Мезомеханика формирования полосовых структур на мезои макромасштабном уровнях

Мезомеханика формирования полосовых структур на мезо- и макромасштабном уровнях

Е.Е. Дерюгин, В.Е. Панин

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

На основе представлений физической мезомеханики дается анализ большого экспериментального материала об особенностях и механизмах возникновения, формирования и взаимодействия полос локализованной пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в различных материалах и при различных видах нагружения.

Mesomechanics of the formation of band structures on meso- and macroscale levels

Ye.Ye. Deryugin and VE. Panin

Based on the concepts of physical mesomechanics, large experimental material concerning the main features and mechanisms of the formation, development and interaction of localized deformation bands at the meso- and macroscale levels in various types of loading is analyzed.

1. Введение

Фундаментальным свойством деформируемого твердого тела является дискретный характер развития пластической деформации как в пространстве, так и во времени на всех этапах от микромасштабного уровня до разрушения. На любом масштабном уровне при этом происходит формирование полос локализованной деформации (ПЛД). На диаграммах нагружения, как правило, отражаются специфические особенности, вызванные формированием макрополос локализованной пластической деформации. В данной работе с позиции физической мезомеханики обобщается новый экспериментальный материал, полученный за последние годы при изучении пластической неустойчивости на мезо- и макромасштабном уровнях.

2. Мезомеханизмы формирования и взаимодействия макрополос локализованного сдвига в поликристаллах

Подробное исследование, проведенное на крупнозернистом сплаве Fe + 3 % Si, выявило четыре возможных механизма самоорганизации и взаимодействия макрополос локализованного сдвига, определяющих характер разрушения материала и вид кривой «напряжение -деформация» [1]. На рис. 1 приведены характерные для данного сплава кривые «напряжение-деформация». Су-

щественный разброс качественных и количественных характеристик кривых ст-е является закономерным и обусловлен различным типом взаимодействия полос локализованного сдвига в крупнозернистой структуре материала. В нем от образца к образцу изменяются расположение границ, конфигурация и размер зерен, а также ориентация систем скольжения кристаллитов. Наряду с крупными зернами протяженностью до 8 мм (при сечении образца 5x0.5 мм2), представляющих собой, в сущности, плоские монокристаллы, встречаются зерна размером 100 мкм и менее, т.е. на много меньше толщины образца (0.5 мм).

Начало макропластического течения в таком несовершенном поликристалле связано с формированием макрополосы локализованного сдвига (ПЛС) под углом максимальной интенсивности напряжения т тах. Далее в зависимости от случайного расположения и распределения границ зерен разыгрываются следующие характерные сценарии формирования полосовых диссипативных структур деформации.

2.1. Одиночная ПЛС под углом 60° к оси растяжения на лицевой поверхности образца

Она зарождается в месте выхода на край границы зерна и проявляется под соответствующим углом на лицевой поверхности образца (рис. 2 и 3, а). Развитие сдвигов в полосе вызывает в образце рост моментных

© Дерюгин Е.Е., Панин В.Е., 2004

Рис. 1. Кривые а-ер крупнозернистого сплава Бе + 3 % Si

Рис. 2. Тонкая структура ПЛД

напряжений, компенсация которых осуществляется за счет появления в полосе периодической системы мелких мезополос сдвига в сопряженном направлении сдвига ттах (рис. 2). Диаграммы нагружения для данного случая указывают на самые низкие показатели напряжения течения и пластичности (ер -4 %, рис. 1, кривая 1).

2.2. Связка двух сопряженных полос локализованного сдвига на лицевой поверхности образца

В случае, когда крупное плоское зерно во всю ширину образца заключено между фракциями мелких зерен, компенсация нарастающих моментных напряжений в процессе формирования первичной макрополосы осуществляется за счет зарождения и развития в сопряженном направлении новой ПЛС (рис. 3, б). Возникает связка сопряженных макрополос, взаимодействие которых исключает существенное накопление моментных напряжений. Этот случай характеризуется вязким разрушением образца с образованием в нем гипертрофированно выраженной шейки. Материал проявляет максимальную пластичность (рис. 1, кривая 2, етах - 19-21 %) за счет аномально высокой локальной пластичности в шейке (до 300 %). Сдвиги в сопряженных направлениях сдвига развиваются неодновременно. Происходит периодическое переключение процесса локализации деформации в данных полосах.

