Влияние пористости на активацию мезоуровня пластической деформации в металлах

В.В. Поляков, А.В. Егоров Влияние пористости на активацию мезоуровня пластической деформации в металлах

Задачи конструирования новых материалов с заранее заданными пластическими свойствами требуют построения моделей физической мезомеханики, адекватно определяющих деформационное поведение структурно-неоднородных сред [11 В этой связи принципиальное значение имеет исследование пористых металлов, выступающих в качестве своеобразного предельного случая композиционного материала с максимально различающимися свойствами компонентов (твердого каркаса и пор) |‘2, 3| В такой среде поры играют роль мощных локальных концентраторов упругих напряжений, что приводит уже при небольших статических деформациях к появлению резко неоднородного механического поля, аналогичного возникающему в специальных случаях высокотемпературного или ударноволнового нагружения (4). Как следствие в пористом металле ярко выражены проявления вихревого характера пластической деформации на мезоуровне [5. 6]. В настоящей работе на примере железа рассмотрена активация мезоуровня пластического течения, вызываемая наличием пористости.

Образцы для экспериментальных исследований изготавливались из железного порошка со средним размером частиц 80 мкм путем прессования до требуемой пористости и последующего спекания в вакууме при температуре 1520° К в течение 2,5 часов. Пористость Р изменялась от 3 до 40%. В качестве схемы нагружения было выбрано одноосное сжатие, позволившее достичь достаточно высоких степеней деформации без разрушения образцов и тем самым представлявшее возможность задействовать широкий спектр различных механизмов пластического течения Степень деформации с изменялась от 2% до возникновения трешин Деформационная структура исследовалась с помощью оптической и электронной микроскопии 151 и рентгеноструктурного анализа |7) Для измерения размеров структурных элементов деформируемого материала применялась реперная сетка с окном 50 мкм С ее помощью оценивались средние значения ф углов поворота зерен в плоскости микрошлифов. Данные рентгеновской дифрактометрии использовались для измерения величин микронапряжений Дс1/с1 и размеров областей когерентного рассеяния, по последним оценивалась плотность дислокаций р.

а Ь с

Рис. 1. Микроструктура пористого железа

а - исходная структура, Р = 0,30, б = 0%, х 200.

Ь - поры как концентраторы напряжений, Р = 0,05, е = 10%, х 3000, с - повороты зерен как целого, Р = 0,30, е = 30%, х 300

На рисунке 1а приведена типичная микрофотография исходного (недеформированного) состояния пористого железа Рисунок 1Ь (электронная микроскопия) согласно [5] иллюстрирует определяющую роль пор как концентраторов, вызывающих неоднородность поля напряжений. Возникающие на порах градиенты упругих напряжений релаксируют путем испускания мощных дислокационных потоков. Заметна крайняя неоднородность в распределении следов дислокационного сколь-

жения |8]. Микрофотография на рисунке 1с демонстрирует поворот зерна «А» как целого относи-

Влияние пористости на активацию мезоуровня

тельно своих соседей Подчеркнем, что в беспористом железе при комнатной температуре и относительно невысоких деформациях столь сильные ротационные эффекты не наблюдаются. На полученных микрофотографиях видны также процессы зернограничного проскальзывания, проявлявшиеся в разрывах линий реперной сетки на межзерениых границах.

Качественное объяснение аномально высоких по сравнению с компактным состоянием ротационных эффектов следует из анализа специфического строения пористых металлов, связанного прежде всего с расположением пор на межзеренной границе и в тройных стыках зерен [9-121. Тройные стыки в силу их геометрического закрепления выступают в роли основных барьеров при скольжении зернограничных дислокаций и движении потоков дефектов по границам С этих позиций

а Ь с

Рис. 2. Схема движения зерен в пористом металле а - зернограничное проскальзывание Ь - поворот зерен как целого с - выдавливание зерен в пору

1 - межзеренная граница, 2 - линия реперной сетки, 3 - пора

залегание пор в тройных стыках резко облегчает релаксацию упругих напряжений, осуществляемую потоком зернограничных дефектов. Соответствующая схема зернограничного проскальзывания, активируемого незаторможенностью движения зернограничных дислокаций, приведена на рисунке 2а Эти же причины позволяют объяснить возможность значительного поворота зерен как целого (схема на рисунке 2Ь). При высоких пористостях одним из факторов дальнейшего увеличения ротационных эффектов становится выдавливание зерен в изомерные им поры |13|, происходящее согласно схеме на рисунке 2с.

Для физической интерпретации вышеуказанных особенностей представляет интерес своеобразная аналогия между металлическим каркасом высокопористого материала и образцами с «бамбуковой» структурой, в которых отсутствие тройных стыков приводит к неограниченной релаксации (141. Эта аналогия подтверждается корреляцией с результатами исследования внутреннего трения л пористых металлах, свидетельствующими об уменьшении зернограничного пика при росте пористости [151.

