CC BY
106
Зарождение и развитие потоков дефектов на поверхности деформируемого твердого тела
А.В. Панин, B.A. Клименов, Н.Л. Абрамовская, A.A. Сон1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия
Изучено влияние состояния поверхностного слоя на процессы пластической деформации низкоуглеродистой стали. С помощью сканирующего туннельного микроскопа исследована кинетика изменения деформационного рельефа образцов при различных степенях деформации in situ. Вскрыта особая роль поверхности в процессе развития пластической деформации твердого тела. Показано, что появление деформационного рельефа обусловлено распространением потоков деформационных дефектов по поверхности нагруженного образца.
1. Введение
Систематические исследования на мезомасштабном уровне возникновения дефектов на поверхностях нагруженных материалов впервые быши проведены в работах [1-3]. При помощи сканирующего туннельного профи-лометра было обнаружено, что на полированных поверхностях плоских образцов ряда металлов (Аи, Мо, Pd, Си, W) при достаточно больших степенях деформации растяжением возникает складчатая структура, на гребнях которой зарождаются деформационные дефекты. Указанные дефекты имеют вид отпечатка призмы с определенными для каждого металла размерами и углами при вершине. Значения углов при вершине дефектов близки к углам между плоскостями скольжения, а стенки ориентированы параллельно таким плоскостям. На этом основании образование дефектов было объяснено в [13] выходом дислокаций на поверхность нагруженного металла по пересекающимся плоскостям скольжения.
Однако авторам [1-3] не удалось в явном виде наблюдать динамику возникновения на поверхности складчатой структуры и возникновения в ней деформационных дефектов. По-видимому, разрешающая способность сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) не позволяет выявлять зарождение дислокаций на поверхности образцов металлов типа Си, Аи, Мо при малых степенях деформации. При использовании СТМ необходимо
инициировать на поверхности деформируемого образца процессы более высокого масштабного уровня.
Можно думать, что специальная обработка поверхности, приводящая к увеличению масштабного уровня складчатой структуры поверхностного слоя, должна способствовать выявлению процессов зарождения дефектов на поверхности деформируемого твердого тела.
Это может быть достигнуто за счет создания в поверхностном слое сильно неравновесной ультрамелко-зернистой структуры. Как показано в [4], подобная структура, созданная в образце при его равноканальном угловом прессовании, переводит деформацию с микрона мезомасштабный уровень.
Естественно, это должно увеличивать масштабный уровень складчатой структуры на поверхности деформируемого материала. К сожалению, сильная неустойчивость структуры, созданная равноканальным угловым прессованием во всем объеме образца, приводит к быстрой локализации деформации на микромасштабном уровне, возникновению шейки и последующему разрушению образца. Поэтому неравновесную ультра-мелкозернистую структуру необходимо создавать только в поверхностном слое образца, оставляя его объем в структурно стабильном состоянии. Этого можно достичь ультразвуковой обработкой поверхности образца до его растяжения. Такая обработка создает сильно не-
© Панин А.В., Клименов B.A., Абрамовская Н.Л., Сон A.A., 2000
Рис. 1. СТМ-изображения поверхности образцов Ст3 при различных 15.5 (ж); 27 % (з). Размер изображений 13 X 13 мкм2
стабильную структуру в тонком поверхностном слое с высокой плотностью дефектов, сохраняя объем образца в структурно устойчивом состоянии [5].
Можно ожидать, что при деформации такого образца в его поверхностном слое будут развиваться процессы пластического течения мезомасштабного уровня, в то время как объем образца будет испытывать дислокационную деформацию на микромасштабном уровне.
Данная работа посвящена исследованию влияния состояния поверхностного слоя образца на процессы зарождения и развития его деформации на мезомасш-табном уровне.
2. Методика эксперимента
В качестве материала исследований была использована низкоуглеродистая сталь Ст3, в которой при деформации на площадке текучести распространяется полоса Людерса. Плоские образцы в форме двусторонней лопатки с размером рабочей части 15 X 2 мм2 и толщиной 1 мм вырезали методом электроискровой резки.
Для исследования влияния состояния поверхности на процесс пластической деформации образцы подвергали ультразвуковой финишной обработке (УФО) в различных направлениях с использованием ультразвуковой установки УЗГО2М1, имеющей ступенчатую регулировку выходной мощности.
