CC BY
41
Неустойчивость пластического течения и формирование шейки в сплаве циркония
Т.М. Полетика, А.П. Пшеничников, С.Л. Гирсова
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Исследованы закономерности макролокализации пластической деформации на параболической стадии деформационного упрочнения сплава циркалой-2, используемого в ядерной энергетике. Обнаружена неустойчивость пластического течения, определяемая колебательным периодическим изменением пространственно-временной картины распределения локальных удлинений, наблюдаемой методом спекл-интерферометрии. Полученные результаты обсуждаются в рамках синергетического подхода, основанного на представлении эволюции пластического течения на завершающей стадии как неустойчивого предельного цикла.
Unstable plastic flow and necking in a zirconium alloy
T.M. Poletika, A.P. Pshenichnikov, and S.L. Girsova
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
We investigate the regularities of plastic strain macrolocalization at the parabolic work hardening stage for a commercial Zr alloy used in nuclear power industry. The plastic flow shows instability, which is manifested as oscillatory variation of the spatio-temporal pattern of local strain distribution observed with speckle interferometry. The data obtained are discussed within the framework of a synergetic approach that represents plastic flow evolution at the final stage as an unstable limit cycle.
1. Введение
В основе подхода, традиционно используемого при анализе устойчивости пластической деформации, лежит представление о равномерности и однородности пластической деформации вплоть до начала падения напряжения перед разрушением, что далеко не соответствует действительности. Однако накопленные к настоящему времени многочисленные экспериментальные данные о макролокализации деформации, как обязательной составляющей процесса пластического течения [1, 2], требуют учета этого явления при оценке способности материала к устойчивой пластической деформации даже при формальном выполнении критериев устойчивости, которые лишь определяют момент, когда макролокализацию можно обнаружить измерительными средствами.
В настоящей работе исследуются закономерности развития локализации пластической деформации на параболической стадии пластического течения и стадии предразрушения сплава циркония в условиях одноосного растяжения, когда возникают неустойчивости пластической деформации с последующим образованием макроскопической шейки. Несмотря на имеющуюся информацию о пульсирующем характере развития локализации течения при больших пластических деформациях и попытки их объяснения, в том числе в рамках
© Полетика Т.М., Пшеничников А.П., Гирсова С.Л., 2006
синергетических моделей [3-5], физические причины возникновения неустойчивости на завершающей стадии пластического течения остаются не вполне ясными. В то же время, знание закономерностей развития локализации пластической деформации, приводящих к потере устойчивости пластического течения и разрушению при пластическом формоизменении, имеет большое практическое значение, в частности для оценки запаса технологической пластичности циркониевых сплавов, которые подвергаются большим деформациям в процессе получения готовых изделий.
2. Результаты и их обсуждение
Исследовали сплав циркалой-2 ^г - 1 % № -1.2 % Sn - 0.5 % ^е + Сг + №)) в рекристаллизованном состоянии. Плоские образцы с размерами рабочей части 42x5x2 мм растягивали на испытательной машине 1п-stron-1185 при скорости перемещения подвижного захвата 0.1 мм/мин (е = 4 -10-5 с-1). Одновременно с записью диаграммы деформации методом спекл-интерфе-рометрии [1, 2] фиксировали поле векторов смещений точек на поверхности образца. Далее приводятся данные о распределениях одной компоненты тензора пластической дисторсии — локальной деформации удлинения ехх = ди/дх (и — проекция вектора г на ось растя-
жения образца х). Из полученных картин пространственных распределений компоненты 8хх определяли величину X как среднее расстояние между зонами локализации. Количество зон локализации вычисляли по формуле N = Б/ X, где В—длина рабочей части образца.
Локальную суммарную деформацию удлинения определяли путем суммирования компоненты 8хх тензора пластической дисторсии по площади, занимаемой очагом локализации, а величину локального прироста деформации Д8 хх в рассматриваемом очаге — как разность локальной суммарной деформации 8ХЦ.т через каждые 0.2 % общей деформации [6].
Ранее установлено [6, 7], что кривые пластического течения циркониевых сплавов сразу за пределом текучести хорошо аппроксимируются параболической стадией, которую можно описать уравнением ^ + квп,
где ^ и е — истинные напряжение и деформация соответственно; £0 — сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций; k — коэффициент деформационного упрочнения; п—показатель параболичности. При этом параболическая стадия имеет сложный характер и в логарифмических координатах 1п(^ - ^0) - 1п е может быть разделена на ряд прямолинейных участков с дискретно уменьшающимся показателем параболичности п, принимающим значения в интервале от 0.7 до 0.1, где нижнее значение п соответствует началу формирования видимой макроскопической шейки.
