Эволюция потери сдвиговой устойчивости на мезои макроуровнях и разрушение холоднокатаных поликристаллов при растяжении

Эволюция потери сдвиговой устойчивости на мезо- и макроуровнях и разрушение холоднокатаных поликристаллов при растяжении

B.C. Плешанов, В.Е. Панин, С.А. Кобзева, С.П. Буркова1

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Томский политехнический университет, Томск, 634034, Россия

Изучены мезомасштабные закономерности локализации пластического течения и разрушения холоднокатаных металлических поликристаллов в условиях растяжения. Описана кинетика формирования и развития мезополосовых структур с позиций иерархии масштабных уровней потери сдвиговой устойчивости поликристаллов. Показано, что состояние пред-разрушения поликристаллов связано с их мезомасштабной фрагментацией, а характер разрушения определяется самосогласо-ванием всех масштабных уровней деформации в области макрополосового диполя.

Evolution of shear stability loss and fracture of cold-rolled polycrystals under tension at the meso- and macroscale levels

V.S. Pleshanov, VE. Panin, S.A. Kobzeva, and S.P. Burkova

The mesoscale behavior of plastic flow localization under tension and fracture of cold-rolled metal polycrystals are investigated. The kinetics of formation and development of the mesoband structure from the standpoint of hierarchy of scale levels of polycrystal shear stability loss is described. It is shown that the prefracture state of polycrystals depends on their mesoscale fragmentation, and fracture character is defined by the self-consistence of all scale deformation levels in the area of a macroband dipole.

1. Введение

Изучение закономерностей пластического течения, зарождения и развития трещин в нагруженном твердом теле относится к важнейшим задачам физики прочности и пластичности и механики разрушения [1-3]. Традиционно при интерпретации природы разрушения нагруженного материала полагают, что начало разрушения связано со случайной флуктуацией сечения образца в месте, характеризуемом максимальным значением приложенного напряжения [4]. В рамках представлений физической мезомеханики, объединяющей подходы континуальной механики и физики пластичности [5, 6], это ошибочное понимание, поскольку процесс разрушения твердого тела является строго детерминированным. Ме-зомеханика рассматривает пластическую деформацию как локальную потерю сдвиговой устойчивости материала на различных масштабных уровнях, а разрушение связывает с глобальной потерей сдвиговой устойчивости на макроуровне. Разрушение происходит в месте локализации макроконцентратора напряжений и определяется механикой развития макрополос локализованной деформации, а релаксационные процессы на микро- и мезомасштабном уровнях носят аккомодационный характер. Экспериментальному подтверждению этого принципиально важного положения посвящена настоящая работа.

© Плешанов B.C., Панин В.Е., Кобзева С.А., Буркова С.П., 2004

2. Условия эксперимента

Деформация и разрушение нагруженного твердого тела всегда связаны с действием на образец максимальных касательных напряжений со стороны базового концентратора напряжений (захвата испытательной машины). В пластичных материалах это проявляется с самого начала нагружения в распространении поверхностных потоков дефектов в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений ттах [6, 7]. Повысить масштабный уровень этого эффекта и определить роль аккомодационных мезополос деформации в разрушении поликристаллов можно путем блокирования поверхностных потоков дефектов посредством специальной обработки материала. В этом случае потоки дефектов должны распространяться путем развития в сопряженных направлениях ттах мезо- и макрополос локализованной деформации, определяющих механизм деформации и разрушения материала. В данной работе такая обработка заключалась в предварительной холодной прокатке поликристаллов.

Для исследований использовали поликристаллы армко-железа, высокоазотистой стали Х17АГ18 и технического титана ВТ-1 как типичных представителей материалов с ОЦК, ГЦК и ГПУ кристаллическими решетками соответственно. В нагартованном холодной прокаткой состоянии эти материалы обладают различной сте-

Рис. 1. Кривые течения поликристаллов армко-железа с различной степенью предварительной холодной прокатки: 0

пенью сдвиговой устойчивости на мезомасштабном уровне. Исходный средний размер зерна составлял в арм-ко-железе 30 мкм, высокоазотистой стали 15 мкм и в титане 200 мкм. Холодную прокатку осуществляли на лабораторном стане при температуре 293 К, различные степени обжатия задавали многоразовыми проходами. Образцы вырезали электроэрозионным способом, размеры рабочей части составляли 30х4х 1 мм. Эксперименты проводили в условиях статического растяжения образцов со скоростью 3 • 10-5 с-1 на испытательной машине ИМАШ-20-78, снабженной оптико-телевизионной измерительной системой ТОМБС [5] для исследования эволюции деформационных мезоструктур непосредственно в процессе нагружения.

