CC BY
93
Эффекты локализации деформации в композитах на основе А1 с включениями А1203
Е.Е. Дерюгин, В.Е. Панин, 3. Шмаудер1, И.В. Стороженко2
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия Тосударственный институт испытаний материалов при Штутгартском университете, Штутгарт, D-70569, Германия 2Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
С помощью оптико-телевизионной измерительной системы TOMSC исследована эволюция локализации пластической деформации в композитах на основе алюминия с жесткими включениями А!^ при растяжении. Показано, что на фоне пилообразной кривой «напряжение - деформация» отожженных сплавов наблюдается низкочастотная модуляция напряжения. Закономерности локализации пластической деформации в образце при растяжении четко коррелируют с развитием скачкообразного характера кривой «напряжение - деформация». Каждый акт падения напряжения на пилообразной кривой ст-е связан со спонтанным образованием макрополосы локализованного сдвига, ориентированной под углом 60° к оси растяжения. Макрополосы формируются последовательно сначала без видимой корелляции друг с другом (механизм волн заселенности), затем последовательное включение макрообъемов в пластическую деформацию происходит по механизму волны переключений. Каждый длиннопериодический отрезок на кривой «напряжение - деформация» определяет движение новой волны переключений. С увеличением степени деформации наступает этап, когда в процессе распространения волны действуют два механизма переключений: трансляционное переключение макрообласти локализации пластической деформации вдоль рабочей длины образца и ротационное переключение, когда происходит переориентация макрополосы в направлении, сопряженном к предыдущему. Развитие шейки происходит по ротационному механизму переключений, обусловленному циклическим характером развития локализации деформации в сформированных ранее сопряженных макрополосах. Распространение волны переключений и периодическое изменение ориентации макрополосы сопровождаются возникновением поперечных автоколебаний образца относительно оси растяжения.
1. Введение
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы относятся к классу высокопрочных конструкционных материалов. Их отличительной особенностью и преимуществом по сравнению с армированными и слоистыми композиционными материалами является изотропность механических свойств. Много исследований было выполнено на сплавах алюминия и его композициях с упрочняющей фазой А12О3 [1-3]. Закономерности пластической деформации, деформационного упрочнения, разрушения и особенности кривых «напряжение - деформация» таких материалов абсолютное большинство авторов объясняет, как правило, лишь на основе дислокационных моделей. Вопрос о развитии неоднородной пластической деформации и разрушения композиционных материалов в локальных объемах мезо- и макроскопического масштабов в научной литературе практически не освещен. В соответствии с принципами мезомеха-ники [4, 5] закономерности локализации деформации в объеме материала определяют концентраторы напряжений различного масштаба. Выделяют два типа концент-
© Дерюгин Е.Е., Панин В.Е., Шмаудер 3., Стороженко И.В., 2001
раторов напряжений: распределенные концентраторы, обусловленные неоднородностью структуры и наличием внутренних границ раздела, и базовые, обусловленные захватами испытательной машины и геометрической формой образца [5, 6]. Известно, например, что в переходной области от головки к рабочей длине образца при упругом нагружении напряжения могут в два раза превышать внешнее приложенное напряжение [6]. Кроме того, аналитический расчет поля напряжений и численное моделирование распространения мезополос в неоднородной среде [7-10] показали, что сами очаги локализованной деформации могут выступать в качестве распределенных и базовых концентраторов напряжений. Сильная локализация деформации может обеспечить в голове полосы концентрацию, которая в два раза выше внешнего приложенного напряжения [7, 9].
В данной работе поставлена цель с помощью оптико-телевизионной измерительной системы ТОМ8С, разработанной в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, исследовать эволюцию развития неоднородной пластической деформации в композитах
Рис. 1. Диаграммы нагружения Al (1), Al+ 10%Al203 (2)
на основе А1 с жесткими включениями А12О3 при растяжении под действием базовых и распределенных концентраторов напряжений.
2. Материал и методика исследования
Для исследований использовали сплав А16061 [11] (далее А1) и композиты А1 +10 % А12О3 и А1+22 % А12О3 на его основе с твердыми включениями А12О3 (15 мкм), изготовленные путем жидкофазного спекания, экструзии и ковки. Испытанию подвергали плоские образцы, охлажденные с печью после интенсивной прокатки и отжига при 550 °С в течение 2 ч. Образцы имели головки в форме лопаточек с радиусом перехода R = 2 мм к рабочей части образца размером 14x3x1.5 мм3. Полагали, что роль распределенных концентраторов напряжений в данном эксперименте играют стыки границ зерен, частицы твердой фазы А12О3 и выделения, обусловленные небольшими добавками и Si [11].
