WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 3 01;05 Макролокализация пластической деформации при ползучести мелкокристаллического алюминия 2 © В.И. Данилов,1 С.В. Коновалов,2 С.В. Журавлева,2 Л.Б. Зуев,1 В.Е. Громов 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634021 Томск, Россия 2 Сибирский государственный индустриальный университет, 654080 Новокузнецк, Россия e-mail: dvi@ispms.tsc.ru (Поступило в Редакцию 28 мая 2004 г. В окончательной редакции 20 июля 2004 г.) Приводятся результаты исследования эволюции картин макролокализации при низкотемпературной ползучести технически чистого алюминия. Обнаружено, что характер локализации определяется стадией кривой ползучести. На стадии установившейся ползучести очаги локализации образуют бегущую волну, скорость которой пропорциональна скорости нарастания общей деформации. Оценены активационные объемы процесса ползучести и процесса распространения волн локализации деформации, установлено совпадение обеих величин. На основании этих оценок показано, что скорость распространения волн локализации пластической деформации определяется термически активируемым процессом перемещения дислокаций.

Введение химический состав которого представлен в таблице.

Плоские образцы в форме „двойной лопатки“ с размераМакроскопическая локализация пластического течеми рабочей части 40 6 1.8 mm отштамповывались из ния, которая наблюдается на всем протяжении этого пластин после холодной прокатки и подвергались рекрипроцесса от предела текучести до разрушения, может сталлизационному отжигу при 775 K в течение 2.5 h. Поразвиваться в виде фазовой автоволны [1–4]. В этом слусле такой обработки размер зерна был D = 75 ± 8 µm, а чае эквидистантно расположенные очаги пластического условный предел текучести образцов 0.2 = 53 ± 7MPa.

течения движутся с постоянной скоростью вдоль нагруИспытания на ползучесть проводились при 300 K жаемого объекта. Названный тип локализации впервые на универсальной испытательной машине „Instron-1185“ был обнаружен на стадии линейного упрочненения [1] при различных уровнях напряжения. В процессе депри растяжении монокристаллов сплава на основе меди формации с момента приложения нагрузки непрерывно (Cu-Ni-Sn) в состоянии пересыщенного твердого расфиксировалась общая деформация удлинения образца твора. Позднее на моно- и поликристаллических образкак функция времени (t). Параллельно с регистрацией цах чистых металлов и сплавов с разными кристаллиэтой зависимости методом спекл-интерферометрии [7] ческими структурами существование фазовых автоволн регистрировалось поле векторов смещений r точек на макролокализации деформации на стадиях линейного поверхности деформируемого образца. Прирост общей упрочнения при активном нагружении было не только деформации при записи каждой спеклограммы составподтверждено, но и дополнено установлением для них лял 0.2%.

дисперсионного соотношения и зависимости скорости Численным дифференцированием поля смещений от коэффициента деформационного упрочнения [2–4].

r(x, y) по координатам можно получить все компоненты Однако локализация деформации при других режимах тензора пластической дисторсии при плоском напряиспытания, например при ползучести, не исследовалась, женном состоянии, как это описано, например, в [3].

исключая нашу работу [5]. Поскольку данные, получаВ настоящей работе выбрана наиболее информативная емые при таком виде испытаний, более информативи удобная для исследования распределений очагов маны и позволяют определять тип и активационные пакролокализации пластического течения компонента — раметры микромеханизмов, контролирующих пластичелокальное удлинение в направлении оси растяжения ское течение по результатам макроскопических измереобразца xx. Распределения других физических сущений [6], в настоящем исследовании предпринята попытка ственных компонент (сдвига xy и поворота z ) имеют изучить характер макролокализации деформации при более сложный вид.

ползучести.

