Влияние концентраторов напряжения на подавление током прерывистой деформации в сплаве АМг5 Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.374

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1436-1439

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОДАВЛЕНИЕ ТОКОМ ПРЕРЫВИСТОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СПЛАВЕ АМг5

© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, М.А. Желтов, А.А. Денисов, В.В. Ивановский

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,

e-mail: Shibkov@tsu.tmb.ru

Экспериментально исследовали влияние электрического тока на полосообразование и прерывистую деформацию плоских образцов алюминий-магниевого сплава АМг5, ослабленных отверстиями. Установлено, что концентрация упругих напряжений и автолокализованной неустойчивой пластической деформации вблизи отверстия уменьшает критическую деформацию появления первого деформационного скачка и препятствует подавлению током полосообразования и прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье. Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация; электропластический эффект.

Многие высокотехнологичные промышленные алюминиевые сплавы демонстрируют прерывистое пластическое течение, известное как эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ), и связанное с этим эффектом образование и распространение полос макролокализо-ванной деформации [1]. Домен эффекта ПЛШ строился, как правило, в терминах влияния на характеристики прерывистой деформации температуры испытания, скорости деформирования, размера зерна [2] и т. д. Систематических исследований влияния внешних технологически важных воздействий на эффект ПЛШ ранее не проводилось. В настоящей работе экспериментально исследуется влияние концентраторов упругих напряжений и электрического тока на явление подавление током полосообразования и прерывистой деформации алюминий-магниевого сплава АМг5, демонстрирующего эффект ПЛШ при комнатной температуре. В качестве концентратора упругих напряжений и электрического тока использовали небольшое отверстие, расположенное на оси растяжения плоского образца.

Материалом исследования служил промышленный сплав АМг5 (Al-5,35 % Mg-0,41% Mn), применяемый при производстве летательных аппаратов и автомобилей. Образцы, вырезанные из холоднокатаного листа, имели форму двухсторонних лопаток с размерами рабочей части 6 х 3 х 0,5 мм с круговым отверстием в центре рабочей части, диаметр которого варьировали от 0,5 до 1,0 мм. Образцы отжигали в течение 1 ч при температуре 450 °С и закаливали на воздухе. После термообработки размер зерна составил 10-12 мкм. Использовали режим деформирования в жесткой испытательной машине Instron 3344 со скоростью ¿0 = 3 -10~3 с-1. Оптический in situ мониторинг деформационных полос и трещин проводили с помощью скоростной цифровой видеокамеры VS-FAST/G6 (НПО «Видеоскан») со скоростью 500 кадр/с.

В ходе растяжения по образцу пропускали постоянный ток от низковольтного (5 В) источника постоян-

ного тока SE-600-5 с использованием балластного реостата РБ-306П. Для охлаждения образца с током использовали массивные дюралюминиевые стержни, которые электрически изолировали от испытательной машины с помощью захватов из плавленого кварца. Картину теплового поля в окрестности отверстия регистрировали с помощью цифровой ИК-камеры Testo 875-1i. Характеристики прерывистой деформации исследовали в зависимости от плотности тока вдали от отверстия j0 = I / S0 , где S0 = wS исходное сечение

образца (без учета отверстия), w , S - ширина и толщина образца соответственно. Для исключения влияния джоулева нагрева всего образца проводили, как и в [3], квазиизотермические эксперименты.

Экспериментальное исследование двумерной картины теплового поля вблизи отверстия затруднено низким пространственным разрешением (100 мкм/пик-сель) и относительно низкой чувствительностью (0,05 °С) используемой ИК камеры Testo 875-1i. Тем не менее типичное ИК-изображение области образца в окрестности отверстия позволяет выделить кольцевую область у контура шириной около 0,2 мм, в которой температура в среднем на 0,2-0,3 °С превышает температуру вдали от отверстия при исходной плотности тока j0 = 30 А/мм2. Численное моделирование подтверждает, что несмотря на сильно неоднородное распределение поля плотности постоянного электрического тока вблизи отверстия в плоском проводнике тепловой эффект, связанный с концентрацией джоулевого тепла и тепла Томсона, вблизи отверстия весьма незначительный и не может оказать влияния на кинетику пластической деформации. Этот результат, связанный очевидно с высокой электро- и теплопроводностью материала, следует ожидать для алюминиевых и медных сплавов.