Растяжение проводили на установке типа ИМАШ при комнатной температуре со скоростью движения захватов испытательной машины 1.5*10-3 мм/с. С помощью оптико-телевизионной системы TOMSC в компьютер вводились изображения рельефа поверхности испытуемого образца через определенные промежутки времени. Методом сравнения двух последовательных изображений исследуемого участка поверхности через 5 или 10с получали поля векторов смещений с разрешающей способностью 144 вектора на мм2 [12]. Кривую «напряжение - деформация» записывали на двухкоординатном потенциометре.
3. Результаты исследования
3.1. Диаграммы нагружения
Типичные диаграммы нагружения сплавов после отжига при температуре 550 °С в течение 2 ч приведены на рис. 1. Пилообразный вид кривых свидетельствует о прерывистом характере пластического течения. Пре-
15 20 s, %
Al + 22%Al203 (3), отожженных при 550 °С в течение 2 ч
рывистая текучесть проявляется четко, начиная с 8p = = 1%, и усиливается по мере увеличения нагрузки. В среднем, диаграммы а-8 характеризуются плавным уменьшением коэффициента деформационного упрочнения без резко выраженного предела текучести. Увеличение концентрации частиц Al2O3 приводит к характерному для композиционных материалов увеличению условного предела текучести а0 05 и уменьшению пластичности 8 (см. таблицу). Влияние концентрации Al2O3 на предел прочности не столь существенно. За пределом прочности все кривые имеют участок падающего напряжения, на котором прерывистая текучесть быстро затухает. Этот участок обусловлен уменьшением сечения образца в результате развития стационарной шейки.
Следует отметить чрезвычайно интересный факт. На фоне высокочастотных колебаний нагрузки достаточно ясно проявляется длиннопериодическая, или низкочастотная, модуляция напряжений. Длиннопериодическое возмущение кривой а-8 особенно четко проявляется при напряжениях, близких к пределу прочности аB, на участке со слабо уменьшающимся коэффициентом деформационного упрочнения. Наличие частиц изменяет лишь количественные характеристики диаграмм. 0со-бенно хорошо низкочастотная модуляция проявляется в сплаве Al +10 % Al2O3, слабее всего—в Al+22 % Al2O3.
Наблюдение образца в микроскоп in situ показывает, что в процессе нагружения происходит слабое изменение рельефа поверхности. Полированная поверхность в целом постепенно темнеет и приобретает зернистую
Таблица
Сплав а 0 05, МПа a B, МПа 8, %
Al6061 45±2 183.8 ± 4 27±2
Al+10%Al203 62 ±2 188.0±4 18 ± 2
Al + 22 % Al203 75±3 181.8 ± 4 14± 1
Рис. 2. Формирование шейки в алюминиевом образце; предварительный отжиг при 550 °С, 2 ч, ер = 17 (а), 22 (б) и 25 % (в)
структуру. На пределе прочности начинает проявляться область макролокализации в виде темнеющего пятна, определяющего место формирования стационарной шейки. На рис. 2 приведен пример изменения поверхности образца А1 перед разрушением. Разрушение происходит по схеме нормального отрыва.
3.2. Картины векторов смещений
Подробную информацию о характере развития локализации деформации на различных участках кривой нагружения дает анализ картин векторов смещений. Ниже приведены данные наблюдений площади поверхности, занимающей треть рабочей части образца, т.е. соизмеримой с длиной рабочей части, равной 14 мм. Области интенсивной пластической деформации в поле векторов смещений изображаются точками. Это связано с двусторонним растяжением образца двумя подвижными захватами испытательной машины.
Для всех исследованных сплавов наблюдается типичная картина, которая особенно ярко выражена у А1 и А1+10%А12О3. На рис. 3 представлены фрагменты полей векторов смещений на начальных этапах нагружения А1. Изменение рельефа поверхности за достаточно большой промежуток времени (не менее 60 с) выявляется на поле векторов смещений еще до предела текучести ст 0 05. Разные направления векторов смещений (рис. 3, а) свидетельствуют о неоднородном проте-
кании пластической деформации на мезоуровне. При сравнении изображений, разделенных промежутком Лt = 10 с, на этапе высокого начального деформационного упрочнения векторы еще не имеют поперечной составляющей смещений (рис. 3, б). Первые признаки неоднородного макропластического течения за этот промежуток времени можно заметить при ер = 1 %. На рис. 3, б представлена поперечная макрополоса локализованной деформации, зафиксированная в области ер = = 3 %. Неровные границы очага локализации и неодинаковая длина векторов по сечению образца (рис. 3, б) свидетельствуют о неоднородном протекании пластической деформации и на мезомасштабном уровне. Пластическая деформация в объеме образца протекает сугубо очагово. Макроочаги локализованной деформации возникают без видимой связи друг с другом. Область, занятая точками, непрерывно меняет свое расположение. На рис. 4, а мы наблюдаем в верхнем углу справа небольшую часть очага локализованной деформации, появившегося за пределами поля зрения справа. Через 10 секунд новый очаг появился в поле зрения (рис. 4, б), а еще через 10 секунд зона локализации деформации фиксируется уже у левого захвата. Часть ее наблюдается внизу слева (рис. 4, в).
