CC BY
35
УДК 539.3
О ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СЖАТИИ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ
© С.А. Баранникова, М.В. Надежкин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Россия, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: пластическая деформация; локализация; спекл-фотография; ионные кристаллы; автоволны. Исследованы картины локализации пластического течения в щелочно-галоидных кристаллах при сжатии. Установлены основные пространственно-временные закономерности локализации деформации на стадиях деформационного упрочнения в таких монокристаллах.
Проведенные в последние годы исследования локализации пластического течения в металлах и сплавах позволили установить, что пластическое течение на всем протяжении кривой течения от предела текучести до разрушения образца протекает локализовано, а формы макролокализации определяются законами деформационного упрочнения, действующими на соответствующих стадиях процесса [1]. В то же время важно получить информацию о макролокализации деформации щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК), на которых традиционно изучаются механизмы пластического течения [2-3].
В настоящей работе комплексные исследования характера неоднородности деформации выполнены на щелочно-галоидных монокристаллах КС1, №01, ЬіЕ. Образцы ЩГК размерами 21x19x15 мм (№01), 30x19x8 мм (КС1 и ЬіГ) выкалывались из монокри-сталлических буль по плоскостям спайности и деформировались сжатием вдоль направления [001] со скоростью 3.3-10-6 м/с. Одновременно с записью диаграммы сжатия с начала нагружения и до полного разрушения образца методом двухэкспозиционной спекл-фотографии последовательно регистрировались поля векторов перемещений точек на рабочей грани исследуемых образцов [1], а также для наблюдения за распределением макронапряжений в ЩГК был использован метод фотоупругости [4].
Как известно [5], при сжатии вдоль направления [001] в кристаллах N01, КС1 и ЬіГ действуют четыре
равнонагруженные системы скольжения {110^11 0^,
а степень деформации ЩГК может достигать нескольких десятков процентов. Примеры многостадийных кривых течения с(е) исследуемых образцов, доведенных до разрушения, представлены на рис. 1. В работе использованы монокристаллы ЫаС1, КС1 и ЬіЕ, выращенные методом Киропулоса, с пределом текучести при сжатии Су ~ 0,5...2 МПа и деформацией при
разрушении еу ~0,1 для ЫаС1, для кристаллов КС1
С у « 1...5 МПа, е у ~0,22, и, соответственно, для
ЬіЕ Су ~ 6,5...7,5 МПа, еу ~0,1...0,15. На экспери-
ментальной кривой сжатия образцов ЫаС1, представленной на рис. 2, а, линейная стадия I с коэффициентом деформационного упрочнения 01 = 120 МПа имеет протяженность общей деформации = 0,002...0,02, затем, после короткого переходного участка, переходит в линейную стадию II (0П = 490 МПа) протяженностью до 0,055 общей деформации. Далее снова наблюдались переходный участок (= 0,0055.0,06) и стадия линейного упрочнения III (0Ш = 300 МПа) протяженностью = 0,09. На экспериментальной кривой сжатия образцов КС1, представленной на рис. 2, в, наблюдались стадии I (= 0,002.0,015) с постоянным коэффициентом деформационного упрочнения 0! = 178 МПа, переходная стадия (= 0,015.0,03) и стадия II (= 0,03.0,085) с постоянным коэффициентом деформационного упрочнения 0П = 137 МПа. На экспериментальной кривой сжатия ст(е) образца ПБ отчетливо выявляются три стадии линейного деформационного упрочнения: стадия I с коэффициентом
40 п
С 20
04----------Т---'----т---------1--------т---------1
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Рис. 1. Кривые сжатия образцов ЩГК («пилообразные» участки с резким падением напряжений соответствуют образованию микротрещин в образце): 1 - №С1; 2 - КС1; 3 - ЫБ
деформационного упрочнения 0! = 115 МПа и протяженностью общей деформации е0 = 0,002.0,008; далее стадия II (0П = 285 МПа) протяженностью до е0 = 0,026 и стадия III (0Ш = 365 МПа) протяженностью до е0 = 0,04 (рис. 2, д). Таким образом, анализ формы кривых пластического течения и распределений макронапряжений в кристалле в ходе деформации, характеризующем изменение действующих систем скольжения, не обнаружил существенных отличий от имеющихся для ЫаС1, КС1 и ЬіГ данных [5], и эти сведения приведены в работе как доказательства точности экспериментальной методики.
