Исследование структуры меди в зоне перехода откольной трещины в полосу локализованной деформации

УДК 539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕДИ В ЗОНЕ ПЕРЕХОДА ОТКОЛЬНОЙ ТРЕЩИНЫ В ПОЛОСУ ЛОКАЛИЗОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ

© А.Ф. Беликова, С.Н. Буравова, Е.В. Петров, И.В. Сайков

Ключевые слова: откольное разрушение; полоса локализованной деформации; ударная волна.

Образование полосы сдвига рассматривается с позиции откольного механизма локализации деформации. Металлографическое изучение обнаруживает скопление дефектов вблизи центрального отверстия образца и особенно высокую плотность ямок травления в области перехода трещины в полосу сдвига.

Адиабатические полосы сдвига, по общепринятым представлениям, являются результатом потери устойчивости пластического течения, которое возникает за счет перехода механической работы пластической деформации в тепло с последующим разупрочнением. Необходимым условием локализации, согласно термопластической модели, является наличие деформированного состояния материала, внутри которого зарождаются полосы сдвига. Исследования полос сдвига обнаруживают мелкозернистую структуру с размером зерна 0,1 —0,5 мкм и с низкой плотностью дислокаций [1]. Тонкополосчатая структура по краям полос сдвига, переходящая в полигональную структуру в центре, с ростом деформации переходит в рекристаллизацию [2]. Предприняты многочисленные попытки изучить механизм динамической рекристаллизации. В [3] предложена ротационная модель эволюции структуры на основе термопластической модели локализации с учетом дислокаций, которая включает стадии - перестройка дислокаций в удлиненную ячейку; рост температуры и увеличение разориентации, что трансформирует удлиненные ячейки в удлиненные субзерна; разделение удлиненных структур с образованием мелкозернистой структуры за счет утончения границ зерен посредством снижения избытка дислокационных диполей.

В настоящее время накопилось достаточное количество экспериментальных фактов, которые противоречат традиционной термопластической модели локализации деформации, - распространение адиабатических полос сдвига по недеформированному материалу [4]; наличие пор в полосах сдвига, что свидетельствует об участии процесса растяжения [5]; отсутствие экспериментального подтверждения процесса разупрочнения. Измерение температуры в титановом сплаве, деформированном при высокой скорости деформации, инфракрасным детектором (разрешение 45x45 мкм) показало незначительный рост температуры порядка 100 °С [6]. Решение уравнения теплопроводности для среды с размером источника, меньшим разрешающей способности детектора, показывает, что температура 800 К затухает за 1 нс. К такому же выводу пришли авторы [7]. Время затухания слишком короткое, чтобы значительно воздействовать на материал и вызвать заметное разупрочнение. Обнаружение рекристаллизованных зерен (размером 10-30 нм) [6], возникающих до образования

адиабатических полос сдвига и не являющихся следствием высокой локальной температуры, свидетельствует о том, что механизм локализации деформации другой, нежели общепринятый термопластический.

Рассмотрение процесса коллапса толстостенной трубы (рис. 1) с позиций волновой механики [8] показывает, что деформированное состояние материала формируется на стадии прохождения ударной волны, а по-врежденность - на стадии разгрузки, при выходе ударной волны на свободную внутреннюю поверхность. Оба процесса разъединены по времени, и поэтому являются независимыми друг от друга. Давление в ударной волне при схождении к центру возрастает, возникает неустойчивая кумуляция энергии, и ударная волна теряет свою идеальную форму, на ней возникают выступы.

Рис. 1. Поперечный шлиф толстостенной трубы после обработки скользящей детонационной волны

При выходе возмущенной ударной волны на свободную поверхность выступы становятся источниками волн разгрузки и создают откольную трещину между выступами рельефа (рис. 1). По мере углубления трещины внутрь материала интенсивность растяжения в зоне интерференции падает, и, когда отрицательные давления становятся меньше динамической прочности материала, трещина перерождается в адиабатическую полосу сдвига. В условиях динамического нагружения полоса сдвига является результатом интерференции волн разгрузки, где растягивающие напряжения не достигают откольной прочности материала.

