CC BY
79
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2011. Вып. 3. С. 184-190
ФизикА
УДК 539.374
Полосы деформации и разрушение алюминий-магниевого сплава АМг6 *
Д. В. Михлик, А. А. Шибков
Аннотация. Динамика полос деформации на стадии предразрушения алюминий-магниевого сплава АМг6 исследована с помощью скоростной видеосъемки. Выявлен различный характер корреляции между распространяющимися полосами деформации и развитием магистральной трещины в искусственно состаренном и рекристаллизованном сплаве.
Ключевые слова: полосы макролокализованной деформации, вязкое разрушение, магистральная трещина, корреляция, алюминий-магниевый сплав.
Введение
Алюминий-магниевые сплавы, обладающие сочетанием высокой прочности, свариваемости, коррозионной стойкости и низкой плотности нашли применение в авиационной технике, судостроении, автомобильной промышленности и химическом машиностроении. Эти сплавы демонстрируют неустойчивую деформацию, связанную с локализацией пластического течения в статических и распространяющихся полосах деформации [1], которые ухудшают качество поверхности промышленных изделий и снижают пластичность сплавов системы Al-Mg. Последнее непосредственно связано с влиянием полос деформации на механизмы разрушения. В условиях проявления прерывистой деформации алюминий-магниевые сплавы демонстрируют, как правило, вязкое разрушение. Теория вязкого разрушения, однако, не учитывает локализацию деформации в полосах деформации, а основана на представлении о зарождении деформационных пор, их подрастании и слиянии в магистральную трещину [2].
Цель настоящей работы состояла в исследовании с помощью скоростной видеосъемки процесса развития макрополос локализованной деформации
* Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, контракт № П2321.
на стадии предразрушения при растяжении алюминий-магниевого сплава АМг6.
1. Методика
Образцы вырезались из холоднокатаного листа (е = 5) сплава АМг6 (Mg — 5.92%, Mn — 0.61%, Fe — 0.27%, Si — 0.14%) и имели размер рабочей части 6 х 3 х 1.2 мм3. Исследовали сплав с преципитатной микроструктурой, полученной искусственным старением в температурном интервале Tan = 240 — 270°С и сплав с рекристаллизованной зеренной структурой, полученной отжигом выше температуры сольвус Tsv ~ 275°С. Образцы растягивали с постоянной скоростью роста напряжения <г о = 0.2 МПа/с в мягкой испытательной машине, описанной в [3]. Для in situ исследования динамики полос деформации использовалась скоростная цифровая видеокамера VS-FAST/G6 научно-производственной компании «Видеоскан». Скорость видеосъемки составляла 500 кадр/с, а пространственное разрешение — 8 мкм/пиксель. Видеосъемку вели со стороны грани 6 х 3 мм2. Затем строили корреляционную диаграмму x(t) — временную зависимость координаты х границы полосы относительно позиции зарождения первичной полосы. Подробнее методика эксперимента описана в [3-5].
2. Результаты и обсуждение
2.1. Корреляция динамики полос деформации и магистральной трещины в искусственно состаренном сплаве АМг6. Анализ данных видеосъемки показывает, что развитие последнего скачка деформации начинается с зарождения от ребра кристалла первичной полосы деформации, обычно в средней части образца. Скорость вершины полосы составляет 1-2 м/с, а максимальная скорость бокового роста ^10 см/с [5]. Через 10-20 мс после момента зарождения скорость расширения полосы начинает падать и через 100 мс она составляет не более 5 мм/с. Затем каждая граница расширяющейся полосы в разные моменты времени генерирует вторичные полосы, которые расширяются подобным образом, порождая полосы третьего поколения и т.д. В результате эволюция неустойчивой деформации описывается бифуркационным «деревом» [6] (см. рис. 1). После «обработки» полосами всей рабочей части образца, возникает одиночная полоса, которая расширяется на весь образец. Далее наступает этап собственно образования шейки: поступательное распространение полосы сменяется на осциллирующее движение, когда полоса раскачивается в угловом секторе ~ 55° — 110° относительно оси растяжения при неподвижном «центре тяжести» полосы. Таким образом, данные высокоскоростной съемки показывают, что разрыв образца
происходит как результат (катастрофа) развития бифуркационного каскада удвоения.
