CC BY
29
УДК 539; 669.1.017; 699. 153.63
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-750-753
ПОВЕДЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ФАЗЫ ВБЛИЗИ ОТКОЛЬНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ
© А.Ф. Беликова, С.Н. Буравова, Е.В. Петров
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Обнаружен эффект сегрегации легирующих элементов на границах откольной повреждаемости, что свидетельствует о миграции частиц упрочняющей фазы к поврежденным областям. Толщина слоя, поставляющего частички интерметаллидов к зоне разрушения, составляет 10-20 мкм. Локализация пластической деформации в рамках откольной модели рассматривается как результат высокоскоростного растяжения, а не теплового разупрочнения. Полосы локализованной деформации по существу являются незавершенными откольными трещинами. С позиций законов волновой механики формирование этих полос сопровождается реверберацией волн в образце с периодическим чередованием растяжения и сжатия. Слабое затухание циклирующих волн приводит к значительному увеличению времени импульсного воздействия на процесс миграции частиц по сравнению с длительностью начального импульса.
Ключевые слова: ударная волна; откол; волны разгрузки; интерференция волн; локализация; адиабатические полосы сдвига; реверберация волн.
В условиях динамического нагружения разрушение образца возникает в зоне взаимодействия встречных волн разгрузки, где формируется область высокоскоростного растяжения материала. Откол - специфическая форма динамической повреждаемости, которая проявляется в виде откольной трещины, когда (критическое) напряжение в зоне интерференции волн разгрузки превышает динамическую прочность материала, или полосы локализованной деформации, когда напряжение растяжения становится ниже откольной прочности, и нарушение сплошности материала не возникает. От-кольная природа локализации пластической деформации при импульсном нагружении обоснована экспериментально в [1]. Причиной локализации деформации по общепринятым представлениям является потеря устойчивости пластического течения, возникающая в результате перехода работы деформации в тепло. В отличие от традиционных представлений, откольная модель локализации пластической деформации позволяет установить механизм зарождения, место и время развития полос локализации, выявить физические законы, сопровождающие появление полос локализованной деформации. Геометрический фактор расположения свободных поверхностей, источников волн разгрузки является инструментом, дающим возможность управлять процессом: задавать место образования полос локализации или создавать условия, предотвращающие возникновение процесса локализации. В от-кольной модели локализации деформации не делаются различии между полосами адиабатического сдвига и полосами локализованной деформации.
В работе изучалось влияние откольной повреждаемости на поведение частиц дисперсионно-упрочняющей фазы. Исследование структуры сохраненных образцов после взрывной обработки проводилось с помощью оптических микроскопов Neophot-30, растрового микроскопа LEO 1450, электронного микроскопа сверхвы-
сокого разрешения Zeiss Ultra Plus. В качестве образца использовался дисперсионно-упрочненный алюминиевый сплав. Упрочняющие добавки из магния, марганца и меди имели строчное расположение, сформированное в процессе технологической прокатки. Расстояние между строчками микрочастиц интерметаллидов варьируется от 15 до 40 мкм. Индивидуальные размеры частиц упрочняющей фазы составляли 0,5-2 мкм. Однако многие частицы комковались, образуя конгломераты из множества мелких частиц, размером 5-10 мкм (рис. 1).
Образец в виде толстостенного полого цилиндра нагружался ударом алюминиевой пластины по торцевой поверхности. Давление ударной волны в начальный момент не превышало 7 ГПа. Откольная повреждаемость возникала в зоне интерференции боковых волн разгрузки, следующих за фронтом ударной волны. В процессе нагружения откольная повреждаемость приобретала форму цилиндра. По мере затухания амплитуды ударной волны снижалось напряжение в зоне интерференции волн разгрузки, и при достижении критической величины откольная трещина переходила в полосу локализованной деформации. На рис. 2 можно видеть, что полоса продолжает следовать в направлении распространения зоны интерференции волн разгрузки. Часто полосы локализации принимают вид системы расположенных друг за другом пор. Сбой откольной повреждаемости на рис. 2 обязан встрече трещины с поперечной зоной деформации (результат интерференция торцевых волн разгрузки).
Рис. 3 демонстрирует микроструктуру области перехода откольной трещины в полосу локализованной деформации. Напряжение высокоскоростного растяжения в этом случае близко к динамической прочности материала, и это максимально возможная величина, при которой сохраняется сплошность материала. Сканирующий микроскоп обнаруживает сильно деформи-
Рис. 1. Общий вид частиц дисперсионно-упрочняющей фазы
Рис. 2. Продольная откольная трещина и переход ее в полосу локализованной деформации
рованную структуру алюминиевого сплава, практически бесструктурную область, содержащую огромное количество микропор, размер которых меняется от 100 до 400 нм. Очаги разрушения, зародившиеся непосредственно в процессе деформирования, представляют собой вскрытые микропустоты классического ямочного типа и имеют размер 1-3 мкм, это т. н. приобретенные микронесплошности.
