CC BY
39
Структурные уровни деформации внутреннеокисленной меди со слоистой внутренней структурой
М.П. Бондарь, C.B. Панин1, A.B. Коваль2, Е.С. Ободовский3
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия 3 Конструкторско-технологический институт гидроимпульсной техники СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC, а также оптической и электронной растровой микроскопии на мезомасштабном уровне прослежена эволюция деформационного поведения образцов внутреннеокисленной меди при статическом растяжении и сжатии. Показано, что характерными особенностями процесса деформирования исследуемого материала со слоистой внутренней структурой является возникновение полосовых структур на различных структурных уровнях. При этом на структурном уровне, соответствующем размеру субзерна (~ 1 мкм), лидирующим механизмом деформирования является ротационный, что связано с высоким сопротивлением субзерен распространению сдвигов. Для уровня, соответствующего исходной полосчатой структуре (шириной несколько десятков микрометров), лидирующим механизмом является формирование полос сброса, имеющих дисклинационный характер. На структурном уровне, соответствующем размеру всего образца (единицы миллиметров), лидирующим механизмом деформации является формирование тонких и грубых мезополос деформации, ориентированных вдоль направлений максимальных касательных напряжений.
1. Введение
Согласно представлениям, развиваемым в рамках методологии физической мезомеханики материалов, пластическая деформация в твердом теле представляет собой синергетический процесс, определяемый возникновением и релаксацией концентраторов напряжений, возникающих на неоднородностях внутренней структуры. Подобные неоднородности могут возникать как на стадии изготовления материала, так и в процессе его нагружения. Особый интерес представляют первые, поскольку именно создание особенностей внутренней структуры лежит в основе динамического компактиро-вания порошковых смесей [1-4]. В частности, этими методами получены плотные прочные компакты из внутреннеокисленной меди, имеющей небольшую разницу между величинами ст0 2 и ств [1, 2].
Такие компакты относятся к классу функциональных материалов, создание которых представляет большой практический интерес, поскольку за счет особенностей внутреннего строения и структуры обеспечиваются высокие эксплуатационные свойства изделий из них. Изделия из внутреннеокисленной меди, в частнос-
ти, обладают повышенными характеристиками газоабразивной износостойкости, жаростойкости и механической прочности [2]. Следует отметить, что применение прессования и последующего экструдирования в режиме молота (скорость деформации в обоих случаях составляла 0.5 с-1 — квазидинамический режим) для их получения определило высокую степень текстури-рованности внутренней структуры [1].
Представляет интерес исследовать поведение образцов с сильно неоднородной внутренней структурой в условиях приложения статических нагрузок типа растяжение/сжатие. Результаты исследований подобных материалов позволяют предполагать, что с самого начала нагружения в них должно происходить формирование мезообъемов, момент появления, а также форма и размеры которых должны хорошо коррелировать с параметрами элементов внутренней структуры.
Результаты подобных исследований, проведенных на образцах субмикрокристаллической меди при растяжении, показали, что в них формируются тонкие ме-зополосы локализованной деформации, практически мгновенно заполняющие всю рабочую часть образца
в Бондарь М.П., Панин С.В., Коваль A.B., Ободовский Е.С., 2003
[5]. Их развитие завершается формированием грубых макрополос и разрушением. Это определяет малую величину пластичности (не более 9-10 %). Ожидалось, что в образцах внутреннеокисленной меди, полученных квазидинамическим прессованием, также имеющих мелкозернистую структуру, одним из механизмов деформирования будет развитие мезо- и макрополос локализованной пластической деформации. В то же время, мелкозернистая структура материала при определенных условиях нагружения должна обеспечивать его высокую пластичность, а также прочность [6].
2. Материал и методика исследований
Исследования проводились на образцах внутренне-окисленного сплава Си - 0.4 % А1. В основу методики получения материала были положены результаты ранее проведенных исследований [1, 4]. Было показано, что фрагментация структуры в процессе больших высокоскоростных пластических деформаций наиболее активно происходит в ГЦК-материалах с высокодефектной исходной структурой при достижении значений 8 от 0.3 до 0.7. Эти результаты были учтены при получении материала из стружки внутреннеокисленного сплава Си - 0.4 % А1, основу которого представляет ГЦК-медь. Из стружки внутреннеокисленного сплава, толщина которой составляла 150 мкм, в прессовом режиме при комнатной температуре изготавливался брикет с плотностью, сохраняющей открытую пористость. Конечный материал в форме прутков получали путем двойного экструдирования: первое при Т = 1000 °С и 8 =0.5, второе при Т = 20 °С и 8 = 0.4. Скорость деформации в обоих случаях составляла 0.5 с-1 (квазидинамический режим), а конечные значения 8 попадали в интервал деформаций 8 ^ 0.3-0.7, определяющих максимальную фрагментацию структуры. После второго продавлива-ния микрозерна (субзерна) блоки имели размер = 1 мкм
[4].