3. Результаты исследований и их обсуждение

На рис. 1 представлены кривые пластического течения при растяжении поликристаллов армко-железа с различной степенью предварительной холодной прокатки (кривые течения холоднокатаных поликристаллов высокоазотистой стали и титана качественно носят подобный характер). Этот рисунок иллюстрирует хорошо известный факт нестабильности холоднодеформирован-ного состояния металлов, полученного прокаткой, при последующем растяжении [8]. Именно эта нестабильность в условиях высоких значений внешних приложенных напряжений обусловливает формирование мезо-полос деформации и усиление роли мезомасштабного

уровня пластического течения. В холоднокатаных материалах высокая степень дефектности кристаллической решетки и сильно выраженная текстура препятствуют реализации кристаллографических механизмов деформации микромасштабного уровня. В этих условиях не происходит локальной потери сдвиговой устойчивости решетки в зонах микроконцентраторов напряжений. Уровень деформирующих напряжений непрерывно растет и достигает значений, при которых теряется сдвиговая устойчивость нагруженного поликристалла в его протяженных областях, и уже в начале пластического течения вдоль боковых граней образца формируются мезоконцентраторы напряжений. Они релаксируют путем некристаллографического распространения потоков деформационных дефектов в виде локализованных мезополос через все внутренние границы раздела независимо от кристаллической структуры материала. При этом в поликристалле на стадии линейного упрочнения формируется ярко выраженная фрагментированная ме-зополосовая структура, элементы которой (полосы локализованной пластической деформации) ориентированы в сопряженных направлениях ттах (рис. 2, а). Природа этих полос связана со смещением (сдвигом) частей поликристалла друг относительно друга.

Сдвиг по одной полосе неизбежно сопровождается стесненным материальным поворотом в образце и изгибом его оси. Поскольку положение оси образца фиксировано испытательной машиной, на противоположной грани образца возникает встречный (индуцированный) мезоконцентратор напряжений, который генерирует сдвиг и образование мезополосы в сопряженном направлении. Сдвиги в сопряженных мезополосах развиваются взаимосогласованно по схеме фазовой волны (рис. 3). Векторная сумма этих сдвигов обеспечивает смещение точек образца в направлении действующей силы по законам механики сплошной среды. Исследования, проведенные с использованием растровой электронной микроскопии, показали, что в пределах мезополос на более низком структурном уровне деформация развивается путем формирования некристаллографических микрополос сдвига, ориентированных вдоль направления мезополос (рис. 2, б). Размерные параметры ме-зополосовой структуры (ширина полос, расстояние

Рис. 2. Мезополосовая структура

Рис. 3. Распределение продольной компоненты £хх (х, £) в области развития двух сопряженных мезополос. Армко-железо, степень прокатки 80 %, интервал деформаций Д£ = 0.7-2-3 %

между ними) определяются степенью и направлением холодной прокатки поликристаллов.

Динамика мезополосовой структуры определяет особенности кривых «напряжение - деформация» и стадийность пластического течения на мезоуровне. В условиях растяжения холоднокатаных поликристаллов закономерности деформации подчиняются принципу масштабной инвариантности в деформируемом твердом теле, согласно которому механизмы деформации и соответствующие стадии кривой течения на разных масштабных уровнях являются масштабно инвариантными. На мезо-масштабном уровне стадия линейного упрочнения характеризуется формированием сопряженных мезополос локализованной деформации (подобно мультиплетному скольжению на микроуровне), а стадия параболического упрочнения связана с вихревым движением блоков ме-зополосовой структуры (подобно разориентированной ячеистой дислокационной субструктуре). Регулируя степень неравновесности исходного состояния холоднокатаных поликристаллов, можно воздействовать на степень развития и протяженность стадий пластического течения.

Формирование в поликристаллах фрагментированной мезополосовой структуры, как и фрагментация кристаллов на микроуровне [2], иллюстрирует состояние предразрушения нагруженного материала. Разрушение поликристаллов представляет собой завершающую стадию эволюции мезоструктуры. В конечном итоге деформация сосредоточивается в одной из наиболее

развитых мезополос — полосе суперлокализации. Этой стадии соответствует «падающий» участок кривых на рис. 1. Формирующийся в данной области материала макроконцентратор напряжений генерирует в пределах полосы суперлокализации две смежные подполосы (макро-полосовой диполь), по которым реализуется встречный сдвиг двух частей поликристалла (рис. 4, а, б). При этом в каждой из половин образца развиваются поворотные моды деформации разного знака (рис. 4, в). Разрушение поликристалла обусловлено ростом некомпенсированной поворотной моды деформации в пределах мак-рополосового диполя. Магистральная трещина при этом аккомодирует различие материальных поворотов в двух смежных подполосах, когда возможности фрагментации материала как релаксационного процесса поворотного типа на мезоуровне становятся исчерпанными.