Исследовали влияние центральных круговых отверстий диаметром 0,5, 0,7 и 1,0 мм на электропластическую деформацию плоских образцов сплава АМг5. В отсутствие тока для образцов с отверстием диаметром

Рис. 1. Кривые растяжения ст0 — е образцов сплава АМг5, ослабленных центральным отверстием диаметром 0,5 мм при различных плотностях / постоянного тока в одинаковых температурно-скоростных условиях деформирования:

Т и 55 °С,

= 3 -10—3

Кривые смещены друг относи-

тельно друга на постоянную величину 50 МПа по оси напря-

0,5 мм прерывистая кривая деформации содержит скачки ПЛШ типов В и С. Данные видеосъемки показывают, что скачки типа В связаны с динамикой незавершенных (не пересекающих все сечение образца) деформационных полос; эти полосы зарождаются на ребре образца и, распространяясь в направлении к отверстию под углами 50-60° к оси растяжения, выходят на поверхность отверстия. Амплитуда скачков типа В составляет обычно 2-4 МПа. Более крупные скачки типа С с амплитудой 10-15 МПа обусловлены динамикой завершенного (пересекающего все сечение образца) сдвига, связанного с эволюцией двух деформационных полос, которые зарождаются на противоположных гранях плоского образца и распространяются в направлении к отверстию на фронте одного скачка.

Кривые растяжения ст0 —е (где ст0 = Е/ 5"0 - инженерное напряжение без учета отверстия) с одинаковой скоростью 3 -10—3 с—1 и приблизительно одинаковой температурой 55 °С, но с различной «исходной» (вдали от отверстия) плотностью / постоянного тока, протекающего через деформируемый образец, ослабленный отверстием диаметром 0,5 мм, показаны на рис. 1. Кривые смещены на 50 МПа по оси ординат (оси напряжения ст0 ) последовательно с ростом плотности тока в интервале от 0 до 45 А/мм2.

Как видно из рис. 1, с ростом плотности тока наблюдается общая тенденция подавления скачков деформации, которая, однако, оказывается различной для скачков различных типов. При плотности j0 > 35 А/мм2 падает амплитуда и частота появления скачков типа В, а следовательно, их количество, но критическая де-

формация появления первого скачка типа В фактически остается неизменной. В то же время количество скачков типа С падает, в основном, за счет увеличения критической деформации появления первого скачка типа С и уменьшения частоты появления этих скачков с ростом плотности тока /. Видно, что с ростом плотности тока амплитуда скачков типа С увеличивается в среднем почти в 1 ,4 раза, а амплитуда скачков типа В уменьшается приблизительно в 1,5 раза в интервале от /0 = 0 до /0 и 45 А/мм2.

Отметим, что в отсутствие отверстия скачки типов В и С исчезают при плотности тока около 60 А/мм2. Наличие отверстия увеличивает максимальную плотность тока в два раза по сравнению с плотностью тока вдали от отверстия: jmax = 2j0 вблизи диаметрально противоположных точек на границе отверстия в направлении, перпендикулярном току. Если бы полосы зарождались на поверхности отверстия, то полное подавление полос и соответственно вызванных их эволюцией скачков напряжения следовало ожидать при j0 и 30 А/мм2, когда jmax и 60 А/мм2. Тот факт, что скачки и полосы не исчезают полностью вплоть до /0 и 50 А/мм2 (когда /тах и 100 А/мм2) свидетельствует о том, что полосы зарождаются не на поверхности отверстия, что подтверждается данными видеосъемки. Согласно последним, полосы зарождаются, как правило, на ребрах плоского образца и движутся по направлению к отверстию, также как и в отсутствие тока.

Подобные прерывистые кривые растяжения наблюдаются и при электропластической деформации плоских образцов с отверстием диаметром 0,7 мм с несколько большей долей участия скачков типа С. При электропластической деформации образцов с отверстием диаметром 1,0 мм наблюдаются только скачки типа С, количество которых падает с ростом плотности тока /0 за счет увеличения критической деформации ес появления первого скачка, а также уменьшения частоты появления этих скачков. Зависимости критической пластической деформации ес от плотности тока /0 для образцов без отверстия и с отверстием диаметром 0,7 и 1,0 мм представлены на рис. 2.