Часть образцов, предварительно полированных и отожженных при температуре Т = 830 °С в течение 30 минут, подвергали УФО в направлении, параллельном оси нагружения. Подобная обработка не являлась од-
степенях деформации: 0 (а); 0.5 (б); 0.7 (в); 1.6 (г); 2.3 (д); 4.4 (е);
нородной, что приводило к текстурированию поверхности образцов Ст3, направленному вдоль оси нагружения.
Другую партию образцов вырезали из пластины малоуглеродистой стали Ст3, предварительно квазиодно-родно обработанной УФО. Затем образцы подвергали отжигу в вакууме для снятия напряжений и частичной стабилизации структуры поверхностного слоя, обеспечивающей большие степени деформации материала. Отжиг проводили в вакууме, чтобы не допустить окисления поверхности Ст3.
Экспериментальное изучение деформационного рельефа на поверхности образцов при различных степенях деформации проводили с помощью сканирующего туннельного микроскопа, оборудованного нагружающим устройством (Nanometr-1). Данный прибор позволяет совместить механические испытания материалов со структурными исследованиями на мезоуровне in situ и определить характерные параметры мезоструктур, соответствующие различным стадиям деформации. СТМ-измерения проводили платиновой иглой (Pt 99.99 %) в режиме постоянного тока. Напряжение между иглой и поверхностью образца выбиралось равным 0.5 В. Исследования проводили в атмосферных условиях при комнатной температуре.
Измерения микротвердости образцов выполняли на микротвердомере ПМТ-3 с использованием пирамидки Виккерса. Нагрузка на индентор составляла 20 г.
Исследование микроструктуры проводили с использованием просвечивающего электронного микроскопа М-125К (ПЭМ-структура), растрового электронного микроскопа РЭМ-200 и оптического микроскопа EPIQUANT.
3. Результаты эксперимента
3.1. СТМ-исследования развития деформационного рельефа
На рис. 1 приведен вид поверхности образцов малоуглеродистой стали при различных степенях деформации. Размер СТМ-изображений составляет 13 X 13 мкм2 (увеличение X 3 000).
Как следует из рис. 1, уже при е = 0.5 % на поверхности образца возникает волнообразный рельеф — гофр, проявляющийся в виде продольной складчатости. С увеличением степени деформации период гофра (расстояние между соседними выступами) уменьшается.
СТМ-изображения поверхности стали Ст3, полученные при увеличении X 20 000, представлены на рис. 2. Обработка данных рис. 2 показывает, что при степени деформации е = 1 % период гофра (расстояние между продольными складками) составляет d = 0.7 мкм (рис. 2, б) и уменьшается до d = 0.2 мкм при е = 6 % (рис. 2, г). Высота продольных складок не зависит от степени деформации и составляет 20^50 нм.
Однако при больших степенях деформации (е > 10 %) продольное гофрирование резко ослабляется (рис. 1, ж, з).
С целью усиления продольной складчатости поверхность исследуемых образов подвергали ультразвуковой финишной обработке в направлении, параллельном оси нагружения. Изображение поверхности образца Ст3, после УФО в направлении, параллельном оси нагружения, приведено на рис. 3 (увеличение X 200). Из рис. 3 видно, что при подобной обработке между следами прохождения ультразвукового концентратора возникают продольные полосы экструдированного материала, испытывающего сильно выраженную локальную кривизну поверхности.
Анализ СТМ-изображений, полученных при увеличении X 2 000 (рис. 4), показал, что после подобной УФО на поверхности образца при его последующем растяжении новой продольной складчатости не обнаруживается. Однако по мере нагружения наблюдается формирование ямок дислокационной природы. С увеличением степени деформации эти ямки объединяются, и их количество увеличивается. При е ~ 10 % наблюдается вы-
страивание ямок в ряды различной ширины, ориентированные вдоль оси приложения нагрузки (рис. 4, е). Ширина рядов составляет от 50 до 120 нм, в то время как глубина рядов остается примерно одинаковой — 60^80 нм.
