CC BY
49
Самоорганизация макрополос локализованного сдвига и фазовые волны
переключений в поликристаллах
В.Е. Панин, Е.Е. Дерюгин
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Исследованы и классифицированы механизмы самоорганизации макрополос локализованного сдвига при растяжении крупнокристаллических образцов кремнистого железа. Обнаружен новый механизм деформации — «фазовая волна переключений», обеспечивающий высокую локальную пластичность материала. Обосновывается тезис, что в основе сверхпластичности материала, наблюдаемой в условиях развития сопряженных полос локализованного сдвига по всей рабочей части нагружаемого образца, лежит механизм фазовых волн переключений.
1. Введение
Изучению формирования полос локализованного сдвига, именуемых в зарубежной литературе термином shear bands, посвящено большое количество работ [110 и др.]. Исследования этого явления в [11-13] показывают, что следует различать полосы локализованного сдвига на мезомасштабном (mesobands) и макромасштабном (macrobands) уровнях. Основные закономерности формирования полос локализованного сдвига сводятся к следующему:
1. В гомогенных сдвигоустойчивых кристаллах полосы локализованного сдвига начинают формироваться, начиная с некоторой степени деформации, когда достигается определенная плотность дислокаций и возникает сдвиговая неустойчивость в локальных зонах образца в целом.
2. Источниками полос локализованного сдвига являются локальные концентраторы напряжения мезо- и макромасштабного уровней.
3. Полосы локализованного сдвига распространяются вдоль направлений максимальных скалывающих напряжений т в локальных зонах образца, в которых потеряна сдвиговая устойчивость на мезо- или макроуровне, независимо от их внутренней кристаллической структуры.
4. Самоорганизация мезополос локализованного сдвига в деформируемом образце приводит к фрагмен-
тации материала с образованием в нем объемных структурных элементов, движение которых включает ротационные и трансляционные моды деформации.
5. Образование и развитие одиночных макрополос локализованного сдвига или их диполей обусловливают низкую пластичность твердого тела. Это объясняется образованием в деформируемом образце локализованного макровихря, размер которого соизмерим с поперечным сечением образца [11-13]. Эволюция такого макровихря вызывает распространение через все сечение образца магистральной трещины и разрушение материала. Однако квазиоднородное распределение макрополос локализованного сдвига, распространяющихся по деформируемому образцу по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений, может быть причиной сверхпластичности поликристаллов [9, 14]. Другими словами, коллективное поведение полос локализованного сдвига и специфика их взаимодействия играют чрезвычайно важную роль в пластичности твердого тела.
В соответствии с физической мезомеханикой [1113] разрушение материала классифицируется как ротационная мода деформации и развивается путем генерации макроконцентратором напряжений трещины, когда потоки микро- и мезодефектов не обеспечивают необходимую скорость релаксационных процессов, чтобы предотвратить формирование макроконцентратора напряжений. Поэтому очень важно исследовать
© Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., 1999
взаимодействие полос локализованного сдвига в деформируемом твердом теле с учетом ротационных мод деформации. Определенное самосогласование полос локализованного сдвига может приводить к эффективной релаксации моментных напряжений, возникающих при распространении одиночной полосы локализованного сдвига, что предотвратит опасное развитие локализованного макровихря, ответственного за разрушение образца. Как следствие, влияние полос локализованного сдвига на пластичность и разрушение твердых тел может быть различным, в зависимости от внутренней структуры твердого тела и условий нагружения. Однако в литературе нет систематических экспериментальных данных о механизмах взаимодействия полос локализованного сдвига и их влияния на пластичность материала и характер его разрушения при деформации.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию самоорганизации полос локализованного сдвига в крупнозернистом сплаве Fe+3%Si и его влияния на пластичность поликристаллического твердого тела. Результаты анализируются в совокупности с другими проявлениями самоорганизации полос локализованного сдвига в мелкозернистых поликристаллах, обнаруженными авторами ранее [12].
2. Методика эксперимента
Образцы были вырезаны электроэррозионным способом из готовых пластин трансформаторной стали Fe+3%Si. Они имели сечение 4 X 0.5 мм2 и длину рабочей части 30 мм. Поликристаллическая структура представляла собой несколько крупных зерен в рабочей части плоского образца с включениями мелких зерен размером d = 100 мкм.