Деформационная кривая для исследуемого сплава циркалой-2, представленная в логарифмических координатах, а также совмещенная с ней зависимость коэффициента деформационного упрочнения 0 от степени деформации приведена на рис. 1. Видно, что последняя зависимость имеет хорошо выраженный осциллирующий характер, причем период колебаний 0 совпадает с продолжительностью соответствующей параболической подстадии. Это свидетельствует о том, что образование подстадий с п < 0.5 сопровождается периодическим упрочнением - разупрочнением материала. Появление
8, %
д0.68 1.00 1.68 2.72 5.05 7.39
6 -А—і-------------------------------------------------1-Н-1- -1 г--1-1-
Рис. 1. Деформационная кривая в логарифмических координатах и зависимость коэффициента деформационного упрочнения 0 от деформации 8
особенностей на деформационной кривой на стадии деформационного разупрочнения обычно связывают с пространственно-временной цикличностью процесса локализации пластической деформации [8, 9]. Согласно современным представлениям развитая пластическая деформация всегда происходит неоднородно, что обусловлено чередованием процессов упрочнения и релаксации в локальных объемах материала в результате появления и развития ротационной неустойчивости пластического течения [3-5].
Электронно-микроскопические исследования эволюции дислокационных структур при растяжении сплавов циркония позволили установить, что их пластическая деформация развивается весьма неоднородно, что обусловлено, главным образом, анизотропией дислокационного скольжения в ГПУ циркониевых сплавах. При этом показано [10], что уже на начальном этапе деформирования (менее 5 % общей деформации) наблюдается резкий рост величин скалярной плотности дислокаций и амплитуды кривизны-кручения кристаллической решетки, что сопровождается формированием различных дислокационных субструктур, в том числе фрагментированных структур, характеризующих мезоуровень пластической деформации. Основная особенность дальнейших дислокационных превращений на параболических подстадиях с п < 0.5 в исследуемых сплавах заключается в смене нефрагментированных структур на фрагментированную. Таким образом, параболические подстадии кривой нагружения сплавов циркония с показателем параболичности п < 0.5 характеризуют развитую пластическую деформацию, поскольку связаны с ротационной деформацией, для которой характерна наблюдаемая фрагментированная структура. Развитие ротационной неустойчивости всегда характеризуется появлением структурной неоднородности и приводит к локализации деформации с образованием очага предраз-рушения, а затем и шейки [5].
Исследование характера макролокализации пластического течения в сплавах циркония методом спекл-ин-терферометрии показало, что для той части параболической стадии, где показатель параболичности п < 0.5, характерна устойчивая стационарная картина распределения зон локализации с постоянным пространственным периодом X [6, 7]. Для подстадий с п < 0.5 наблюдается движение зон локализации деформации, сопровождающееся периодическим изменением пространственного периода локализации X, причем период изменения X коррелирует с продолжительностью соответствующих подстадий параболической кривой.
Определение суммарных значений компоненты локального удлинения 8 хх по всему образцу на параболической стадии нагружения позволило выделить несколько стационарных областей локализации деформации, для которых суммарная величина локального удлинения 8 ^т выше, чем по образцу в целом (рис. 2). При этом с развитием деформации величина 8 ^т быст-
8хх
Рис. 2. Неоднородность накопления пластической деформации в образце из сплава циркалой-2
Рис. 3. Оптическое изображение деформируемого образца в момент образования шейки
рее возрастала в одном из очагов устойчивой локализации, который трансформировался в очаг предразруше-ния, а затем и в шейку. На рис. 3 представлено оптическое изображение образца из исследуемого сплава на за-
ключительном этапе деформирования, когда хорошо видна формирующаяся шейка. Подобная эволюция локализации деформации, сопровождающаяся возникновением нескольких «неактивных» шеек, одна из которых с развитием деформации становилась «активной» (устойчивой), наблюдалась в [8] при растяжении сплавов 1п-РЬ.
Установлена закономерность локализации пластического течения, приводящая к накоплению деформации в локальных областях образца и заключающаяся в следующем: в области очага устойчивой локализации с ростом общей деформации образца наблюдаются периодические колебания величины Д8хх, в то время как в окружающем материале прирост локального удлинения Д8 хх остается практически постоянным.
Совместный анализ зависимостей прироста локального удлинения Д8хх и пространственного периода неоднородностей X от величины общей деформации на параболической стадии исследуемого сплава позволил установить, что периодическое увеличение X сопровождается периодическим накоплением деформации в очагах устойчивой локализации и колебательным изменением в них скорости локализации в режиме «упрочнение - разупрочнение» (рис. 4). Поскольку величина пространственного периода локализации X обратно пропорциональна количеству активных зон локализации деформации N в образце, то ясно, что увеличение X сопровождается объединением активных зон локализации и накоплением деформации в ряде очагов устойчивой локализации, а уменьшение X является результатом формирования новых зон локализованной деформации меньшей интенсивности.