Анализ картин локализации деформации показал [6], что при сжатии кристаллов ЫаС1 на стадии I пластическая деформация сосредоточена в двух зонах (рис. 2, б), наклоненных к продольной оси образца под углом ф = п/2 на грани (010). По-видимому, данный факт обусловлен действием первой пары систем скольжения (о і і)[оіі], (011)011] следы скольжения от которой на грани (010) наклонены к направлению оси [001] под углами ф1 = ф2 = п/2 (рис. 3, а). Это подтверждается рис. 3, б, в, на котором показаны примеры совмещения последовательных картин оптического двулучепреломления, свидетельствующих о действии пары систем скольжения (011)011], (011 )[011], следы скольжения которых на грани (100) составляют с осью образца соответственно углы ф1 = п/4 и ф2 = 3/4п, и картин локализации деформации в виде двух зон ехх , наблюдаемых на грани (010) на стадии I при общей деформации сжатия е0Л = 0,023 и е0Л = 0,027. На протяжении линейной стадии I (аналог стадии легкого скольжения) наблюдалось движение двух зон локализации деформации со скоростью Ут = 6,1 • 10-5 м/с, значения которой определялись по наклону зависимости X() на рис. 2, а. Картины распределений локальных деформаций на линейной стадии II представляют собой 4-5 очагов локализации деформации, расположенных на расстоянии X ~ 4 ± 1 мм друг от друга (рис. 2, б) и движущиеся с постоянной скоростью Уст = 7,7-10-5 м/с (рис. 2, а). Зоны локализованной деформации наклонены к продольной оси образца под углом ф = п/2. При переходе к стадии III характер распределения локальных деформаций изменился. Картина распределений деформаций е хх сначала представляла собой подвижные очаги, зародившиеся на стадии II, которые затем остановились в средней части образца. Далее на стадии III сформировалась система трех неподвижных очагов локализации деформации (рис. 2, а).
Анализ распределений локальных деформаций ехх
при сжатии образцов КС1 показал, что на стадии I две зоны локализованной деформации (рис. 2, г) перемещаются с постоянной скоростью Ут = 6Т0-5 м/с (рис. 2, в). На стадии II из трех зон локализации пластической деформации (рис. 2, г) отмечено движение двух зон локализованной деформации со скоростью
Ут = 4,5Т0-5 м/с, одна из которых затем остановилась (рис. 2, в). Анализ картин локализации деформации показал [7], что при сжатии кристаллов ЬіЕ на стадии I пластическая деформация сосредоточена в одной зоне, наклоненной на грани (010) к продольной оси образца под углом ф = п/2. По-видимому, это обусловлено действием первичной системы скольжения (011)011],
следы скольжения от которой наклонены на этой грани к оси [001] на ф1 = п/2. Это подтверждается совмещением картин оптического двулучепреломления, свидетельствующих о действии системы скольжения (0Т1Ї011], следы скольжения которой на грани (100)
составляют с осью образца угол ф1 = п/4, и картин локализации деформации в виде одиночного максимума распределения компоненты локальных деформаций ехх на грани (010). Далее на линейной стадии II наряду с первой зоной локализации деформации зарождается еще одна зона (рис. 2, е).
Ее появление может быть связано с включением второй системы скольжения (011)01 1], следы скольжения которой на грани (100) составляют с осью образца угол ф2 = 3/4п. Две зоны локализованной деформации на грани (010) наклонены к продольной оси образца на ф = п/2 и движутся со скоростью Ут ~ 8,5-10-5 м/с, определенной по наклону зависимости X (ґ) - положений координат очагов локализации деформации ехх вдоль оси образца с течением времени (рис. 2, д). К концу стадии II произошла остановка двух очагов локализации е. При переходе к стадии III характер локальных деформаций изменился. Картины их распределений на линейной стадии III состоят их четырех неподвижных зон локализации деформации, расположенных на расстоянии X = 5 ± 1 мм друг от друга (рис. 2, е). Зоны локализованной деформации на грани (010) также наклонены к продольной оси образца под углом ф = п/2.
Согласно полученным данным, при сжатии ЩГК пластическое течение локализовано в определенных активных зонах образца, закономерно расположенных по его длине. При этом в зонах между такими очагами деформация практически не развивается, а активные зоны, на стадиях I и II, движутся вдоль оси образца. Эту особенность впервые удалось наблюдать в неметаллических кристаллах, хотя для металлических монокристаллов и поликристаллов ряда чистых веществ и сплавов она уже изучена достаточно подробно другими авторами.