Плоские образцы подвергали растяжению при комнатной температуре на испытательной машине ИМАШ-2078 со скоростью 4 мм/ч. С помощью оптико-телевизионной измерительной системы «ТОМ$С» [15] проводился анализ рельефа поверхности, позволяющий рассчитывать поля векторов смещений и компонентов
Рис. 1. Кривые «напряжение - деформация» крупнозернистого поликристалла Fe+3%Si для различных случаев самоорганизации полос локализованного сдвига
тензора дисторсии. Перед испытанием образцы электролитически полировали. Кривые «напряжение - деформация» рассчитывали традиционным способом без учета изменения площади сечения в шейке.
3. Результаты
На рис. 1 приведены характерные кривые «напряжение - деформация» крупнозернистых поликристаллов Fe+3%Si, соответствующие различным типам взаимодействия полос локализованного сдвига. Анализ полученных результатов позволил классифицировать четыре возможных механизма такого взаимодействия, определяющих характер разрушения материала и вид кривой «напряжение - деформация». Рассмотрим каждый механизм отдельно.
3.1. Совмещенные наложением друг на друга полосы локализованного сдвига, распространяющиеся по направлению Т на лицевой поверхности плоского
Г max ‘ г
образца
Этот случай характерен для образцов с внутренней структурой, в которой одно из крупных зерен имеет протяженную границу вдоль направления максимальных тангенциальных напряжений. После определенной степени пластической деформации на краю образца появляется полоса локализованного сдвига, распространяющаяся вдоль границы крупного зерна под углом 45° к оси образца (рис. 2, а). Она является первичной полосой локализованного сдвига, которая вызывает в образце стесненный материальный поворот и соответствующие моментные напряжения. Как следствие, на границе раздела смежных зерен возникает эффект несовместности сдвиговых деформаций, приводящий к появлению осциллирующих концентраторов напряжений на границе зерна внутри первичной полосы локализованного сдвига [16, 17]. Эти осциллирующие концентраторы напряжений генерируют квазипериодические сдвиги вдоль направлений максимальных тангенциальных напряжений, сопряженных с направлением границы зерна (рис. 2, б, в). Другими словами, распространение первичной полосы локализованного сдвига вдоль границы зерна сопровождается формированием вторичной полосы аккомодации. Наложение друг на друга первичной и вторичной полос обусловливает вихревой характер пластического течения образца. Последний наглядно иллюстрируется соответствующей картиной векторов смещений (рис. 3, а), а также схемой одиночной полосы локализованного сдвига в образце на рис. 4, а. Эволюция макровихря смещений в процессе распространения совмещенных полос локализованного сдвига вызывает на первой стадии ветвление первичной полосы (рис. 2, б). Затем на определенной стадии нагружения внутри первичной полосы локализованного сдвига возникает несплошность, которая быстро пере-
Рис. 2. Зарождение на краю (а), формирование (б) и тонкая структура макрополосы локализованного сдвига (е) на лицевой поверхности плоского образца крупнозернистого поликристалла Fe+3%Si
ходит в магистральную трещину, распространяющуюся вдоль полосы, ориентированной под углом 45° к оси растяжения. Трещина обычно появляется в месте ветвления полосы локализованного сдвига. Кривая «напряжение - деформация» в этом случае резко обрывается на возрастающей стадии и фиксирует наименьшую пластичность сплава (ер = 4 %, рис. 1, кривая 1).