С ростом напряжения блуждающий очаг все более четко реализуется в виде макрополосы локализованного сдвига, ориентированной под углом 60° к оси растяже-
Рис. 3. Поля векторов смещений на поверхности плоского алюминиевого образца на начальном участке кривой растяжения: ер = 0.05 (а) и 3 % (б)
........................................■' 1 17 ! 1 !
777777777777 I ! ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ I
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^77777777777777 ! !
’::;:::7::::;77:^ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ,-/-/-/ 1
-^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^7777777777777 177 !
’ ’ ’ ’ ' ’ ’ ’ ’ 1 177 177 1
^^^^^>>>^^^^>>^^>^^>^^>^^^/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7/7~7
’ ’ ’ ’ ’ ’ / / ’ ' / ’ ’ ' 1 '
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^>>^777777777 Т 177^ 1 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^777777777777 — '
............................ '
......................
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^77777777777
77777777^ '
- ‘ ..................................
77-------------------------; ■ уу ----------
______________• ■ ■ ; ; г■//■ 1 ' ' ' ~
Рис. 4. Поля векторов смещений на поверхности плоского образца А1 на начальном участке кривой растяжения: ер = 4.8 (а), 5.0 (б) и 5.2 % (в), предварительный отжиг при 550 °С, 2 ч
ния. Наблюдается эстафетное перемещение макрополос в определенном направлении от одной головки образца к другой в виде волны локализованного сдвига. Фрагменты а-г на рис. 5 демонстрируют это явление. Процесс периодически повторяется, начиная с образования макрополосы локализованного сдвига у одной из головок. Анализ показал, что этот период соответствует периоду низкочастотной модуляции на диаграммах «напряжение - деформация». С увеличением напряжения данная закономерность проявляется все более четко. О том, что макрополоса распространяется вдоль рабочей длины образца не непрерывно, а дискретно, свидетельствуют данные изменения полей векторов смещений за более короткий, чем 10 с, промежуток времени. В качестве примера на рис. 6 приведена последовательность картин векторов смещений через каждые 5 с для сплава А1+10% А12О3 вблизи левого захвата в интервале деформаций ер = 7.2-7.8 %. Полоса перемещается вдоль об-
Рис. 5. Поля векторов смещений на поверхности плоского образца А1 при ер = 8.1 (а), 8.3 (б), 8.4 (в) и 8.5 % (г). Область наблюдений в центре образца
разца импульсивно. Первый кадр на рис. 6 зафиксировал факт возникновения макрополосы локализованного сдвига у левой головки образца. Интенсивное накопление пластической деформации в данной полосе вскоре прекратилось и далее заметной деформации образца не происходит. Затем впереди фронта данной полосы быстро (менее чем за 5 с) появляется новая макрополоса (кадр 2), впереди этой — следующая (кадр 3) и т.д. Дру-
Ш:
£:
Рис. 6. Изменение поля векторов смещений А1+10% А12О3 через каждые 5 с в интервале ер = 7.2^7.8 %. Область наблюдений у левого захвата
гими словами, пластическая деформация данных сплавов на определенном этапе нагружения осуществляется путем последовательного вовлечения макрообъемов в пластическую деформацию по механизму распространения вдоль образца волны переключений. Замечено, что моменту появления макрополосы у головки образца соответствует максимум амплитуды низкочастотной модуляции внешнего приложенного напряжения на диаграмме нагружения (рис. 1, кривая 2). Период низкочастотной модуляции определяется временем перемещения волны переключений от одной головки образца к другой. За данный период происходит образование до 10 макрополос, последовательно перемещающихся вдоль рабочей длины образца. Такое же количество скачков возникает на кривой ст-е за это же время. Как и следовало ожидать, каждый акт падения напряжения на пилообразной кривой связан с образованием во всем поперечном сечении образца макрополосы локализо-
ванного сдвига. На этапе последующего подъема напряжения образец испытывает незначительную деформацию в целом по всему объему образца до момента следующего падения напряжения.
