CC BY
18
УДК 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-742-745
ПРОБЛЕМА ПРЕРЫВИСТОГО ТЕЧЕНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СТРУКТУР МАКРОЛОКАЛИЗОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
© А.А. Шибков
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Кратко описано современное состояние проблемы полосообразования и прерывистой деформации алюминий -магниевых сплавов. Обсуждаются основные открытые вопросы и перспективные направления фундаментальных и прикладных исследований этой проблемы.
Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация; макролокализованная деформация.
Многие авиационные алюминиевые сплавы проявляют механическую неустойчивость как в условиях металлообработки, так и в условиях эксплуатации, в частности, сплавы систем Al-Li-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mg. В технологически значимой области нагрузок, скоростей деформирования и температур испытания механическая неустойчивость проявляется в так называемом прерывистом течении, обусловленным повторяющимися процессами образования в металле полос макролокализованной деформации. Такие полосы создают технологический брак: они портят качество поверхности промышленных изделий, ухудшают фор-муемость и вызывают преждевременную локальную коррозию и внезапное разрушение. Несмотря на большое количество публикаций, природа спонтанной автолокализации пластической деформации на макроуровне, физические механизмы пространственной связи, обеспечивающей распространение деформационных полос, и особенно их роль в развитии вязкого разрушения остаются открытыми дискуссионными вопросами. До настоящего времени эти вопросы исследовались в терминах зависимости характеристик прерывистого течения (ПТ) и деформационных полос от температуры и скорости деформирования.
Физические механизмы автолокализации пластической деформации и связанной с ней прерывистого течения обсуждаются до настоящего времени в терминах, в основном, двухальтернативных моделей, приводящих к отрицательной скоростной чувствительности деформирующего напряжения: модель динамического деформационного старения дислокаций в твердых растворах замещения [1] и преципитатная модель, основанная на перерезаниии дислокациями малых преципитатов в стареющих твердых растворах [2]. Эти модели предназначены для объяснения зависимостей критической деформации появления первого деформационного скачка от температуры и скорости деформирования.
В последнее десятилетие в мире возрос интерес к проблеме исследования прерывистой деформации и полосообразования, по крайней мере, в связи со следующими обстоятельствами: а) с развитием динамиче-
ского анализа и его проникновением в различные разделы естественных наук, в т. ч. и в науки о материалах; в этом контексте эффект Поретевена-Ле Шателье (ПЛШ) рассматривается как яркое нелинейное явление, связанное со спонтанным формированием пространственно-временных (диссипативных) структур в виде распространяющихся деформационных полос; б) с ростом в мире производства листового проката алюминиевых сплавов (склонных к прерывистой деформации) для нужд автопрома и аэрокосмической отрасли; в) с развитием технологии лазерной сварки, особенно для системы Al-Li-Mg, используемой при производстве авиационной и ракетно-космической техники.
Проблемные направления исследования. Перечислим теперь наиболее важные направления изучения механических свойств материалов, демонстрирующих прерывистое течение, отмеченные в мировой литературе.
1. Изучение проблемы различия механических свойств металлов и сплавов в условиях стандартного тестирования и в условиях эксплуатации. В первом случае материал испытывают при деформировании с постоянной скоростью в жесткой испытательной машине. ПТ в этом случае проявляется в виде скачков разгрузки в силовом отклике системы машина-образец -эффект ПЛШ. Вместе с тем в условиях эксплуатации задается, как правило, силовой закон воздействия (сила тяги, подъемная сила, сила лобового сопротивления, центростремительная сила и т. д.), а реакцией является деформация материала и конструкции. ПТ в этом случае выражается в виде последовательности ступеней на деформационных кривых - эффект Савара-Массона.
Из анализа литературных данных следует, что подавляющее большинство экспериментальных и теоретических исследований ПТ посвящено эффекту ПЛШ -возникновению повторяющихся скачков разгрузки системы машина-образец при одноосном растяжении (сжатии) с постоянной скоростью перемещения захвата жесткой испытательной машины. С позиции нелинейной механики условия эффекта ПЛШ представляют «обратную» задачу, когда задан поток, а исследуется
сложный силовой отклик механической системы. Условия реализации «прямой» задачи, когда задан силовой закон нагружения, а исследуется собственно скачки деформации, т. е. неустойчивый поток, соответствует малоизученному эффекту Савара-Массона. Из-за отсутствия разгрузки системы машина-образец в этом случае пластическая неустойчивость может развиваться по другому сценарию, нежели в условиях эффекта ПЛШ.