Образцы для механических испытаний вырезались методом электроэрозионной резки. Для испытаний на сжатие они имели форму параллелепипеда размером 5x3x3 мм3, а для испытаний на растяжение — форму двусторонней плоской лопатки с размером рабочей части 17x2x1 мм3. Образцы для испытания в условиях статического растяжения изготавливались так, чтобы элементы исходной полосчатой структуры были ориентированы параллельно направлению нагрузки, прикладываемой во время эксперимента. При исследовании образцов в условиях статического сжатия внешняя нагрузка прикладывалась как перпендикулярно, так и параллельно направлению ориентации полос исходной структуры (рис. 1).
С помощью оптической микроскопии исследовался деформационный рельеф, формирующийся на боковых гранях рабочей части образцов. С использованием
оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC-1, принцип действия которого основан на корреляционном анализе оптических изображений поверхности, снимаемых двухэкспозиционным методом, строили поля векторов смещений [7]. Путем анализа построенных полей векторов смещений участков поверхности изучали характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне.
После испытаний на сжатие и растяжение проводились исследования микроструктуры образцов с помощью оптического микроскопа NEOPHOT-2 и высокоразрешающего растрового электронного микроскопа LEO (4 нм) на шлифах, протравленных стандартным травителем для меди: 10 % раствор персульфата аммония в спирте.
3. Результаты эксперимента
3.1. Макрокартина пластической деформации
На рис. 2 приведены кривые течения для исследованных образцов. Необходимо отметить четыре характерные особенности приведенных графиков.
Во-первых, высокие прочностные характеристики исследованного материала, напряжение деформирования которого составляет, в зависимости от схемы испытаний и направления приложения нагрузки, 550650 МПа.
Во-вторых, отсутствие деформационного упрочнения при нагружении как сжатием, так и растяжением, независимо от направления приложения к образцам нагрузки при сжатии.
В-третьих, малая пластичность образцов при испытаниях в условиях растяжения, а также достаточно протяженная стадия формирования шейки (рис. 2, кривая 1). При деформации сжатием образцов обоих типов обнаружена достаточно высокая пластичность.
В-четвертых, близкое подобие кривых течения для сжатия при приложении внешней нагрузки как параллельно, так и перпендикулярно направлению ориентации полос исходной структуры (рис. 2, кривые 2, 3).
Последующий анализ особенностей развития пластической деформации в образцах проводили путем оп-
Рис. 1. Схематическое изображение образцов для испытаний в условиях сжатия в направлении, параллельном (а) и перпендикулярном (б) ориентации границ исходных структурных элементов
Рис. 2. Кривые течения образцов, испытанных в условиях растяжения (1), а также сжатия в направлении, параллельном (2) и перпендикулярном (3) ориентации границ исходных структурных элементов
тико-телевизионных исследований с учетом ориентации границ элементов внутренней структуры относительно направления приложенной нагрузки.
3.2. Статическое растяжение
На начальных стадиях нагружения на поверхности образцов наблюдалось появление протяженных полос-складок, длина которых составляет сотни микрометров (на рис. 3, а обозначены стрелками). Их формирование, по всей видимости, связано с образованием в процессе изготовления в исследуемых образцах полосчатой структуры. С увеличением уровня внешней нагрузки на поверхности образца появлялось значительное количество тонких макрополос локализованной пластической деформации, ориентированных вдоль направлений максимальных касательных напряжений. Этот рельеф формируется по всему поперечному сечению образца, образуя специфическую деформационную мезострук-туру (рис. 3, а). С увеличением степени деформации как полосы-складки, так и макрополосы локализованной пластической деформации становятся более выраженными, что в наибольшей степени проявляется в области формирования шейки, которая на рис. 3, б ха-
рактеризуется малой отражательной способностью. Распространение магистральной трещины в шейке при разрушении образца происходит вдоль макрополос под углом 45 ° к направлению приложения нагрузки.
3.3. Статическое сжатие параллельно исходной полосчатой структуре
При сжатии образцов, у которых границы исходных структурных элементов были ориентированы параллельно направлению внешней нагрузки, наблюдалась следующая картина. На начальных этапах нагружения деформационный рельеф на поверхности имел вид тонких мезополос локализованной деформации, распространяющихся через большое количество структурных элементов в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений (рис. 4, а). Наличие исходной полосчатой структуры деформируемого материала, которое совпадало с направлением приложения внешней нагрузки, проявлялось в виде формирования протяженных продольных складок, обозначенных на рис. 4, а стрелками. Формирование таких складок проявлялось и на полях векторов смещений, при этом им соответствовали границы между областями, каждая из которых характеризовалась преимущественным направлением векторов смещений (на рис. 4, б такие области, различающиеся по значению 7-составляющей векторов смещений, разделены пунктирными линиями).