Распространение полосы происходит неравномерно. За промежуток времени от начала появления полосы (рис. 6, кадр 3) до начала ее выхода из поля зрения (кадр 5) за 30-35 с полоса перемещается на расстояние 5 мм. Отсюда для данного случая получим среднюю скорость перемещения полосы вдоль образца V ~ ^ 1.5*10-1 мм/с, что в 50 раз превышает скорость движения захватов испытательной машины относительно друг друга.
Учитывая в среднем ширину макрополосы (^ 1 мм) и величину пластической деформации между скачками по диаграмме нагружения ст-е на этапе хорошо выраженной прерывистой текучести, получим значение средней пластической деформации в пределах
Рис. 7. Изменение поля векторов смещений А1+ 10%А1203 че захвата
1.0—1.8 %. Максимальное значение соответствует сплаву А1+10 % А1203, минимальное — сплаву А1+22 % А1203.
На определенных этапах нагружения наблюдается изменение направления движения волны переключений, а также изменение направления сдвига в макрополосе на сопряженное по отношению к прежнему. На рис. 7 приведен пример макрополосы, появившейся в поле зрения через 90 с после фиксации кадра 6 на рис. 6. Здесь полоса перемещается к левому захвату и имеет ориентацию, сопряженную с ориентацией полосы на рис. 6. Для компактности на данном рисунке пропущены кадры с точками, соответствующие моментам отсутствия процесса резкой макролокализации на фронте волны переключений. На рис. 8 приведен пример изменения поля векторов смещений через каждые 10 с вблизи правой головки образца. Волна переключения, отражаясь от правой головки образца изменяет направление движения и ориентацию фронта. Как правило, смена направления движения волны переключения у какой-либо головки образца всегда сопровождается сменой ориентации полосы на сопряженную.
Периодическая смена направления движения и ориентации фронта волны переключений сопровождается автоколебаниями образца. На рис. 9 приведена схема, поясняющая автоколебательные движения образца во время движения полосы сдвига сначала от левого захвата к правому (рис. 9, а, б) и, наоборот, от правого захвата к левому (рис. 9, в, г). Область наблюдения векторов смещений выделена прямоугольником в центре образца.
5 с в интервале Аер = 7.2^7.8 %. Область наблюдений у левого
Видно, что приближение полосы сдвига слева от этой области (рис. 9, а) вызывает поперечное отклонение оси образца от оси растяжения, отмеченное стрелкой вверх, до тех пор пока полоса не минует центр образца. Далее движение полосы от центра до правого захвата вызывает поперечную составляющую смещений, направленную в противоположную сторону (рис. 9, б). Изменение направления перемещения волны переключений и смена ориентации полосы на сопряженную вновь изменяют направление поперечной составляющей смещений, сначала при движении от правого захвата к центру образца (рис. 9, в), затем при движении от центра до левого захвата (рис. 9, г).
При напряжениях, близких к пределу прочности, когда в преддверии образования шейки зона активной деформации образца прогрессивно сужается, полоса локализованного сдвига начинает менять свою ориентацию на сопряженную уже в ходе движения. Данный случай иллюстрируется последовательностью фрагментов на рис. 10, фиксирующих поля векторов смещений в А1 через каждые 10 с. Отметим, что локализация деформации в сопряженных системах сдвига происходит неодновременно. Поле векторов смещений для временного интервала 5 с фиксирует единственную полосу вдоль одной из сопряженных систем пластического сдвига. Крестообразный вид зоны локализации деформации — результат суперпозиции смещений от отдельных полос, возникших в течение 10-15 с в разное время. На рис. 11 приведена зависимость смещений центральной части
Рис. 8. Изменение поля векторов смещений в А1 через каждые 10 с в интервале Дер = 6.75^7.3 %. Область наблюдений у правого захвата
образца от времени, полученная по данным картин векторов смещений. Видно, что довольно продолжительное время наблюдаются поперечные колебания образца около среднего положения.
На пределе прочности очередной очаг макролока-лизованного сдвига практически теряет свою подвижность вдоль оси образца. С этих пор в данном месте развивается стационарная шейка в виде двух взаимо-
действующих макрополос локализованного сдвига. Локализация пластической деформации развивается периодически то в одной, то в другой макрополосе. На рис. 12 приведены моменты, когда продольное перемещение зоны локализации деформации ограничено лишь площадью обзора.
Периодическая смена ориентации полосы вдоль сопряженных направлений пластического сдвига вызы-
в г
Рис. 9. Схема автоколебаний образца в процессе распространения волны переключений от левого захвата к правому (а, б) и наоборот (в, г)
вает автоколебания в противофазе частей образца по разные стороны от полосы. В чистом виде такие автоколебания наблюдаются на пределе прочности, когда перемещение зоны локализации деформации сильно ограничено и, в сущности, формируется шейка. Характер автоколебаний при данном механизме накопления пластической деформации отражает схема на рис. 13. Автоколебания при формировании шейки могут повторяться многократно.
