Волны переключения макрополос локализованной деформации при растяжении поверхностно упрочненных образцов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Волны переключения макрополос локализованной деформации при растяжении поверхностно упрочненных образцов

Н.А. Антипина, В.Е. Панин, А.И. Слосман1, Б.Б. Овечкин1

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия

Приведены результаты наблюдений процесса пластической деформации поверхностно упрочненных образцов стали 12Х1МФ, происходящей путем распространения макрополос локализованной деформации от захвата как от базового концентратора напряжений по схеме волны переключения. Оценена скорость распространения волн переключения макрополос локализованной деформации в исследованной стали.

1. Введение

Природа локализации пластической деформации — один из наиболее актуальных и сложных вопросов физики пластичности, которому посвящено большое количество исследований [1-4].

В работе [5] при испытаниях на растяжение монокристаллов аустенитной стали наблюдали деформацию путем образования стационарных и движущихся квази-периодических систем очагов локализованной деформации. Определена скорость распространения этих очагов. Показано, что в зависимости от степени деформации и других условий количество таких очагов может быть различным. Однако использованный авторами метод исследований (спекл-интерферометрия) обеспечивает возможность наблюдения только одной поверхности плоского образца, характеризуется невысоким разрешением и по этим причинам не позволяет адекватно установить природу концентраторов напряжений, обусловливающих образование движущихся фронтов локализованной деформации. Кроме того, процессы деформации микромасштабного уровня на поверхности и в приповерхностных слоях вуалируют процессы на более высоких масштабных уровнях, что также затрудняет интерпретацию полученных результатов.

В данной работе приводятся результаты исследований подобных процессов пластической деформации на макромасштабном уровне при испытаниях на статическое растяжение поверхностно упрочненных образцов,

когда процессы на микроуровне на поверхности заторможены.

2. Материал и методика исследований

Образцы для исследований готовили из стали 12Х1МФ. Размеры рабочей части образцов составляли 30x4x1.6 мм. Поверхностное упрочнение производили методом ионного азотирования. Толщину азотированного слоя варьировали температурой и временем азотирования. Методика азотирования, структура и характеристики упрочненного поверхностного слоя приведены

в [6].

Испытания на растяжение производили на установке ИМАШ 20-78, оснащенной оптико-телевизионной измерительной системой высокого разрешения “ТОМSC”, позволяющей получать картины полей векторов смещений на поверхности деформируемых образцов. Скорость перемещения подвижного захвата составляла 0.08 мм/мин. Полосы локализованной деформации и картины полей векторов смещений наблюдали в процессе нагружения на узкой грани образцов с удаленным азотированным слоем (рис. 1).

3. Результаты исследований

При небольшой толщине упрочненного слоя его влияние на процесс пластической деформации сказывается лишь в приповерхностных слоях. В основном объеме образцы деформируются подобно неупрочненным

© Антипина. Н.А., Панин В.Е., Слосман А.И., Овечкин Б.Б., 2000

1

/ У

Рис. 1. Схема образца для исследований: 1 — упрочненные поверхности; 2 — боковая поверхность с удаленным упрочненным слоем

образцам, и на начальной стадии деформации определяющими являются процессы на микроуровне.

При достаточно большой толщине упрочненного слоя (90^100 мкм при толщине образца 1.5 мм) базовый концентратор напряжений, образующийся на захвате, достаточно эффективен для того, чтобы полоса локализованной деформации, распространяющаяся от него в направлении максимальных касательных напряжений вглубь образца, достигала противоположной его поверхности. Напомним, что при этом процессы микромасштабного уровня на упрочненной поверхности заторможены. Достигнув противоположной поверхности, макрополоса локализованной деформации вызывает образование на ней нового макроконцентратора напряжений, декорируемого и усиливаемого образованием трещины в хрупком поверхностном слое. Данный макроконцентратор напряжений генерирует в сопряженном направлении максимальных касательных напряжений отраженную макрополосу локализованной деформации, которая распространяется до противоположной поверхности образца (рис. 2). Такой характер распространения в объеме образца макрополосы локализованной деформации подобен распространению волны полного внутреннего отражения. Природа этой волны связана с необходимостью сохранения направления оси образца, заданного захватами испытательной машины. В синергетике такая волна классифицируется как волна переключения [7]. Таким образом, при блокировании в объеме поверхностно упрочненного образца процессов пластической деформации на микромасштабном уровне его пластическое течение развивается как волна переключения макрополосы локализованной деформации. На упрочненных поверхностях 1 образца при этом формируются квазипериодические системы очагов локализованной деформации, четко фиксируемые благодаря образованию поверхностных трещин в местах выхода макрополос на упрочненные поверхности образца (рис. 3, а).