В работе исследована медь с содержанием 98,81 и 1,19 % алюминия, средний размер зерна около 50 мкм. Известно, что откольное разрушение проходит через несколько стадий: зарождение микродефектов; их рост

1611

под действием растягивающих напряжений; слияние соседних дефектов с образованием магистральной трещины и расслоением материала. Переход откольной трещины в полосу сдвига осуществляется, в основном, через систему пор, соединенных тонкими полосами сдвига. Металлографическое изучение обнаруживает скопление дефектов вблизи центрального отверстия образца и особенно высокую плотность ямок травления в области перехода трещины в полосу сдвига.

Рис. 2. Фрагмент полости откольной поры

На боковой поверхности внутренней полости откольной поры (рис. 2) наблюдаются следы микродефектов размером порядка 1 мкм, которые незначительно изменяются в зависимости от ориентации направления растяжения по отношению к массовой скорости за фронтом ударной волны.

Рис. 3. Внутренняя структура полосы локализованной деформации

Основным механизмом деформирования поликри-сталлической меди в центральной области являются полосы скольжения. Это связано с тем, что при коллапсе давление в сходящейся к центру ударной волне приближается к предельному давлению двойникования в меди, равному 14 ГПа [9]. По мере удаления от внутреннего отверстия образца число ямок травления становится меньше, и появляется огромное количество деформационных двойников.

Интересно, что микродефекты на начальной стадии разрушения возникают на участках, где наблюдается вы-

ход дислокаций. В [9] показано, что внутренние микродефекты связаны с поверхностными ямками травления.

Рис. 3 демонстрирует плавный переход откольной поры в полосу сдвига. Характерно, что полосы сдвига часто сопровождаются микротрещинами вдоль границы полос, которые представляют собой удлиненные структурные образования.

Рис. 4. Фрагмент микропоры с ультра тонкими частицами

Следует отметить еще одну характерную особенность - образование ультратонких зерен (рис. 4) с размером порядка 115-300 нм внутри пор и тонких полос сдвига. Однако все они покрыты гранулированной оксидной пленкой, состав покрытия: Cu - 88,34, Al - 1,08; O - 10,58 %. Окисление - процесс экзотермический, может приводить к росту температуры полосы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Lins J.F.C., Sandim H.R.Z., Kestenbach H.-J., Raabe D., Vecchio K.S. A microstructural investigation of adiabatic shear bands in an interstitial free steel // Materials Science and Engineering. 2007. A457. Р. 205-218.

2. Nesterenko V.F., Bondar M.P. Localization of deformation in collapse of a thick-walled cylinder // Combustion, Explosion, and Shock Waves. V. 30. Р. 500-509.

3. Meyers M.A., Nesterenko V.F., LaSalvia J.C., Xu Y.B., Xue Q. Observation and Modeling of Dynamic. Recrystallization in High-Strain, High-Strain Rate Deformation of Metals // J. Phys. IV France. 2000. V. 10. Р. 9-51.

4. Stock T.A.C., Thompson K.R.L. Penetration of aluminum. Alloys by projectiles // Metallurgical Transactions. 1970. V. 1. Р. 219-224.

5. Grebe H.A., Pak H.R., Meyer M.A. Adiabatic shear localization in titanium and Ti-alloy // Metallurgical Transaction. 1985. 16.A. Р. 761-775.

6. Osovski S., Rittel D. Dynamic failure by adiabatic shear banding // Int. J. Fracture. 2010. V. 162. Р. 177-185.

7. Grady D.E., Asay J.R. Calculation of thermal trapping in shock deformation of aluminium // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. №2 11. Р. 7350-7356.

8. Беликова А.Ф., Буравова С.Н., Гордополов Ю.А. Локализация деформации и связь ее с деформированным состоянием материала // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. Вып. 2. С. 153-156.

9. Tang Nai-Yong, Niessen P. and Pick R.J. An investigation of shock-induced damage in oxygen-free high conductivity copper // Materials Science and Engineering. 1991. A.131. Р. 153-160.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена по программе фундаментальных исследований РАН «Фундаментальные проблемы механики и смежных наук в изучении многомасштабных процессов в природе и технике».

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Belikova A.F., Buravova S.N., Petrov E.V., Saikov I.V. INVESTIGATION OF COPPER STRUCTURE IN TRANSITION ZONE OF SPALL CRACKS INTO LOCALIZED DEFORMATION BAND

The shear banding is considered from the view of spall mechanism of deformation localization. Metallographic examination reveals the accumulation of defects near the center hole of the sample and especially their high density in the transition zone of spall cracks into the shear band.

Key words: spall fracture; band of localized deformation; shock wave.

1612