Через некоторое время видимое чередование сопряженных направлений локализованного пластического сдвига прекращается и пластическая деформация локализуется в очень узкой области поперек образца (рис. 14), по которой и происходит разрушение. При этом отчетливо видно, что вертикальные векторы смещений, отражающие поперечное сужение в шейке, на самом деле являются векторной суммой двух сопряженных сдвигов в направлениях максимальных касательных напряжений.
4. Обсуждение
Явление прерывистой текучести в сплавах, в частности в сплавах алюминия, хорошо известно [2, 13-18] и в литературе классифицируется как эффект Портеве-на - Ле Шателье. Периодические спады внешнего напряжения являются следствием спонтанного распространения через все поперечное сечение образца макрополос локализованного сдвига, что придает кривым ст-е пилообразный вид. Отдельная полоса появляется в результате того, что в локальном объеме макроскопического масштаба по какой-то причине вдруг резко возрастает скорость пластической деформации. Падение напряжения происходит в те моменты, когда скорость
пластической деформации в полосе обеспечивает скорость увеличения длины образца, опережающую скорость движения захватов испытательной машины друг относительно друга. В общем случае выделяют три качественно различных типа развития четко выраженной макролокализации пластической деформации в объеме плоского образца при растяжении [16]. Примером первого типа (тип А) является периодическое возникновение и непрерывное распространение вдоль образца фронта локализованной пластической деформации, типа полосы Людерса в малоуглеродистых и малолегированных сталях сплавах с резко выраженным пределом текучести [19-21]. По определению полоса Людерса — это вид локализованной деформации, где активно деформируется только узкая часть образца, которая обычно при испытаниях на растяжение или сжатие непрерывно распространяется по образцу от одного захвата к другому. Внешняя нагрузка остается при этом практически постоянной. Деформационный профиль полосы Людер-са в процессе ее распространения сохраняется, напоминая солитонную волну. Однако в отличие от нее, полосы типа А возникают, во-первых, у сплавов, не обнаруживающих четко выраженного предела текучести. Во-вторых, они наблюдаются на стадии развитой пластической деформации. В-третьих, в процессе нагружения наблюдается возникновение не одной, а целой последовательности полос, непрерывно распространяющихся вдоль образца [14, 22]. Поэтому полосу Людерса можно рассматривать как специфический случай локализации деформации, и обычно его рассматривают отдельно от эффекта Портевена - Ле Шателье. В нашем случае опыты не обнаружили непрерывного распространения макрополос локализованной деформации, поэтому ло-
Рис. 10. Изменение поля векторов смещений в А1 +10% А1203 через каждые 10 с при напряжениях, близких к пределу прочности. Область наблюдений в центре образца
кализацию деформации типа А далее мы не рассматриваем.
Тип В характеризует случай, когда макролокализация реализуется последовательным образованием друг за другом полос локализованного сдвига в направлении от одного захвата к другому. Процесс зарождения у какого-либо захвата и «скачкообразного» перемещения зоны локализации деформации вдоль образца к другому захвату может повторяться несколько раз [17].
Тип С тоже характеризуется последовательным образованием в рабочем объеме образца макрополос локализованного сдвига, однако, в отличие от типа В, полосы возникают случайным образом без видимой корреляции друг с другом.
Результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что в сплавах алюминия, упрочненных выделениями вторичных фаз (А16061) либо твердыми включениями А1203, имеет место формирование полос как по типу В, так и по типу С. Каждый тип отражает определенные этапы развития макролокализации в процессе непрерывного нагружения образца.
На первоначальном этапе нагружения отожженных образцов в основном срабатывают мезо- и микроконцентраторы напряжений, распределенные в объеме образца и обусловленные присутствием зерен и частиц А1203. В А1 мезоконцентраторами напряжений являются места выхода границ зерен на свободную поверхность, а в объеме — стыки контактирующих друг с другом зерен и выделения вторичных фаз [1]. Под нагрузкой на
данных концентраторах напряжений зарождаются мезо-полосы. Взаимодействие случайно распределенных концентраторов напряжений в объеме поликристалла осуществляется по механизму суперпозиции волн заселения, при которой происходит стохастическое рассеяние упругой энергии по объему материала. Пластическая деформация с самого начала нагружения носит очаговый характер, т.е. протекает неодновременно, с изменяющейся скоростью и в различных локальных объемах мезо- и макроскопического масштабов. Это свидетельствует о превалирующей роли распределенных концентраторов напряжений на начальном участке кривой «напряжение - деформация».