Подобные микропоры в твердых телах наблюдаются при квазистатическом растяжении [2], при этом разрыхление, разуплотнение, обусловленные наличием микронесплошностей, возникают на ранней стадии деформации. На рис. 3 видно, что частицы упрочняющей фазы внутри алюминиевого сплава приобретают округлую форму, и размер их сокращается до 200400 нм, что свидетельствует об их частичном растворении. Факт низкотемпературного деформационного растворения дисперсных интерметаллидов при низкой температуре хорошо известен в литературе [3]. Как отмечают авторы [3], активное растворение развивается после некоторой критической деформации, когда начинают образовываться области некристаллографического сдвига, при этом механизм деформационного растворения интерметаллидов при холодной деформации заключается в перемещении атомов в поле напряжений дислокаций, которые пересекают эти частицы.
Расстояние, на котором могут быть увлечены атомы из упрочняющей фазы дислокацией, по оценке составляет 2-10 нм. Можно предположить, что этот механизм работает и в случае импульсного нагружения. Большой объем проведенных взрывных исследований не обнаружил новых специфических механизмов пластической деформации, работающих только при динамических нагрузках.
Рис. 4 демонстрирует полосу локализованной деформации, вокруг которой собираются частички упрочняющей фазы, что свидетельствует об их миграции из соседней области, толщина которой составляет 1020 мкм. Существенное перераспределение легирующих элементов при динамической деформации показывает, что расстояние между колониями упрочняющей дисперсной фазы в исходном образце является важным параметром, оказывающим влияние на микроструктуру образца в зоне откола.
Однако расстояние, с которого могут мигрировать легирующие частицы, оказывается более чем на порядок выше расстояния, на котором проявляется влияние дислокаций. Если время взрывного нагружения образца 1-2 мкс, а расстояние миграции - 10-20 мкм, то оказывается, что скорость движения потока частиц превосхо-
Рис. 3. Микроструктура дисперсионно-упрочненного алюминиевого сплава в полосе локализованной деформации
Рис. 4. Сегрегация легирующих частиц в местах поврежденного материала
дит скорость звука и, следовательно, не может реализоваться в действительности. Известно, что рекристаллизация [4], растворение карбидов [5], сфероидализа-ция перлита при импульсных нагрузках на 5-7 порядков протекают быстрее, чем эти процессы идут при отжиге в традиционных, квазистатических условиях. Изучение подвижности атомов методом радиационных изотопов обнаружило проникание атомов на глубину в несколько сотен микрон [6]. Коэффициент диффузии при этом оказался превосходящим коэффициент в жидком состоянии, а по сравнению с коэффициентами в твердом состоянии превосходит на 6-7 порядков.
Волновая механика дает объяснение причины «аномального» поведения процессов при высокоскоростном деформировании, в т. ч. массопереносу микрочастиц упрочняющей фазы к местам повреждаемости.
На рис. 5 представлена упрощенная x-t диаграмма (путь - время). Образец брускообразной формы сжат до давления Р0. Материал в процессе разгрузки сохраняет сплошность, поскольку давление растяжения в зоне интерференции (Р0) не превышает величину динамической прочности материала. Волновая картина
Рис. 5. Волновая картина разгрузки образца в процессе формирования полосы локализованной деформации. 11, ■11 -встречные волны разгрузки; (1) - зона интерференции встречных волн разгрузки; /2, 32 - те же волны после выхода из зоны интерференции (1), в этих волнах происходит постепенное снижение давления от нулевой величины до -Р0; область покоя (2), где материал находится при отрицательном давлении -Р0; /3 и - волны, отраженные от свободных поверхностей, изменяют направление движения боковых граней образца на противоположное и постепенно увеличивают давления от -Р0 до нуля; (3) - зона интерференции волн нагрузки /3 и .13, где происходит дальнейший рост давления до +Р0; /4, .14 - волны нагрузки, вышедшие из зоны интерференции (3), постепенно повышают давление от Р = 0 (на головных характеристиках) до Р0, ограничивая область покоя сжатого до Р0 материала. (4) - область покоя, которая является последней характерной областью конца цикла реверберации
принципиально отличается от случая образования откольной трещины. Волны разгрузки Ii и Ji, раз возникнув на свободных поверхностях, циклируют по всему образцу до момента полного затухания. В зоне интерференции волн разгрузки, которая определяется моментами встреч головных
тг = cQt/ô = (l + (2b -1 >0 )-1
стик 12
= (1-so Г ,
и хвостовых характери-
имеет место периодическое чере-
дование растяжения (1, 3, 1*) и сжатия (2, 4, 2*) (здесь s0 = u0/s0 - отношение массовой скорости за фронтом ударной волны к скорости звука; с0 и b - параметры адиабаты материала; 5 - полуширина образца). Реверберация волн внутри образца при формировании полосы локализованного сдвига состоит из нескольких циклов и аналогична циклированию волн в откольной пластине (тарелочке). Как видно на рис. 5, каждый цикл состоит из времени пересечения волной разгрузки всего сечения образца и времени возвращения в исходное состояние. Период цикла реверберации равен T = 2(i! + т2). Характерно, что боковые грани образца «дышат», скорость их перемещения u (рис. 5) периодически меняет величину и направление. Такое поведение характерно и для участков образца, прилегающих к области повреждаемости. Слабое затухание реверберации волн приводит к значительному увеличению времени импульсного воздействия на процесс миграции частиц упрочняющей фазы по сравнению с длительностью исходной импульсной нагрузки. Таким образом, процесс миграции частиц упрочняющей фазы к местам откольной повреждаемости является длительным и превышает время действия начального импульса на несколько порядков, а периодическая смена потоков на сжатие и растяжение способствует миграции частиц упрочняющей фазы к местам разрушения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беликова А.Ф., Буравова С.Н., Петров Е.В. Локализация деформации при динамических нагрузках // ЖТФ. 2013. Т. 58. № 8. С. 6875.
2. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. Эволюция микроскопических трещин и пор в нагруженных твердых телах // ФТТ. 2005. Т. 47. № 5. С. 801-807.
3. Кузнецов А.Р., Сагарадзе В.В. О возможном механизме низкотемпературного деформационного растворения интерметаллидных фаз в Fe-Ni-Ni сплавах с ГЦК-решеткой // ФММ. 2002. Т. 93. № 5. С. 13-16.
4. Hines J.A., Vecchio K.S. Recrystallization kinetics within adiabatic shear bands // Acta mater. 1997. V. 45. № 2. P. 635-649.
5. Wittman C.L., Meyers M.A., Pak H.-R. Observation of an adiabatic shear band in AlSi 4340 steel by high-voltage transmission electron microscopy // Metallurgical Transactions A. 1990. V. 21A. P. 707-716.
6. Герцрикен Д.С., Игнатенко А.И., Мазанко В.Ф., Миронова О.А., Фальченко В.М., Харченко Г.К. Определение длительности массо-переноса и температуры импульсно деформируемого металла // ФММ. 2005. Т. 99. № 2. С. 75-81.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539; 669.1.017; 699. 153.63.
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-750-753
THE BEHAVIOR OF ALLOYING PHASE NEAR DAMAGEABILITY
© A.F. Belikova, S.N. Buravova, E.V. Petrov
Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chemogolovka, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The work was discovered effect of segregation of alloying elements on the spall damage boundaries, indicating that the hardening phase particles migrated to the damaged areas. The thickness of supplying intermetallic compounds particles in the destruction zone is 10-20 ^m. The localization of plastic strain according to spall model is considered as the result of high-speed tension instead of thermal softening. Localized deformation bands are essentially incomplete spall cracks. From the standpoint of wave mechanics the laws of the formation of these bands followed by reverberation waves in the sample with a periodic alternation of tension and compression. Weak damping cycled waves leads to a significant increase in the time pulse impact on the particles migration in comparison with the duration of the initial pulse.
Key words: shock wave; spall; wave unloading interference of waves; localization; adiabatic shear band; reverb waves.
REFERENCES
1. Belikova A.F., Buravova S.N., Petrov E.V. Lokalizacija deformacii pri dinamicheskih nagruzkah. Zhurnal tehnicheskoj fiziki - Technical Physics, 2013, vol. 58, no. 8, pp. 68-75.
2. Betehtin V.I., Kadomcev A.G. Jevoljucija mikroskopicheskih treshhin i por v nagruzhennyh tverdyh telah. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2005, vol. 47, no. 5, pp. 801-807.
3. Kuznecov A.R., Sagaradze V.V. O vozmozhnom mehanizme nizkotemperaturnogo deformacionnogo rastvorenija intermetallidnyh faz v Fe-Ni-Ni splavah s GCK-reshetkoj. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 2002, vol. 93, no. 5, pp. 13-16.
4. Hines J.A., Vecchio K.S. Recrystallization kinetics within adiabatic shear bands. Acta mater, 1997, vol. 45, no. 2, pp. 635-649.
5. Wittman C.L., Meyers M.A., Pak H.-R. Observation of an adiabatic shear band in AlSi 4340 steel by high-voltage transmission electron microscopy. Metallurgical Transactions A, 1990, vol. 21A, pp. 707-716.
6. Gercriken D.S., Ignatenko A.I., Mazanko V.F., Mironova O.A., Fal'chenko V.M., Harchenko G.K. Opredelenie dlitel'nosti massoperenosa i temperatury impul'sno deformiruemogo metalla. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 2005, vol. 99, no. 2, pp. 75-81.
Received 10 April 2016
Беликова Алефтина Федоровна, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Belikova Aleftina Fedorovna, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
Буравова Светлана Николаевна, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Buravova Svetlana Nikolaevna, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker, e-mail: [email protected]
Петров Евгений Владимирович, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Petrov Evgeniy Vladimirovich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