Результаты эксперимента Материал для исследования и их обсуждение и методики испытаний Настоящие исследования выполнены на рекристалли- В работе были проанализированы представленные на зованных образцах технически чистого алюминия A85, рис. 1 кривые ползучести, полученные при напряжеМакролокализация пластической деформации при ползучести мелкокристаллического алюминия Химический состав исследованного алюминия (mass %) Si Fe Pb Ga Zn V Ti Ni Mn Mg Cu Al 0.15 0.07 0.016 0.01 0.008 0.005 0.0035 0.0035 0.0025 0.002 0.0014 Ост ниях 64.8, 62.5, 60.2 MPa. Они содержат три харак- в каждый момент локализована в определенных эктерные стадии [7], причем обработка кривых (рис. 1, видистантно расположенных зонах образца. Соседние кривая a, = 64.8MPa) показывает, что (t) име- зоны при этом практически не деформируются. Пространственный период (длина автоволны aw) системы ет вид = 2 · 10-2 ln t + 0.2 для неустановившейся и очагов локализации оставался постоянным в течение = 5 · 10-4t + 0.25 для установившейся стадии. Это всего процесса установившейся ползучести, составляя совпадает с обычными представлениями о характере 3.5 ± 0.5 mm. Он не менялся также при изменении велиползучести [8]. Основное внимание в дальнейшем аначины деформирующего напряжения. Такая же ситуация лизе уделялось стадии установившейся ползучести, сконаблюдалась ранее в [5], но установленная в этой работе рость которой = const удобно сопоставлять с параметдлина автоволны составляла 6 ± 1.0 mm.

рами эволюции распределений локальных деформаций.

Анализ последовательно зафиксированных полей расНа стадиях установившейся ползучести распределепределения локальных удлинений показал, что на стания xx-компоненты тензора пластической дисторсии по дии установившейся ползучести максимумы локализаобразцу оказались периодическими при всех испольции равномерно перемещаются вдоль образца. Скорости зованных напряжениях. Они подобны картинам, харакперемещения очагов локализации для каждого из трех терным для стадий линейного деформационного упрочнапряжений ползучести были определены с помощью нения при активном нагружении, описанным в [1–4] методики, описанной в [3]. Она состоит в построении (рис. 2). Можно видеть, что пластическая деформация зависимостей положений очагов локализации (x) от времени деформирования (рис. 3). Для каждого максимума xx такая зависимость представляется прямой, причем коэффициенты корреляции между x и t оказались не менее 0.99. Наклон соответствующих прямых позволил определить скорость перемещения зон локализации макродеформации (скорость распространения автоволны), а расстояния между ними — измерить длину автоволны aw. Стало ясно, что на установившихся стадиях ползучести алюминия возникают бегущие автоволны локализации макродеформации, аналогичные наблюдавшимся на стадиях линейного упрочнения при активном нагружении.

Установлено, что в исследованном интервале напряжений скорости распространения автоволн на стадии установившейся ползучести линейно растут с увеличением скорости ползучести (рис. 4). Этот факт отмеРис. 1. Кривые ползучести при напряжении 64.8 (a), 62.5 (b), чался ранее в работе [5] для на порядок более низких 60.2 MPa (c).

скоростей распространения автоволн, так что данные настоящего исследования и работы [5] хорошо согласуются качественно. Количественное различие результатов связано с тем, что эксперименты [5] были выполнены на образцах из Al со средним размером зерна 10 mm.

В этом случае величина деформирующих напряжений была в 1.5... 2 раза меньше, а скорости ползучести соответственно на порядок ниже. Кроме того, увеличение размера зерна вызывает обычно рост длины автоволн.

При активном нагружении зависимость aw(D) для Al была исследована в широких пределах [3], причем установлено, что при D > 50 µm aw ln D.

Пропорциональность скорости автоволн и скорости ползучести, по-видимому, указывает на тождественность микромеханизмов, контролирующих оба явления. Как Рис. 2. Распределение локальных удлинений по образцу в известно [8], ползучесть в металлах определяется термипроцессе ползучести на установившейся стадии. = 62.5MPa, чески активированным процессом движения дислокаций = 0.172.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 96 В.И. Данилов, С.В. Коновалов, С.В. Журавлева, Л.Б. Зуев, В.Е. Громов По наклону прямых 1 и 2 можно оценить величины c и aw для ползучести и для процесса распространения автоволн локализации соответственно = kT (ln ). (2) Определенные с помощью (2) значения c = = 2.9 · 10-26 m3 и aw = 2.2 · 10-26 m3 близки друг другу, но отличаются от значений, полученных в [5] для крупнозернистого Al.