В процессе неоднородной пластической деформации локальных объемов происходит существенное изменение характера неоднородности поля внутренних
Рис. 11. Упругопластические автоколебания оси образца А1+ Ю%А12О3 в процессе пластической деформации
М Ґ1 1 ! ! —~^Ч I ■ ■\5^
Т \ ! '■
І і. I ^
I 1. \ N
__________________ ____________________
.....................* Г о о о - “
- ------------------------------------------------------------------------------
V... . . . . . . . . .— .
^ ^
...............
^ > > ^ ^ . . . . . . . . . . . . і
...........
ч\\\\\ і і і і ... -)—
Ул^
Рис. 12. Последовательность картин векторов смещений точек поверхности сплава А1+22% А1203 через каждые 10 с на пределе прочности
напряжений во всем объеме твердого тела. Очаги пластической деформации мезоскопического масштаба формируют новую систему мезоконцентраторов напряжений, в то время как концентраторы напряжений, обусловленные исходной неоднородной структурой материала, релаксируют. Взаимодействие полей напряжений от локальных очагов как от дефектов мезоскопического масштаба приводит к самосогласованному
формированию очагов пластической деформации. Начинается стохастическое возникновение макрополос локализованной деформации по типу С. По мере роста внешнего напряжения в формирующихся макрополосах усиливается локализация пластической деформации и их влияние на образование следующей полосы. Наконец, наступают условия, когда одна из зародившихся на одном из захватов макрополос локализованной плас-
Рис. 13. Автоколебания частей образца А1+10%А12О3 в процессе периодического изменения ориентации полосы пластического сдвига
тической деформации приобретает роль базового концентратора напряжений, определяющего возникновение новой макрополосы в смежной области. В прежней макрополосе происходит релаксация напряжений, а макроконцентратор напряжений возникает на фронте новой полосы, способствуя образованию следующей макрополосы, и т.д. Наступает этап развития макролокализации деформации по типу В. Интересно, что при этом на фоне низкочастотных колебаний наблюдается длиннопериодическая модуляция внешнего приложенного напряжения. Это означает, что внешнее напряжение, соответствующее зарождению новой макрополосы, зависит от расположения этой полосы на рабочей длине образца, что и обусловливает длиннопериодические всплески на кривых «напряжение - деформация». Как правило, зарождение полосы на головке образца требует повышенного внешнего напряжения. Последующее формирование новых полос локализованной деформации перед фронтом требует уже не столь высокого подъема внешнего напряжения, как в случае зарождения первичной полосы локализованной деформации у головки образца. Последовательное возникновение новых
полос локализованной деформации вдоль образца в сплаве А1+10% А1203 происходит в среднем при возрастающем внешнем приложенном напряжении. В то же время, для А1 и А1+22% А1203 перемещение подобных полос сначала не требует роста среднего напряжения, а в некоторых случаях наблюдается даже некоторое падение, в среднем, внешнего напряжения (рис. 1). По-видимому, подъем среднего приложенного напряжения связан с градиентом деформационного упрочнения материала вдоль рабочей длины образца, унаследованным от предыдущей пластической деформации.
Концентрация включений влияет на переход локализации от типа С к типу В неоднозначно. Этот переход наступает тем раньше, чем сильнее выражена прерывистая текучесть. Мы уже отмечали, что низкочастотная модуляция и прерывистая текучесть особенно ярко проявляются в сплаве А1+10% А1203, слабее всего — в А1+22% А1203. Четко выраженное направленное «скачкообразное» распространение макрополосы локализованной пластической деформации у А1 начинается с ер = 9 %, у А1+10%А1203 с ер = 5 %, а у А1+22%А1203 с ер = 8 %. С одной стороны, твердые частицы играют роль препятствий для развития локализации пластической деформации, вызывая деформационное упрочнение материала. С другой стороны, частицы А1203 как концентраторы напряжений являются источниками мезо-полос локализованной пластической деформации, т.е. должны способствовать развитию локализации деформации. По-видимому, этим объясняется то, что в сплаве А1 +10 % А1203, где концентрация частиц А1203 не очень высока, явление прерывистой текучести выражено ярче не только по сравнению со сплавом А1+22% А1203, но также и по сравнению с А1.
