Особенности трансформации структуры пластичных материалов в процессе резких смен в режиме нагружения

УДК 539.3:4

Особенности трансформации структуры пластичных материалов в процессе резких смен в режиме нагружения

Е.Э. Засимчук, Л.И. Маркашова1, Т.В. Турчак, Н.Г. Чаусов2,

А.П. Пилипенко2, В.Н. Параца2

Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 03142, ГСП 680, Украина

1 Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 03680, ГСП 159, Украина 2 Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев, 03041, Украина

В работе использован новый вид механических испытаний, при которых процессы деформирования исследуются в составе механической системы в виде одновременно нагружаемых трех параллельных элементов: исследуемого образца и двух хрупких проб (образцов-спутников), разрушение которых приводит к резкому изменению скорости деформирования основного образца. В результате такой процедуры часть кинетической энергии, освобождающейся в процессе разрушения образцов-спутников, дисси-пирует в исследуемом материале, вызывая существенные структурные изменения и увеличение пластичности. Проведенный методом трансмиссионной электронной микроскопии анализ структуры деформированных образцов армко-железа и сплава Д16 показал, что увеличение пластичности во время динамических неравновесных процессов связано с образованием диссипативных структур в виде локализованных полос. Статистическая обработка количественных параметров полос показала отсутствие масштабной инвариантности, свойственной релаксационным структурам (ячейкам, рекристаллизованным зернам).

Ключевые слова: структура, резкие смены режима нагружения, механические свойства, армко-железо, сплав Д16, диссипативные структуры, скейлинг

Peculiarities of structural transformation of plastic materials at abrupt changes

in loading conditions

E.E. Zasimchuk, L.I. Markashova1, T.V. Turchak, N.G. Chausov2, A.P. Pylypenko2 and V.N. Paratsa2

Kurdyumov Institute of Metal Physics NASU, Kiev, 03142, GSP 680, Ukraine 1 Paton Electric Welding Institute NASU, Kiev, 03680, GSP 159, Ukraine

2 National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kiev, 03041, Ukraine

The paper is concerned with a new type of mechanical tests, at which deformation processes are studied using the mechanical system of three simultaneously loaded parallel elements, namely, a studied specimen and two brittle auxiliary specimens. Fracture of the brittle specimens leads to an abrupt change in the strain rate of the main specimen. As a result, the kinetic energy released during fracture of the brittle specimens dissipates in the studied specimen and causes sufficient structural changes and plasticity increase. The transmission electron microscopy analysis performed for deformed armco-iron and D16 alloy specimens shows that the plasticity increase during dynamic nonequilibrium processes is related to the formation of dissipative structures as localized bands. The statistical analysis of band parameters demonstrates the absence of scale invariance typical of relaxational structures (cells, recrystallized grains).

Keywords: structure, abrupt changes in loading conditions, mechanical properties, armco-iron, alloy D16, dissipative structures, scaling

1. Введение

В ряде наших предыдущих работ (например, [1-3]) показано, что в процессе пластической деформации, в особенности при изменении условий механического воздействия на материал, может наблюдаться неустойчивость ранее созданной субструктуры и последующая

структурная самоорганизация деформируемого объекта в виде качественно отличающейся структуры, способствующей деформации. Это структурное превращение происходит исключительно в процессе нагружения, а после прекращения действия нагрузки структура может подвергаться релаксационным изменениям, в осо-

© Зесимчук Е.Э., Mapкaшoвa Л.И., Typчaк T.B., Чеусов HX., Пилипенко А.П., Пapaцa B.H., 2009

бенности, в тех случаях, когда используются разрушающие методы структурных исследований (например трансмиссионная электронная микроскопия). Поэтому следует ожидать, что любое изменение условий механического воздействия (скорости, температуры, типа нагружения) может привести к усилению деформационной способности материала (к увеличению пластичности).