3.2. Соединенные концами полосы локализованного сдвига, сопряженные по направлениям Ттх на лицевой поверхности плоского образца
Этот случай характеризуется вязким разрушением образца с образованием в нем гипертрофированно вы-
раженной шейки, когда крупнозернистый материал проявляет максимальную пластичность (рис. 1, кривая 2, ер = 19-21 %). Данный механизм наблюдается в образцах, в структуре которых имеется благоприятно ориентированное крупное плоское зерно во всю ширину образца, ограниченное скоплениями мелких зерен. Такое крупное зерно является местом формирования шейки, в которой развивается аномально высокая локальная пластичность (до 300 %). В определенный момент пластической деформации на лицевой плоскости образца зарождается и формируется первичная макрополоса локализованного сдвига, ориентированная под углом 45° к оси растяжения. Затем появляется и развивается
Рис. 3. Картины векторов смещений: случай одиночной макрополосы локализованного сдвига (а); случай вторичной полосы аккомодации между первичными макрополосами локализованного сдвига в диполе (б)
а б в
Рис. 4. Схемы взаимодействия макрополос локализованного сдвига
в сопряженной системе максимальных скалывающих напряжений вторичная макрополоса локализованного сдвига (рис. 4, 5). Как правило, она берет начало на каком-либо дефекте в первичной полосе. В месте их соединения появляется несплошность. На рис. 4, б изображена схема таких двух сопряженных полос локализованного сдвига. Сдвиги в сопряженных макрополосах происходят неодновременно, а циклически переключаются с одной полосы на другую. Сдвиг в каждой макрополосе сопровождается образованием в сопряженной макрополосе локализованного сдвига смежной с ней субполосы.
Рис. 6 представляет схему взаимодействия спаренных макрополос локализованного сдвига, приводящего к уменьшению сечения в шейке и последующему разрушению. Данная схема иллюстрирует последовательные стадии переключения смещений внутри спаренных сопряженных макрополос локализованного сдвига по механизму фазовой волны переключений. Механизм такого переключения обсуждается ниже.
Несплошность в месте соединения макрополос локализованного сдвига быстро растет и выходит на поверхность. Объем трехгранной призмы между макрополосами постепенно уменьшается, обеспечивая вы-
Рис. 5. Эволюция спаренных макрополос локализованного сдвига в шейке крупнозернистого поликристалла Fe+3%Si
субполоса
г д
Рис. 6. Схема развития последовательных стадий формирования шейки при вязком разрушении крупнозернистого поликристалла Fe+3%Si
сокую локальную пластичность в шейке. Измерение микротвердости показало, что в области полос локализованного сдвига имеет место деформационное разупрочнение. Приложенное напряжение в процессе утонения в шейке падает до нуля (рис. 1, кривая 2).
3.3. Касающиеся концами полосы локализованного сдвига, сопряженные по направлениям т на боковой поверхности плоского образца
Этот механизм взаимодействия сопряженных макрополос локализованного сдвига связан с их возникновением на боковой поверхности образца. В процессе нагружения с одного края плоского образца образуются спаренные полосы локализованного сдвига. Они формируются вдоль сопряженных направлений максимальных тангенциальных направлений на боковой поверхности образца (рис. 4, в) и затем распространяются вглубь образца перпендикулярно оси растяжения, образуя на лицевой поверхности дипольную конфигурацию (рис. 7).
Как правило, поле векторов смещений не фиксирует какие-либо движения мезобъемов вдоль полос локализованного сдвига на лицевой поверхности образца. Однако со стороны боковой поверхности части образца смещаются друг относительно друга в направлениях, ориентированных под углом 45° к оси растяжения (рис.
4, в).
В рассматриваемом случае продвижение макрополос локализованного сдвига вглубь образца осуществляется по схеме фазовой волны переключений, аналогично предыдущему случаю взаимодействия сопряженных макрополос на лицевой поверхности образца. Локализация пластической деформации в данных полосах ведет к их слиянию на лицевой поверхности образца, где они соприкасаются концами (рис. 7). Объем призмы между полосами быстро уменьшается, формируя в образце шейку (рис. 4, в). Вполне понятно, что развитие данной шейки очень ограничено в соответствии с ограниченной возможностью уменьшения толщины образца. Разрушение происходит в результате возникновения и распространения магистральной тре-
Рис. 7. Дипольная конфигурация макрополос локализованного сдвига на лицевой поверхности плоского образца крупнозернистого поликристалла
Fe+3%Si
щины в плоскости максимальных скалывающих напряжений, пересекающей лицевую поверхность поперек образца. Пластичность сплава в этом случае равна ер= = 6-7 % (рис. 1, кривая 3). Это естественно меньше, чем в случае фазовой волны переключений на лицевой поверхности образца, когда развитие шейки определяется уменьшением ширины образца. На кривой «напряжение - деформация» имеется падающий участок, связанный с образованием шейки.