Детальные исследования ямок при различных увеличениях показали, что каждая ямка состоит из большого числа более мелких. На рис. 5 приведены СТМ-изо-бражения ямок при увеличениях X 90 000, X 180 000 и X 360 000, соответственно. Степень деформации образца составляет е = 10 %. Размер минимальных, первичных ямок составляет 5 нм по ширине и 16 нм по глубине (рис. 4, в).
Следует отметить, что подобные ямки появляются неравномерно по поверхности образца. В процессе деформации появление ямок удается наблюдать только между дорожками, являющимися следами УФО (рис. 3). Другими словами, ямки образуются только в местах экструдированного материала между соседними дорожками, где возникает локальная кривизна поверхности. Таким образом, искусственное создание на поверхности образца зон сильно выраженной локальной кривизны
Рис. 4. СТМ-изображения поверхности Ст3 после УФО в направлении, параллельном оси нагружения при различных степенях деформации: е = 0 (а); 2 (б); 3 (в); 4 (г); 6 (д); 10 % (е). Размер изображения 1.6 X 1.6 мкм2
позволило выявить с помощью СТМ зарождение дислокационных ямок уже при малых степенях пластической деформации.
Еще более сильный эффект дало изменение состояния поверхностного слоя путем однородной ультразвуковой финишной обработкой с последующим отжигом. Такая обработка поверхности приводит к возникновению тонкого упрочненного поверхностного слоя. А последующий отжиг в вакууме обуславливает снятие возникающих после УФО механических напряжений и формирует в поверхностном слое субструктуру, в которой преимущественно развиваются механизмы деформации мезомасштабого уровня. В этом случае картина появления и развития деформационного рельефа на поверхности Ст3 резко меняется. На рис. 6 приведены СТМ-изображения поверхности образцов малоуглеродистой стали после однородной УФО и последующего отжига при различных степенях деформации (увеличение X 3 000).
Из рис. 6 видно, что после подобной обработки поверхности нагружение до степеней деформации е< 10 %
не приводит к каким-либо существенным изменениям рельефа образцов Ст3 (рис. 6, а-д). Максимальный размах высот изображения не превышает ~ 0.5 мкм. Однако при дальнейшем нагружении на всей поверхности деформируемого образца начинает появляться выраженный рельеф, обусловленный сильной экструзией материала. Максимальный размах высот составляет ~ 3 мкм (рис. 6,з).
Подобная экструзия проявляется в распространении по поверхности образца взаимопереплетающихся мезо-полос, направленных под углом 45° к оси растяжения. На рис. 7 приведены СТМ-изображения поверхности образца Ст3, полученные при степени деформации е =13%. Размер изображения составляет 400 X 360 (а) и 160 X 360 мкм2 (б).
Следует особо отметить, что появление подобной текстурированной складчатости, направленной под углом 45° к оси растяжения, обнаруживается на всей поверхности образца (как на его рабочей части, так и на головке образца), и только при степенях деформации е > 10 %. С увеличением степени деформации объем
Рис. 6. СТМ-изображения поверхности Ст3 после однородной УФО и последующего отжига при различных степенях деформации: е = 0 (а); 3 (б); 4 (в); 6 (г); 8 (д); 10 (е); 28 (ж); 33 % (з). Размер изображения 13 X 13 мкм2
экструдированного материала, а следовательно, и высота переплетающихся полос увеличиваются. При степени деформации е = 30 % высота достигает 5^6 мкм.
3.2. Результаты структурных исследований
На рис. 8 представлены ПЭМ-изображение и микро-электронограмма субструктур, сформированных в при-
поверхностном слое Ст3 после УФО в направлении, параллельном оси нагружения. Исследование с помощью просвечивающей электронной микроскопии показало, что после УФО, направленной вдоль оси нагружения, обнаруживается ферритная структура с весьма малым размером субзерен (0.3 ^0.5 мкм). Микроэлектроно-граммы, полученные для такой структуры, имеют квази-кольцевое строение (рис. 8, б). Последнее указывает на
Рис. 8. ПЭМ-изображение субструктур, сформированных в приповерхностном слое Ст3 после УФО в направлении, параллельном оси нагружения: а — дислокационная структура; б — микродифракция. Т = 293 К, є = 0 %. X 14 000
существование большеугловой разориентации между субзернами.