Возникнув под действием макроконцентратора вблизи одной из головок образца, макрополоса изменяет напряженное состояние в окружающей области, ре-лаксируя напряжения на данном концентраторе и создавая более мощный концентратор на фронте локализованного сдвига. В результате падения внешнего напряжения и деформационного упрочнения процесс
Рис. 14. Поле векторов смещений точек поверхности А1 в окрестности шейки перед разрушением
пластической деформации в полосе быстро подавляется. Согласно [17], формирование новой макрополосы происходит в течение не более 0.5 с. За это время макроконцентратор перемещается на фронт данной полосы локализованного сдвига. После падения напряжения наступает инкубационный период протяженностью 10-15 с, этап практически упругой деформации образца, требующий роста внешнего напряжения до уровня, достаточного для образования новой полосы и т.д. Таким образом, последовательное формирование полос локализованной пластической деформации происходит в результате направленного перемещения вдоль рабочей длины образца базового концентратора напряжений и наоборот. Повторное срабатывание концентратора напряжения у головки образца требует более высокого внешнего приложенного напряжения, что свидетельствует о сильном деформационном упрочнении образца.
Периодическое распространение волн переключений от одного захвата к другому сопровождается периодическими отклонениями частей образца от оси растяжения в режиме автоколебаний (см. рис. 9). Компенсация поворотных моментов происходит за счет смены ориентации макрополосы, зарождающейся у головки образца, на сопряженную. С увеличением степени пластической деформации и деформационного упрочнения образца сдвиговая устойчивость материала возрастает. Это приводит к тому, что смена ориентации макрополосы происходит уже в ходе распространения волны переключения. Теперь в процессе распространения волны действуют два механизма переключений: трансляционное переключение макрообласти локализации пластической деформации вдоль рабочей длины образца и ротационное переключение ориентации макрополосы локализованного сдвига в сопряженных системах скольжения. В связи с этим возникает новая мода автоколебаний. Ротационное переключение сопровождается колебаниями в противофазе частей образца по разные стороны от полосы локализованной деформации (рис. 13). Дальнейшее увеличение сдвиговой устойчивости материала приводит к подавлению действия механизма трансляционного переключения и превалирующему действию механизма ротационного переключения. При формировании шейки на пределе прочности наблюдается динамически устойчивый процесс локализации деформации практически только за счет ротационного переключения. Устойчивость объясняется тем, что совокупное влияние уменьшения поперечного сечения и деформационного упрочнения не требует в среднем увеличения внешнего приложенного напряжения. Автоколебательный режим развития локализации деформации при формирования шейки авторы [23] наблюдали ранее на падающем участке диаграммы растяжения крупнозернистых поликристаллов трансформаторной стали.
5. Заключение
С помощью оптико-телевизионной измерительной системы ТОMSC исследована эволюция локализации пластической деформации в композитах на основе сплава А16061 с жесткими включениями А1203 при растяжении. Выявлены следующие закономерности эволюции локализации пластической деформации в данных сплавах и соответствующие изменения на кривой «напряжение - деформация»:
1. Пилообразный вид кривой «напряжение - деформация» отожженных образцов является следствием последовательного возникновения макрополос пластической деформации вдоль рабочей длины образца.
2. На начальном этапе макролокализация деформации реализуется путем случайного образования макрополос локализованной деформации в объеме образца по механизму волн заселения. По мере увеличения внешнего напряжения растет вероятность возникновения новой макрополосы впереди предыдущей.
3. На определенном этапе наблюдается движение макрополос локализованного сдвига вдоль рабочей части образца по механизму бегающей шейки (волны переключений), подобно тому, как это часто происходит при деформации сверхпластичных поликристаллов. Отличие лишь в малой степени локализации деформации в «бегающей шейке», которую удается выявить лишь с помощью полей векторов смещений, получаемых оптико-телевизионным методом.
4. Зарождение и движение макрополос локализованной пластической деформации сопровождается низкочастотной модуляцией диаграмм нагружения. Период низкочастотной модуляции определяется временем распространения волны переключений от захвата к захвату. Скорость распространения волны переключений на порядок и более превышает скорость движения захватов испытательной машины друг относительно друга.
5. Распространение волны переключения от одного захвата к другому сопровождается последовательными поперечными отклонениями частей образца от оси растяжения. При распространении волны в обратном направлении происходит ее переориентация в сопряженном направлении максимальных касательных напряжений. Данный процесс развивается в режиме автоколебаний.
6. Дальнейшее нагружение образца приводит к тому, что смена ориентации макрополосы происходит уже в ходе распространения волны. Наступает этап, когда в процессе распространения волны действуют два механизма переключений: трансляционное переключение макрообласти локализации пластической деформации вдоль рабочей длины образца и ротационное переключение ориентации макрополосы локализованного сдвига в сопряженных системах скольжения.
7. Формирование шейки на пределе прочности происходит путем циклического переключения процесса локализации деформации в сопряженных макрополосах локализованного сдвига.