3.4. Самоорганизация достаточно разделенных в объеме образца полос локализованного сдвига, сопряженных по направлениям т на боковой
Г г max
поверхности плоского образца
Этот случай самоорганизации полос локализованного сдвига обычно наблюдается в образцах, когда возникающие на боковой поверхности макрополосы отделены друг от друга достаточно большим расстоянием, исключающем слияние их концов. Как правило, при их распространении вглубь образца на его лицевой поверхности одна из полос ориентируется к оси растяжения под углом, немного меньшим чем 90°, но значительно большим чем 45°. Это затрудняет самосогласованное переключение сдвигов в полосах, и развитие поворотных мод деформации в объеме образца между макрополосами оказывается не достаточно скоррелированным. Как следствие, между макрополосами появляются нескомпенсированные моментные напряжения. На определенной стадии нагружения от одной из первичных полос локализованного сдвига начинает формироваться вторичная полоса аккомодации, которая ориентируется под углом 45° к первичной полосе локализованного сдвига (рис. 8). Рис. 9 иллюстрирует стадии формирования вторичной полосы аккомодации между первичными полосами локализованного сдвига. Хорошо видна
тонкая структура полосы аккомодации. На фоне тонких следов скольжения вдоль направления вторичной полосы локализованного сдвига формируется система поперечных грубых полос локализованного сдвига. Поле векторов смещений фиксирует движение мезообъемов друг относительно друга по разные стороны от полосы аккомодации (рис. 3, б).
Трещина распространяется вдоль взаимодействующих полос локализованного сдвига без образования в образце шейки. Данная самоорганизация полос локализованного сдвига обеспечивает пластичность сплава до 9-11 % (рис. 1, кривая 4). При этом на кривой «напряжение - деформация» отсутствует заключительная стадия падения напряжения, которая обычно возникает при образовании шейки.
4. Обсуждение
Проведенное исследование выявило различные механизмы самоорганизации макрополос локализованного сдвига и разрушения крупнозернистых образцов, не отличающихся составом, геометрической формой и условиями нагружения. В крупнозернистой структуре от образца к образцу изменяются лишь конфигурация и расположение границ зерен, а также ориентация систем скольжения кристаллитов, соизмеримых с шириной образца. Благодаря этому крупнозернистый сплав Fe+3%Si оказался прекрасным модельным материалом, который при активном растяжении проявил основные механизмы самоорганизации полос локализованного сдвига и их влияние на характер разрушения и вид кривой «напряжение - деформация».
Согласно физической мезомеханике [11-13] любой сдвиг в поликристалле сопровождается материальным поворотом. Этот эффект должен быть особенно большим в случае распространения полос локализованного
Рис. 8. Формирование вторичной полосы аккомодации между первичными макрополосами локализованного сдвига дипольной конфигурации в крупнозернистом поликристалле Fe+3%Si
сдвига. Условие сохранения сплошности (непрерывности) в деформируемом твердом теле можно записать в виде [11]:
N
X гоЗ = 0, (1)
г=1
где 3 — поток деформационных дефектов на структурном уровне i. В соответствии с (1) сумма роторов всех потоков деформационных дефектов равна нулю в иерархии N самосогласованных структурных уровней деформации.
Выражение для ротора первичного потока деформационных дефектов имеет вид:
(г ) -/аЬС[ X%^ЭЛа^, (2)
где второй член в левой части представляет эффект самоаккомодации в самом первичном потоке дефектов, а правая часть описывает временную зависимость кривизны кристаллической решетки, вызванной распространением первичного потока дефектов (с учетом эффекта внутренней самоорганизации). Локализованная кривизна кристаллической решетки вызывает возникновение концентратора напряжений, который определяет появление моментных напряжений и связанных с ними ротационных мод деформации. Последние могут быть реализованы потоками вторичных деформационных дефектов, поворотами определенных мезообъемов как целого или возникновением и распространением трещины.
Выражения (1), (2) позволяют прежде всего понять природу общности и различия одиночных макрополос в образцах с разной величиной зерна. Из сравнения рисунков 2, в, 9 и 10 видно, что общим для макрополос в образцах с различной величиной зерна является наличие в них двух типов сдвига, распространяющихся в
сопряженных направлениях т . Это означает, что в
max
заданных граничных условиях (сохранение оси нагружения образца) протяженная одиночная макрополоса не может распространяться путем трансляционного движения потока дефектов только в одном направлении т . Первичный поток дефектов трансляционного типа обязательно сопровождается генерацией аккомодационных сдвигов в сопряженном направлении т 1. Однако характер генерации аккомодационных сдвигов качественно различен при распространении макрополос в образцах с мелким и крупным зерном.