Отметим здесь важное утверждение, высказанное в работах группы Нейхозера [3-4] о том, что при нагру-жении с постоянной скоростью роста напряжения деформационные полосы представляют новый тип пластической неустойчивости, который не сводится к полосам ПЛШ типов А, В и С. Однако систематические исследования эффекта Савара-Массона до настоящего времени не проводились. Поэтому представляется принципиально важным исследование эффекта Сава-ра-Массона на промышленных авиационных сплавах с акцентом на изучении нелинейной динамики и взаимной корреляции полос макролокализованной деформации и установлении их взаимосвязи с особенностями ступенчатой деформации при нагружении с постоянной скоростью.
2. Механизмы разрушения материалов - традиционно актуальная проблема на стыке различных наук о материалах: физики конденсированного состояния, механики деформируемых твердых тел, физики прочности и пластичности материалов и др. Эта проблема важна и для фундаментальной науки и, особенно, для технических наук. Наиболее опасным считается хрупкое разрушение, что обусловило более значительное количество публикаций по сравнению с вязким разрушением. Последнее, однако, характерно для многих практически важных металлов и сплавов. Проблема повышения прочности конструкционных материалов, особенно при ударных нагрузках, так или иначе, сводится к проблеме вязкого разрушения. Классическая теория вязкого разрушения металлов основана на представлении о зарождении и росте диффузионных и/или деформационных пор, их коалесценции и слиянии в магистральную трещину [5-6]. Вместе с тем сплавы, проявляющие ПТ, не демонстрируют классического поведения вязкого разрушения. В условиях эффекта ПЛШ, когда материал деформируют с постоянной скоростью, макроскопическое разрушение всегда происходит по одной из статических деформационных полос, которые накапливаются в материале в ходе скачкообразной деформации. Ключевая роль полос макро-локализованной деформации, самосогласованных по схеме «креста» на стадии образования шейки перед разрывом, была выявлена в [7] на некоторых сплавах, не демонстрирующих прерывистую деформацию при «жестком» режиме растяжения. В условиях проявления эффекта Савара-Массона статических полос не наблюдается, с течением времени полосы делокализуются, т. к. представляют собой расширяющиеся шейки [8-9], и механизм разрушения в этом случае должен существенно отличаться от механизма разрушения сплава, проявляющего эффект ПЛШ.
Таким образом, механизмы вязкого разрушения металлов и сплавов, демонстрирующих ПТ, в настоящее время неизвестны. Исследование природы вязкого разрушения материалов с учетом локализации деформации в статических и распространяющихся полосах деформации представляет актуальную проблему. Осо-
бенно она важна для промышленных алюминиевых сплавов систем Al-Li-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Zn-Mg-Cu и Al-Cu, широко используемых при производстве автомобилей и авиационной техники.
3. Влияние внешних воздействий на прерывистую деформацию и полосообразование сводилось главным образом к исследованию температуры испытания и скорости деформирования для тестирования известных моделей ПТ. В ряде случаев исследовалось влияние предварительной термической, термомеханической обработки и состояния поверхности на характеристики ПТ. Влияние внешнего силового электромагнитного поля, лазерного, акустического излучения и химически активных сред, а также обледенения на полосообразо-вание и ПТ ранее не проводилось. Основная задача этого направления состоит в экспериментальном исследовании нелинейной динамики и взаимной корреляции полос макролокализованной деформации и установлении их взаимосвязи с особенностями ступенчатой деформации сплава при нагружении с постоянной скоростью, а также исследовании влияния факторов, подавляющих развитие пластических неустойчивостей, таких как лазерное облучение, внешнее магнитное и электрическое поле, а также пропускание электрического тока через деформируемый образец и т.д.
Литературные данные о влиянии тока на эффект ПЛШ к настоящему времени отсутствуют. Влияние электронной системы металла на скачкообразную деформацию было ранее выявлено как подавление (частичное или полное) низкотемпературной скачкообразной деформации металлов при переходе в сверхпроводящее состояние [10]. Обнаруженный в [11-12] эффект подавления ПТ электрическим током и стимулированный током переход от скачкообразной (прерывистой) к монотонной деформации важны для выявления как механизмов прерывистой деформации, так и механизмов взаимодействия электронов проводимости с движущимися дислокациями при температурах порядка и выше дебаевской.