Видно, что до плотности тока около 50 А/мм2 наличие отверстия значительно в 2-2,5 раза понижает критическую деформацию появления первого скачка деформации и соответственно средний коэффициент наклона зависимости ес (/0) . Для достижения одинаковой критической деформации в образце без отверстия и с отверстием в последнем случае необходимо увеличивать исходную плотность тока /0 приблизительно в 1,3-1,5 раза. В интервале 50-70 А/мм2 критическая деформация практически не зависит от плотности тока: первый скачок напряжения возникает всегда вначале стадии разупрочнения сплава, и огибающая последующих скачков напряжения приобретает отрицательную производную перед разрывом образца. Скачки полностью исчезают при плотностях тока больше 70 А/мм2 для образцов с отверстиями 0,7 и 1,0 мм. Таким образом, наличие отверстия затрудняет подавление постоянным током полосообразования и прерывистой деформации: одинаковый уровень эффекта подавления достигается при большей плотности тока /0 .

0

жения ст

0

Рис. 2. Зависимости от плотности постоянного тока у0 критической пластической деформации в для плоских образцов, деформируемых с одинаковой скоростью ¿0 = 3 -10~3 с-1 при

приблизительно одинаковой температуре Т и 55 °С: 1 - без отверстия; 2 и 3 - с отверстием диаметром 0,7 и 1,0 мм соответственно

Полученные результаты, как отмечалось, не связаны с джоулевым нагревом металла вблизи отверстия в силу малости теплового эффекта. Другие, нетепловые механизмы подавления током эффекта ПЛШ и полосообра-зования обсуждаются в работе [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Chihab K., Estrin Y., Kubin L.P., Vergnol J. // Scr. Metall. 1987. V. 21. P. 203-208.

2. Joshi S.P., Eberl C., Cao B., Ramesh K.T., Hemker K.J. // Experimental Mechanics. 2009. V. 49. P. 207-218.

3. Шибков А.А., Денисов А.А., Желтое М.А., Золотов А.Е., Гаса-новМ.Ф., Кочегаров С.С. // ФТТ. 2015. Т. 57. Вып. 2. С. 228-236.

4. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Гаса-новМ.Ф. // Кристаллография. 2015. Т. 60. Вып. 6. С. 929-940.

БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование проведено в рамках выполнения госзадания Министерства образования и науки РФ № 2014/285 (проект № 2476).

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 539.374

DOI: 1G .2G31G/181G-G198-2G16-21-3-1436-1439

INFLUENCE OF THE STRESS CONCENTRATORS ON THE CURRENT-INDUCED SUPPRESSION OF JERKY FLOW IN AlMg5 ALLOY

© A.A. Shibkov, A.E. Zolotov, M.A. Zheltov, A.A. Denisov, V.V. Ivanovskiy

Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: Shibkov@tsu.tmb.ru

Influence of electric current on the band formation and discontinuous deformation in the aluminum-magnesium AlMg5 alloy specimens weakened by hole are experimentally investigated. It is found that the concentration of elastic stresses and autolocalized unstable deformation near hole decreases the critical strain of the first stress drop and hinders the current-induced suppression of the Portevin-Le Chatelier jerky flow. Key words: aluminum-magnesium alloy; serration deformation; electroplastic effect.

REFERENCES

1. Chihab K., Estrin Y., Kubin L.P., Vergnol J. Scr. Metall., 1987, vol. 21, pp. 203-208.

2. Joshi S.P., Eberl C., Cao B., Ramesh K.T., Hemker K.J. Experimental Mechanics, 2009, vol. 49, pp. 207-218.

3. 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.

4. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A., Denisov A.A., Gasanov M.F. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2015, vol. 60, no. 6, pp. 929-940.

GRATITUDE: The research is fulfilled within a framework of state assign accomplishment of Ministry of Education and Science of Russian Federation no. 2014/285 (project no. 2476).

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: shibkov@tsu.tmb.ru

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: shibkov@tsu.tmb.ru

Золотов Александр Евгеньевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru

Zolotov Aleksander Evgenevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru

Желтов Михаил Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru

Zheltov Mikhail Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru

Денисов Андрей Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru

Denisov Andrey Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Engineer of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru

Ивановский Владимир Викторович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант института математики, естествознания и информационных технологий, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru

Ivanovskiy Vladimir Viktorovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Master's Degree Student of Mathematics, Natural Science and Information Technologies Institute, e-mail: shibkov@tsu.tmb.ru