WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 1 05;08;12 Изменение скорости ультразвука при пластической деформации Al © Л.Б. Зуев, Б.С. Семухин, К.И. Бушмелева Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск, Россия (Поступило в Редакцию 1 октября 1998 г.) Исследовано изменение скорости распространения ультразвука при пластической деформации поликристаллического алюминия. Показано, что зависимости скорости ультразвука от деформации и действующего напряжения являются трехстадийными. Сложный характер этих зависимостей позволяет выделить на параболической кривой пластического течения материала дополнительные стадии, не обнаруживаемые традиционными методами. Предложено объяснение полученных закономерностей на базе представлений об изменении дефектной структуры материала при деформации.

Введение В настоящей работе получены данные о зависимости V от величины общей деформации и действующего Общепринятые представления о процессе пластиче- напряжения в более широком по сравнению с [4,5] ской деформации, как правило, основываются на данных диапазоне деформаций вплоть до разрушения. Измерео его стадийности [1], причем адекватность создаваемых ние скорости ультразвука (поперечные волны с частомоделей предполагает точное соответствие определен- той 2.5 MHz) проводилось непосредственно при растяженых стадий и их микроскопических механизмов. Выяс- нии образцов на испытательной машине ”Instron-1185” нение границ и тем более природы каждой из стадий в методом автоциркуляции ультразвуковых импульсов с особенности для поликристаллов оказывается сложной помощью специально сконструированного прибора [7] задачей, так как часто отсутствуют достаточно инфор- с точностью 10-4. Расстояние между пьезопреобрамативные и надежные внешние признаки смены меха- зователями было фиксированным и не менялось при низмов деформации. Во многих случаях полезными для удлинении образца во время растяжения. Образцы имели этих целей могут оказаться сведения об интегральных вид двойной лопатки с рабочей частью длиной 50 mm.

характеристиках материала, таких как намагниченность, Измерения были проведены на поликристаллическом (размер зерна 5... 10 mm) Al, кривая течения которого электросопротивление и др. Они оказываются тем более ценными, что в отличие от микроскопических иссле- является практически параболической [1,8] на всем своем протяжении. В большинстве случаев исследователи дований могут применяться непосредственно во время не наблюдают каких-либо отчетливо выраженных стадий механических испытаний и не требуют дополнительных операций по подготовке специальных образцов для ана- течения в этом материале.

лиза.

Перспективными с этой точки зрения представляются Экспериментальные результаты акустические методики исследования свойств твердых тел. К обычно используемым с этой целью эффектам, Измерения, проведенные на протяжении всего протаким как акустическая эмиссия, возникающая при нацесса растяжения с интервалом 0.5%, привели к обнагружении [2], или амплитудная зависимость внутреннего ружению интересных закономерностей, хорошо выявлятрения [3], для интерпретации которых существуют в емых при анализе зависимостей V() и V(). Было достаточной мере развитые теории, может быть добавлеустановлено, что скорость распространения ультразвука на более просто измеряемая характеристика — скорость существенно меняется при растяжении, а зависимости распространения ультразвука V. Как показывают, наприV() и V() достаточно сложны. Так, представленная на мер, данные [4], скорость ультразвука монотонно изменярис. 1 кривая V() для поликристаллического Al имеет ется в начале пластической деформации растяжения моN-образную трехстадийную форму [9], которая указывает нокристаллов Al. Авторы [5] также наблюдали вариации на различие природы связи V и в соответствующих пропорциональной V резонансной частоты алюминиевых интервалах пластической деформации.

монокристальных образцов при их изгибе и связали Зависимость V(), показанная на рис. 2, для этого же его с изменением затухания при увеличении плотности образца Al также имеет три стадии, причем обращает на дислокаций в ходе пластического течения. Очевидно, что себя внимание линейных характер связи V и на каждом эффект не может быть велик, поскольку V (E/0)1/2, этапе. Характерные точки приведенных зависимостей, но ни модуль упругости E, ни плотность 0 не меняются обозначенные на рис. 1 и 2 A, B, B и C, надежно раздесущественным образом при пластическом течении [6]. ляют кривую течения на стадии (рис. 1). Установленный Тем не менее при современном уровне измерительной вид зависимостей V() и V() указывают на более техники это изменение вполне может быть зафиксирова- сложную, чем парабола 1/2, форму кривой плано [7] с достаточной степенью точности. стического течения. Так, представление выделенного на Изменение скорости ультразвука при пластической деформации Al Рис. 4 обобщает данные о сложном характере изменения V вдоль всей кривой пластического течения (). Спаду деформирующей силы в конце процесса растяжения, связанному, как известно, с образованием макроскопической шейки, соответствует возрастание скорости ультразвука, что хорошо видно также на рис. и 2. Рост скорости распространения ультразвука в этой области деформации начинается еще до появления заметной шейки и указывает на предкритическое состояние деформируемого материала. Это же состояние может быть выявлено по возникновению описанного в [10,11] локализованного максимума компонент тензора пластической дисторсии, также обнаруживаемого задолго до появления шейки и сигнализирующего о зарождении очага вязкого разрушения. Деформации, отвечающие Рис. 1. Диаграмма пластического течения поликристалла Al и зависимость скорости распространения ультразвука в нем от деформации.