В то же время, классические представления о деформировании пластичных материалов при растяжении с учетом влияния скорости нагружения указывают на то, что превалирует возрастание сопротивления деформированию с ростом скорости деформации (при отсутствии фазовых превращений) в результате роста вязкой составляющей сопротивления и уменьшения времени для развития процессов ее релаксации [4]. Однако проведенные нами опыты показали, что в случае, когда закон нарастания деформации более сложный, например, когда в процессе нарастания скорости деформации осуществляется однократное или многократное замедление процесса высокоскоростного деформирования, то реализуется кратковременное разупрочнение материалов практически на любой стадии деформирования, включающей и восходящую ветвь стандартной статической диаграммы деформирования [5-9].

Естественно, что сложные режимы нагружения влияют, в первую очередь, на механические свойства материалов. Поскольку механические свойства являются структурно-чувствительными, можно предположить, что в процессе «аномального» разупрочнения перестраивается структура материала, и поэтому при повторном статическом растяжении механические свойства могут существенно отличаться от механических свойств материалов, полученных на тех же стадиях при «чистом» статическом растяжении.

Интересно отметить, что несмотря на релаксационные процессы, происходящие в материале после снятия нагрузки, морфология самоорганизованной (синергетической) структуры, как правило, сохраняется. Как следует из многочисленных экспериментальных работ, посвященных исследованию синергетического структуро-образования, морфологически синергетические структуры представляют собой полосы макроскопической протяженности, ориентированные в направлении максимальных касательных напряжений либо вдоль оси приложения нагрузки. Поэтому становится возможным определять количественные характеристики синергетических структур даже при использовании разрушающих методов, например метода трансмиссионной электронной микроскопии. Задача представляется весьма перспективной как в научном, так и в практическом смысле, поскольку ее решение позволяет выяснить взаимосвязь между режимом механического воздействия, параметрами структуры после деформации и механическими характеристиками деформированного объекта. Именно

решению такой задачи было посвящено настоящее исследование.

2. Методика эксперимента

2.1. Методика механических испытаний

В работе использован новый вид механических испытаний, описанный в [10-12]. При этих испытаниях процессы деформирования и разрушения пластичных материалов при резких сменах в режиме нагружения исследуются в составе механической системы, которая представляет собой простейшую статически неопределимую конструкцию в виде одновременно нагружаемых трех параллельных элементов. Центральный элемент такой конструкции включает захваты со сферическими опорами, тензодинамометр и образец исследуемого материала. Два симметричных боковых элемента включают по две одинаковые штанги, одна из которых используется в качестве тензодинамометра, и хрупкие пробы разного минимального диаметра. При нагружении описанной конструкции, при заданной деформации (силе) на образце, образцы-спутники из хрупких проб разрушаются и исследуемый образец подвергается импульсной нагрузке. Для обеспечения условий одновременного разрушения хрупких проб фланцы четырьмя болтами расклиниваются с траверсами.

В данном случае именно свойства нагружающей системы определяют скорость деформации материала при динамическом перераспределении напряжений, вызванных разрушением образцов-спутников. Указанный вид испытаний реализован на базе испытательной гидравлической машины ZD-100Ри, отличительной особенностью которой является массивная подвижная траверса (масса составляет 1 350 кг).

Интересно отметить, что исключительно важную роль для задания закона повышения скорости деформации при резких сменах в режиме нагружения играет не только статическая жесткость системы нагружения, но также и динамическая жесткость, которая, в первую очередь, зависит от массы подвижных частей испытательной установки, вовлекаемой в движение при разрушении образцов-спутников. Именно за счет инерционности массивной подвижной траверсы практически удалось на участке резкого нарастания скорости деформации осуществить мгновенное замедление процесса деформирования пластичного материала.

В результате такой процедуры резко меняется баланс энергии в процессе высокоскоростного деформирования материала и значительная часть кинетической энергии, освобождающейся в процессе разрушения образцов-спутников, диссипирует в исследуемом материале, преобразовываясь в тепло и вызывая существенные структурные изменения, которые сопровождаются «аномальным» разупрочнением на всех стадиях деформирования.

Разработанная установка оснащена компьютеризированной измерительной системой для проведения и обработки результатов испытаний, которая позволяет фиксировать до 2400 измерений за секунду.