Было установлено [6, 7], что на стадии I две зоны локализации деформации в кристаллах ЫаС1 движутся со скоростью Ут = 6,1Т0-5 м/с, в КС1 - со скоростью Уа* = 610-5 м/с и в ЬіГ - со скоростью
У<™ = 8,5-10-5 м/с (рис. 2, а, в, д). Такие значения скоростей близки к ранее зафиксированным на стадиях легкого скольжения ряда металлических монокристаллов [1], для которых механизмом пластической деформации, как и для ЩГК, является дислокационное скольжение.
Рис. 2. Экспериментальные кривые пластического сжатия с(е) с соответствующими диаграммами положений координат очагов локализации деформации ехх вдоль оси образца с течением времени X(); а - ЫаС1; в - КС1; д - ЬіГ, и распределения локальных деформаций макролокализации ехх (х, у) в образце (б - ЫаС1 на стадии I при е0г = 0,01 и на стадии II при е0 = 0,037, г - КС1 на стадии I при ем = 0,01 и на стадии II еш = 0,05,
е - ЬіГ при на стадии II при е0 = 0,014 и на стадии III при е(0( = 0,032)
(I0tt| | Л)
Рис. 3. Кристаллографическая схема ориентации нагруженных плоскостей скольжения в ЩГК (а) и совмещенные картины двулу-чепреломления и локализации пластической деформации на разных гранях кристалла №С1 при двух последовательных значениях
общей деформации сжатия е0 = 0,023 (б) и 8^ = 0,027 (в): 1 - система скольжения(011 )[0 1 1]; 2 - система скольжения (011)011]
В настоящей работе представляется важным тот факт, что, как и в случае металлических монокристаллов [1], в ЩГК наклон зон макроскопической локализованной деформации к продольной оси образца определяется кристаллографическими параметрами последнего. Это проявляется в том, что наклон зон локализации совпадает с наклоном следов действующих систем скольжения с максимальным значением фактора Шмида. На широкой грани (010) одна зона для LiF и две зоны локализованной деформации для KCl, NaCl наклонены к продольной оси образца [001] под углом Ф = п/2, совпадая с наклоном следов скольжения активных систем скольжения (0 11X01l], (011)[011] . Таким образом, зоны локализации пластической деформации представляют собой совокупность сдвигов по плоскостям скольжения кристаллов, движение же двух зон локализации на стадии I может быть связано с расширением следов скольжения от соответствующих систем скольжения по образцу, что наглядно видно из сравнения двух последовательных картин локализации деформации и оптического двулучепреломления (рис. 3, б, в).
На стадии II в кристаллах NaCl, KCl и LiF, также как и в металлических монокристаллах, возникают подвижные системы очагов пластического течения. В кристаллах NaCl они движутся со скоростью ~7,7Т0-5 м/с, в KCl ~4,5-10-5 м/с, и в LiF ~8,5-10-5 м/с (рис. 2, а, в, д). Ранее для всех исследованных металлических материалов было установлено [1], что скорость движения деформационных очагов Vaw на стадии линейного деформационного упрочнения, когда ст ~ s ( 9 = const) обратно пропорциональна коэффициенту
деформационного упрочнения 9 = G— • йст)ds на этой стадии (G - модуль сдвига), т. е. Vaw (9) = V0 +3/9 .
Установлено, что данные настоящей работы о скоростях очагов пластического течения в LiF, KCl и NaCl удовлетворяют зависимости Vaw (9) с коэффициентом
корреляции ~9. Полученные результаты, обобщенные в табл. 1, прежде всего, подтверждают единую природу волновых процессов на линейных стадиях деформационного упрочнения ЩГК [6, 7]. Они также подчеркивают сходство картин локализации в ЩГК с картинами, соответствующими этим стадиям в моно- и поликристаллах металлов и сплавов [1].
Рассмотрим эволюцию картин локализации деформации на примере кристаллов №С1 на стадии III с коэффициентом деформационного упрочнения 0Ш < 0П . Как и следовало бы ожидать для линейных стадий, картина распределений деформаций ехх сначала представляла собой подвижные очаги, зародившиеся на стадии II, которые затем остановились в средней части образца (рис. 2, а). И далее, на стадии III сформировалась система из трех неподвижных очагов локализации деформации, что характерно для стадии параболического деформационного упрочнения в металлических кристаллах. В качестве причины остановки подвижных очагов локализации посередине образца (~10 мм) может служить тот факт, что границами этих очагов, являются хорошо видимые полосы сбросов, которые ранее описаны в литературе при сжатии каменной соли. Доказательством существования полос сбросов также является характерное поведение компонент тензора дисторсии на границах зон локализации.