2.3. Две поперечные ПЛС с полосой аккомодации на лицевой поверхности образца.

В определенных случаях со стороны лицевой поверхности наблюдается формирование полос деформации поперек образца (рис. 3, в и 4, а). Со стороны боко-

вой поверхности видно, что данные полосы ориентированы в направлении т тах. Развитие отдельной полосы всегда сопровождается возникновением новой полосы в сопряженном направлении скалывающих напряжений т тах. Их взаимодействие на достаточно близком расстоянии часто приводит к возникновению и развитию между ними макрополосы аккомодации, реализующей пластические сдвиги уже в лицевой плоскости. Тонкая структура полосы аккомодации аналогична структуре для случая формирования единичной макрополосы, рассмотренной выше (рис. 4, б).

2.4. Диполь поперечных полос локализованного сдвига на лицевой поверхности образца

Сдвиги в полосах дипольной конфигурации реализуются в сопряженных системах скольжения под углом 45-60° к лицевой плоскости образца (рис. 3, г), образуя на ней конфигурацию в виде двух темных полос (рис. 5). Развитие локализации деформации осуществляется попеременным удлинением полос в диполе, что свидетельствует о периодическом переключении пластических сдвигов в сопряженных системах скольжения. Пластичность сплава равна ер - 6-7 %, что намного ниже,

Рис. 4. Две поперечные полосы локализованного сдвига

Рис. 3. Схемы взаимодействия макрополос локализованного сдвига

Рис. 5. Дипольная конфигурация поперечной ПЛС

Рис. 6. Кривая ст-ер сплава А1 + 10 % А1203

Рис. 7. Распространение ПЛС вдоль образца

чем в случае связки сопряженных макрополос на лицевой поверхности образца (рис. 1, кривая 3). Это обусловлено тем, что в процессе формирования шейки участвует значительно меньший объем рабочей части образца.

3. Взаимодействие макрополосовых структур в материалах с эффектом Портевена-Ле Шателье

Дискретный характер развития пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях особенно ярко проявляется в структурно-неоднородных материалах, проявляющих эффект прерывистой текучести. Это явление наблюдается практически во всех пластичных материалах в определенном температурно-скоростном интервале испытаний. Рассмотрим характерные особенности полосовых структур на примере сплава А1 + 10 % А1203, в котором ярко проявляется эффект прерывистой текучести при комнатной температуре и малых скоростях растяжения (- 2.2 • 10-5 с-1) [2].

Типичная диаграмма нагружения сплава после отжига при температуре 550 °С в течение 2 ч приведена на рис. 6. Видно, что на фоне высокочастотных колебаний на пилообразной кривой достаточно ясно проявляется длиннопериодическая, или низкочастотная, модуляция напряжений. Начиная с ер - 4 % в поле векторов смещений четко проявляется макрополоса локализованного сдвига под углом 60 ° к оси растяжения. Происходит периодическое переключение процесса локализации деформации, которое в поле векторов смещений

(рис. 7) проявляется в виде скачкообразного движения макрополосы от одной головки образца к другой. Появление ПЛС у головки и распространение ее вдоль образца периодически повторяется. Макрополоса формируется за короткий промежуток времени (< 3 с). Накопление пластической деформации в ней быстро прекращается (за время единичного акта падения напряжения). Следующая полоса локализованного сдвига появляется впереди нее только через 15-18 с, в течение этого времени заметной пластической деформации образца в целом не происходит. В синергетике данный механизм классифицируется как механизм бегущего импульса в возбудимой среде. Прохождение бегущего импульса пластического сдвига через весь образец определяет период низкочастотной модуляции на кривой «напряжение - деформация».