С увеличением степени деформации все отчетливее проявлялось бочкообразное изменение формы образца. При этом на оптических изображениях наблюдается формирование грубых мезополос локализованной деформации (рис. 5, а), что отчетливо видно и на картинах распределения векторов смещений (рис. 5, б). Характерно, что границы грубых мезополос на изображениях совпадают с направлением мезобъемов, выявляемых на соответствующих полях векторов смещений. Подобные мезополосы наиболее выраженно проявляются в области максимального формоизменения образца и распространяются от его ребер, формируя соответствующую де-
Рис. 3. Деформационный рельеф, сформировавшийся на начальных этапах растяжения (а) и перед разрушением в области шейки (б) на боковой грани; 8 ~ 3 (а) и 9 % (б)
Рис. 4. Формирование на поверхности образца деформационного рельефа в виде системы тонких мезополос, а также продольных складок (показаны стрелками), ориентированных в направлении приложения внешней нагрузки, 8 = 6 %
формационную структуру (на рис. 5, а грубые мезопо-лосы показаны стрелками). Можно говорить о том, что исходная полосовая структура «текстурирует» сдвиги, генерируемые максимальными касательными напряжениями.
По мере увеличения степени деформации количество и размер грубых мезополос и продольных складок увеличивалось. При этом первые развивались преимущественно от ребер образцов, в то время как вторые формировались, в основном, ближе к середине граней образца. На рис. 6, а приведен монтаж оптических изображений образца, деформировавшегося в условиях сжатия параллельно оси прутка, снятый в области максимального формоизменения. Показанное изображение свидетельствует о том, что характерными элементами деформационной мезоструктуры в случае сжатия параллельно исходной полосчатой структуре являются продольные полосы-складки, а также тонкие и грубые мезополосы (первые обозначены на рис. 6, а стрелками).
Следует также отметить, что в процессе деформирования образца по данной схеме его формоизменение происходило равномерно в обоих направлениях (перпендикулярных направлению сжатия) в течение всего времени нагружения. При этом на боковых гранях образца (в центральной, максимально деформированной части каждой из них) наблюдалось формирование трещин, распространяющихся в виде «креста» по макрополосам локализованной пластической деформации (более подробное описание приведено в разделе 3.5).
3.4. Статическое сжатие перпендикулярно исходной полосчатой структуре
При сжатии образцов, в которых границы структурных элементов были ориентированы перпендикулярно направлению внешней нагрузки, уже на начальном этапе нагружения было отмечено развитие пластической деформации на мезомасштабном уровне. Об этом свидетельствует развитие выраженных полос локализованной деформации, распространяющихся через боль-
Рис. 5. Образование грубых мезополос локализованной пластической деформации: оптическое изображение (а) и соответствующее поле векторов смещений (б), 8 = 20 %
Рис. 6. Бочкообразное формоизменение образцов в процессе сжатия при приложении нагрузки параллельно (а) и перпендикулярно (б) границам исходных структурных элементов; 8 = 16 (а); 22 % (б)
шое количество элементов внутренней структуры (на рис. 7, а такие мезополосы показаны стрелками). Полосы локализованной деформации ориентированы, в основном, вдоль сопряженных направлений максимальных касательных напряжений. С увеличением степени деформации (8 ~ 8-10 %) при анализе полей векторов
смещений удается выявить возникновение протяженных мезообъемов, также преимущественно ориентированных в направлении максимальных касательных напряжений (рис. 7, а, б). Это видно из распределения X- и 7-составляющих векторов смещений (рис. 7, в, г), показывающих, что границы между подобными мезо-
Рис. 7. Оптическое изображение поверхности боковой грани образца (а), соответствующее поле векторов смещений (б) и распределение значений X- (в) и 7-составляющих (г) векторов при сжатии перпендикулярно исходной полосчатой структуре образца; 8 = 10 %
Рис. 8. Оптическое изображение поверхности боковой грани образца, соответствующее поле векторов смещений (б) и распределение значений X- (в) и 7-составляющих (г) векторов при сжатии перпендикулярно исходной полосчатой структуре образца; 8 = 17 %
!!!!!! Г ff ! ! f s ^.'S,'**-----
а ижй г'7 "' " " "
'ivrrih'rj !'?!/,//
объемами на данной стадии развития деформации параллельны и ориентированы под углом ~ 45° к направлению приложения внешней нагрузки.
При увеличении степени деформации мезополосы на поверхности становились все более выраженными, хотя их ориентация при этом уже не совпадала с направлением максимальных касательных напряжений. Последнее, по всей видимости, связано с текстури-рованностью образца и проявлением этого в процессе его формоизменения. Соответственно изменялся и вид полей векторов смещений (рис. 8, б), а также картин распределения значений их X- и 7-составляющих (рис. 8, в, г). При сохранении параллельности границ между областями с одинаковыми X- и 7-состав-ляющими векторов их ориентация относительно направления сжатия изменялась для первых до угла 90° (рис. 8, в), в то время как для вторых это значение при 8 = 17 % составляло 20° (рис. 8, г).