Согласно [10], ползучесть при низких температурах (для Al ниже 400 K) протекает за счет дислокационного скольжения в системе локальных препятствий, преодолеваемых термоактивированным способом. При Рис. 3. Кинетика зон локализации деформации на линейной этом [9,10] = bdl. Полагая, что поперечник локального стадии ползучести образцов Al при = 60.2MPa.

стопора d b (b — вектор Бюргерса), можно считать коэффициент перенапряжения пропорциональным длине дислокационной петли l, освобождающейся в ходе акта термической активации. Так как в алюминии b = 0.286 nm [10], то l /b2 270 nm. Порядок этой величины может определяться средним расстоянием l -1/2 между дислокациями „леса“, очевидно, играющими роль центров закрепления, при разумном значении плотности дислокаций 1.5 · 109 cm-2.

Совпадение констант c и aw микромеханизмов, контролирующих скорость ползучести и скорость распространения автоволн локализации пластической деформации, представляется не случайным. В ряде наших работ, например [3,11], была исследована зависимость скорости автоволн макролокализации пластического течения от коэффициента линейного деформационного упрочнения при активном нагружении и было показано, что велиРис. 4. Зависимость скорости автоволн от скорости ползучечина этой скорости определяется соотношением между сти на установившейся стадии.

плотностями подвижных и накопленных дислокаций, а также характерным размером формирующейся дислокационной структуры. Таким образом, как при активном нагружении, так и при ползучести подвижность и ее скорость описывается уравнением вида дислокаций играет важную роль, но, по-видимому, при ползучести она проявляется более отчетливо.

Uc - c c = exp -, (1a) kT где Uc — энергия активации; = const; kT имеет обычный смысл; силовая константа процесса c, согласно [9], есть произведение истинного объема активации на коэффициент перенапряжения атомных связей, который позволяет перейти от средних напряжений к локальным, действующим в зоне термофлуктуационного акта.

Действительно, как видно из рис. 5, зависимость ( ) в координатах ln - хорошо аппроксимируется прямой 1. Представленной здесь же зависимости Vaw( ) при установившейся ползучести (прямая 2) также соответствует функция Uaw - aw Vaw = V0 exp -, (1b) kT Рис. 5. Скорости ползучести (1) и скорости автоволн локалигде V0 = const. зации деформации (2) при различных напряжениях.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Макролокализация пластической деформации при ползучести мелкокристаллического алюминия Выводы 1. Макроскопическая локализация пластической деформации возникает и при ползучести. При этом картины локализации деформации на стадиях установившейся ползучести имеют волновой характер, в общих чертах совпадающий с наблюдаемыми на стадиях линейного упрочнения при активном нагружении.

2. Скорость распространения автоволны локализованной пластичности пропорциональна скорости установившейся ползучести.

3. Совпадение активационных объемов, получаемых из зависимостей скорости ползучести и скорости автоволн локализованной деформации от напряжения, свидетельствует о дислокационной природе обоих явлений.

Список литературы [1] Зуев Л.Б., Данилов В.И., Горбатенко В.В. // ЖТФ. 1995.

Т. 65. Вып. 5. С. 91–108.

[2] Баранникова С.А. // ЖТФ. 2000. Т. 70. Вып. 10. С. 138–140.

[3] Зуев Л.Б., Данилов В.И., Семухин Б.С. // Успехи физ. мет.

2002. Т. 3. С. 237–304.

[4] Данилов В.И., Баранникова С.А., Зуев Л.Б. // ЖТФ. 2003.

Т. 73. Вып. 11. С. 69–75.

[5] Данилов В.И., Яворский А.А., Зуев Л.Б. // Изв. вузов.

Физика. 1991. № 4. С. 5–9.

[6] Кеннеди А.Дж. Ползучесть и усталость в металлах. М.:

Металлургия, 1965. 312 с.

[7] Zuev L.B., Polyakov S.N., Gorbatenko V.V. // Proc. SPIE.

Vol. 4900. Pt 2. P. 1197–1208.

[8] Розенберг В.М. Ползучесть металлов. М.: Металлургия, 1967. 276 с.

[9] Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974.

560 с.

[10] Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.:

Металлургия, 1972. 408 с.

[11] Zuev L.B. // Ann. Phys. 2001. Vol. 10. N 11–12. P. 966–984.

7 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып.




© 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.