Напротив, после однородного УФО и последующего отжига субструктура поверхностного слоя Ст3 представляет собой слаборазориентированную (до 1°) ячеисто-сетчатую (рис 9, а) либо клубковую структуры (рис. 9, б). При последующей пластической деформации, когда на поверхности обнаруживается появление взаимопереплетающихся полос экструдированного материала, в ПЭМ-изображениях наблюдается большое количество полос локализованного сдвига, распростра-
няющихся попарно в виде зигзагообразных мезополос по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений (рис. 9, в). Последнее четко проявляется на распределении рефлексов на микродифрак-ционной картине (рис. 9, г). Наличие на микроэлектро-нограмме большого числа изгибных контуров указывает на возникновение внутри мезополос дальнодействую-щих полей напряжений.
Анализ распределения микротвердости по глубине образцов Ст3 показал, что глубина упрочненного слоя не зависит от направления и качества ультразвуковой
Рис. 9. ПЭМ-изображение субструктур, сформированных в приповерхностном слое Ст3 после однородного УФО и последующего отжига, Т= 293 К, є = 39 %: а — ячеисто-сетчатая структура; б — клубковая структура; в — зигзагообразные мезополосы, распространяющиеся в поверхностном слое деформируемого образца. X 14 000; г — микроэлектронограмма изображения
О 200 400 600 800 1000 С1, МКМ
Рис. 10. Зависимость микротвердости от расстояния от поверхности в образцах Ст3, подверженных УФО в продольном направлении (кривая 1) и равномерной УФО с последующим отжигом (кривая 2)
обработки и составляет ~ 200 мкм (рис. 10). В то же время, величина микротвердости на поверхности составляет 2 800 МПа для случая УФО в направлении, параллельном оси нагружения, и 2 400 МПа для случая равномерной УФО с последующим отжигом.
4. Обсуждение результатов
Поверхность играет особую роль в процессах пластической деформации и разрушения твердых тел. Так, скорость накопления первичных очагов разрушения на поверхности металлов и полимеров на 1-3 порядка выше, чем в объеме материала [6]. Кроме того, концентрация дислокаций и величина поворота фрагментов в поверхностных слоях металлов имеют более высокие значения, чем во внутренних областях.
Деформация поверхностных слоев и объема материала развивается автономно, но коррелированно на всех стадиях кривой “напряжение - деформация” [7]. В зависимости от схемы и условий деформации поверхностные слои образца деформируются сильнее или слабее внутренних. Согласно [8], результат зависит от 8 и коэффициента формы образца m = L/h^ (hcp = = (h0 + hK )/2, где L—длина очага деформации, h0 — исходная и hK — конечная толщина образца). При 8 < 10 % и m > 1 степень деформации внутренних слоев меньше поверхностных. При 8 > 10 % и m < 1 наблюдается обратная картина. Физика этого процесса рассмотрена в работе [7].
Согласно [7], поскольку модуль упругости поверхностного слоя меньше, чем в объеме материала, то деформации поверхности и “подложки” должны отличаться. Поверхностные слои, имея специфическую кристаллическую структуру и ослабленные силы связи, вовлекаются в пластическое течение ниже предела текучести основного материала и на протяжении всего нагружения испытывают более высокие степени деформации, чем в среднем по объему образца (именно поэтому деформационный рельеф наблюдается уже при степени дефор-
мации 8 < 0.5 %). Подложка, продеформированная в меньшей степени, чем поверхность, будет стягивать поверхностный слой материала, играя роль жестких концов. Гофрирование поверхности должно наблюдаться как параллельно, так и перпендикулярно оси нагружения. В образцах для растяжения, у которых ширина значительно меньше их длины, различие деформации поверхностного слоя и подложки наиболее сильно сказывается на поперечном сечении образца. Поэтому возникающая на поверхности складчатая структура наиболее сильно выражена в направлении оси нагружения (рис. 2). При сжатии размеры образцов в продольном и поперечном измерениях отличаются незначительно. Поэтому в ходе деформации сжатием наряду с продольной складчатостью очень быстро развивается поперечная складчатость [9]. С увеличением степени нагружения образца динамика развития пластического течения его поверхностных слоев развивается в две стадии. До стадии параболического упрочнения кривой а-8 возникающие в поверхностных слоях дислокации уходят в объем материала [7]. Складчатая структура поверхности при этом усиливается (рис. 1, а-е, рис. 2).