Подобный характер развития пластической деформации предопределил и вид деформационного рельефа при больших степенях деформации. На рис. 6, б приведен монтаж оптических изображений образца, деформировавшегося в условиях сжатия перпендикулярно оси прутка, полученный в области максимального формоизменения. Видно, что характерными элементами деформационной мезоструктуры в случае сжатия перпен-
дикулярно исходной полосчатой структуре являются грубые мезо- и макрополосы (рис. 6, б, описание см. ниже в п. 3.5).
3.5. Исследование структуры
Отмеченные ранее четыре характерных особенности, выявленные в результате механических испытаний, определили необходимость исследования микроструктуры в образцах после нагружения с целью понимания полученных результатов. Информация о процессах на мезо- и макроуровнях может быть получена в ходе металлографических исследований при травлении образцов после нагружения в виде специфической картины неоднородности пластической деформации при травлении. Последовательность описания результатов структурных исследований образцов соответствует использовавшейся при описании результатов по механическим испытаниям.
На рис. 9, а представлена фрактограмма разрушенного при растяжении образца, показывающая смешанный, больше вязкий, чем хрупкий, характер разрушения. На рис. 9, б, в показаны микроструктуры полированной и протравленной поверхности этого образца: у места разрушения и на расстоянии ~ 1 мм от места разрушения. В зависимости от соотношения кристаллической ориентации исходных элементов полосчатой
структуры и направления растяжения в части элементов наблюдаются полосы сдвига. Границы элементов полосчатой структуры являются местами зарождения ме-зополос, направленных под углом 45° по отношению к направлению растяжения (рис. 9, в). Кроме того, на границе элементов исходной фракции с существенной раз-ориентацией, определяющей несовместность степени их деформируемости, образуются микротрещины (на рис. 9, в обозначена стрелкой), причем их число увеличивается по мере приближения к месту разрушения.
При приближении к месту разрушения, в области образования шейки, результат сдвиговой деформации проявляется в виде пачек скольжения, распространяющихся по нормали к оси растяжения (рис. 9, б). Подобные пачки полос скольжения имеют S-образную форму, и подобное их отклонение от прямолинейной формы отражает смещение полос исходной структуры друг относительно друга. В этом случае можно говорить о развитии сдвигов в условиях действия на внутренних границах раздела моментных напряжений. В этих местах начинается разрушение (рис. 9, б). Как видно из рис. 9, б, в, описанная трансформация в развитии сдвиговой деформации происходит лишь в локальной области шейки. Именно процессы в шейке определяют при нагружении растяжением достаточно протяженный
падающий участок кривой течения (рис. 2), а также картину разрушения (рис. 9, а, б).
На рис. 10 показана микроструктура образцов, подвергнутых сжатию при нагружении, параллельном оси прутка. В плоскости, перпендикулярной направлению нагружения, можно выделить три области, имеющие различную характерную структуру (рис. 10, а):
- центральную, отличающуюся равноосностью зерен;
- периферийную — пористую, с существенно меньшим размером зерна и трещинами в центре каждой из сторон;
- соединяющую их область с явно полосчатой структурой.
На рис. 10, б представлена структура боковой поверхности (параллельной направлению нагружения), бочкообразность текстурированных полос исходной структуры которой подобна структуре волокнистых материалов. Полосы у внешних краев плоскости испытывают больший изгиб, вытягиваются и заметно утоняются. Характер изменения их кривизны определяет соотношения между размерами трех характерных областей, представленных на рис. 10, а. После нагружения сжатием в каждом фрагменте структуры наблюдается свой набор систем скольжения. Возникающие неодно-
Рис. 10. Структура образца после сжатия при нагружении, параллельном оси прутка: центральное сечение (плоскость А) (а); боковая поверхность, параллельная направлению нагружения (плоскость В) (б); структура искривленных в форме бочки полос, снятая в плоскости В вблизи центрального сечения (в); схема наблюдения при структурных исследованиях (г). х20 (а); х30 (б); Х500 (в)
родности, как правило, сосредоточены у границ полос исходной структуры. Структура искривленных в форме бочки полос у края центрального сечения приведена на рис. 10, в. Следует особо отметить, что границы полос исходной текстурированной структуры являются местами зарождения мезополос, распространяющихся в направлении максимальных касательных напряжений и фрагментирующих исходный материал.