Мощный градиент первичного потока дефектов (rot Sa )ц в крупнозернистом образце генерирует с большой частотой однородно распределенные на всем протяжении одиночной полосы сопряженные сдвиги аккомодации. Результирующая одиночная макрополоса является, таким образом, суперпозицией двух потоков дефектов, распространяющихся в сопряженных направлениях т .
max
В мелкозернистом образце большая протяженность границ зерен и широкий спектр их кристаллографической ориентации не позволяют сформировать полосы сильнолокализованного сдвига. Мезоконцентраторы напряжений формируют мезополосы с относительно малым градиентом (rot Sa)^ . Такие полосы накапливают критический материальный поворот, необходимый для генерации сопряженного сдвига только при определенной длине мезополосы. После этого вся мезополоса изменяет свое направление на сопряженное, формируя зигзагообразную макрополосу локализованной деформации.
1 Аккомодационные сдвиги могут отсутствовать, если макрополоса формируется путем распространения дисклинационного ансамбля [18].
Рис. 10. Зигзагообразные макрополосы локализованного сдвига в мелкозернистом ( d = 40 мкм) поликристалле Fe+3%Si; растяжение при Т = 293 К (8 = 8 %). X 200 [12]
По принятой в синергетике терминологии [19, 20] одиночные полосы локализованной деформации классифицируются как бегущие волны переключений.
Наряду с этим анализ выражений (1) и (2) для условий деформации, когда макрополосы локализованного сдвига являются доминирующим механизмом деформации и другими потоками деформационных дефектов можно пренебречь, показывает, что ротор одиночной макрополосы локализованного сдвига должен вызывать развитие трещины, компенсирующей стесненный поворот локализованной деформации. По этой причине пластичность образца, в котором распространяется одиночная макрополоса локализованного сдвига, должна быть низкой. Это хорошо подтверждают результаты настоящей работы.
Наименьшие пластичность и прочность обнаружили образцы крупнозернистого поликристалла Fe+3%Si, в которых развивается одиночная макрополоса локализованного сдвига на лицевой поверхности образца под углом 45° к оси нагружения. Ее ветвление (рис. 2, б) и соответствующая картина векторов смещений (рис. 3, а) показывают, что в образце формируется одиночный локализованный макровихрь, размеры которого соизмеримы с шириной образца. Его развитие достаточно быстро приводит к появлению магистральной трещины вдоль макрополосы локализованного сдвига, что и определяет очень низкую пластичность образца.
Зигзагообразный характер распространения полос локализованной деформации в мелкозернистом сплаве Fe+3%Si обеспечивает несколько большую его пластичность (-8 % [12]).
В то же время самоорганизация протяженных макрополос локализованного сдвига, распространяющихся в сопряженных направлениях ттах, может обеспечить высокую пластичность и даже сверхпластичность, если реализовать взаимную компенсацию роторов самосогласованных макрополос локализованного сдвига. Наи-
Рис. 11. Тонкая структура субполосы деформации, сформированной вблизи первичной макрополосы локализованного сдвига в шейке образца крупнозернистого поликристалла Fe+3%Si
более эффективным оказывается взаимодействие сопряженных макрополос локализованного сдвига, спаренных на лицевой поверхности плоского образца. При этом очень важно, что спаренные макрополосы локализованного сдвига имеют общий макроконцентратор в точке их пересечения. Кинетика формирования шейки в случае взаимодействия спаренных макрополос локализованного сдвига обнаруживает новый механизм деформации, ранее в литературе неизвестный. Его можно классифицировать как «локализованную фазовую волну переключений» (рис. 4, б, 5 и 6). Рассмотрим этот механизм подробнее.