На стадии параболического упрочнения, когда в объеме образца возникает ячеистая дислокационная структура, уход дислокаций из поверхностного слоя в объем образца затрудняется. Автономный характер деформации поверхностного слоя усиливается, эффективная “толщина” поверхностного слоя увеличивается [6], а гофр микронного диапазона на поверхности образца сглаживается (рис. 1, ж, з). Эти результаты хорошо согласуются с теорией [10] и ее приложением к анализу деформации поверхностных слоев в нагруженном твердом теле [7]. Согласно [7, 10] увеличение толщины эффективного поверхностного слоя, сопрягаемого с подложкой, должно приводить к увеличению периода осцилляции гофра поверхностного слоя. В соответствии с этим складчатость поверхности микронного диапазона на параболической стадии а-8 резко уменьшается, но возникает стационарный гофр миллиметрового диапазона [11].
Остановимся на интерпретации результатов, связанных с зарождением и развитием деформационных дефектов в складчатой структуре поверхностного слоя деформируемого образца.
Согласно подходам, развиваемым в физической ме-зомеханике, начальные акты пластической деформации твердого тела связаны с распространением потоков дефектов кристаллической структуры на поверхности нагруженного образца [7]. Этими дефектами являются обрывки плоскостей, дисклинации, двойниковые прослойки, различные полосовые структуры (полосы локализованного сдвига, полосы сброса, дислокационные петли). Именно динамика движения этих потоков определяет дальнейшее развитие пластической деформации материала и его разрушение.
В соответствии с концепцией [7], в месте приложения внешней нагрузки к деформируемому образцу всегда возникает базовый концентратор напряжений. В случае активного нагружения таким базовым концентратором является захват испытательной машины, сопрягающий недеформирующуюся и деформирующуюся части головки образца. На такой границе раздела возникают осциллирующие концентраторы напряжений, генерирующие потоки деформационных дефектов.
Кинетика движения потока определяется структурой приповерхностного слоя нагруженного образца. Поток дефектов распространяется в поверхностном слое образца, создавая зоны локальной кривизны кристаллической решетки. Возникающие в местах максимального искривления решетки микроконцентраторы напряжений генерируют дислокации, которые уходят внутрь образца по плоскостям скольжения, обеспечивая пластическое течение объема образца. В случае растяжения исходных образцов Ст3 эти дислокации квазиравномерно распределяются по всей поверхности, и при небольших степенях деформации их не удается обнаружить с помощью СТМ (при данном увеличении), аналогично тому, как это не удалось авторам работ [1-3].
Однако следы движения потоков в поверхностном слое удается обнаружить при изменении состояния поверхности за счет ультразвуковой финишной обработки. Как отмечалось выше, УФО в направлении, параллельном оси нагружения, не обеспечивает однородность обработки образцов Ст3, приводя к продольному тексту-рированию ее поверхности (см. рис. 3). В зонах образца, непосредственно подвергнутых УФО, материал сильно уплотнен и его поверхность имеет малую кривизну. Дислокации в этих областях поверхностного слоя при последующем растяжении образца не зарождаются. Однако в местах эструдированного материала, выдавленного за счет проходов индентора вдоль образца во время обработки, поверхностный слой имеет сильно выраженную кривизну кристаллической решетки и резко неоднородное распределение внутренних напряжений. Именно здесь зарождаются дислокации на поверхности при последующем растяжении образца. Уходя вглубь образца, дислокации образуют ямки шириной 5 нм и глубиной 16 нм, которые в дальнейшем объединяются в более крупные кластеры.
Механизм самоорганизации ямок и их объединения в полосы требует дальнейших исследований. Вероятно, подобное выстраивание дислокаций в стенки обуславливает максимальное снижение напряжений в экструдированных полосах на поверхности нагруженного образца.
Аналогичное появление ямок (имеющих форму отпечатка призмы) и их объединение в ряды наблюдалось на поверхности нагруженных образцов меди, молибдена и золота [1-3]. Так, на поверхности Си глубина исходных дефектов составляла 15 ± 3 нм, а размер в плоскости
поверхности — 50 х 50 нм [1]. Со временем эти дефекты увеличивались и перед разрушением их глубина составляла ~ 1 мкм, а размеры вдоль поверхности — несколько микрон. Образование подобных ямок объясняется авторами [1-3] смещением локальных объемов материала по направлениям, параллельным осям легкого скольжения.