На рис. 11 показано изменение тонкой структуры на боковой поверхности (плоскость В) образца от центра к краю грани. В центре наблюдается фрагменти-рованная структура (рис. 11, а), размер некоторых из фрагментов не превосходит 0.5 мкм, их форма в большой степени определена исходной структурой прутков. Другая структура сформирована в полосах исходной структуры, претерпевших изгиб-растяжение. Ориентация сдвигов и форма самих фрагментов характеризуются четкой направленностью, определенной как исходной структурой, так и деформационным состоянием. В местах, где исходная полосчатая структура претерпе-
ла наибольший изгиб, наблюдается фрагментация блоков исходной структуры полосами сброса (рис. 11, б). У ряда полос сброса видно увеличение количества полос сдвига. Такой тип взаимодействия полос сдвига с полосами сброса указывает на дисклинационную природу последних. Это, в свою очередь, показывает, что исходная фрагментированная структура способствует развитию ротационно-сдвигового механизма пластической деформации. На рис. 11, в видно, что нескомпен-сированные повороты на границах блоков с большой разориентацией приводят к зарождению микротрещин. По мере приближения к краю (в середине грани) образца, к местам с большей величиной деформации, количество микротрещин увеличивается, растет их размер и соответственно количество образовавшихся микро-пор (рис. 11, г), что проявляется в уменьшении размера зерна, регистрируемом на оптических микроструктурах (периферийная область на рис. 10, а). Слияние микротрещин в местах с наибольшей деформацией в ««бочке» приводит к раскрытию трещин, выход которых на по-
Рис. 11. Изменение тонкой структуры, снятое в плоскости В ближе к центральному сечению от центра к краю (ребру) боковой грани: фрагментированная структура в центре (а); фрагментация блоков исходной структуры полосами сброса (б); зарождение микротрещин на границах блоков с большой разориентацией (в); развитие микропор вблизи ребра образца в середине грани В (г)
верхность наблюдается на каждой из четырех боковых граней образцов, подвергнутых сжатию (см. рис. 10, а).
На рис. 12, а представлена микроструктура торцевой поверхности образца (плоскость С на рис. 12, в), подвергнутого сжатию в направлении, перпендикулярном оси прутка. Видна однонаправленная полосчатость, переходящая в пористые слои у обоих краев рассматриваемой поверхности. Ширина этих слоев несколько увеличивается в центральной части поверхности. Форма боковых (свободных) поверхностей представляет несколько «вогнутую бочку» со сторон выхода полос (плоскость D) и выпуклую со сторон с их параллельным расположением (плоскость Е). На последних микроструктура в целом по образцу сохраняет полосчатость, характерную для исходного состояния, с искривлением полос вблизи поверхностей нагружения (плоскость С) (рис. 12, б). В центре всех свободных поверхностей наблюдаются макротрещины. На поверхностях, представляющих собой поперечное сечение прутка (плоскость Е) имеются выходы макротрещин, разделяющих эти грани на две равных части, примыкающие к торцевым поверхностям (плоскость С). На боковых поверхностях с параллельным расположением полос (плоскость D) трещины сходятся в центре грани в виде креста, подобно тому, как это происходит на свободных гра-
нях при нагружении, параллельном оси прутка (плоскость В). Каждая из трещин расположена под углом =45° к ребру грани.
Для изучения процессов, приводящих к образованию макротрещин, на нетравленых шлифах исследовалась тонкая структура граней, представляющих собой поперечное сечение полос исходной структуры (плоскость Е). Именно исследование характера образования трещин на этих гранях представляло большой интерес в связи с однотипным расположением полос исходной структуры в них, подобным для образцов, испытанных на растяжение. В последних образование микротрещин происходило по границам полос исходной структуры. Казалось очевидным, что интенсивность зарождения микротрещин при приближении к краям граней должна увеличиваться и привести к образованию пористого слоя, как это видно на рис. 12, а.
Действительно, на рис. 13, а видны следы интенсивного пластического течения в отдельных элементах поперечного сечения исходной полосчатой фракции (плоскость Е). Системы сдвигов, характерные для каждого элемента исходной структуры при выходе на внешнюю поверхность формируют четкий рельеф. Видно, что наиболее интенсивная пластическая деформация наблюдается по контактным границам исходной полос-
m
Рис. 12. Микроструктура торцевой поверхности образца (плоскость С), подвергнутого сжатию в направлении, перпендикулярном оси прутка (а); изображение боковой (свободной) поверхности (плоскость D) в виде «вогнутой бочки» (б), снятое в месте соприкосновения с торцевой гранью; схема съемки изображений (в). х20 (а); х500 (б)
чатой структуры. Несовместность направлений развитой сдвиговой деформации в соседних фрагментах, что хорошо видно на рис. 13, б, приводит к образованию микротрещин, которые направлены под разными углами к границам исходной структуры. Их общее развитие, определенное направлением максимальных сдвиговых напряжений, вероятно, приводит к их объединению в макротрещину, наблюдаемую в центре грани.
Исследовалось также изменение микроструктуры при зарождении макротрещин вблизи центра образца в плоскости, представляющей продольное расположение полос исходной структуры прутка (плоскость D). Микроструктура исследовалась на полированных протравленных шлифах. На рис. 14, а показано изображе-
ние структуры в центре, а на рис. 14, б — на расстоянии ~1 мм от края грани образца. На рис. 14, б видно, что фрагменты исходной структуры разделены мезополо-сами, направленными под углами, близкими к 45° к направлению приложения нагрузки (показано стрелкой). Судя по направлению сдвигов относительно этих полос, можно предположить, что они являются полосами сброса. На рис. 14, в показана микроструктура в области зарождения макротрещины. Видна преимущественная направленность сдвигов в сторону свободной поверхности, а также образование пачек скольжения, подобных тем, которые образуются вблизи от места разрушения образцов, испытанных при растяжении (рис. 9, б). На рис. 14, в видны очаги разрушения, определяющие
Рис. 13. Пластическое течение в отдельных элементах поперечного сечения исходной фракции (плоскость Е) (а); образование микротрещин, направленных под разными углами к границам полосчатой структуры (б)
Рис. 14. Изменение микроструктуры в центральной плоскости залегания макротрещин (плоскость D): в центре грани (а); в области на расстоянии ~ 1 мм от края грани (б); в области образования трещины (в)
высокую микропористость по краям (рис. 12, а). В месте образования трещины (рис. 14, в) видна характерная структура поверхности разрушения, практически тождественная той, которая наблюдалась у места разрушения образцов, испытанных на растяжение (рис. 9, в).