На первой стадии (рис. 6, а) общий макроконцентратор релаксирует путем сдвигов вдоль правой макрополосы локализованного сдвига2. Образец изгибается, и трехгранная призма между сопряженными макрополосами поворачивается по часовой стрелке. Вследствие ее взаимодействия с левой макрополосой локализованного сдвига вдоль последней возникает субполоса деформированного материала аккомодационной природы. Тонкая структура такой субполосы приведена на рис. 11: полоса фрагментируется квазипериодическими поперечными сдвигами, которые генерируются квази-периодическими концентраторами напряжений на границе раздела макрополосы локализованного сдвига и трехгранной призмы. Теория таких концентраторов напряжений на границе раздела между двумя нагруженными твердыми телами, испытывающими различную степень деформации, дана в [16]. Поворот трехгранной призмы вызывает появление в образце обратных мо-ментных напряжений (так называемых сил изображения), которые останавливают этот поворот.
На второй стадии (рис. 6, б) общий макроконцентратор напряжений релаксирует путем сдвига уже вдоль
2 Первая стадия может начаться со сдвигов как в правой, так и в левой макрополосе локализованного сдвига.
левой макрополосы локализованного сдвига. Фрагментированная субполоса испытывает пластическое течение путем смещений своих фрагментов друг относительно друга по схеме «сдвиг + поворот». Это сопровождается фронтальным расширением левой макрополосы в область смежной субполосы с поглощением последней, обеспечивая локальное удлинение образца и формирование шейки. Граница между левой макрополосой локализованного сдвига и трехгранной призмой смещается вправо. В то же время, трехгранная призма поворачивается в противоположную сторону (против часовой стрелки). Ее взаимодействие с правой макрополосой приводит к появлению вблизи последней смежной субполосы, которая фрагментируется квази-периодическими поперечными сдвигами. При этом в образце вновь возникают обратные моментные напряжения, которые останавливают поворот трехгранной призмы против часовой стрелки.
Третья стадия (рис. 6, в) снова связана со сдвигом вдоль правой макрополосы локализованного сдвига. При этом фрагментированная субполоса возле нее испытывает пластическое течение путем смещений своих фрагментов. Это сопровождается локальным удлинением материала в шейке образца вблизи правой макрополосы локализованного сдвига, и граница между правой макрополосой и трехгранной призмой смещается влево.
Указанный процесс циклически переключается с одной макрополосы локализованного сдвига на другую, обеспечивая, таким образом, протяженную стадию формирования шейки. Возможности уменьшения объема трехгранной призмы между двумя сопряженными макрополосами локализованного сдвига в конечном счете исчерпываются, что приводит к разрушению образца. В данном случае спаривание сопряженных макрополос локализованного сдвига вызывает объединение двух макровихрей от каждой из одиночных макрополос в один общий макровихрь. Последний локализуется в объеме трехгранной призмы между двумя макрополосами и обеспечивает осциллирующие повороты по механизму «локализованная фазовая волна переключений». Это приводит к чрезвычайно высокой пластичности деформируемого образца на стадии формирования шейки и обеспечивает вязкое разрушение материала.
Если связка сопряженных макрополос локализованного сдвига формируется на боковой поверхности, то объем материала трехгранной призмы между макрополосами мал. Действие фазовой волны переключений ограничено малой толщиной образца. Естественно, пластичность такого образца должна быть значительно ниже по сравнению со случаем 2, описанным в разделе 3.2.
Совершенно очевидно, что отклонение разделенных макрополос локализованного сдвига от сопряженных направлений максимальных тангенциальных напряже-
ний должно ослаблять эффективность фазовой волны переключений (раздел 3.4). В то же время, промежуточная макрополоса локализованного сдвига аккомодации между разделенными макрополосами локализованного сдвига способствует увеличению пластичности. Совместное действие этих двух механизмов обеспечивает более высокое значение пластичности (ер = 9-11 %), чем в случае, описанном в разделе 3.3. Однако, отсутствие падающего участка на кривой ст-е в рассматриваемом случае свидетельствует о том, что взаимодействие сильно разделенных макрополос локализованного сдвига не способно сформировать хорошо выраженную шейку.