В качестве объекта исследования выбраны армко-железо (99.999 %) и алюминиевый сплав Д16.

Испытания проводили на гладких цилиндрических образцах диаметром 8 мм и длиной рабочего участка 20 мм.

2.2. Методика проведения и обработки структурных исследований

Структуру деформированных образцов (до или после изменения режима нагружения) изучали методом трансмиссионной электронной микроскопии. Фольги изготавливали из плоского среза рабочей части образцов. Для получения количественных характеристик структуры использовали не менее чем 100 полей зрения на каждом образце.

Как было показано ранее [1], смена режима нагружения приводит в большинстве случаев к образованию диссипативной структуры в виде полос с аморфоподоб-ной структурой внутри, способствующих локализованному пластическому течению материала. Качественная оценка структуры деформированных образцов показала наличие полос, внутри которых обнаруживаются структурные образования различной природы, обусловленные протеканием релаксационных процессов после снятия нагрузки и в процессе подготовки образцов для исследования методом трансмиссионной электронной микроскопии. При статистической обработке структурных элементов определялась ширина полос и строились нормированные (по средним значениям) кривые распределения в суммарной (по всем полям зрения) площади фольги для каждого образца.

3. Результаты и обсуждение

На рис. 1, 2 представлены результаты испытаний армко-железа и алюминиевого сплава Д16 при стати-

ческом растяжении и при сложном режиме нагружения (статическое растяжение - резкое повышение скорости деформации - статическое растяжение).

Как указывалось выше, резкое повышение скорости деформации обусловлено разрушением образцов-спутников из хрупких проб, при этом происходит дополнительное импульсное нагружение образца. На диаграммах деформирования (рис. 1, 2) действительно фиксируется скачкообразное увеличение напряжения (области I), однако затем напряжение падает и резко возрастает пластичность нагружаемого материала. Очевидно, что в результате разрушения образцов-спутников меняется баланс энергии в процессе деформирования материала, и значительная часть кинетической энергии, освобождающейся в процессе разрушения хрупких проб, диссипирует в исследуемом материале, преобразовываясь в тепло и вызывая существенные структурные изменения, которые могут сопровождаться его разупрочнением, ответственным за рост пластичности.

Представляет значительный интерес выяснение характера этих структурных изменений. Исследования проводились на полностью разгруженных образцах, испытанных как при статическом растяжении, так и при сложном режиме нагружения. После скачка деформации, вызванного резкими сменами в режиме нагружения, образцы повторно статически нагружали до точек А на диаграммах и только потом окончательно разгружали. Эта процедура проделывалась для того, чтобы подтвердить факт «аномального» разупрочнения материалов.

На рис. 3 показаны характерные образцы структуры армко-железа, полученные методом трансмиссионной электронной микроскопии, при статическом растяжении и при сложном режиме нагружения. Видно, что структуры качественно различны. При статическом растяжении наблюдается большое количество очень мелких структурных элементов (наноячеек или нанозерен с размером 0.1 мкм и меньше), расположенных как внутри, так и по границам крупных округлых ячеек и полос.

400

300

200

100

7 у*А1 ... 1

V"  \А/ глз ; . : : ; ! | {

V V 2 3

т : I :

' I 1 :

' : *7'П Г I

500

400

го

:>

200

100

А2 у

1 2 !

1 11 г

"р р- •т-Н-г 7

1 ? ,

10 15

Б, %

20

25

3

с, %

Рис. 1. Результаты испытаний армко-железа: 1 — статическое растяжение; 2, 3 — сложный режим нагружения при различных импульсах воздействия на систему. Сила растяжения хрупких проб ^имп = = 81.99 (2), 108.92 кН (3), f = 2400 изм/с

Рис. 2. Результаты испытаний сплава Д16: 1 — статическое растяжение; 2 — сложный режим нагружения. -^ИМп = 82.25 кН, f = 2400 изм/с

Рис. 3. Характерные структуры армко-железа, полученные методом трансмиссионной электронной микроскопии, при статическом растяжении

По всей вероятности, эти структурные элементы являются результатом релаксационных процессов после снятия нагрузки.