4. Обсуждение результатов
4.1. Влияние структуры, возникшей на этапе изготовления образцов
Высокие прочностные характеристики образцов внутреннеокисленной меди, выявленные в настоящем исследовании, обусловлены, в первую очередь, особенностями исходной внутренней структуры. Использование квазидинамического метода изготовления материала определило большую степень фрагментации зерен в частицах прессуемой фракции (стружки в брикете), размер фрагментов-блоков (микрозерен) составлял ~0.5 мкм. Высокая прочность ав = 500-650 МПа (значение прочности этого материала в форме внутренне-окисленной фольги толщиной ~1 мм не превышает 400 МПа [8]) определена, в первую очередь, микрокристаллической структурой испытуемого материала.
Дополнительную концентрацию напряжений в исследуемом материале при всех использованных типах нагружения обеспечивают контактные границы исход-
ной полосчатой структуры, которые имеют наибольшую внутреннюю энергию. Последнее определено кинетикой процесса внутреннего окисления: на поверхности окисляемого объема образуются частицы наименьшего размера с минимальным расстоянием между ними [9]. Кроме того, это связано также с тем, что при изготовлении материала образование связи определяется, в частности, локализацией деформации по границам исходной полосчатой структуры. Градиент сдвиговой деформации при переходе от контактной границы к центру соединяемых частиц влияет на характер фрагментации структуры по их объему, в области контактов размер частиц — наименьший [3]. Созданное таким образом более высокое энергетическое состояние контактных границ, а также накопленная кристаллографическая разориентация на протяженных участках, связанных с геометрией исходной фракции (стружки), определяют при последующем нагружении возникновение осцилляций локальных напряжений по внутренним границам раздела полосчатой структуры.
Следует отметить особенности структуры исследуемого материала, определившие отсутствие упрочнения. Ранее [10] было показано, что на процесс упрочнения внутреннеокисленных сплавов большое влияние оказывает объемная доля частиц окислов, определяющая уровень внутренних напряжений. Исследуемый материал
имеет высокую внутреннюю энергию, созданную как процессом внутреннего окисления, так и микрокристаллической структурой, сформированной при его изготовлении. Высокая степень фрагментации структуры при ее формировании квазидинамическим методом определила указанное выше значение прочности. Геометрическая текстура, созданная в процессе изготовления материала, вместе с его внутренней структурой и особенностями на границах соединения не изменили свойственную для этого материала степень пластичности. Низкие показатели пластичности характерны для внут-реннеокисленных сплавов, в которых упрочнение создается мелкодисперсной фазой, в нашем случае частицами окислов А1203 размером ~30 нм с расстоянием между частицами ~ 100 нм [9]. Именно исходная фраг-ментированная микрокристаллическая структура, созданная квазидинамическим методом, определила наблюдаемый в настоящем исследовании запас пластичности за счет развития ротационно-сдвигового (в большей степени ротационного) механизма пластического течения. Неустойчивость этого процесса сопровождается образованием полос локализованных сдвигов, разделяющих материал на мезообъемы. Деформирование образцов происходит практически при одном и том же значении напряжения нагружения, т.е. без упрочнения (см. рис. 2), что подтверждает ротационный (недислокационный) механизм развития пластического течения.
Полученные равные значения величин напряжений деформирования для образцов, подвергнутых сжатию в направлениях, параллельном и перпендикулярном оси прутка, характерны, как правило, для изотропных материалов. Эти результаты, как и характер формируемой структуры образцов, подвергнутых сжатию в каждом из направлений, подтверждают то, что природа текстуры исходного материала является действительно геометрической. Определено это тем, что исходный материал для получения компактов имел форму стружки толщиной 150-200 мкм. В процессе получения прутков элементы исходной стружки оказались ориентированы вдоль оси прутка, при этом сохранялась его однородная высокостабильная кристаллическая структура по объему, сформированная в процессе внутреннего окисления, проведенного при 950 °С. Это очевидно из обнаруженной в работе общности структур, сформировавшихся при продольном и поперечном деформировании исходных прутков (рис. 9, в, 11, б, г, 14, в).