4. До последнего времени изучение ПТ проводилось в условиях в основном плоской деформации растяжения первоначально макроскопически однородных образцов. Одним из важнейших направлений исследований является изучение роли макроскопических неод-нородностей материала, имеющих место в реальных конструкциях летательных аппаратов и транспортных средств, такие как геометрические концентраторы, сварные швы и т. д. Последнее особенно важно в связи с развитием технологии лазерной сварки алюминиевых сплавов авиакосмической отрасли, обладающей рядом преимуществ по сравнению с другими видами сварки, прежде всего более низким тепловложением, высокой скоростью сварки, снижением коробления после сварки, более высокой технологичностью изготовления деталей и т. д. Однако при сварке сплавы Al-Li и Al-Mg проявляют тенденцию к порообразованию в большей степени, чем другие сплавы, в основном, в связи с химической активностью элементов Li и Mg. В связи с этим представляются важными исследования автолокализации деформации и ее влияния на разрушение сплава с учетом локального воздействия лазерного луча, а также при наличии сварного шва. Кроме того, необходимо исследовать возможности улучшения механических свойств материала околошовной зоны путем залечивания сварных дефектов в виде пор и не-сплошностей электрическим током и т. д.
Открытые вопросы. Несмотря на многолетнюю историю изучения ПТ, к настоящему времени в мировой практике накопились открытые вопросы фундаментального и прикладного характера.
1. Механизмы спонтанного зарождения полос макролокализованной пластической деформации -очагов автолокализованной деформации в металлах и сплавах.
2. Механизмы пространственной связи, обеспечивающей распространение деформационных полос и развитие прерывистой деформации.
3. Механизмы вязкого разрушения металлических сплавов, демонстрирующих ПТ, роль деформационных полос в формировании шейки перед разрывом, влияние полос на кинетику порообразования и развитие магистральной трешцны. Роль регулярной и хаотической динамики деформационных полос и явлений самоорганизации пластических неустойчивостей в развитии катастрофического разрушения.
4. Механизмы подавления прерывистой деформации и полосообразования электрическим током. Природа взаимодействия тока с полосами макролокализо-ванной деформации: полосой Людерса, полосами ПЛШ, шейкой перед разрывом и т. д.
5. Механизм влияния магнитного поля на динамику пластических неустойчивостей в деформируемых алюминиевых сплавах с парамагнитными примесями.
6. Механизмы влияния интенсивного лазерного ИК излучения на зарождение и распространение деформационных полос, в т. ч. в условиях лазерной сварки, особенно важной для сплавов системы А1^.
7. Механизы влияния интенсивного акустического и ударного воздействия на полосообразование и ПТ.
8. Механизмы локального воздействия химически активных сред на ПТ, учитывающие явления разрыва окисной пленки и/или защитного слоя в местах локализованной интенсивной сдвиговой деформации, т. е. в области деформационных полос, роль полос в ускоренной коррозии и разрушении.
9. Механизмы комбинированного воздействия различных факторов с целью получения оптимального алгоритма подавления очагов автолокализованной деформации, сокращающих ресурс высокотехнологичных алюминиевых сплавов.
10. Механизмы эмиссии физических полей (электромагнитного, теплового, акустического) полосами макролокализованной деформации, вызывающими ПТ и внезапное разрушение металлов и сплавов. Проблема эмиссионных предвестников полосообразования и разрушения.
11. Механизмы полосообразования и роль макрополос в разрушении металлов и сплавов, деформируемых в «мягком» режиме, т. е. с заданным законом измерения нагрузки (ползучесть, циклическое нагруже-ние, ударное нагружение и т. д.), соответствующим условиям эксплуатации.
12. Влияние полос макролокализованной деформации на механические свойства элементов конструкции, содержащие сварные соединения и зоны концентрации напряжения (отверстия, щели, угловые концентраторы и т. д.)
13. Разработка системы мониторинга и подавления (залечивания) полосообразования, использующей эмиссионные предвестники образования деформационных полос и трещин для запуска системы подавления этих дефектов внешними физическими полями.
Несмотря на большое количество публикаций по первым двум вопросам (1-2), механизмы зарождения и распространения деформационных полос остаются открытыми. Проблема вязкого разрушения металлов и сплавов, демонстрирующих прерывистую деформацию (3), поставлена около десяти лет назад группой германских исследователей [3-4]; по этой проблеме опубликовано в мире несколько статей [13-14]. Эффект подавления постоянным электрическим током низкой плотности полосообразования и прерывистой деформации в сплаве Al-Mg (4) обнаружен впервые [11-12]. Этот эффект является новым проявлением электропластичности по сравнению с традиционным электропластическим эффектом - увеличением пластичности металла импульсами тока большой плотности. Магнито-пластичность алюминия с парамагнитной примесью (5) ранее исследовалась применительно к однородной монотонной деформации, а влияние магнитного поля на прерывистую деформацию фактически не исследовалось. Поэтому вопрос (5), а также важные в научном и прикладном аспектах вопросы (6-13) являются принципиально новыми и перспективными для создания автоматизированных систем мониторинга и подавления механических неустойчивостей в авиационных алюминиевых сплавах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Van den Beukel A. // Phys. Stat. Sol. (a). 1975. V. 3G. P. 197.