Характерно, что скорость распространения волны переключения макрополосы локализованной деформации в объеме образца вдоль его оси практически равна

скорости распространения очагов локализованной деформации по поверхности в [5, 8] (около 5• 10-5 м/с).

Для непрерывного распространения макрополосы локализованной деформации вдоль образца необходимо непрерывное действие базового концентратора напряжений около захвата. Это иллюстрируется картиной поля векторов смещений на боковой поверхности 2 деформируемого образца (рис. 4).

При очередном выходе макрополосы локализованной деформации к упрочненной поверхности около выхода, вследствие необходимости сохранения направления оси образца, создаются локальные изгибающие напряжения. Их релаксация может происходить путем образования нескольких поверхностных трещин аккомодационной природы, т. е. формируются пакеты поверхностных трещин. Количество трещин в таком пакете может быть различным. Например, на рисунке 3, б их четыре. На рис. 3, в их количество варьируется по длине образца от 1 до 3. Какой из приведенных (и других возможных) вариантов реализуется, видимо, зависит от соотношения механических характеристик упрочненного слоя и подложки, характера переходной зоны, геометрических параметров образца и упрочненного слоя и т. д. Для выяснения этого необходимы дополнительные исследования. Однозначно можно сказать только то, что во всех этих случаях пластическое течение в объеме образца происходит путем зарождения фронтов локализованной деформации около базового концентратора напряжений на захвате испытательной машины и их распространения вдоль образца по схеме волны переключения.

Последовательный характер образования поверхностных трещин при таком процессе коррелирует с ха-

Рис. 2. Распространение макрополосы локализованной деформации в объеме поверхностно упрочненного образца (наблюдение на неупрочненной боковой поверхности 2 (рис. 1). х 15

б

Рис. 3. Полосы локализованной деформации на неупрочненных гранях и трещины на упрочненных гранях. х 10

рактером кривых течения: образованию каждой трещины на упрочненной поверхности образца соответствует зуб на кривой течения (рис. 5, а). В случае, когда релаксация изгибающих напряжений в зоне выхода макрополосы к упрочненной поверхности происходит путем образования пакетов поверхностных трещин, на кривой течения наблюдаются “пакеты зубьев” (рис. 5, б).

4. Обсуждение результатов

В соответствии с представлениями физической ме-зомеханики важная роль в локализации пластической деформации на различных масштабных уровнях принадлежит концентраторам напряжений соответствующего уровня. Как правило, эти концентраторы напряжений образуются на границах раздела и, в первую очередь,

Рис. 4. Поле векторов смещений на неупрочненной боковой поверхности 2 (рис. 1); £ = 3.8 (

на поверхности. Вследствие различий состава, структуры, свойств материала деформация при нагружении по обе стороны границы должна быть различной. Необходимость сопряжения этих деформаций вызывает образование на границе раздела локальных напряжений, имеющих осциллирующий характер [8]. Места максимальных значений этих напряжений следует рассматривать как концентраторы напряжений различного уровня. В [6] формирование таких концентраторов напряжений мезомасштабного уровня при нагружении поверхностно упрочненных стальных образцов наблюдали на границе “упрочненный слой - подложка”. Подобные концентраторы напряжений могут образовываться и при нагружении обычных поверхностно неупрочненных образцов, поскольку поверхностный слой таких образцов имеет специфическую структуру и находится в состоянии, отличном от состояния подложки. Подробный анализ этого вопроса проведен в [10].