Именно согласованное периодическое изменение пространственного периода локализации деформации X и интенсивности деформации в очагах устойчивой локализации Д8 хх и определяет неустойчивость процесса пластического течения на параболической стадии деформационной кривой сплава циркония, которая сопровождает формирование одного очага локализации — будущей шейки. Наблюдаемое колебательное изменение скорости локализации (рис. 4, б) хорошо объяснимо с позиций механики деформирования сплошных сред. Действительно, неустойчивость пластического течения
Рис. 4. Характер накопления суммарной деформации в очагах устойчивой локализации (а) и скорость прироста суммарной деформации (б) в очаге 1
0.002
0.005
Рис. 5. Фазовая траектория процесса накопления деформации в очаге, трансформирующемся в шейку
циркониевых сплавов, наблюдаемая на стадии развитой пластической деформации, является следствием локального увеличения скорости деформации, приводящего к локальному упрочнению в зоне локализации. Соответствующий рост напряжения течения в этом месте, сопровождается торможением локализации деформации и дальнейшим более однородным формоизменением образца. Один подобный цикл упрочнения - разупрочнения в нашем случае соответствует одной из подстадий параболической кривой с n < 0.5, что хорошо согласуется с наблюдаемым колебательным изменением коэффициента деформационного упрочнения 0 (см. рис. 1).
Исследования процессов локализации и неустойчивости пластического течения, проведенные ранее [9], позволили зафиксировать подобный циклический характер пространственно-временного процесса эволюции распределений локальных деформаций, сопровождающийся возникновением в материале колебательного процесса типа «упрочнение - разупрочнение». Этот процесс, согласно [9], обусловливает периодическое образование в образце областей локально разупрочненного материала — «бегающих шеек» — задолго до возникновения устойчивой шейки и последующего разрушения.
Использование синергетического подхода к объяснению эволюции диссипативных структур в процессе развития деформации позволило представить развитие картины локализации деформации в исследуемом сплаве в виде траектории в фазовом пространстве, перемещение изображающей точки по которой соответствует временной эволюции деформируемой системы [5, 6]. При этом один виток спирали соответствует подстадии параболической кривой с n < 0.5 и является этапом локализации пластического течения исследуемого сплава (рис. 5). Установившийся колебательный режим является неустойчивым, так как траектория сходит с предельного цикла, стремясь к точке, соответствующей одному очагу — лидеру, который становится шейкой.
3. Заключение
Деформационная кривая сплава циркалой-2 имеет сложную параболическую стадию, которая разделяется на подстадии с уменьшающимся значением показателя параболичности n. Для параболических подстадий с n < 0.5 наблюдается осциллирующая зависимость коэффициента деформационного упрочнения 0 от деформации, что является следствием локального упрочнения -разупрочнения материала в пределах одной подстадии.
Установлено, что пластическая деформация на параболической стадии деформации циркониевого сплава развивается неоднородно как в пространстве, так и во времени. При этом характер макролокализации определяется показателем параболичности: при n < 0.5 наблюдается стационарная система зон локализации, а при n < 0.5 — перемещение зон локализации.
Пластическое течение циркониевого сплава на параболической стадии деформационного разупрочнения при показателе параболичности n < 0.5 характеризуется ротационной неустойчивостью, которая на макроуровне проявляется во взаимосогласованном периодическом изменении пространственно-временной картины распределения локальных деформаций, что приводит к образованию очагов устойчивой локализации. Процесс эволюции локализации, характеризующий пластическое течение на завершающей стадии, может быть описан фазовой траекторией, которая образует неустойчивый предельный цикл, стабильность которого определяется способностью материала к пластическому формоизменению.
Литература:
1. Zuev L.B., Danilov V.I. A self-exited wave model of plastic deformation
in zirconium // Philos. Mag. A. - 1999. - V. 79. - No. 1. - P. 43-57.
2. ЗуевЛ.Б., ДаниловВ.И., СемухинБ.С. Пространственно-временное упорядочение при пластическом течении твердых тел // УФМ. -2002. - Т. 3. - Вып. 3. - С. 237-304.
3. Владимиров В.И., Романов А.Е. Дисклинации в кристаллах. -Ленинград: Наука, 1986. - 224 с.
4. Барахтин Б.К., Владимиров В.И., Иванов С.А. и др. Эффект перио-
дического изменения дефектной структуры при пластической деформации // ФТТ. - 1987. - Т. 28. - Вып. 7. - С. 2250-2252.
5. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.
6. Полемика Т.М., Нариманова Г.Н., Колосов С.В. Закономерности локализации пластической деформации при формировании шейки в сплавах циркония // ЖТФ. - 2006. - Т. 76. - Вып. 3. - С. 44-49.
7. Полемика Т.М., Колосов С.В., Нариманова Г.Н., Пшеничников А.П.
Неустойчивость пластического течения при формировании шейки в сплавах циркония // ПМТФ. - 2006. - № 3. - С. 141-149.
8. Wray PJ. Tensile plastic instability at an elevated temperature and its dependence upon strain rate // J. Appl. Phys. - 1970. - V. 41. -No. 8.- P. 3347-3352.
9. Пресняков А.А. Локализация пластической деформации. - М.: Машиностроение, 1983. - 156 c.
10. Полемика Т.М., Гирсова С.Л., Попова Н.А., Конева Н.А., Козлов Э.В. Эволюция дефектных структур в сплаве циркония при пластической деформации // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2005. - № 1. - С. 58-61.