х,мм х„мм
О 100 200 300 0 4 8 12 N
время t,MC
Рис. 1. Корреляционная (бифуркационная) диаграмма x(t) и гистограмма N(xi) полос деформации в искусственно состаренном сплаве АМг6 (Tan = 270° С) на последнем скачке деформации перед разрывом. Положение первичной полосы совпадает с магистральной трещиной, xtr ~ xcr. Штриховой линией отмечен момент разрыва. На вставках представлены видеокадры в момент появления первичной полосы (слева) и в момент разрыва образца (справа)
Для исследования влияния количества полос деформации, прошедших через будущую поверхность разрушения, рабочая часть образца условно разделялась на 20 эквидистантных параллельных сечений с координатами xi, подчитывалось количество границ полос N, пересекающих каждое сечение и строилась гистограмма N (xi). Корреляционная диаграмма x(t) полос деформации на фронте последнего скачка деформации, гистограмма N (xi), характеризующая пространственное статистическое распределение полос деформации с отметками позиций и моментов зарождения первой полосы-триггера xtr и магистральной трещины xcr, представлены на рис. 1 для образца искусственно состаренного сплава АМг6. Анализ видеофильмов показывает, что максимум функции N(xi) приблизительно совпадает с позицией минимального сечения в шейке, а фронтальная позиция магистральной трещины с точностью порядка размера зерна (10-20 мкм) совпадает с фронтальной позицией первичной полосы, которая является триггером развития последнего скачка деформации, т.е. xcr ~ xtr.
Магистральная трещина представляет собой сдвиговую трещину (трещину II рода), поверхность которой составляет угол 45-50° к оси растяжения, т.е. проходит в плоскости максимальных касательных напряжений как и полоса-триггер. Такая корреляция геометрии полосы-триггера и магистральной трещины типична для образцов с преципитатной микроструктурой: плоскость первичной полосы
локализованного сдвига полностью предопределяет плоскость, через
которую пройдет магистральная трещина сдвига. Эта корреляция, однако, полностью разрушается для сплавов, отожженных при температуре выше температуры сольвус Тзу.
2.2. Корреляция динамики полос деформации и магистральной трещины в сплаве АМг6 с рекристаллизованной микроструктурой.
На рис. 2 представлена бифуркационная диаграмма полос деформации х(Ь), гистограмма полос N(х{) и фронтальная фотография через 2 мс после разрыва для образца с хорошо рекристаллизованной зеренной структурой, полученной часовым отжигом при 450°С. Структура сплава исследована в [7]. Основные особенности пространственно-временной картины полос деформации и разрушения состоят в том, что позиция магистральной трещины: 1) совпадает с минимальным сечением шейки образца; 2)
находится в области максимума гистограммы полос N(х*); 3) никогда не совпадает с позицией первичной полосы-триггера, с которой начинается последний скачок деформации, т.е. хсг = х^.
х,мм х„мм
О 50 100 150 200 250 300 0 4 8 12 ^
время t, мс
Рис. 2. Корреляционная диаграмма полос деформации в сплаве АМг6 с рекристаллизованной структурой (Tan = 450°С) на последнем скачке деформации перед разрывом. Положение магистральной трещины находится в области, где N = Nmax; xcr = xtr
Все три факта, особенно последний, полностью контрастируют с искусственно состаренными образцами, в которых вероятность совпадения плоскости первичной полосы и магистральной трещины фактически равна 100 % вне зависимости от вида функции N(xi). Важно подчеркнуть, что полное изменение характера корреляции между полосами деформации и магистральной трещиной происходит в узком интервале температур отжига, около 10°С в окрестности температуры сольвус 275°С. Если при Tan = 270°С наблюдается совпадение (в пределах размера зерна ~10 мкм) положения и геометрии первичной полосы и макротрещины, то уже при Tan = 277°С такое
совпадение никогда не наблюдается и корреляции полос и макроразрушения определяются тремя описанными выше факторами.
Обсудим теперь различный характер корреляции динамики полос деформации и магистральной трещины в сплавах АМг6 с различной исходной микроструктурой. Оценим сначала скорость первичной полосы в сплаве АМг6 с преципитатной структурой. По данным видеосъемки на последнем скачке полоса «прошивает» сечение за один кадр (At = 2 мс), что дает нижнюю оценку скорости полосы Vh min = w/ At = 1.5 м/с, где w = 3 мм — ширина образца. Скорость вершины плоского скопления дислокаций, как известно из динамики дислокационных скоплений [8], Vh = nVind, где n — количество дислокаций в скоплении, Vind — скорость индивидуальной дислокации при том же уровне приложенного напряжения. Поэтому скорость головной группы дислокаций Vh является мерой внутренних напряжений в голове скопления. Эти локальные напряжения растут с ростом скорости полосы и могут провоцировать образование микротрещин в «опасных» местах в поликристалле, в частности, вблизи частиц вторичной фазы.
Наиболее опасными в этом аспекте являются неперерезаемые частицы неравновесной в (AlзMg2)-фазы, которые имеют полукогерентную границу с алюминиевой матрицей и являются сами по себе источниками локальных внутренних напряжений. Поэтому естественно предположить, что динамическое взаимодействие первичной полосы локализованного сдвига с частицами вторичной фазы создает в плоскости распространения полосы систему микротрещин. Микротрещины будут подрастать всякий раз, когда через эту выделенную плоскость будет проходить граница новой полосы деформации. В результате слияния микротрещин в магистральную трещину на последнем скачке деформации произойдет разрыв образца. Поэтому поверхность разрушения определяется, в основном, поверхностью полосы-триггера, что и объясняет наблюдаемую корреляцию первичной полосы и магистральной трещины в сплаве АМг6 с преципитатной микроструктурой.
