Научно-исследовательская лаборатория «Физика металлов и сплавов»

УДК 006.16

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ «ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»

© М.А. Желтов

1. Фундаментальные и прикладные проблемы

Развитие современной техники требует опережающего развития фундаментальной науки о материалах -физического и химического материаловедения. В условиях, когда временной разрыв между идеей конструктора и ее воплощением должен быть минимальным, основной задачей материаловедения становится создание материалов с заданными свойствами. Алюминиевые сплавы являются перспективными материалами для изготовления легких конструкций - летательных аппаратов и автомобилей. Однако эти сплавы демонстрируют неустойчивую пластическую деформацию, которая проявляется в таких явлениях, как зуб текучести, прерывистое течение и ступенчатая деформация. Эти явления вызывают технологический брак в виде порчи поверхности промышленных изделий, а также существенно сокращают ресурс пластичности этих сплавов.

Нелинейная динамика деформируемых металлов и сплавов - новое интересное направление НИР кафедры теоретической и экспериментальной физики ТГУ им. Г.Р. Державина. Научно-исследовательская лаборатория «Физика металлов и сплавов» (ЛФМС) образована в 2005 г. Деятельность научно-исследовательской лаборатории, руководимой доцентом, к.ф.-м. наук М.А. Желтовым, направлена на решение фундаментальной задачи физического материаловедения - проблему понимания механизмов неустойчивого поведения твердых тел по отношению к механическому воздействию с целью создания фундаментальной научной базы для разработки методов управления механической устойчивостью и повышения ресурса пластичности сплавов на алюминиевой основе.

Базовая концепция деятельности лаборатории состоит в сочетании динамического и структурного подхода в физике прочности и пластичности, в частности в постановке структурных in situ экспериментов на основе оригинального измерительного комплекса в сочетании с измерением и анализом временных рядов, отражающих нестационарный характер пластического течения (нерегулярных кривых нагружения, сигналов акустической и электромагнитной эмиссии), а также использовании современных методов динамического анализа, включающих в себя спектральный, мультиф-рактальный анализ соответствующих временных рядов и пространственных структур. Целью деятельности ЛФМС является проведение систематических комплексных научных исследований в области нелинейной

динамики деформируемых твердых тел, а также повышение на этой основе уровня подготовки будущих специалистов, студентов и аспирантов.

2. Научные направления лаборатории

- исследование неустойчивой пластической деформации ультрамелкозернистых поликристалличе-ских сплавов на основе алюминия в условиях одноосного растяжения в мягкой испытательной машине комплексом высокочувствительных и быстродействующих методов измерения деформации в сочетании с микро-структурными исследованиями; особое внимание уделено высокотехнологичным сплавам Al-Mg, в частности АМг5 и АМг6, используемых при производстве летательных аппаратов, автомобилей, военной техники, а также в химическом машиностроении и электротехнической промышленности;

- проведение систематических исследований механизмов зарождения полос макролокализованной деформации, их размножения, распространения и взаимодействия, а также роли полос деформации в механизме вязкого разрушения;

- исследование влияния структурных изменений на микро- и наноуровне на динамику макроскопической неустойчивости пластической деформации алюминиевых сплавов;

- исследование предвестников макроразрушения сплава на основе корреляционного анализа видео- и временных рядов: скачков на кривых нагружения, сигналов акустической и электромагнитной эмиссии;

- исследование механизмов и способов подавления деформационных полос и увеличение ресурса пластичности алюминиевых сплавов Al-Mg.

3. Основные результаты, полученные в лаборатории

1. Разработан комплекс методов исследования неустойчивой пластической деформации металлов и сплавов, основанный на синхронной регистрации скачков пластической деформации, сигналов электромагнитной и акустической эмиссии и высокоскоростной видеосъемкой полос макролокализованной деформации в сочетании с динамическим анализом временных и видеорядов, а также микроструктурными исследованиями.