2. Brechet Y., Estrin Y. // Scripta Metall. Mater. 1994. V. 31. P. 185.
3. Neuhäuser H., Klose F. B., Hagemann F. et al. // J. of Alloys and Compounds. 2004. V. 378. № 1-2. P. 13-18.
4. Klose F.B., Hagemann F., Hähner P., Neuhauser H. // Mat. Sci. Eng. 2GG4. V. A 387-389. P. 93-97.
5. Рыбин B.B. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия, 1986. 224 с.
6. Tomason P.F. Ductile fracture of metals. Oxford: Pergamon Press, 199G. 327 p.
7. Панин B.E., Дерееягина Л.С., Дерюгин Е.Е. и др. // Физ. мезомех. 2003. Т. 6. № 6. С. 97-1G6.
8. Шибкое А.А., Золотое А.Е., ЖелтоеМ.А. // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 1. С. 97-1G7.
9. Шибкое А.А., Золотое А.Е., Михлик Д.B., Желтое М.А., Шукли-ное А.B. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 9. С. 22-29.
1G. Старцее B.И., Ильичее B.Я., Пустоеалое B.B. Пластичность и прочность металлов и сплавов при низких температурах. М. : Металлургия, 1975. 376 с.
11. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. // Materials Science & Engineering A 61G. 2G14. P. 338-343.
12. Шибкое А.А., Денисое А.А., Желтое М.А., Золотое А.Е., Гаса-ноеМ.Ф., Кочегарое С.С. // ФТТ. 2G15. Т. 57. № 2. С. 228-236.
13. Шибкое А.А., Золотое А.Е., Желтое М.А. и др. // ФТТ. 2G11. Т. 53. С. 1873-1878.
14. Шибкое А.А., Золотое А.Е., Желтое М.А. и др. // ФТТ. 2011. Т. 53. С. 1879-1884.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 15-12-GGG35).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.374
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-742-745
PROBLEM OF JERKY FLOW AND SPATIAL-TEMPORAL PATTERNS OF THE MACROLOCALIZED DEFORMATION IN ALUMINUM ALLOYS
© A.A. Shibkov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Current state of problem of jerky flow and the band formation in Al-based alloy is briefly described. Main open questions and perspective directions of fundamental and applied researches of this problem are discussed.
Key words: aluminum-magnesium alloy; jerky flow; macrolocalized deformation.
REFERENCES
1. Van den Beukel A. Phys. Stat. Sol. (a), 1975, vol. 30, p. 197.
2. Brechet Y., Estrin Y. Scripta Metall. Mater., 1994, vol. 31, p. 185.
3. Neuhäuser H., Klose F. B., Hagemann F. et al. J. of Alloys and Compounds, 2004, vol. 378, no. 1-2, pp. 13-18.
4. Klose F.B., Hagemann F., Hähner P., Neuhauser H. Mat. Sci. Eng., 2004, vol. A 387-389, pp. 93-97.
5. Rybin V.V. Bol'shieplasticheskie deformatsii i razrushenie metallov. Moscow, Metallurgy Publ., 1986. 224 p.
6. Tomason P.F. Ductile fracture of metals. Oxford, Pergamon Press, 1990. 327 p.
7. Panin V.E., Derevyagina L.S., Deryugin E.E. et al. Fizicheskaya mezomekhanika — PhysicalMesomechanics, 2003, vol. 6, no. 6, pp. 97106.
8. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2012, vol. 76, no. 1, pp. 97-107.
9. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Mikhlik D.V., Zheltov M.A., Shuklinov A.V. Deformatsiya i razrushenie materialov — Russian metallurgy (Metally), 2009, no. 9, pp. 22-29.
10. Startsev V.I., Il'ichev V.Ya., Pustovalov V.V. Plastichnost' i prochnost' metallov i splavov pri nizkikh temperaturakh. Moscow, Metallurgy Publ., 1975. 376 p.
11. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. Materials Science & Engineering A 610, 2014, pp. 338-343.
12. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F., Kochegarov S.S. Fizika tverdogo tela — Physics of the Solid State, 2015, vol. 57, no. 2, pp. 228-236.
13. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. et al. Fizika tverdogo tela — Physics of the Solid State, 2011, vol. 53, pp. 1873-1878.
14. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. et al. Fizika tverdogo tela — Physics of the Solid State, 2011, vol. 53, pp. 1879-1884.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Scientific Fund (project no. 15-12-00035). Received 10 April 2016
Шибков Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Shibkov Aleksander Anatolevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