После разрушения образцов-спутников, приводящего к скачку деформации, на анализируемых образцах видны четко выраженные пересекающиеся полосы (рис. 3, б). Структура внутри полос, по-видимому, как и в предыдущем случае, является результатом последе-формационных релаксационных процессов.

В сплаве Д16 и при статическом растяжении, и при сложном режиме нагружения обнаруживаются, в основном, полосы шириной до 10 мкм (рис. 4). Пересекающиеся полосы в Д16 отсутствуют. По-видимому, образование каналов в сплаве затруднено из-за большого количества включений. Интересно отметить, что треки перемещения частиц параллельны направлению полос. По нашему мнению, это является подтверждением того, что под нагрузкой полосы (каналы) имели жидкоподобную структуру, по которой массоперенос (пластическое течение материала) осуществлялся гомогенным (гидродинамическим) способом. При этом включения переносились как целое.

Используя результаты наших предыдущих работ, выполненных на разных материалах, деформированных в широком диапазоне условий нагружения, можно предложить такую последовательность процессов, происходящих в рассматриваемом материале под нагрузкой.

На ранних стадиях нагружения деформация пластичного материала осуществляется путем перемещения дефектов (дислокаций, дисклинаций и их комплексов). В поликристаллическом образце при малой скорости пластического течения (0.1-1) • 10-4 с-1 и заметно выраженном взаимодействии и размножении дефектов образуется большое количество препятствий их перемещению, что приводит к торможению, а иногда и полному прекращению деформационного процесса, с одной стороны, и к генерации большого количества вакансионных дефектов [13, 14], с другой. Учитывая, что рассматриваемая система (анализируемый образец + 2 образца-спутника + испытательная машина) является открытой диссипативной системой, находящейся вдали от термодинамического равновесия, в основной части этой системы (анализируемый образец) при резких сменах в режиме нагружения возможна структурная неустойчивость с последующей самоорганизацией структуры, способствующей продолжению пластической деформации. Такой структурой обычно являются каналы с жидкоподобной структурой внутри, связанные между собой на разных масштабных уровнях и обеспечивающих макроскопическое формоизменение образца путем гомогенного массопереноса. В нашей работе [13] была предложена модель образования таких каналов, в основе которой лежит самоорганизация вакансионных кластеров. В работах [15, 16] теоретически рассмотрен механизм

Рис. 4. Характерные структуры сплава Д16, полученные методом трансмиссионной электронной микроскопии, при статическом растяжении

Рис. 5. Нормированные по наиболее вероятным значениям кривые распределения ширины полос в сплаве Д16 (условно А1) и армко-железе при статическом растяжении и сложном режиме нагружения

роста каналов в деформируемом образце под нагрузкой и показана возможность макроскопического массопере-носа по рассматриваемому механизму.

Анализ структуры исследуемых материалов, полученной методом трансмиссионной электронной микроскопии, показал, что каналы образуются уже в процессе статического растяжения. После дополнительной импульсной нагрузки образца процесс ускоряется (см. рис. 3, б), что и приводит к повышению пластичности за счет локализованного в каналах массопереноса. Каналы являются диссипативными структурами, возникающими вследствие самоорганизации вакансионных дефектов (при статическом растяжении) и диссипации кинетической энергии, освобождающейся в процессе разрушения образцов-спутников (в процессе исследуемого сложного режима нагружения).

Интересно было изучить количественные параметры диссипативных структур на примере каналов локали-

зованного пластического течения, сохраняющих морфологию после разгружения. В ряде работ [17, 18 и др.] приведены статистические параметры деформационных структур разных материалов как в моно-, так и в поликристаллическом состоянии, деформированных в разных условиях. Было показано, что, независимо от условий деформирования и материала, такие структурные параметры, как размер ячеек и угол разориентации между ними, нормированные по наиболее вероятным значениям, подчиняются одному и тому же закону распределения, т.е. наблюдается скейлинг этих параметров. Следует отметить, что в работах [17, 18] авторы изучали параметры субструктуры, формирование которой лишь сопровождает деформационный процесс, способствуя частичной релаксации внутренних напряжений, однако не является проявлением самоорганизации деформируемого материала. Для диссипативных структур, таких как каналы локализованного пластического течения, результаты статистической обработки количественных структурных параметров отсутствуют. Мы провели такую обработку для двух изученных нами материалов. В качестве количественного параметра диссипативной структуры использовали ширину полос (каналов).