2. Обнаружены и исследованы структурночувствительные переходы между устойчивой и неустойчивой деформацией сплавов Al-Mg. Экспериментально установлена связь между характеристиками скачкообразной деформации и стадиями распада пересыщенного твердого раствора магния в алюминии. Показано, что для реализации скачкообразной деформации необходимо наличие зон Гинье - Престона в исходной рекристаллизованной структуре сплава, отсутствие сегрегации примесей и вторичных выделений по границам зерен, а также предварительной деформации на стадии динамического возврата.

3. Установлено, что скачкообразная деформация алюминий-магниевого сплава является чувствительной функцией отклика к тонким структурным изменениям в сплаве на субмикроскопическом и наноуровне, позволяющей, как обнаружено, определять температуру начала первичной рекристаллизации, температуру соль-вуса и температурный интервал растворения зон Гинье-Престона.

4. С помощью высокоскоростной видеосъемки со скоростью до 1000 кадр/с поверхности деформируемого сплава Al-Mg исследованы тонкие детали кинетики полос макролокализованной деформации, связанных с процессами их зарождения, скачкообразного распространения, взаимодействия, размножения и осцилляций на стадии образования шейки. Впервые получена классификация полос деформации Савара - Массона при растяжении сплава в мягкой деформационной машине, которая существенно отличается от классификации полос Портевена - Ле Шателье при растяжении в жесткой испытательной машине.

5. На основе анализа данных видеосъемки и синхронной записи скачков деформации установлено, что макроскопические скачки (амплитудой 1-10 %) следует рассматривать как деформационные «взрывы», возникающие в результате развития цепной реакции размножения полос деформации Савара - Массона.

6. Установлено, что подвижность и морфология полос резко изменяются после отжига в окрестности температуры сольвуса. Растворение частиц P(Al3Mg2)-фазы вызывает переход от плоской к ветвящейся морфологии первых полос и сопровождается резким ростом, почти на порядок, их подвижности. Предполагается, что разблокировка границ зерен от частиц Р-фазы способствует зернограничному проскальзыванию, что вызывает ветвление полос.

7. Обнаружена корреляция между динамикой полос деформации и макроскопическим разрушением сплавов Al-Mg с различной исходной микроструктурой. В сплаве АМг6 с преципитатной микростуктурой (полученной искусственным старением) магистральная трещина распространяется в плоскости первичной полосы деформации, являющейся триггером развития последнего скачка деформации, а в сплаве со структурой собирательной рекристаллизации позиция магистральной трещины определяется сечением, через которое прошло максимальное количество полос деформации.

8. Выявлен степенной закон распределения как предвестник макроразрушения сплава АМг6 с рекри-сталлизованной микроструктурой. Обнаружено, что за

0,2 с до развития магистральной трещины в динамике полос наблюдаются дискретные локальные события

смены угла полосы, которые распределены во времени по степенному закону с показателем степени n и -1, аналогичному закону Омори при землетрясениях.

9. Обнаружена и исследована скачкообразная составляющая сверхпластического течения промышленного сплава АМг6 при нагружении с постоянной скоростью возрастания напряжения. Скачки деформации амплитудой до ~1 % имеют вид ступеней на кривой нагружения. Спектр мощности скачкообразной составляющей сверхпластической деформации имеет флик-кер-шумовую структуру, отражающую временную корреляцию нестационарных процессов переноса, реализующих сверхпластическое состояние.

10. Впервые обнаружено, что скачки пластической деформации сплава АМг3, покрытого слоем льда, сопровождаются генерированием характерных сигналов электромагнитной эмиссии. С помощью синхронной регистрации скачка деформации и электромагнитного сигнала установлено, что временные нерегулярности на фронте сигнала связаны с динамикой полос деформации, распространяющихся на поверхности деформируемого металла.

В области прикладных исследований деятельность ЛФМС направлена на развитие физических основ для разработки:

а) электромагнитных методов контроля in situ процессов пластической деформации, разрушения и фазовых превращений в высокотехнологичных материалах;

б) методов управления структурой дефектов внешними физическими полями с целью создания материалов с прогнозируемыми свойствами;

в) методов бесконтактного электромагнитного мониторинга и контроля динамических дефектов на поверхности металлов в условиях оледенения.