Рис. 3. Участок кривой течения, соответствующий постоянному значению скорости распространения ультразвука.

Рис. 2. Зависимость скорости распространения ультразвука от действующего напряжения в поликристаллическом Al.

кривой течения участка B-B в более крупном масштабе (рис. 3) выделило в этой области линейную стадию, на которой. Ранее Жауль [8] обнаружил, что при испытаниях при температуре 77 K кривая пластического течения поликристаллического Al состоит из двух параболических участков, разделенных стадией линейного упрочнения. Последняя укорачивается по мере повышения температуры испытания и при 300 K становится практически незаметной. Есть основания полагать, что ультразвуковой метод позволяет зафиксировать именно этот момент перехода между параболическими стадиями, что невозможно сделать, пользуясь только зависимостью коэффициента деформационного упрочнения от дефор- Рис. 4. Изменение скорости распространения ультразвука мации. вдоль кривой пластического течения поликристалла Al.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 54 Л.Б. Зуев, Б.С. Семухин, К.И. Бушмелева двум этим признакам, совпадают, так что параллельное использование двух методик повышает достоверность процедуры предсказания разрушения.

Обсуждение результатов Из рис. 2 следует, что величины V и связаны линейно V = V0 +, (1) но константы V0 и различны для разных участков зависимости V(). Поскольку коэффициент, как следует из приведенных данных, меняет знак в ходе пластического течения, он должен зависеть от какойлибо характеристики материала, способной вести себя аналогично в этом процессе. Набор подобных характеристик в рассматриваемой проблеме пластической деформации ограничен, но известно, например, что плотность подвижных дислокаций зависит от деформации экстремально (рис. 5, a) [12] и, следовательно, ее производная по времени t (или по деформации, так как при активном нагружении t) должна менять знак. В рассматриваемом случае удобно ввести производную — d/dt(1/) D(), имеющую размерность ”коэффициента диффузии” (m2/s). Можно показать (рис. 5, b), что временной ход величины D() вполне соответствует приведенным рассуждениям о знаке коэффициента.

На смысле D() следует остановиться особо. Ранее в наших работах [10,11] было показано, что для каждой Рис. 5. Плотность подвижных дислокаций [10] и поведение стадии пластического течения характерна специфическая коэффициента D() в зависимости от деформации (схема).

картина локализованной пластической деформации. Эти картины были интерпретированы как автоволны пластической деформации [10,11], причем в описывающие их реакционно-диффузионные дифференциальные урав- следующий вид:

нения [13] входит связанный с плотностью подвижных Z = Z - Z0 =(Li/D()) ·, (3) дислокаций коэффициент D(), имеющий вышеуказанный смысл и контролирующий процесс распространения плаиз чего следует, что волновое сопротивление материала стической деформации. Размерность коэффициента в (1), очевидно, [L]2 · [T] · [M]-1 (m2s · kg). Учитывая меняется при пластической деформации в соответствии дополнительно, что скорость распространения упругих с параметрами внутренней структуры материала, возниволн в веществе связана с его плотностью 0, можно с кающей на каждой стадии этого процесса. Это утверпомощью анализа размерностей получить ждение нашло прямое подтверждение в специальном эксперименте, в котором при малых деформациях одно Li/0D(). (2) временно с записью диаграммы деформации не только фиксировалась скорость распространения ультразвука, Появляющаяся здесь величина Li интерпретируется но и методом рентгеновской топографии были получены как пространственный масштаб действующего в данданные о движении крупных элементов структуры в ный момент внутреннего уровня пластической деформаотдельных зернах поликристалла Al [16]. Топограммы ции [14] (характерный размер области неоднородности снимались методом Фудживара [17] во время растядеформации). Тогда соотношение (2) формально объясжения поликристаллического образца алюминия (без няет дискретное изменение коэффициента переходом процесса на другой масштабный уровень [14], а пове- разгрузки). Результаты измерений скорости ультразвука в таких условиях приведены на рис. 6. Анализ поведения дение D() определяет смену знака при пластической фрагментов зерен по их лауэ-рефлексам показал, что деформации. Ясно, что постоянство наклона участков при деформации < разориентировки фрагментов зависимости V() соблюдается только при выполнении условия Li/D() = const. зерен возрастают, а скорость ультразвука быстро растет.