В сплаве с рекристаллизованной структурой, полученной отжигом выше температуры ограниченной растворимости в-фаза отсутствует [9], поэтому отсутствует и описанный выше механизм разрушения, связанный с динамическим взаимодействием деформационных полос с преципитатами. В исследованной области температур отжига 277-450°С магистральная трещина проходит через сечение, наиболее интенсивно «обработанного» полосами деформации, т.е. соответствующее максимуму гистограммы N (xi). Это указывает на ключевую роль распространяющихся полос деформации в зарождении и развитии магистральной трещины, но не выявляет механизма макроразрушения. Для изучения этого вопроса необходимы дальнейшие исследования пространственно-временной корреляции полос деформации на стадии развития шейки перед разрывом образца в сплаве Al-Mg с рекристаллизованной зеренной структурой.
Выводы
1. С помощью скоростной видеосъемки проведены исследования влияния полос деформации на механизмы разрушения сплавов АМг6. Установлено, что в искусственно состаренном сплаве позиция магистральной трещины с точностью, порядка размера зерна (~10 мкм) совпадает с начальной полосой локализованного сдвига — триггера развития последнего скачка деформации.
2. Предполагается, что полоса-триггер, распространяющаяся со скоростью больше ~1 м/с при взаимодействии с частицами вторичной в (AI3Mg2)-фазы создает в плоскости распространения систему микротрещин, по которым пройдет магистральная трещина. Роль распространяющихся полос деформации состоит в том, что при пересечении границы полосы с этой системой микротрещин происходит их рост и последующее слияние в магистральную трещину.
3. В сплаве с рекристаллизованной микроструктурой, полученной отжигом выше температуры сольвус, выделения вторичной в-фазы отсутствуют, поэтому позиции полосы триггера и магистральной трещины не совпадают. Магистральная трещина проходит через сечение, наиболее интенсивно обработанного распространяющимися полосами деформации.
Список литературы
1. Estrin Y., Kubin L.P. Spatial coupling and propagative plastic instabilities / Continuum models for materials with microstructure. Edited by H.-B. Muhlhaus. N.-Y.: Wiley & Sons. 1995. P.395-450.
2. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия. 1986. 224 с.
3. Комплекс in situ методов исследованбия скачкообразной пластической деформации металлов /А.А. Шибков А.А. [и др.] // Заводская лаборатория. 2005. Т.71, №7. С.20-27.
4. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg /А.А. Шибков [и др.] // Изв. РАН. Сер. физическая. 2006. Т.70, №9. С.1372-1376.
5. Кинетика и моpфология полос дефоpмации на начальной стадии потеpи устойчивости пластического течения сплава АМг6 /А.А. Шибков [и др.] // Деформация и разрушение материалов. 2009. №8. С.23-30.
6. Зарождение и размножение полос деформации Савара-Массона в сплаве АМг6 /А.А. Шибков [и др.] // Деформация и разрушение материалов. 2009. №9. С.22-29.
7. Влияние состояния примесей на скачкообразную деформацию сплава АМг6 /А.А. Шибков [и др.] // Деформация и разрушение материалов. 2008. №5. С.24-32.
8. Хирт Дж, Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат. 1972. 600 с.
9. Маркушев М.В., Мурашкин М.Ю. Структура и механическое поведение
алюминиевого сплава АМг6 после интенсивной пластической деформации и
отжига. 1. Особенности зеренной структуры и текстуры // ФММ. 2001. Т.91,
№5. С.97-102.
Михлик Дмитрий Валерьевич ([email protected]), к.т.н., ассистент, кафедра теоретической и экспериментальной физики, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина.
Шибков Александр Анатольевич ([email protected]), д.ф.-м.н., профессор, кафедра теоретической и экспериментальной физики, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина.
Deformation bands and fracture of aluminium-magnesium
AMg 6 alloy
D.V. Mihlik, A. A. Shibkov
Abstract. Dynamics of deformation bands in the prefracture stage in deformed aluminium-magnesium AMg 6 alloy is investigated by using high-speed video survey. The different kinds of correlation between the propagating deformation bands and development of the main crack in aged and recrystallizated alloys is revealed.
Keywords : the macrolocallization deformation band, ductile fracture, the main crack, correlation, aluminium-magnesium alloy.
Mikhlik Dmitry ([email protected]), candidate of technical sciences, assistant, department of theoretical and experimental physics, Derjavin Tambov State University.
Shibkov Alexander ([email protected]), doctor of physical and mathematical sciences, professor, department of theoretical and experimental physics, Derjavin Tambov State University.
Поступила 29.08.2011
