2] на основе неравновесной термодинамики и анализа зависимости неравновесного термодинамического потенциала Г иббса от молярного объема. Согласно [2] поры в деформируемом твер-
дом теле могут возникать только в локальных зонах с аномально высоким молярным объемом, где термодинамический потенциал Гиббса становится больше нуля и материал испытывает структурно-фазовый распад. В [2] была высказана рекомендация не допускать в условиях интенсивной пластической деформации возникновения подобных зон. Зависимость развития пористости от толщины фольги, наклеенной на жесткую подложку и подвергаемой знакопеременному изгибу, является убедительным экспериментальным подтверждением справедливости подхода неравновесной термодинамики к анализу изменения структуры материала в условиях интенсивной пластической деформации.
О сильной неравновесности материала фольг в условиях интенсивной пластической деформации свидетельствуют и такие механизмы деформации, как вихревое некристаллографическое тонкое скольжение (рис. 5, 6, 11) 1, многоуровневая квазивязкая экструзия шаровидных выступов твидовой структуры (рис. 10, б). Все эти механизмы деформации обусловливают измельчение структуры крупнозернистых фольг в ходе интенсивной пластической деформации. В их основе лежат структурно-фазовые превращения в сильнонеравновесном материале фольг в неоднородных полях внутренних напряжений. Их анализ должен проводиться на основе совместных представлений неравновесной термодинамики и физической мезомеханики структурно-неоднородных сред.
Слабо выраженная пористость в тонких фольгах при их интенсивной пластической деформации с одновременным развитием тонкого скольжения субмикронного диапазона и формирование многоуровневой твидовой структуры свидетельствуют о принципиальной важности оптимизации сочетания полей гидростатического растяжения и сжатия на поверхностях деформируемой фольги. Этот вопрос имеет прямое отношение к проблеме измельчения структуры твердого тела в условиях интенсивной пластической деформации и рассмотрен в самостоятельной статье [11].
5. Выводы
Проведенное исследование выявило закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации на мезомасштабном уровне, которые следует учитывать и на других структурно-масштабных уровнях в деформируемом твердом теле, а также принципиально важные для актуальной проблемы измельчения структуры материалов при их интенсивной пластической деформации.
1 Напомним в связи с этим, что подобное вихревое некристаллографическое тонкое скольжение наблюдалось в наводороженном поверхностном слое поликристаллического титана при его циклическом знакопеременном изгибе [7]
В условиях знакопеременной интенсивной пластической деформации развиваются зигзагообразные мезо-полосы локализованного пластического течения, ориентированные по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений.
Самоорганизация пластических сдвигов на мезомас-штабном уровне связана с поворотными модами деформации. Это обусловливает возникновение в поверхностных слоях фольг мезовихрей, незавершенных мезопе-тель и конгломератов зигзагов складок поверхностного слоя с противоположными знаками поворотов.
Гидростатическое сжатие поверхностного слоя всех исследованных фольг на их приклеенной к подложке стороне полностью подавляет в этом слое развитие пористости и аномальных эффектов массопереноса, которые наблюдаются на свободной лицевой стороне данных фольг при интенсивной пластической деформации. Это свидетельствует о связи образования пор и аномально выраженных эффектов массопереноса с высокими значениями молярного объема в локальных зонах материала в условиях интенсивной пластической деформации.
В тонких фольгах (35 мкм), где поворотные моды затруднены во всем объеме материала, развиваются только мезополосы одиночных сдвигов. На лицевых сторонах фольг поворотные моды реализуются периодической экструзией ламелей в мезополосах и возникновением в зоне интерфейсов твидовых структур, на обратных сторонах фольг — развитием тонкого субмик-ронного скольжения в промежутках между одиночными мезополосами.
Возрастание степени термодинамической неравно-весности состояния деформируемого твердого тела при увеличении в нем плотности деформационных дефектов играет ключевую роль в смене механизмов пластической деформации вплоть до разрушения материала. Это требует для корректного описания интенсивной пластической деформации и разрушения твердых тел привлечения совместных подходов неравновесной тер-
модинамики и физической мезомеханики структурнонеоднородных сред.
Работа выполнена при финансовой поддержке проектов СО РАН (№№ 3.6.1.1 и 90) и Президиума РАН (№ 9.6).
Литература
1. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Егорушкин В.Е., Ваулина О.Ю., Почивалов Ю.И. Нелинейные волновые эффекты солитонов кривизны в поверхностных слоях поликристаллов высокочистого алюминия при интенсивной пластической деформации. I. Эксперимент // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 6. - С. 21-32.
2. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Неравновесная термодинамика дефор-
мируемого твердого тела как многоуровневой системы. Корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига // Физ. мезомех. -2008. - Т. 11. - № 2. - С. 9-30.
3. Панин В.Е. Физические основы мезомеханики среды со структурой
// Изв. вузов. Физика. - 1992. - Т. 35. - № 4. - С. 5-18.
4. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируе-
мом твердом теле // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 5. - С. 7-15.
5. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д. Природа локализации пластической деформации твердых тел // ЖТФ. -2007. - Вып. 8. - С. 62-69.
6. 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.
7. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д. и др. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформации на интерфейсах в нагруженном твердом теле // Доклады Академии наук. -2006. - Т. 409. - № 5. - С. 606-610.
8. Панин В.Е., Моисеенко Д.Д., Максимов П.В., Панин А.В. Физичес-
кая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. III. Неупругий предвестник зарождения пластического сдвига // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 5. - С. 5-15.
9. Егорушкин В.Е. Динамика пластической деформации. Волны лока-
лизованной пластической деформации в твердых телах // Изв. вузов. Физика. - 1992. - Т. 35. - № 4. - С. 19-41.
10. Панин В.Е., Панин А.В., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле: экспериментальная верификация и механизмы мезоскопического каналирования // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 6. - С. 97-105.
11. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Физическая мезомеханика измельчения кристаллической структуры при интенсивной пластической деформации // Физ. мезомех. - 2008. - Т. 11. - № 5. - С. 5-16.
Поступила в редакцию 28.07.2008 г.
Сведения об авторах
Панин Виктор Евгеньевич, д.ф.-м.н., академик РАН, научный руководитель ИФПМ СО РАН, paninve@ispms.tsc.ru Елсукова Тамара Филипповна, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН, elsukova@yandex.ru Ваулина Ольга Юрьевна, к.ф.-м.н., научный сотрудник ИФПМ СО РАН, kolgay@yandex.ru Почивалов Юрий Иванович, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН, pochiv@ispms.tsc.ru