Существенное влияние на характер деформации материала и соответственно прочность оказало создание текстуры, определенное как особенностями изготовления прессуемого брикета, так и методом получения материала. Наблюдаемая несовместность деформации на границах исходных полос в материале приводит к образованию микротрещин (рис. 9, в, 11, г). Однако благодаря мелкозернистости исходной структуры протяженность областей с большой разориентацией микрозерен
незначительна и не представляет опасности для перерождения их в макротрещины при небольших степенях деформации даже в условиях растяжения (рис. 9, в).
4.2. Структурные уровни развития деформации при нагружении
Характерной особенностью исследованного материала является развитие пластической деформации на мезомасштабном уровне с самого начала его нагруже-ния. Данный факт обусловлен наличием нескольких структурных уровней развития деформации:
- наименьший структурный уровень деформации связан с наличием дисперсных частиц окислов А1203, действующих при нагружении в роли распределенных концентраторов напряжений;
- микрозерна являются структурными элементами в составе полосчатой структуры, реализующими ротационную моду деформации;
- протяженные границы раздела слоистой структуры создают при нагружении квазиравномерно распределенные концентраторы напряжений во всем объеме материала, что обеспечивает фрагментацию полосчатой структуры на более низком масштабном уровне как аккомодационный процесс;
- границы полос исходной структуры представляют своего рода барьеры при распространении мезополос и также оказывают влияние на величину прочности конечного материала;
- высокая плотность тонких мезополос и их объединение в макрополосы отражает формирование в деформируемом образце новых более эффективных путей релаксации напряжений и имеет место лишь при больших значениях деформации (рис. 6).
В итоге в материале в процессе его получения и последующего деформирования создается развитая иерархия структурных уровней пластической деформации, которые обеспечивают самосогласованное пластическое течение всего объема материала.
Структурные уровни потери сдвиговой устойчивости при нагружении исследованного материала могут быть представлены в следующем виде. Формирование мезополос в масштабе поперечного сечения образца под действием ттах (оптико-телевизионные данные) дает продольную составляющую сдвига, которая приводит к продольным смещениям по границам исходной полосчатой структуры. Это обусловливает качественно новый характер напряженно-деформированного состояния: сдвиги в условиях приложения моментных напряжений. Этим определяется ротационно-сдвиговая деформация на мезоуровне субзерен. Последняя вызывает возникновение микропор, что обеспечивает эффективную релаксацию микроконцентраторов напряжений. Этим также может быть объяснено отсутствие деформационного упрочнения и вязкий характер разрушения.
4.3. Различие характера развития деформации при различных схемах нагружения
Необходимо отметить изменения в формируемой структуре по длине образцов, испытанных на растяжение и при переходе от центра к свободным (боковым) граням в образцах, подвергнутых сжатию. Во-первых, финалом таких изменений является разрушение, во-вторых, — образование трещин, завершающееся полным конечным растрескиванием. Вдоль образцов, испытанных на растяжение, наблюдались полосы сдвига (рис. 9, в), ориентированные вдоль направления максимальных касательных напряжений. При приближении к месту разрушения появляются и растут в числе мезо-полосы в направлениях максимальных сопряженных сдвиговых напряжений. По мере приближения к шейке направление сдвигов меняется. В месте шейки направление сдвигов становится перпендикулярным приложенным напряжениям, происходят «слоистые» сдвиги в форме пачек скольжения, по большинству из которых виден разрыв (рис. 9, б), определяющий смешанный характер разрушения. Данный результат достаточно хорошо согласуется с данными, полученными с помощью оптико-телевизионных измерений на более высоких структурных уровнях.
Характер изменения микроструктуры в образцах, подвергнутых сжатию вдоль двух направлений, имеет общие черты с характером эволюции микроструктуры образцов, подвергнутых растяжению. С ростом деформации от центра к боковым граням меняется как количество сдвигов и микротрещин, так и их ориентация, которые в большой степени определяются градиентом деформации в полосах исходной структуры. Здесь важным элементом в характере развития макротрещин является направление выхода исходных полос на грани, которое также определяет резкое изменение в конечной микроструктуре. При сжатии в обоих направлениях отмечено появление на гранях пористой структуры. В образцах с направлением сжатия, параллельным оси исходных прутков, эта структура наблюдалась на всех четырех гранях (плоскость В на рис. 10, г), представляющих стороны «бочки», с макротрещинами в центре граней (рис. 10). В образцах, сжатых перпендикулярно оси, заметная часть объема, занятая пористой структурой, наблюдалась на гранях, представляющих выход поперечных сечений полос исходной структуры (плоскость Е на рис. 12, в). Приведенные результаты исследования тонкой микроструктуры после нагружения показали, что в образцах имеются микротрещины, количество которых растет с ростом деформации от центра к поверхностям граней. Наибольший рост деформации, определенный как условиями сжатия, так и особенностями напряженного состояния, обусловленного также и исходной структурой прутков, происходит в центре граней и определяет движение микротрещин к центру и их объединение в макротрещины.
5. Заключение
Полученные в работе результаты позволили сделать следующие заключения.