Согласно [11], при растяжении пластическая деформация начинается путем распространения от захватов испытательной машины потоков поверхностных деформационных дефектов в направлении максимальных касательных напряжений. Возникающий при этом изгиб образца обусловливает возникновение на некотором расстоянии от захватов полос сброса, которое можно рассматривать как процесс более высокого масштабного уровня. На конце полосы сброса формируется очередной концентратор напряжений. Он генерирует следующий поток деформационных дефектов. Это вызывает на определенном расстоянии образование очередной полосы сброса и т. д. Таким образом образуются квази-периодические системы очагов локализованной деформации на поверхности образцов. Данный процесс эста-фетно распространяется вдоль нагружаемого образца. При испытаниях на растяжение возможны различные сценарии протекания пластической деформации в зависимости от характера образующихся концентраторов напряжений различного масштабного уровня и соотношения их ролей, что определяется природой материала, характером внутренних границ раздела, состоянием поверхности, геометрией образцов и т. д.

При испытаниях обычных образцов процессы пластической деформации на различных масштабных уровнях накладываются и вуалируют друг друга, что затрудняет интерпретацию результатов наблюдений, выявление природы процессов.

При нагружении поверхностно упрочненных образцов процессы микромасштабного уровня на поверхности, а следовательно, и в объеме образца блокируются. Кроме того, на границе “упрочненный слой - подложка” (особенно при использовании такого эффективного способа поверхностного упрочнения как азотирование)

а, МПа

а, МПа

Рис. 5. Кривые о-£ образцов, изображенных на рис. 3, а (а) е на рис. 3, в (б)

формируются мощные мезо- или макроконцентраторы напряжений. Поэтому при испытаниях таких образцов практически с самого начала нагружения ведущим процессом является деформация на мезо- или макроуровне [6]. Это позволяет обнаружить в явном виде зарождение и распространение вдоль деформируемого образца волн переключения пластического течения на макромасштабном уровне.

5. Заключение

При исследовании процесса пластической деформации поверхностно упрочненных образцов наблюдали не известный ранее в литературе механизм пластической деформации путем распространения макрополосы локализованной деформации вдоль оси образца по схеме волны переключения.

Образование и распространение таких макрополос связано с действием базовых концентраторов напряжений, формирующихся на захватах испытательной машины.

Число очагов локализованной деформации, возникающих на поверхности образца при распространении в нем волны переключения пластического течения, может быть различным. Скорость распространения фронта макрополос локализованной деформации в объеме образца близка к скорости перемещения очагов локализованной деформации в [5, 8]. Приведенные данные позволяют сделать предположение об общности подобных процессов на макромасштабном уровне в различных условиях нагружения.

Работа выполнена в соответствии с ФЦП “Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы”, проект № А0063.

Литература

1. Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. -

М.: Мир, 1970. - 439 с.

2. ПресняковА.А. Локализация пластической деформации. - М.: Ма-

шиностроение, 1983. - 56 с.

3. Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. и др. Кооперативные процессы и локализация деформации. - Киев: Наукова думка, 1989. - 320 с.

4. Альшиц В.И., Бережкова В.Е. О природе локализации в твердых телах // Сб. науч. трудов “Физическая кристаллография”. - Наука, 1992. - С. 129-151.

5. Зуев Л.Б., Баранникова С.А., Данилов В.И. Кинетика периодических процессов при пластическом течении // ФТТ. - 1999. - Т. 41. -№ 7. - С. 1222-1224.

6. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова Н.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ. -1996. - Т. 82. - Вып. 2. - С. 129-136.

7. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. - М.: Наука, 1990. - 272 с.

8. Цигенбайн А., ПлессингЙ., НойхойзерX. Исследование мезоуровня

деформации при формировании полос Людерса в монокристаллах концентрированных сплавов на основе меди // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 2. - С. 5-20.

9. ГриняевЮ.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в упруго

нагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика. - 1978. -№12.- С. 95-101.

10. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.

11. Панин А.В., Клименов В.А., Абрамовская Н.А., Сон А.А. Зарождение и развитие потоков дефектов на поверхности деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. - С. 83-93.