WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 4 Неустойчивость деформации и разрушение при температуре жидкого гелия © В.И. Николаев, В.В. Шпейзман Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 21 ноября 1996 г.) Изучена неустойчивость пластической деформации при растяжении и сжатии алюминия, растяжении титана и нержавеющей стали, определена температурно-скоростная область существования неустойчивости деформации. Исследована также форма скачков напряжений течения и их связь с макроскопической локализацией деформации и разрушением образца. Обсуждается роль локализации микродеформации в разрушении и в макроскопических проявлениях неоднородности деформации.

Характерным примером неустойчивости пластической варительного охлаждения использовался жидкий азот, деформации, приводящей к ее макромасштабной ло- который заливался непосредственно в камеру с образкализации, является скачкообразная деформация при цом. Далее жидкий азот испарялся и в тот же объем гелиевых температурах. Для большинства материалов подавался гелий с помощью двух насосов, создававших на кривых деформации образцов наблюдаются срывы, в криостате слабое разрежение. Температура образца а волнистость внешней поверхности образцов прямо измерялась с помощью температурного контроллера свидетельствует о прохождении локализованных сдви- ITC4 фирмы Oxford, датчиками температуры служили гов [1,2]. Существуют многочисленные литературные термосопротивления RhFe.

данные, описывающие влияние на появление и форму Для того чтобы сократить расход гелия и время скачков различных факторов, как внешних (темпера- испытаний, в ряде случаев была использована специальтуры, скорости деформации, размера и типа образца, ная многообразцовая кассета, позволяющая загружать качества его поверхности), так и внутренних (примесей, в криостат сразу несколько однотипных образцов и границ зерен, двойников и др.) [1–3], обсуждаются также последовательно испытывать их.

механизмы скачкообразной деформации [3,4]. Однако Режимы испытаний задавались с помощью компьютера вопрос о том, влияет ли неустойчивость деформации HP300. Программа для испытаний с постоянной скорона разрушение, насколько нам известно, систематически стью деформации была стандартного типа и позволяла не исследовался (за исключением, пожалуй, случаев записывать данные нагрузка–перемещение через равные разрушения при первом скачке деформации). Важность промежутки времени. Скорость перемещения захватов подобных исследований очевидна, поскольку именно машины составляла 0.7–3 mm/min. Программа для ислокализация деформации и невозможность релаксации пытаний на усталость была разработана нами специально созданных ею высоких локальных перенапряжений могут для того, чтобы иметь возможность записывать в течепривести к раннему разрушению. Этот аспект исследова- ние длительного испытания циклы с заранее заданными ний низкотемпературной неустойчивости интересен еще номерами. При этом для повышения точности записи и потому, что может быть использован в анализе раз- частоту измерительного цикла можно было уменьшить.

рушения при умеренных и даже высоких температурах, В наших опытах частота, при которой производились так как в большинстве случаев разрушение вызвано ло- измерения, была 0.1 Hz.

кализованной микродеформацией. Представляется, что Испытания одноосным растяжением проводились на на основе исследований более доступной макромасштаб- плоских и цилиндрических образцах из различных маной локализации при низких температурах можно будет териалов: алюминия, титана, аустенитной стали. Первые построить обобщенную модель разрушения вследствие имели толщину 1 и ширину 5 mm, вторые — диаметр локализации и торможения дальнейшего развития дефор- рабочей части 4–5 mm; длина рабочей части в обоих мации. случаях была 30 mm. Для сжатия использовались В настоящей работе приводятся экспериментальные цилиндрические образцы диаметром 4–6 mm и высотой данные о различных формах проявленияв неустойчиво- 8–14 mm.

сти деформации при низких температурах и о возможном ее влиянии на разрушение.

2. Результаты опытов и их обсуждение На рис. 1 показаны некоторые примеры проявления 1. Методика эксперимента деформационной неустойчивости на диаграммах растяОпыты проводились на универсальной испытательной жения (сжатия) с постоянной скоростью в разных матемашине Instron 1342, специально приспособленной для риалах и для разных условий нагружения. Иногда можно работы с гелиевым криостатом фирмы Oxford. Для пред- наблюдать регулярную картину ”классических” скачков 648 В.И. Николаев, В.В. Шпейзман Рис. 1. Различные формы проявления неустойчивости деформации. a — нержавеющая сталь, 4.2 K, = 5 · 10-4 s-1, растяжение, b, c — алюминий, 4.2 K, = 10-4 s-1, сжатие (b) и растяжение (c), d — вид скачков при фиксированной скорости нагружения, титан, 4.2 K, 1 Hz; e — титан, 4.2 K, переход от скорости 10-2 (1) к 5 · 10-5 s-1 (2); f — скачки вблизи границы области неустойчивости, титан, 16 K, = 5 · 10-5 s-1. Следует иметь в виду условность величины, которая складывается из деформации образца и податливости машины. Последняя дает основной вклад в на участке упругой деформации. При больших пластических деформациях эта величина практически совпадает с деформацией образца. Экспериментальные данные сознательно не перестраивались в координаты -, так как в этом случае скачки приняли бы непривычный вид: наклонный сброс нагрузки и вертикальный подъем (для упругого скачка).