В работе лаборатории активное участие принимают сотрудники кафедры ТЭФ, аспиранты и студенты. По результатам научно-исследовательской работы лаборатории защищены три кандидатские диссертации и 20 дипломных работ. С 2009 г. работа выполняется в рамках реализации аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы», рег. номер проекта 2.1.1/2747. Объем финансирования на 2009 г. составил 2,5 млн руб.

В настоящий сборник включены научные труды лаборатории «Физика металлов и сплавов», представляющие основные результаты ее деятельности по следующим направлениям:

1) прерывистая деформация, вызванная изменением микроструктуры сплава АМг6;

2) нелинейная динамика полос деформации в сплаве АМг6.

4. Основные публикации лаборатории

1. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., Денисов Е.К. Эффект Савара - Массона в сплаве А1 - 2,5%Mg. I. Характеризация неустойчивостей пластического течения // Конденсированные среды и межфазные границы. 2003. Т. 5. № 1. С. 44-53.

2. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., Денисов Е.К. Эффект Савара - Массона в сплаве А1 - 2,5%Mg. II. Электриче-

11бб

ский отклик на скачкообразную пластическую деформацию // Конденсированные среды и межфазные границы. 2003. Т. 5. № 1. С. 54-59.

3. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Комплекс in situ методов исследования скачкообразной пластической деформации металлов // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. № 7. С. 20-27.

4. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Кольцов Р.Ю., Золотов А.Е., Шуклинов А.В. Электромагнитный метод исследования скачкообразной деформации металлов // Деформация и разрушение материалов. 2005. № б. С. 24-З4.

5. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтов М.А., Шуклинов А.В., Лебедкин М.А. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Известия РАН. Серия физическая. 200б. Т. 70. № 9. С. 1372-1З7б.

6. Шибков А.А., Мазилкин А.А., Протасова С.Г., Михлик Д.В., Золотов А.Е., Желтов М.А., Шуклинов А.В. Влияние состояния примесей на скачкообразную деформацию сплава АМгб // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 5. С. 24-З2.

7. Шибков А.А., Мазилкин А.А., Протасова С.Г., Михлик Д.В., Золотов А.Е., Желтов М.А., Шуклинов А.В. Влияние выделений вторичной фазы на скачкообразную деформацию алюминиево-магниевого сплава АМгб // Деформация и разрушение материалов. 2008. № б. С. 12-17.

8. Шибков А.А., Шуклинов А.В., Михлик Д.В., Денисов Е.К., Золотов А.Е., Желтов М.А. Переход от

устойчивой к скачкообразной деформации, вызванный изменением состава и структуры сплава Al-Mg // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 3. С. З0-З5.

9. Шибков А.А., Денисов Е.К., Михлик Д.В., Желтов М.А. Скачкообразная деформация и структура сплава Cu-Zn-Sn // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 9. С. б-12.

10. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтов М.А., Назаров С.В. Электромагнитное излучение при деформировании алюминий-магниевого сплава в условиях оледенения // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 10. С. 1б-20.

11. Шибков А.А, Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтов М.А., Шуклинов А.В. Зарождение и размножение полос деформации Савара - Массона в сплаве АМгб // Известия РАН. Серия физическая. 2009. №9. (в печати).

12. Шибков А.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В., Желтов М.А., Шуклинов А.В. Кинетика и морфология полос деформации на начальной стадии потери устойчивости пластического течения сплава АМгб // Деформация и разрушение материалов. 2009. (в печати).

13. Шибков А.А. Динамика полос деформации и разрушение сплавов Al-Mg // Фазовые превращения и прочность кристаллов: сборник трудов Международной конференции, посвященной памяти академика Г.В. Курдюмова. Черноголовка, 2008.

Поступила в редакцию 3 июня 2009 г.

11б7