На рис. 5 приведены нормированные кривые распределения ширины полос в сплаве Д16 и армко-железе до и после скачка (нормировка проведена по наиболее вероятным размерам ау и повторяемости рРаг).

Видно, что в исследуемых материалах на разных этапах нагружения статистические кривые не совпадают, в отличие от аналогичных результатов многочисленных исследований по параметрам релаксационных структур и механических свойств (ячеек, рекристаллизованных зерен, отношения кратковременной прочности к длительной при сопоставимых температурах (параметр К)) (рис. 6, 7) [19, 20].

Рис. 6. Нормированные кривые распределения размеров ячеек никеля, деформированного прокаткой до 50 и 80 %. Ось X — отношение размера ячейки в выбранном направлении к среднему размеру, ось У—повторяемость (вероятность), нормализованная по среднему значению

Рис. 7. Нормированные по наиболее вероятному значению параметра К

Соноставление рис. 5 с рис. б, 7, а также с результатами многочисленных исследований, краткий обзор которых содержится в работах [17-20], нозволяет заключить, что масштабная инвариантность структурных на-раметров (скейлинг) нрисуща структурам, нараметры которых нодчиняются единому закону эволюции. Дис-синативные структуры формируются в энергетическом ноле вдали от равновесия, в нелинейной области. Несмотря на морфологическое самонодобие таких структур на разных масштабных уровнях в каждом конкретном случае и на сходство морфологии (нолосы) в разных материалах и в разных условиях нагружения единый закон эволюции им, но всей вероятности, не нрисущ. Однако однозначный ответ на этот вонрос требует дальнейших исследований.

Таким образом, нроведенные нами исследования нозволяют заключить, что увеличение нластичности во время динамических неравновесных нроцессов связано с образованием диссинативных структур в виде локализованных нолос.

Литература

1. Лuxaчeв B.A., Пйнин B.E., Зacuмчук Е.Э. и др. Коолеративные деформационные нроцессы и локализация деформации. - Киев: Наукова думка, 1989. - 320 с.

2. Zasimchuk E.E., Markashova L.I. Microbands in rolling-deformed nickel single crystals // Mater. Sci. Eng. A. - 1990. - V. 127. - No. 1. -P. 33-39.

3. Gordienko Y.G., Gontareva R.G., Schreiber J.S., Zasimchuk E.E., Zasimchuk I.K. Two-dimensional rectangular and three-dimensional rhombic grids created by self-organization of random nanoextrusions // Adv. Eng. Mater. - 200б. - V. 8. - No. 10. - P. 957-9б0.

4. Пpoчнocmь материалов и конструкций / Под ред. В.Т. Трощенко. -

Киев: Академиериодика, 2005. - 1088 с.

5. Чaуcoв H.r, Heдoceкa C.A., Пшшєнк AM. Комнлексная оценка новрежденности нластичных материалов нри различных режимах нагружения // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2004. - № 3. - С. 1б-21.

6. Чaуcoв H.r., Пилитнт A.П. Влияние динамических нерегрузок на кинетику разрушения конструкционных материалов // Надежность и долговечность машин и сооружений: Международный научно-технический сборник. - 200б. - Вьш. 27. - С. 131-137.

7. Chausov M.G., Pylypenko A.P. Laws of deformation processes and fracture of plastic steel from the point of view of dynamic overloading // Mechanika. - 2005. - Nr. 4(54). - Р. 24-29.

8. Чaуcoв H.r, Пилитнт A.П., Пapaцa B.M. Эффекты нроявления кратковременного разунрочнения нластичных материалов в нро-цессе резких смен в режиме нагружения // Сборник материалов 4б Межд. конф. «Актуальные нроблемы нрочности», Витебск, 2007. - Витебск: УО ВГТУ, 2007. - Ч. 1. - C. 207-212.