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Неустойчивость деформации и разрушение при температуре жидкого гелия с почти вертикальным передним фронтом (длительность скачка деформации, по данным наших измерений на осциллографе PM3050 Phillips, составляла 5–7 ms, а общая длительность участка спада нагрузки с учетом релаксационных процессов в образце и инерционности машины равна 50 ms) и практически упругим нагружением до следующего скачка (рис. 1, a). В этом случае вся деформация образца представляет собой локализованную деформацию по полосам сдвига, которые хорошо видны на боковых поверхностях образца (рис. 2), а для начального толчка, вызвавшего лавинообразную деформацию, требуется очень малая ее величина. Такие скачки наблюдаются в наших опытах при напряжениях, близких к макроскопическому пределу текучести. Здесь уместно заметить, что, как показано в [5], микропластическая Рис. 3. Расчетные кривые границ существования скачкообраздеформация, по своей природе являющаяся локализованной деформации. Экспериментальные точки для титана: 1 — ной, всегда развивается неравномерно, т. е. микроскачскачки наблюдались, 2 — скачки отсутствовали. Прямоугольками, что наблюдали в [5] с помощью прецизионных ником отмечена область, в которой наблюдались нерегулярные методов лазерной интерферометрии. Следовательно, в скачки деформации.

нашем случае на смену микролокализации сразу же приходит макролокализация, т. е. вся деформация вплоть до разрушения является локализованной.

В отличие от титана и нержавеющей стали, поведение деформации (переход к истинным деформациям еще которых при 4.2 K подобно описанному выше, скачки в больше увеличит эту разницу). Очевидно, эту некоторую алюминии появляются после значительной деформации.

затрудненность скачка при сжатии можно связать с На рис. 1, b и c приведены участки диаграмм растяжения влиянием геометрии деформации: при растяжении лои сжатия алюминия при 4.2 K. Сброс нагрузки покальная деформация приводит к уменьшению сечения прежнему резкий, как и на рис. 1, a, но нарастание наи, следовательно, способствует дальнейшей локализации грузки идет с заметной однородной (нелокализованной) деформации; при сжатии, наоборот, деформация увелипластической деформацией. Интересно, что при сжатии чивает сечение и при прочих равных условиях тормозит скачки следуют с большим интервалом по деформации, развитие неустойчивости.

чем при растяжении, если их сравнивать при одинаковой При испытании с фиксированной скоростью возрастания нагрузки (в наших опытах этому условию соответствует первая четверть цикла в опытах с циклическим нагружением) скачки в тех же координатах выглядят как почти горизонтальные участки (рис. 1, d). При больших скоростях деформации скачки нагрузки могут размываться (рис. 1, e). Этот же рисунок демонстрирует изменение формы и положения скачков при изменении скорости деформации. Отметим аномальную скоростную зависимость напряжений течения: чем меньше скорость, тем больше напряжение. Однако было бы неверным считать это условие достаточным для развития деформационной неустойчивости. При более высоких температурах (> 20 K), где нет скачков деформации, скоростная зависимость напряжений течения также была аномальной.

Известно [6,7], что существует ограниченная область температур T и скоростей деформации, в которой можно наблюдать скачки. На рис. 3 приведен пример такой диаграммы для титана, темные точки соответствуют условиям, в которых обнаружены скачки деформации, светлые точки — условиям отсутствия скачков. Границы области, согласно [6], описываются следующими уравнениями:

(T /Tk)p+Рис. 2. Поверхность титанового образца после растяжения с 1 h (1) = 55.

постоянной скоростью при T = 4.2 K. Угол = 1 - (T /Tk)n ln / Физика твердого тела, 1997, том 39, № 650 В.И. Николаев, В.В. Шпейзман для нижней границы и деформации в плоскости, расположенной под углом 55, при растяжении наблюдались ранее во многих случаях, в 2 h(1 - T/Tk)(2) = том числе и не только при гелиевых температурах. Так, при растяжении тонких плоских образцов из холоднодля верхней границы.