Таким образом, исследование пластической деформации сжатия кристаллов №С1, КС1 и ЫБ [6, 7] подтвердило справедливость утверждений профессора Л.Б. Зуева с сотрудниками об обнаружении нового типа волн, распространяющихся с малой скоростью [1] и связанных с процессами самоорганизации в деформируемых средах [8] и возникающих при квазистати-ческой деформации. Ранее такие волны уже наблюдались в [1] в металлических поликристаллах и монокристаллах, и с учетом новых данных волновой характер пластической деформации приобретает универсальный для процессов пластического течения всех материалов смысл.
Таблица 1
Основные данные о деформационном упрочнении и локализации деформации при сжатии ЩГК
Материал Интервалы деформации Наблюдавшиеся стадии деформационного упрочнения Наблюдавшиеся картины локализации деформации
0,002.0,02 линейная стадия I (0: « 120 МПа) движение 2 зон локализации деформации (Vw = 6,1 • 10-5 м/с)
NaCl до 0,055 линейная стадия II (0„ « 490 МПа) движение 4 зон локализации деформации (Vw = 7,7-10-5 м/с)
до 0,09 линейная стадия III (0111 « 300 МПа) стационарная система из 3 зон локализации деформации (X « 4 ± 1 м/с)
0,002.0,01 линейная стадия I (0: « 178 МПа) движение 2 зон локализации деформации (Vaw = 6-10-5 м/с)
KCl 0,05.0,085 линейная стадия II (0„ « 137 МПа) движение 2 зон локализации деформации (Vaw ~ 4,5-10-5 м/с), одна из которых остановилась
0,002.0,008 линейная стадия I (0! « 115 МПа) движение 1 зоны локализации деформации (Vaw = 8,5-10-5 м/с)
LiF до 0,026 линейная стадия II (0ц « 285 МПа) движение 2 зон локализации деформации (Vaw = 8,5-10-5 м/с)
до 0,04 линейная стадия III (0Ш « 365 МПа) стационарная система из 4 зон локализации деформации (X « 5 ± 1 м/с)
ЛИТЕРАТУРА
1. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А. Физика макролокализации пластического течения. М.: Наука, 2008. 327 с.
2. Смирнов Б.И. Дислокационная структура и упрочнение кристаллов. М.: Наука, 1981. 236 с.
3. Зуев Л.Б. Физика электропластичности щелочногалоидных кристаллов. М.: Наука, 1990. 120 с.
4. Меланхолин Н.М. Методы исследования оптических свойств кристаллов. М.: Наука, 1970. 156 с.
5. Бенгус В.З., Комник С.Н., Левченко В.А. О природе стадийности деформационного упрочнения щелочно-галоидных кристаллов. Физика конденсированного состояния. Вып. 5. ФТИНТ АН УССР, 1969. С. 152.
6. Баранникова С.А., Надежкин М.В., Зуев Л.Б. О локализации пластического течения при сжатии кристаллов №С1 и КС1 // ФТТ. 2009. Т. 51. № 16. С. 1081-1086.
7. Баранникова С.А., Надежкин М.В., Зуев Л.Б. О локализации пластической деформации при сжатии кристаллов ЫБ // ФТТ. 2010. Т. 52. № 7. С. 1291-1294.
8. Васильев В.А., Романовский Ю.М., Яхно В.Г. Автоволновые процессы. М.: Наука, 1987. 240 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена по проекту № 21 Программы фундаментальных исследований № 11 Президиума РАН (2009-2011 гг.).
Авторы выражают глубокую благодарность доктору физико-математических наук, профессору Л.Б. Зуеву за плодотворное обсуждение результатов представленных исследований.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Barannikova S.A., Nadezhkin M.V. About the localization of plastic deformation under compression of alkali halide crystals. The plastic flow localization patterns for alkali halide crystals under compression are investigated. The main spatiotemporal regularities of the strain localization at the stages of deformation hardening in these monocrystals are established.
Key words: plastic deformation; localization; speckle photography; ion crystals; autowave.