Характер разрушения в общем случае определяется самосогласованием в месте разрушения всех масштабных уровней деформации. Траектория трещины (срез или отрыв) может определяться либо полосой суперлокализации (направление ттах), либо действием нормальных напряжений (разрушение перпендикулярно оси растяжения). Это зависит от степени активности протекания в прилегающем материале аккомодационных процессов пластического течения на мезоуровне, ре-лаксирующих макроконцентратор напряжений в полосе суперлокализации. Так, разрушение поликристаллов армко-железа происходит строго вдоль макроплосового диполя, что связано со слабым развитием аккомодационных процессов пластической деформации на более низком масштабном уровне (рис. 5, а). Высокоазотистая сталь характеризуется интенсивным развитием в зоне разрушения системы аккомодационных сопряженных мезополос. Суперпозиция таких сопряженных сдвигов на мезомасштабном уровне определяет развитие разрушения по типу трещины нормального отрыва, распространяющейся поперек образца (рис. 5, б). В поликристаллах титана аккомодационные сдвиги на мезоуровне развиты относительно слабо и усиливаются только на завершающем этапе разрушения. Это определяет промежуточный характер разрушения: вначале трещина распространяется вдоль макрополосового диполя, а затем развивается по схеме нормального отрыва (рис. 5, в).

ШШ

вШ!*

...шшг

..

Рис. 4. Формирование макрополосового диполя в поликристалле высокоазотистой стали

Рис. 5. Характер разрушения поликристаллов и соответствующие поля векторов смещений, предшествующие разрушению: а — армко-железо, б — высокоазотистая сталь, в — титан

Следует отметить, что степень развития аккомодационных процессов пластического течения на мезоуров-не в области макрополосы суперлокализации определяет не только характер разрушения, но во многом обусловливает и механические свойства поликристаллов. Так, полученные в работе значения предела прочности холоднокатаных поликристаллов армко-железа, титана и высокоазотистой стали составляют соответственно 570, 820 и 1500 МПа, что хорошо коррелирует с изложенными выше механизмами разрушения.

4. Заключение

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что сильная неравновесность холоднодеформи-рованного прокаткой состояния поликристаллов в условиях их последующего растяжения резко усиливает роль мезомасштабного уровня пластического течения и проявляется в формировании деформационных некристаллографических квазипериодических мезополосовых структур. Их эволюция определяет кинетику пластического течения и разрушения как двух последовательных этапов процесса потери сдвиговой устойчивости нагруженного материала на мезо- и макромасштабном уровнях.

Мезополосы пластической деформации образуются в результате потери сдвиговой устойчивости поликристалла на мезоуровне по механизму локализованных сдвигов частей поликристалла друг относительно друга в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений независимо от типа кристаллической решетки и текстуры материала. Сдвиги в сопряженных ме-зополосах развиваются взаимосогласованно по схеме фазовой волны. Распространение мезополосовой структуры на все рабочее сечение образца иллюстрирует явление мезоскопической фрагментации, свидетельствую-

щее о достижении материалом состояния предразруше-ния.

Разрушение поликристаллов как глобальная потеря их сдвиговой устойчивости на макроуровне происходит в результате исчерпания возможностей мезофрагмента-ции материала как релаксационного процесса на мезоуровне и обусловлено ростом нескомпенсированной поворотной моды деформации в пределах макрополосо-вого диполя. Траектория распространения трещины (срез или отрыв) зависит от степени активности протекания аккомодационных процессов пластической деформации на мезоуровне в области макрополосы суперлокализации.

Полученные результаты убедительно свидетельствуют о принципиальной важности многоуровневого подхода к проблемам деформации и разрушения твердых тел.

Литература

1. Томас Т. Пластическое течение и разрушение в твердых телах. -М.: Мир, 1964. - 308 с.

2. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

3. Херцберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов. - М.: Металлургия, 1989. - 576 с.

4. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

5. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995.- Т. 1. - 298 с.

6. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.

7. Панин А.В., Клименов В.А., Абрамовская Н.Л., Сон А.А. Зарождение и развитие потоков дефектов на поверхности деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. -№ 1. - С. 83-92.

8. Korbel A., Martin P. Microstructural events of macroscopic strain localization in prestrained tensile specimens // Acta metal. -1988.- V. 36. - P. 2575-2586.