Полученные данные являются важным шагом в понимании механизма локализации деформации в гетерогенных упрочняющихся системах, совершенствовании нелинейных моделей физической мезомеханики и компьютерного моделирования.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, проект № 99-01-00583 и немецкой научной организацией DFG (Deutsche Forschungs-Gemeinschaft), проект SCHM 746/18-1-436 RUS 17/83/98.
Литература
1. Дриц М.Е., Корольков A.M., Гук Ю.П. и др. Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях. - М: Наука, 1973.- 215 с.
2. Deschamps A., Le SingL., Brechet Y. et al. Anomalous strain hardening
behaviour of a supersaturated Al-Zn-Mg alloy // Mat. Sci. Eng. -1997. - A 234-236. - P. 477-480.
3. Супрапеди, Тойоока С. Пространственно-временные наблюдения пластической деформации разрушения методом спекл-интерферо-метрии // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - № 1. - Р. 55-60.
4. Panin V.E. Modern problems of physical mesomechanics // Proc. Int. Conf. “Mesomechanics’2000”, June 13-16, 2000 / Ed. by G.C. Sih. -Beijing: Tsinghua University Press, 2000. - V. 1. - P. 127-142.
5. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики
// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
6. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975.- 576 с.
7. Deryugin Ye.Ye., Lasko G. V, Schmauder S. Relaxation elements method
// Computational Materials Science - 1998. - No. 11. - Р. 189-203.
8. Deryugin Ye. Ye., Lasko G. V, Schmauder S. Formation and selforganization of the LPD bands within the range from meso- to macrolevеl in polycrystals under tensile loading // Computational Materials Science. - 1999. - No. 15. - P. 89-95.
9. Deryugin Ye.Ye. Relaxation elements method in calculations of stress state of elastic plane with the plastic deformation band // Computational Materials Science. - 2000. - V. 19. - No. 1^. - С. 53-68.
10. Смолин И.Ю., Соппа Э., Шмаудер 3., Макаров П.В. Двумерное моделирование пластической деформации в матрице металло-
керамического композита на мезоуровне: оценка напряженных состояний и численных методов // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. -№ 1. - С. 17-22.
11. Алюминий: свойства и физическое металловедение. - М.: Металлургия, 1989. - 422 с.
12. Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин Е.Е. и др. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезо-уровне // Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 2. - С. 174-194.
13. Йошида С. Оптико-интерферометрические исследования деформации и разрушения на основе физической мезомеханики // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 4. - С. 5-12.
14. Цигенбайн А., Плессинг Й., Нойхойзер X. Исследование мезо-уровня деформации при формировании полос Людерса // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 1. - № 2. - С. 5-20.
15. Toyooka S., Zhang Q.C., Widiastuti R. Plastic deformation waves in tensile experiments analyzed by electronic speckle pattern interfero-metry // Proc. Int. Conf. “Mesomechanics’2000”, June 13-16, 2000 / Ed. by G.C. Sih. - Beijing: Tsinghua University Press, 2000. - V. 1.-P. 541-546.
16. Ziegenbein A., Hahner P., Neuhauser H. Correlation of temporal instabilities and spatial localization during Portevin - Le Chatelier deformation of Cu-10 at.% Al and Cu-15 at.% Al // Computational Materials Science. - 2000. - V. 19. - No. 1-4. - P. 27-34.
17. Toyooka S., Widiastuti R., Zang Q., Kato H. Dynamic observation of localized strain pulsation generated in the plastic deformation process by electronic speckle pattern interferometry // Jpn. Appl. Phys. -2001.- V. 40. - P. 873-876.
18. Zelin M.G., Mukherjee A.K. Geometrical aspects of superplastic flow // Mat. Sci. Eng. - 1996. - A208. - P. 210-225.
19. Fudjita H., Miyazaki S. Luders deformation in polycrystalline iron // Acta Met. - 1978. - V. 26. - No. 8. - P. 1273-1281.
20. Iricibar R., Mazza I., Cabo A. The microscopic strain profile of a propagating Luders band front in mild steel // Scr. Met. - 1975. -V. 9. - No. 10 - P. 1051-1058.
21. Орлов Л.Г. О деформации поликристаллического железа на площадке текучести // Физ. твердого тела. - 1967. - Т. 1. - № 8. -С. 2334-2344.
22. Лебедкин М.А., Дунин-Барковский Л.Р., Лебедкина Т.А. Статистический и мультифрактальный анализ коллективных дислокационных процессов в условиях эффекта Портевена - Ле Шателье // Физ. мезомех. - Т. 4. - № 2. - 2001. - С. 13-19.
23. Panin V.E., Deryugin Ye.Ye., Wasman G.I. Shear bands and fracture of imperfect Fe+3%Si polycrystals // Int. J. of Fracture. - 2001. -No. 107. - P. 1-10.