Естественно ожидать, что квазиравномерное распределение спаренных сопряженных макрополос локализованного сдвига, их эволюция по схеме фазовой волны переключений могут обеспечить сверхпласти-ческое течение твердого тела. Этот механизм может быть ответственным за эффект сверхпластичности, обнаруженный в поликристаллическом сплаве Pb+62%Sn [9] и реализующийся в условиях развития полосовых структур, квазиравномерно распределенных в рабочей части деформируемого образца. Приведем в связи с этим полученные ранее результаты [14], которые убедительно подтверждают высказанное предположение.
На рис. 12 приведен пример полосовой мезосуб-структуры, возникающей в объеме проката (е = 60-80 %) аустенитного сплава на железной основе 36НХТЮ (36№СгПЛ1), который характеризуется сильновыражен-ной миграцией границ зерен. Эволюция данной полосовой мезосубструктуры при дальнейшей прокатке вызывает эффект сверхпластичности.
Анализ развития текстур деформации в [14] показал, что в ходе увеличения степени обжатия при прокатке изменения полярной плотности текстурных компонентов /1 {110} <100> и ^2(110} <112> проявляют четко
Рис. 12. Полосы локализованного сдвига в сплаве 36№СгПЛ1, прокатка при 293 К (е = 60-80 %). X 20 000 [14]
Рис. 13. Циклы изменения плотности микротекстурных компонент со степенью пластической деформации при прокатке сплава 36НХТЮ [14]
выраженный периодическии характер, сохраняя при этом полную синхронность. Так, например, с увеличением компонента {110} <112> компонент {110} <100> уменьшается, и наоборот (рис. 13). Этот взаимно коррелированный процесс периодически повторяется до степеней деформации е = 99.9 %. Наблюдается хорошая корреляция между осциллирующей природой процессов переориентации текстуры (рис. 13) и периодическим изменением микроструктуры, характеризуемым чередованием сдвигов в сопряженных системах скольжения (рис. 12) в ходе пластического течения. Это позволяет утверждать, что именно эволюция полосовой мезосубструктуры по схеме «фазовая волна переключений» обеспечивает сверхпластическое течение при прокатке сплава 36НХТЮ.
Как показано в [14], полюсные фигуры, соответствующие полосовой субструктуре, содержат недиагональные компоненты тензора деформации, которые отличны от нуля. Это означает, что во время сверхплас-тического течения в фазовой волне переключений превалируют ротационные моды деформации. Сдвиговые моды деформации следует при этом рассматривать как аккомодационный механизм деформации на более низком масштабном уровне. Это вполне естественно, так как полосовая мезосубструктура в прокатываемом ма-
териале формируется осциллирующими макроконцентраторами напряжений, возникающими на границе раздела «жесткий прокатный валок - деформируемый лист» из-за несовместности их деформаций. Связанные с макроконцентраторами моментные напряжения обусловливают доминирующий вклад поворотных мод деформации в пластическое течение.
В связи с этим важно подчеркнуть, что образцы материала, который проявлял сверхпластичность при прокатке, имели очень низкую пластичность при последующем растяжении [14]. Другими словами, для реализации фазовых волн переключений в структуре на рис. 12 принципиально необходимы концентраторы напряжений, возникающие на границе раздела «прокатный валок - деформируемый лист». Отсутствие таких концентраторов напряжений в условиях растяжения приводит к исчезновению сверхпластичности.
Пластическая деформация по механизму фазовых волн переключений связана с движением фрагментов полосовой мезосубструктуры как целое по схеме «сдвиг + поворот». При этом осциллирующие поворотные моды должны быть квазиоднородно распределены по всей рабочей части образца. Последнее условие является необходимым для получения эффекта сверхпластичности в условиях развития в деформируемом образце сопряженных макрополос локализованного сдвига. Прогрессирующее развитие поворотной моды деформации одного знака при ее локализации в одиночной макрополосе локализованного сдвига, распространяющейся через все сечение образца, неминуемо ведет к его разрушению.
5. Заключение
На основе анализа экспериментальных результатов, полученных в настоящей работе при растяжении крупнозернистых образцов кремнистого железа, а также известных литературных данных, дана классификация механизмов самоорганизации макрополос локализованного сдвига, ее влияния на пластичность материала и вид кривой «напряжение - деформация».
Определены четыре типа взаимодействия макрополос локализованного сдвига, ответственных за различные механизмы деформации и пластичность крупнозернистых поликристаллов кремнистого железа. Выяснено влияние на пластичность твердого тела самосогласованного развития макрополос локализованного сдвига, приводящего к взаимной компенсации их поворотных мод деформации различного знака.