1. Высокая степень структурной неоднородности исследованного материала, заложенная на этапе его изготовления, обеспечивает его высокие механические характеристики. При последующем деформировании в материале создается развитая иерархия структурных уровней пластической деформации, которые обеспечивают самосогласованное пластическое течение всего объема материала.
2. Развитие пластической деформации на мезомасш-табном уровне с самого начала нагружения связано с созданием микрозернистой структуры, что привело к реализации ротационно-сдвигового механизма деформации, в конечном результате недислокационного, и обеспечило существенное повышение прочности. Недислокационный механизм деформирования, связанный, в том числе, с развитием микропористости, определил достаточно заметную величину пластичности для внутреннеокисленного сплава с микрозернистой структурой и форму кривых ст-е, демонстрирующих отсутствие упрочнения.
3. Высокое энергетическое состояние на границах полос исходной текстурированной структуры, созданное при изготовлении материала, и несовместность пластического деформирования элементов полосчатой структуры обусловили возникновение осциллирующих концентраторов напряжений, релаксирующих при малых и средних значениях деформации зарождением ме-зополос локализованной деформации как аккомодационного механизма.
4. По мнению авторов развитие микротрещин связано с малой величиной сдвиговой деформации, ограниченной как наличием частиц упрочняющей фазы, так и полосчатостью исходной структуры, что наиболее ярко выражено на контактных границах полос исходной структуры.
5. Результаты оптико-телевизионного исследования формирования полосовых деформационных структур и картины распределения векторов смещения на разных этапах развития деформации с большой точностью отражают изменения внутренней структуры в процессе деформирования.
Благодарности
Работа выполнена в рамках Интеграционного проекта СО РАН № 45 «Разработка принципов мезомеха-ники поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на ее основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники», а также при частичной финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН и УрО РАН.
Литература
1. Бондарь М.П. Структурообразование и свойства материалов, создаваемых высокоскоростными методами // Физ. мезомех. - 2000. -Т. 3. - № 6. - С. 75-87.
2. Бондарь М.П., Ободовский Е.С., Рычков В.Н., Топчиян М.Е. Особенности поведения дисперсно-упрочненной меди при импульсных высокотемпературных и силовых циклических нагружениях // Физика горения и взрыва. - 2000. - Т. 36. - № 4. - С. 140-143.
3. Бондарь М.П. Исследование соединений на контактах металлических поверхностей, созданных динамическими методами // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 6. - С. 67-75.
4. Бондарь М.П. Эволюция микроструктуры при динамическом на-гружении материалов // Физика горения и взрыва. - 2002. - Т. 38.-№ 2. - С. 125-134.
5. ПанинВ.Е., ДеревягинаЛ.С., ВалиевР.З. Механизм локализованной
деформации субмикрокристаллической меди при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 89-95.
6. Бондарь М.П., Тесленко Т.С. Влияние степени дефектности исход-
ного материала на деформационную структуру, формируемую при взрывном коллапсе полых толстостенных цилиндров // Физика горения и взрыва. - 1997. - Т. 33. - № 6. - С. 108-120.
7. Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Парфенов A.B., Не-рушГ.В., Панин C.B. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезоуровне // Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 176194.
8. Бондарь М.П., Войцеховский Б.В., Ободовский Е.С., Харченко B.A.
Исследование физико-механических свойств внутреннеокислен-ной меди, полученной горячим выдавливанием // Динамика сплошной среды. - Новосибирск, 1972. - Вып. 10.
9. Бондарь М.П., Губарева Н.В., Тесленко Т.С. Формирование структуры зоны внутреннего окисления в сплавах на медной основе // Изв. вузов. Физика. - 1975. - № 5.
10. Бондарь М.П., Симонов B.A. Исследование стабильности остаточных изменений в структуре и свойствах внутреннеокисленных сплавов после нагружения плоскими ударными волнами // Shockwaves and high-strain-rate phenomena in metals. - New York: Plenum Press, 1981.
11. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов // Изв. вузов. Физика. - 1995. - № 11. - С. 6-25.
Structural levels of deformation of internally oxidized copper with layered internal structure
M.P. Bondar, S.V. Panin1, A.V. Koval2, and E.S. Obodovskii3
M.A. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia 1 Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 2 Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634034, Russia 3 Engineering and Design Institute of Hydro-Pulse Technologies, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia
The mesolevel evolution of deformation behavior of specimens made from internally oxidized copper was studied in static tension and compression using the television-optical measuring complex TOMSC and optical and scanning electron microscopy. Appearance of band structures at different structural levels was demonstrated to be the characteristic feature of deformation of the investigated material with layered internal structure. At the structural level corresponding to the subgrain size (~ 1 |xm) the major deformation mechanism is rotational, which is due to high subgrain resistance to shear propagation. At the structural level associated with the initial band structure (a few tens of micrometers in width) the major mechanism is the formation of kink bands of a disclination character. At the structural level corresponding to the whole specimen size (several millimeters) the major deformation mechanism is the formation of fine and coarse deformation mesobands in the direction of maximum tangential stresses.