9. Чaуcoв H.r., Пилитнт AM., Пapaцa B.M. Методы унравления механизмами нластического течения металлов // Сборник статей но материалам II Межд. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2007. - М.: Intercontact-Наука, 2007. - C. 71-73.

10. Чaуcoв H.r, Boйmюк Д.Г., Пилитнт AM., Кузьмєнк A.M. Установка для иснытания материалов с ностроением нолных диаграмм деформирования // Пробл. нрочности. - 2004. - № 5. - С. 117-123.

11. Пm. 73208 А G01N3/08 Україна. Сносіб нрогнозування тріщино-стійкості мaтepiaлу залежно від умов екснлуатацп конструкцій / М.Г. Чаусов, А.П. Пилиненко // Онубл. 15.0б.2005. - Бюл. № б. -С. 7-13.

12. Пm. 81037 А G01N3/08 Україна. Сносіб оцінки внливу динамічних неревантажень на нитому роботу руйнування нластичного матеріалу / М.Г. Чаусов, А.П. Пилиненко // Онубл. 11.0б.2007. - Бюл. № 8. - С. 21-25.

13. Gordienko Yu.G., ZasimchukE.E. Synergetic model of structure formation during plastic deformation of crystals // Phil. Mag. A. - 1994. -V. 70. - No. 1. - P. 99-107.

14. Бeлякoвa M.H., Зacuмчyк Е.Э., Грд^нт Ю.Г. Признаки гидродинамического течения нри имнульсном сжатии молибдена и железа // Металлофизика и новейшие технологии. - 1999. - Т. 21. - № 4. -С. 59-71.

15. Зacuмчyк Е.Э., ^рд^нт Ю.Г., Зacuмчyк BM. К вонросу о возможности нластического формоизменения кристалла нутем гидродинамического течения но каналам с жидконодобной структурой // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. - Т. 24. - №9.-С. 11б1-117б.

16. Зacuмчyк Е.Э., Зacuмчyк BM. К вонросу о роли вакансионных дефектов в образовании и развитии каналов гидродинамического нластического течения кристаллов // Металлофизика и новейшие технологии. - 200б. - Т. 28. - № б. - С. 803-809.

17. Godfrey A., Hughes N. Scaling of the spacing of deformation induced dislocation boundaries // Acta Mater. - 2000. - V. 48. - No. 8. -Р. 1897-1905.

18. Wert J.A., Huang X., Winter G., Pantleon W., Poulsen H.F. Revealing deformation microstructures // Materials Today. - 2007. - V. 10.-No. 9. - P. 24-32.

19. ^рд^нт Ю.Г., Зacuмчyк Е.Э., T-^^^a^ T.B. Скейлинг структурных нараметров и механических свойств металлов и снлавов // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 2. - С. 93-98.

20. Зacuмчyк Е.Э., Typчaк T.B. Скейлинг нараметров структуры нро-катанного никеля // Сборник материалов конференции «XVII Петербургские чтения но нроблемам нрочности, носвященные 90-летию со дня рождения нрофессора А.Н. Орлова». - С.-Петербург: СПбГУ, 2007. - С. 43^5.

Постунила в редакцию 04.08.2008 г.

Сведения об авторах

Засимчук Елена Эмильевна, д.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией физики деформационных процессов ИМФ НАНУ, eezas@imp.kiev.ua Маркашова Людмила Ивановна, д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник ИЭС НАНУ, vera_59@voliacable.com Турчак Татьяна Викторовна, к.ф.-м.н., младший научный сотрудник ИМФ НАНУ, ttv@bigmir.net

Чаусов Николай Георгиевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой сопротивления материалов НУБиП Украины, mich@nauu.kiev.ua Пилипенко Андрей Петрович, к.т.н., доцент кафедры сопротивления материалов НУБиП Украины, strem_chair@twin.nauu.kiev.ua Параца Виктор Николаевич, аспирант кафедры сопротивления материалов НУБиП Украины, paratsa@bigmir.net