Используя предложенную форму (2) для коэффици- После перехода через критическую степень деформации ента пропорциональности и вводя волновое сопроти- наблюдается обратный разворот фрагментов и темп вление среды Z = V0 [15], придадим уравнению (1) прироста скорости падает.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Изменение скорости ультразвука при пластической деформации Al Заключение Ясно, что анализ изменения скорости распространения ультразвука при деформации растяжения создает возможность выделения дополнительных стадий кривой пластического течения, обусловленных, видимо, различием типов дислокационных ансамблей, создающихся в деформируемом материале (ячейки, фрагменты и т. п. [14]) на разных этапах течения. Можно полагать, что смена стадий зависимости V() связана в этом случае с формированием дислокационных ансамблей различного характерного размера Li и разным уровнем внутренних напряжений в объеме ячейки или фрагмента. Именно это отражается на форме зависимости скорости ультразвука от деформации или напряжения.

Рис. 6. Изменение скорости ультразвука в области малых Такие изменения механизма деформации практически деформаций.

не отражаются на характере кривой течения и поведения коэффициента деформационного упрочнения, но их влияние на скорость ультразвука оказывается весьма Феноменологически изменение скорости распростра- заметным. In situ измерение скорости ультразвука в процессе механических испытаний материалов может нения ультразвука объясняется наличием в объеме среды давать дополнительную важную информацию о физике мозаики напряженных областей, распределение и размер которых, очевидно, меняется в ходе пластического тече- деформационных процессов.

ния. Проведем оценку возможного изменения скорости Наблюдаемый эффект в достаточной степени универраспространения ультразвука в этом случае, используя сален. Аналогичные изменения скорости распространемодель, предложенную в [18]. За счет упругих напря- ния ультразвука при пластической деформации были жений поперечная ультразвуковая волна расщепляется обнаружены нами также при растяжении образцов из на два взаимно перпендикулярно поляризованных луча сплава Al-Mg-Li в разных структурных состояниях, (акустическое двойное лучепреломление), имеющих раз- сплава Zr + 1.5% Nb и кремнистого железа (Fe + 3% Si).

ные скорости распространения v1 и v2. Разность хода на В качестве примера на рис. 7 приведена зависимость единицу длины пути составит в этом случае [18] V() для последнего, отличающаяся лишь количественно от представленной на рис. 2. Во всех перечисленных =(/2)(1/v2 - 1/v1). (4) случаях кривые пластического течения разделялись на С другой стороны, эта разность хода зависит от разно- стадии, не выявляемые непосредственно по форме кристи главных напряжений 2 и 1 в кристалле [18] вой.

Таким образом, измерения скорости распространения =(/40v3)(2 - 1), (5) s ультразвука в материалах при пластической деформации где — частота ультразвуковых колебаний, vs —скорость распространения поперечных ультразвуковых волн в ненапряженном кристалле.

Введя обозначения V = v2 - v1 и v2 · v1 v2, из (4) s и (5) получаем изменение скорости ультразвука V (2 - 1)/20vs (6) или с учетом (3) изменение волнового сопротивления Z (2 - 1)/2vs. (7) Таким образом, характер приращения скорости V, наблюдаемый в эксперименте, указывает на изменение параметров напряженных областей в деформируемой среде в ходе пластического течения. Такое поведение, очевидно, может быть связано с формированием дислокационных ансамблей или более крупных особенностей деформационной структуры типа (самоорганизованной) упорядоченной системы стационарных мезоскопических очагов локализации пластической деформации [10,11], Рис. 7. Зависимость скорости распространения ультразвука от характерной для пластической деформации Al [19].

деформации для поликристаллического сплава Fe + 3% Si.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 56 Л.Б. Зуев, Б.С. Семухин, К.И. Бушмелева позволяют анализировать стадийность кривых пластического течения непосредственно в ходе эксперимента и прогнозировать, например, переход к стадии вязкого разрушения до появления его видимых признаков.

Список литературы [1] Зегер А. // Дислокации и механические свойства кристаллов. Сб. ст. / Под ред. М.В. Классен-Неклюдовой, В.Л. Инденбома. М.: ИЛ, 1960. С. 179–268.

[2] Бойко В.С., Гарбер Р.И., Косевич А.М. Обратимая пластичность кристаллов. М.: Наука, 1991.

[3] Лебедев А.Б. // ФТТ. 1993. Т. 35. Вып. 9. С. 2305–2341.

[4] Hikata A., Chick B.B., Elbaum C. // Acta met. 1962. Vol. 10.

N 4. P. 423–429.

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.