Напротив, однородная УФО с последующим отжигом приводит к возникновению квазиоднородного упрочненного поверхностного слоя. В поверхностном слое возникает сильнонеравновесная ячеистая структура с большой плотностью дислокаций в границах субзерен. Скалярная плотность дислокаций в таком поверхностном слое составляет (р) = 2 • 10 см- .
В подобной ячеистой структуре не могут возникать сдвиговые компоненты напряжений, необходимые для возникновения микроконцентраторов напряжений, генерирующих дислокации в ходе растяжения. При последующем растяжении образца в приповерхностном слое не зарождаются новые дислокации и микромасштабный уровень развития пластической деформации оказывается подавленным. Отметим в связи с этим, что уровень деформирующих напряжений в таких образцах значительно выше, чем в исходных отожженных образцах. Анализ кривых течения образцов с различным состоянием поверхности будет приведен в отдельной работе. Аналогичное подавление микромасштабного уровня наблюдалось при деформации растяжением ультра-мелкозернистой меди [4].
В результате при нагружении образца на его головках зарождаются мезополосы локализованной пластической деформации, которые распространяются вдоль образца по направлению максимальных касательных напряжений в виде фазовых волн переключений. Развитие мезополос обнаруживается появлением фрагментированной структуры на поверхности исследуемых образцов, текстурированной по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений (рис. 7). С увеличением степени деформации степень фрагменти-рованности увеличивается, что и проявляется в увеличении объема экструдированного материала. Появление такой структуры только при степенях деформации 8 > 10 %, а также тот факт, что высота (4^6 мкм) и ширина (~ 40 мкм) экструдированных мезополос в 3^4 раза превышают размер зерна образца (~ 10 мкм), свидетельствуют о мезомасштабном уровне механизмов рассматриваемой деформации в поверхностном слое.
Просвечивающая электронная микроскопия тонких фольг, полученных из среза поверхностного слоя, обнаружила внутри экструдированного материала потоки мезодефектов в виде попарных зигзагообразных мезо-полос, распространяющихся в поверхностном слое образца по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений (рис. 9, в).
Как уже отмечалось выше, на границе раздела двух сред с различными механическими характеристиками при нагружении возникает осцилляция локальных напряжений, приводящих к генерации деформационных дефектов. Причем, период осцилляций коррелирует с толщиной покрытия. В нашем случае расстояние между полосами экструдированного материала составляет — 100 мкм, что соизмеримо с толщиной упрочненного с помощью УФО приповерхностного слоя (— 200 мкм).
Согласно физической мезомеханике [12], любой сдвиг в поликристалле сопровождается материальным поворотом. Условием сохранения сплошности в деформируемом твердом теле является равенство нулю суммы роторов всех потоков деформационных дефектов [13]:
N
X гои^ = 0,
г =1
где и — поток деформационных дефектов на структурном уровне i.
Таким образом, для сохранения оси нагружения образца мезополосы не могут распространяться путем трансляционного потока дефектов только в одном направлении ттах. Трансляционный поток дефектов в одном направлении ттах должен сопровождаться генерацией аккомодационных сдвигов в сопряженном направлении Ттах ‘
При распространении трансляционного потока в образце возникают встречные дальнодействующие поля напряжений, источниками которых могут являться границы зерен, края образца. На это указывает наличие большого количества изгибных экстинкционных контуров разнообразной топологии (рис. 9, г). В ходе нагружения поток постепенно накапливает критический материальный поворот, необходимый для генерации сопряженного сдвига, и изменяет свое направление на сопряженное.
Как видно из рис. 7, б, полоса экструдированного материала является суперпозицией нескольких составляющих, переплетающихся между собой. В результате для сохранения оси нагружения меняет свое направление на сопряженное не вся мезополоса, а только одна ее составляющая. Другая же продолжает распространяться в первоначальном направлении.