Установлен новый механизм пластического течения, в основе которого лежит самоорганизация сопряженных макрополос локализованного сдвига по типу фазовой волны переключений. Обоснован тезис, что при самоорганизации макрополос локализованного сдвига по механизму фазовой волны переключений в условиях их
квазиравномерного распределения по всей рабочей части образца должна наблюдаться сверхпластичность типа [9]. Приведены результаты [14] такой сверхпластичности при прокатке сплава 36НХТЮ.
Наблюдаемые при растяжении мелкозернистых образцов кремнистого железа зигзагообразные макрополосы локализованного сдвига [12] есть результат самоорганизации сопряженных мезополос локализованного сдвига по механизму бегущих волн переключений.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, проект № 97-01-00586.
Литература
1. Essman U. Elektronenmikroskopische Untersuchung der Versetzung-
sanordnung verformter Kupfereinkristalle // Phys. Stat. Sol. - 1965. -V. 12. - No. 2. - P. 723-747.
2. Grewen J., Noda T., SauerD. Elektronenmikroskopische Untersuchung an Scherbandern // Zs. Metallk. - 1977. - V. 68. - No. 4. - P. 260265.
3. Malin A., Hubert J., Hatherley M. The microstructure of rolled copper
single crystals // Ibid. - 1981. - V. 72. - No. 5. - P. 310-317.
4. Harren S.V, Deve H.E., Asaro RJ. Shear band formation in plane strain compression // Acta Met. - 1988. - V. Зб. - No. 9. - P. 24З5-2480.
5. Morii K., Mecking H., Nakayama Y Development of shear bands in f.c.c. single crystals // Acta Met. - 1985. - V. 33. - No. 3. - P. 379386.
6. Засимчук Е.Э., Maркaшoвa Л.И. Mикрополоcы в монокристаллах никеля, деформированных прокаткой. - Киев, 1998. - Зб с. / Препринт Института металлофизики АН УССР М 2З.
7. Yeung W.Y., Duggan B.J. Shear band angles in rolled f.c.c.materials// Acta Met. - 1987. - V. 35. - No. 2. - P. 541-548.
8. Deve H., Harren S., McCullongh C., Asaro RJ. Micro and macroscopic aspects of shear band formation in internally nitrided single
crystals of Fe-Ti-Mn alloys // Acta Met. - 1988. - V. 36. - No. 2. -P. 341-365.
9. Zelin M.G.,MukherjeeA.K. Geometrical aspects of superplastic flow// Mater. Sci. Eng. - 1996. - V. A208. - P. 210-225.
10. Алъшиц В.И., Бережкова Г.В. О природе локализации пластической деформации в твердых телах // Сб. научи. трудов «Физическая кристаллография». - М.: Наука, 1992. - С. 129-151.
11. Panin V.E. Overview on mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids // Theor. & Appl. Fract. Mech. - 1998. - 30. - P. 112.
12. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995.- 297 с. и 320 с.
13. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. - 1998. - Т.1.- № 1. - С. 5-22.
14. Панин В.Е., Строкатов Р. Д. Динамика мезоскопической структуры и сверхпластичность аустенитных сталей и сплавов // Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Ред. В.Е. Панин. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т 1. -C. 208-240.
15. Панин В.Е., Сырямкин В.И. Дерюгин Е.Е. и др. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезо-уровне // Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под. ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т 1. - C. 176-194.
16. Гриняев Ю.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в упругонагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика. - 1978. -№ 12.- C. 95-101.
17. Panin V.E., Pleshanov VS., Kobzeva S.A. Formation of macroband structure in deformed welded joints in austenitic steels // Welding International. - 1997. - V. 11. - No. 9. - P. 732-734.
18. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Пинжин Ю.П. Активация и характерные типы дефектных субструктур мезоуровня пластического течения высокопрочных материалов // Физическая мезомехани-ка.- 1998. - Т. 1. - № 1. - С. 23-36.
19. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости, флуктуаций. - М.: Мир, 1973. - 280 с.
20. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. - М.: Наука, 1990. - 272 с.