На рисунке 3 приведены результаты измерений, количественно характеризующие особенности

~Рис° 3 .^Зависимости плотности'дислокаций вёмчиньгмикръйапр^жунй АЬ и углов поворота зерен как целого (с) от деформации.

субструктурного упрочнения пористого железа на микро- и мезоуровнях [7, 17). Как видно из рисунков За и ЗЬ, влияние деформации на плотность дислокаций и величину микронапряжений наиболее существенно для малопористых образцов. Отметим, что изменение величины р И Дсі/сі с

пористостью немонотонное и характеризуется максимумом при Р-0,1. Данные рисунков За и ЗЬ свидетельствуют, что вклад внутризеренных дислокационных процессов в пластическую деформацию с ростом пористости уменьшается. Аналогичный эффект наблюдался для околопоровых областей при сверхпластичности крупнозернистых сплавов [16] Рисунок Зс показывает, что повороты зерен как целого для компактного и малопористого состояния не проявляются практически до стадии предразрушения [ 171 С ростом пористости величина поворотов при малой деформации быстро увеличивается и достигает для отдельных зерен значений, наблюдавшихся при высокотемпературной ползучести пластичных металлов 1181

Совокупность полученных результатов позволяет сделать вывод, что наличие пор вызывает резкую активацию структурных элементов деформации на мезоуровне. Это обусловливает смену физических механизмов пластического течения при росте пористости, проявляющуюся в переходе от определяющего вклада внутризеренного дислокационного скольжения для малопористого материала к доминированию процессов, связанных с движением зерен как целого, при высоких значениях пористости.

Литература

1. Панин В.Е. и др. Т 1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. Новосибирск, 1995.

2. Поляков В В , Головин А.В. Влияние структуры на скорости упругих волн в пористых металлах / / Изв. РАН. Металлы. 1995. № 4

3 Поляков В В., Егоров А В. Магнитные и электрические характеристики пористых ферромагнетиков // Доклады Академии наук. 1995 Т 344. № 4

4 Панин В.Е., Мещеряков Ю.Н., Елсукова Т Ф , Диваков А.К., Псахье С Г , Мышляев М М

Некристаллические структурные уровни деформации в сильновозбуждениых системах / / Изв вузов. Физика. 1990 № 2

5. Панин В Е., Поляков В В., Сыров Г.В., Фадеев А.В. Эволюция механизмов пластической

деформации в пористых металлах // Изв. вузов Физика. 1996 № 1,

6 Мильман Ю.В., Лесковский А Н., Иващенко Р.К Бочкин В.Л., Захарова П.П. Исследование особенностей разрушения спеченного железа методом «in situ» / / Порошковая металлургия. 1994. № 1-2,

7. Поляков В В., Сыров Г В., Демьянов Б Ф Особенности пластической деформации пори-

стых металлов / / Металловедение и термическая обработка металлов 1996 № 3

8. Поляков В В , Сыров Г.В Особенности формирования зон скольжения в пористых ме-

таллах // Изв вузов. Физика. 1995. № 5.

9 Dudrova Е., Ра ri I a k L., Rudnayova Е., Pelican К. Heterogeneity of deformation process in the

bulk of porous iron during static tensile testing // Powder Met Int. 1987. Vol. 19. № 3.

10. Slesar М., Dudrova E., Rudnayova E. Plain porosity as a microstructural characteristic of

sintered materials / / Powder Met. Int. 1992. Vol. 24 № 4.

11. Petri M.C., Solomon A A. Роге-grain boundary interactions during sintering of pure nickel under variable pressure / / Scr. Metal, et Mater. 1990 Vol. 24

12. Kuroki H , Honda T. Powder particle boundary in sintered iron / / Int. J. Powder Met and Powder Technol 1983 Vol. 19. № 4.

13 Polyakov V.V., Syrov G.V., Fadeev A.V. Peculiarities of plastic deformation of porous metals / / Proc. of the 4th Europ. Conf. on Adv. Mater, and Processes «Euromat-95*. Venice/ Padue, Italy, 1995. Vol. 4.

14. Ke T.S. Micro-mechanism of grain boundary relaxation in metals // Scr. Metal, et Mater 1990. Vol. 24. № 2.

15. Дударев Е.Ф., Поляков ВВ., Алексеев А.Н. Влияние пористости на температурную зависимость внутреннего трения в железе / / Металлофизика и новейшие технологии. 1995 Т. 17. № 7

16 Кузнецова Р.И Роль зернограничной пористости в сверхпластичности / / ФММ 1978 Т. 45. Вып. 3.

17. Поляков В В., Сыров Г В., Демьянов Б.Ф Влияние пористости на зернограничное проскальзывание в металлах / / Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1996 № 6.

18 Панин В.Е. Елсукова Т.Ф. Елисеева М.А Гриняев Ю.В Движение зерен как целого при пластической деформации поликристаллов / / Поверхность. Физика, химия, механика 1983. № 5.