В ходе деформации бегущий импульс многократно отражается от головок образца, изменяя ориентацию макрополосы на сопряженную. Его аналогом является механизм «бегающей шейки», который часто наблюдается при деформации сверхпластичных поликристаллов. У данного композита отличие лишь в малой степени локализации деформации в «бегающей шейке», которую удается выявить лишь с помощью полей векторов смещений, получаемых оптико-телевизионным методом. Средняя скорость полосы V - 1.5 • 10-1 мм/с, что на два порядка выше скорости движения захватов испытательной машины друг относительно друга. Средняя пластическая деформация в полосе достигает 3-4 %.

ІWШ¡SШШ

. . . . ] I IV КчЧЧ%.ЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧК.ЧЧЧ

.....7 . . V 1_ччччччччкчччччччч*

¡ 3 3 3 ...::..ч ч ^ч ччччччччччччччччь,

1 1 1 1 1 1 • • • \.ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\Ч ч »

... .4 ч—ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ

I I ! ! I I I °, I I ]ч \ ] ^чччччччч

.......1.1 чЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ

....

III

;П!!-

*£!!!;

ш

. шшш

....

....ИГ"

Ш'ЛЩЛ'Л'Л'Л',

'/ЛУ/ЛУ/У//

/!/ у}ЧЧ >////ччЬЬуч} 11/1;;¿ч////Ру//}/////

¿щМИ- ...........................

'//;/ г'!1/1//1/'!'! >/.

уЛЫШул

гу/У/Р///////{

71///1/ >///??//Л 1 //№///

'¡('/¿¿/У/) !//П' \/Ч/V////

'////////у!г //Ь’/ /

//////—////V У/**— /

шшШшт

тттщшшмщщт

___кчччччччччч\Ччччччччч^\\чч\ччч*!'

^^ччччччч^^^чччччччччЧчччччччччч^чч „ „

чч^^ч^чччЧЧччччччч^ччччччч^ччч^ччччччччч^ччч чччччч^чччч^чч^чччччччч''-'-'- -

_ I Лччччччччччкччк.ччХ'

. .ччччччччЧччч.\ЧЧлк.ч V ^-^ччччччччччччч\чч\\чч;

ччкь\длл\&ЛЬ,ччччч\ччч\ччччччччччччччч\\чччччч

ччд\ч\\л\\\л\чччч\\ччччччччччччч\\чч\\ччччччч

\К\ччч\л\ЧЧ\\\\ччч\чччччччччччкчччччччччччччч

!! 1

\ у? Г»

. IJ i i i) КчччччЧ\\чччлл^лл^ллк\лч\\\л\ччччч\к

-¡¡¡¡г; к«

:: 1 1''" 1V

........л „ л ,1 ъ ,1 \ ,1 ач\ч\\\\чччччч\ль.ьлччччччч

........... J J и 14 I J \ЧЧ ^ЧЧЧЧЧЧЧкЧЧЧЛЛЛКк^ьЧЧЧЧЧ

,1...........л\ \ I .1 \Ч V УЧЧЧКЧЧЧЛЧЧЧЧ\\\У * 4 ^ '

{ {1 ^ ^.......I 11 \ ч \ \ч *ч\\чч\ччччч\чч^

Рис. 8. Смена ориентации ПЛС в ходе скачкообразного распространения вдоль образца

Рис. 9. Схема тонкого скольжения и полос сброса на узкой А и широкой В гранях монокристалла LiF при сжатии

При напряжениях, близких к пределу прочности, полоса локализованного сдвига начинает менять свою ориентацию на сопряженную уже в ходе движения (рис. 8). Макрополоса меняет ориентацию (а-б), «совершает» скачок (б-в), меняет ориентацию (в-г), «совершает» скачок и т.д. По этой причине скорость распространения полосы постепенно уменьшается.