катаной углеродистой стали и алюминиевого сплава в Здесь p — параметр, характеризующий поверхностобласти нестабильной деформации при комнатной темную теплоотдачу, p = 0 для испытаний в газообразном пературе наблюдались наклонные полосы деформации гелии [6], величина n = 1 для материалов с электронным и плоскость разрушения [8]). Существуют различные типом теплоемкости при низких температурах и n = варианты объяснения локализации деформации и разрудля материалов с фононным типом теплоемкости [6], шения по наклонным плоскостям. Например, если найти T и — температура опыта и скорость деформации направление, вдоль которого нормальная составляющая соответственно, — предэкспонента в формуле для деформация равна нулю, то при трех главных деформаскорости деформации, ln /0 = 25, Tk и h — некоторые циях, /2 и -/2 получим константы, выражения для которых приведены в [6] (в настоящей работе они подбирались из условия лучшего sinсовпадения с экспериментальными результатами). cos2 - 1/2 - =(3cos2 -1)/4 = 0, На рис. 3 показана зависимость, которую дают формулы (1) и (2), и экспериментальные точки, соглагде — угол между нормалью к площадке и осью сованные с графиком при выбранных Tk = 25 K и образца. Отсюда cos 2 = 1/3 и =35, т. е. площадка = 1.5 · 10-2 s-1. Точка, обозначенная a, определенаклонена к оси образца под углом 55.

на из данных с фиксированной скоростью нагружения Тот же результат получится, если исходить из условия (рис. 1, d), причем скорость деформации рассчитывалась минимума потенциальной энергии деформации или (что следующим образом: =(d/dt) : (d/d), величина равнозначно) использовать деформационный критерий, d/d = 0.16 MPa взята из сглаженной кривой десогласно которому критические условия пластического формации при 4.2 K, а d/dt — скорость нагружения.

течения определяются октаэдрическими касательными Несмотря на то что некоторые точки лежат вне области, напряжениями, пропорциональными второму инварианпредсказанной теорией, но достаточно близко к ней, ту тензора напряжений.

совпадение эксперимента и теории можно считать удоДругим случаем разрушения и локализации деформавлетворительным, особенно если учитывать некоторую ции по наклонным плоскостям являются испытания при условность средней величины макроскопической скоробольших скоростях растяжения [9]. При этом причиной сти деформации для явно неоднородной деформации, разрушения и сдвиговой деформации по плоскостям которая имеет место при низких температурах.

октаэдра считают адиабатический характер деформации Пограничные области следует рассматривать отдельи разрушения вследствие высокой скорости нагружения.

но. В них диаграммы растяжения являются квазиустойПри низких температурах деформация также развиваетчивыми: деформация может развиваться равномерно, без ся адиабатически [3,4], но по другой причине (низкая срывов, но эта равномерность может быть легко нарушетеплоемкость материала и малая скорость отвода тепла на. Достаточно изменения условий отработки сигнала в от поверхности образца в окружающую среду), что прицепи обратной связи испытательной машины для того, водит к аналогичным макроскопическим проявлениям.

чтобы произошел срыв нагрузки, причем, как правило, Как уже отмечалось, низкотемпературная локализаболее глубокий, чем в области регулярных скачков ция деформации не является кристаллографической в (рис. 1, f ). На рис. 3 эта область условно выделена масштабе образца как целого, но, очевидно, в каждом прямоугольником.

отдельном зерне поликристаллического образца, расположенного в зоне локализованной деформации, сохраня3. Геометрия скачкообразной ются свойства скольжения дислокаций (или двойникования) по вполне определенным для данной структуры деформации и разрушение плоскостям. Разворот же зерен приводит к размытию Выше отмечалось, что на поверхности плоского образ- границ области локализованной деформации, ее ушица видны полосы деформации, которые располагались рению, делает плавным переход от деформированной под углом 50-55 к оси образца. Иногда можно было к недеформированной зоне. Другим и, вероятно, более видеть два семейста почти параллельных полос, симме- существенным фактором, способствующим размытию и тричных относительно оси образца (рис. 2). Плоскость уширению области локализованной деформации, являетразрушения располагались вдоль одной из таких полос. ся плавное изменение температуры от центра области Заметим, что сказанное относится только к испытаниям к ее периферии. Это отличает макромасштабную некрипри гелиевых температурах. В аналогичных испытаниях сталлографическую локализацию от описанной в [10,11] при комнатной и азотной температурах плоскость разру- для монокристаллов LiF при повышенных температурах.

шения была перпендикулярна оси образца, не было и на- Однако результаты, полученные в [10,11], могут быть клонных полос деформации. Разрушение и локализация использованы в качестве модели внутризеренной дефорФизика твердого тела, 1997, том 39, № Неустойчивость деформации и разрушение при температуре жидкого гелия мации при низких температурах. Естественно, при этом следует учитывать специфические низкотемпературные тепловые эффекты.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.