Тот факт, что полосы экструдированного материала (так же, как и продольная складчатость на поверхности исходных образцов, либо ямки на поверхности Ст3 после УФО в направлении, параллельном оси нагружения) возникают не только на рабочей части образца, но и на его головке, которая, согласно общепринятым представлениям, деформируется упруго, служит доказательством того, что именно захват является базовым концентратором напряжений, генерирующим потоки дефектов в поверхностном слое деформируемого образца.
5. Заключение
Методами сканирующей туннельной и просвечивающей электронной микроскопии исследовано влияние состояния поверхностного слоя на механизмы пластической деформации низкоуглеродистой стали Ст3. Обнаружено, что несоразмерность деформации поверхностного слоя и основного вещества приводит к появлению продольной складчатости на поверхности Ст3. Варьирование состояния поверхности за счет ультразвуковой финишной обработки позволяет контролировать характер поверхностной деформации.
Появление на поверхности складчатого рельефа связывается с распространением в поверхностном слое нагруженного твердого тела потоков деформационных дефектов.
В случае неоднородной ультразвуковой обработки поверхностного слоя образца, направленной вдоль оси нагружения и приводящей к продольному текстурирова-нию поверхности, при последующем растяжении образца наблюдалось формирование ямок дислокационной природы, которые самоорганизуются в процессе деформации в продольные полосы. Образование ямок объясняется зарождением дислокаций на поверхности, а не их выходом из объема по пересекающимся плоскостям скольжения, как это полагают авторы [1-3].
При растяжении образцов, в которых предварительной ультразвуковой обработкой сформирован тонкий упрочненный поверхностный слой с субмелкокристалличес-кой структурой, происходит подавление в поверхностном слое деформации на микромасштабном уровне и развитие фрагментации на мезоуровне. Это проявляется в появлении складчатой структуры, текстурированной по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Установлено, что полосы экструдированного материала являются суперпозицией нескольких составляющих, переплетающихся между собой. В то время как одна составляющая мезополосы меняет свое направление на сопряженное, другая продолжает распространяться в первоначальном направлении.
Наличие деформационного рельефа не только на рабочей части образца, но и на его головке служит доказательством того, что именно захват является базовым концентратором напряжений, генерирующим потоки деформационных дефектов в поверхностных слоях деформируемого образца.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 98-01-01136.
Литература
1. Веттегренъ В.И., Рахимов С.Ш., Светлов В.Н. Исследование эволюции рельефа поверхности нагруженных образцов меди при помощи растрового туннельного профилометра // ФТТ. - 1995. -№4. - С. 913-921.
2. Веттегренъ В.И., Рахимов С.Ш., Светлов В.Н.. Исследование ди-
намики субмикродефектов на поверхности нагруженного молибдена при помощи туннельного профилометра // ФТТ. - 1996. -№4. - С. 1142-1148.
3. Веттегренъ В.И., Рахимов С.Ш., Светлов В.Н. Динамика нанодефектов на поверхности нагруженного золота // ФТТ. - 1998. -№ 12. - С. 2180-2183.
4. Панин В.Е., Деревягина Л. С., ВалиевР.З. Механизм локализованной
деформации субмикрокристаллической меди при растяжении // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. - С. 89-95.
5. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
6. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. - М.: Наука, 1983. - 280 с.
7. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверностных слоев твердых
тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.
8. Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Гервасъева И.В., Владимиров Л.Р. О формировании полосовых структур в структурно-однородных материалах при деформации // Физ. мезомех. - 1999. -Т.2. - №1-2. - С. 157-162.
9. Панин С.В., Нойманн П., Байбулатов Ш.А. Исследование развития
деформации на мезоуровне интерметаллического сплава №бзА1зу при сжатии // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. - С. 75-82.
10. Cherepanov G.P. On the theory of thermal stresses in a thin bounding layer // J. Appl. Phys. - 1995. - V. 78. - No. 11. - P. 6826-6832.
11. Зуев Л.Б., Баранникова С.А., Данилов В.И. Кинетика периодических процессов при пластическом течении // ФТТ. - 1999. - Т. 41.-№ 7. - С. 1222-1224.
12. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
13. Panin V.E. Overview on mesomechanics of plastic deformation and fracture of solid // Theor. and Appl. Fract. Mech. - 1998. - V. 30. -P. 1-12.