На пределе прочности очередного очага макрополоса локализованного сдвига практически теряет свою подвижность. С этого момента на данном месте развивается стационарная шейка в виде связки двух сопряженных макрополос локализованного сдвига. Локализация пластической деформации развивается периодически то в одной, то в другой макрополосе, подобно тому, как это наблюдалось при формировании шейки в крупнокристаллическом Бе + 3 % 81 (см. п. 2). Через некоторое время видимое чередование сдвигов в сопряженных системах скольжения образца прекращается, и пластическая деформация локализуется в очень узкой области поперек образца. Разрушение происходит по плоскости максимальной интенсивности тангенциальных напряжений (под углом -60° к лицевой поверхности образца).

4. Масштабные уровни локализации пластической деформации при сжатии монокристаллов

Физическая природа возникновения макролокализации деформации как полос сброса в условиях нарастания поворотной моды сдвигов на более низких масштабных уровнях очень убедительно показана в работе [3] при сжатии монокристаллов L1F.

Монокристаллы в форме параллелепипеда сжимали в направлении (100). Макропластическая деформация развивается сначала путем распространения тонкого скольжения вдоль образца. Как правило, следы расположены под углом 45° к широкой грани, где они располагаются поперек образца.

В локальной зоне тонкого скольжения вследствие эффекта изгиба зарождаются полосы миллиметрового диапазона в виде ступенек на расстоянии 1 мм друг от

друга. Эти полосы являются полосами сброса по отношению к легкому скольжению. Так обеспечивается сдвиговая устойчивость образца в целом на макромасштабном уровне. На рис. 9 представлена схема формирования полос сброса.

Макролокализация грубых полос сброса обусловливает сильное локальное искривление образца и эффекты изгиба-кручения. Формируется «бочка». У торца и на боках «бочки» возникают и развиваются трещины по плоскостям спайности, ослабляя сопротивление кристалла внешнему воздействию. Наступает стадия глобальной потери сдвиговой устойчивости образца как целого. Таким образом, в основе механизма разрушения LiF при сжатии лежит эффект изгиба-кручения в зоне макролокализации деформации.

5. Заключение

Процесс пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в структурно-неоднородных материалах развивается дискретно во времени и в пространстве путем формирования полосовых структур в направлении действия максимальной интенсивности тангенциальных напряжений т max. При этом принципиальное влияние на характер развития и распространения ПЛС оказывает релаксация моментных напряжений. Компенсация их обусловливает в тонкой структуре одиночных и аккомодационных макрополос локализованного сдвига присутствие мезополос сдвига в сопряженном направлении т max. В сплавах с эффектом Порте-вена-Ле Шателье при скачкообразном распространении ПЛС происходит компенсация моментных напряжений за счет изменения ее ориентации вдоль сопряженного направления максимальной интенсивности тангенциальных напряжений. При формировании шейки происходит циклическое переключение процесса локализации деформации в связке из двух сопряженных макрополос локализованного сдвига, исключающее существенное накопление моментных напряжений. При сжатии монокристалла LiF формирование полосы сброса на фоне квазоднородного тонкого скольжения является аккомодационным процессом, компенсирующим поворотные моды деформации.

Нескомпенсированность поворотных моментов обусловливает возникновение трещины в зоне локализации деформации и разрушение образца.

Литература

1. Panin V.E., Deryugin Ye.Ye., Wasman G.I. Shear bands and fracture of imperfect Fe+3%Si polycrystals // Int. J. ofFracture. - 2001. - V. 107. -P. 1-10.

2. Deryugin Ye.Ye., Panin V.E., Schmauder S., Soppa E. The effects of macrolocalization of deformation in Al-based composites with Al2O3 inclusions // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. - 2003. - No. 6. - P. 295-304.

3. Панин В.Е., Дерюгин Е.Е., Хэджиконтис В., Мэвромэто К., Эф-таксиас К. Масштабные уровни локализации деформации и разрушения монокристаллов LiF при сжатии // Физ. мезомех. - 2001. -Т. 4. - № 4. - С. 21-32.