Самосогласование поворотных мод деформации в поверхностных слоях поликристаллов и «Шахматное» распределение напряжений и деформаций на границах раздела

Самосогласование поворотных мод деформации в поверхностных слоях поликристаллов и «шахматное» распределение напряжений и деформаций на границах раздела

Т.Ф. Елсукова, В.Е. Панин, А.В. Панин, О.Ю. Кузина

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

В рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики исследованы механизмы самосогласования поворотных мод циклической деформации на мезомасштабном уровне в поверхностных слоях поликристаллов различной природы. Получено прямое экспериментальное подтверждение эффекта «шахматного» распределения пластической деформации в зоне интерфейса «поверхностный слой - подложка» и на внутренних границах раздела.

Self-consistency of rotational deformation modes in surface layers of polycrystals and chessboard-like stress and strain distribution at interfaces

T.F. Elsukova, V.E. Panin, A.V. Panin, and O.Yu. Kuzina

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia

The self-consistency mechanisms of rotational modes of cyclic deformation at the mesolevel in surface layers of polycrystals of different origin are studied in the framework of the multilevel concept of physical mesomechanics. The direct experimental verification of the effect of a chessboard-like plastic strain distribution at the “surface layer - substrate” interface and at internal interfaces is obtained.

1. Введение

В мезомеханике деформируемое твердое тело является иерархически организованной многоуровневой системой, в которой пластическое течение развивается самосогласованно на нано-, микро-, мезо- и макромасштабном уровнях. Физические основы методологии описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы изложены в [1].

В этом подходе пластическое течение твердого тела при его нагружении выше предела текучести связано с локальной потерей его сдвиговой устойчивости. Наименьшую сдвиговую устойчивость в нагруженном кристалле имеет его поверхностный слой [2, 3]. Исходя из специфики структуры поверхностного слоя в [1] предлагается рассматривать его как систему кластеров, поведение которой принципиально отличается от равновесного кристалла с трансляционной симметрией. Как следствие, поверхностный слой при нагружении крис-

талла более интенсивно теряет свою сдвиговую устойчивость по сравнению с объемом и проявляет специфические механизмы пластического течения недислокационной природы. Экспериментально обосновано [4] и теоретически подтверждено [5] положение, что распределение напряжений и деформаций на интерфейсе между поверхностным слоем и подложкой имеет «шахматный» характер. Это существенно влияет на механическое поведение материала.

Известно, что наибольшая роль поверхности в пластической деформации твердых тел наблюдается при циклическом нагружении. В этой связи в настоящей работе исследованы механизмы самосогласования поворотных мод мезоуровня циклической деформации в поверхностных слоях поликристаллов различной природы и получено экспериментальное подтверждение эффекта «шахматного» распределения деформации на интерфейсе между поверхностным слоем и объемом материала.

© Елсукова Т.Ф., Панин В.Е., Панин А.В., Кузина О.Ю., 2006

2. Материалы и методы исследования

В качестве материалов исследования использовали титан, алюминий и свинец, существенно различающиеся сдвиговой устойчивостью их внутренней структуры, структурно-фазовым состоянием поверхности, гомологической температурой.

Испытания плоских образцов проводили при комнатной температуре знакопеременным изгибом в режиме многоцикловой усталости. Структурные исследования выполняли с помощью микроскопа Ахюуей-25СА, снабженного устройством Б1С для получения трехмерной картины мезосубструктуры. Рельеф деформированной поверхности изучали с использованием лазерного профилометра MICROMEASURE 3Б.

3. Результаты и их обсуждение

Экспериментальные результаты выполненных исследований полностью подтверждают развитие в поверхностных слоях циклически деформируемых поликристаллов специфических механизмов мезоуровня деформации недислокационной природы.

Наиболее ярко такие механизмы проявляются в техническом титане, особенно в случае насыщения его поверхностного слоя водородом. Титан характеризуется очень высокой температурой плавления и высоким модулем упругости, при этом он имеет очень низкую энергию дефекта упаковки и склонен к полиморфизму (табл. 1). Таким образом, при высоких прочностных характеристиках в нем должны легко реализоваться локальные структурные перестроения из одной кристаллической решетки в другую.

В соответствии с низкой энергией дефекта упаковки титана структурные исследования его поверхности показали аномально низкую сдвиговую устойчивость как кристаллической решетки, так и границ зерен. Это проявилось в формировании ярко выраженной многоуровневой мезосубструктуры-П.

На рис. 1 приведена картина поверхностной структуры титана после 15 • 106 циклов нагружения. Рису-

Таблица 1

Параметры исследованных материалов

Металл Т ВТ1-0 А1А6 РЬ С1

ТшеЬ К 0.2 0.3 0.5

G, ГПа 39.4 24.5 5.6

у, мДж/м2 10 200...280 50

А, мм 3.0 1.0 0.5

N -10-6, цикл 20.79 7.60 0.15

^ мм 0.05 0.20 0.50

Ttest /Ттек — гомологическая температура испытания; G — модуль сдвига; у — энергия дефекта упаковки; А — амплитуда изгиба; Np — число циклов нагружения до разрушения; d — средний диаметр элементов мезо субструктуры-11

нок 1, а представляет сильно выраженный многоуровневый поверхностный гофр, сформировавшийся вследствие сопряжения пластически деформирующегося поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой. Видно, что каждый из крупных элементов гофра состоит из множества более мелких элементов. Такое многоуровневое гофрирование поверхностного слоя свидетельствует о том, что формирование целого крупномасштабного элемента энергетически невозможно. Рисунок 1, б демонстрирует движение зерен как целого с аномально выраженным при комнатной температуре зернограничным проскальзыванием, видна только вертикальная составляющая зернограничного проскальзывания, выраженная в виде ступенек вдоль границ зерен. Здесь же показана самоорганизация активных экструдированных зерен титана в деформационные конгломераты К: следы скольжения проходят через весь конгломерат, «не чувствуя» составляющих его зерен. Однако вследствие очень высокого модуля сдвига и сил связи в подложке титан имеет весьма высокое сопротивление усталости (табл. 1).

Предполагалось, что водород, растворяясь в титане по механизму внедрения, должен дополнительно понизить сдвиговую устойчивость его поверхностного слоя. В пользу этого предположения свидетельствуют результаты расчета энергетического спектра и волновых функций электронов кластера а-Т^ а также кластера с примесью водорода [6]. Действительно, уже в процессе на-водораживания в поверхностном слое титана сформировалась крупномасштабная мезосубструктура: множество исходных зерен самоорганизовались в крупные конгломераты (1-6 на рис. 2, б) с четко выраженными

Рис. 1. Морфология поверхности (а); оптическое изображение поверхности титана (б), N = 15 • 106 циклов

Рис. 2. Структура рекристаллизованного титана до (а) и после (б) наводораживания. DIC

границами, что видно при сравнении рис. 2, а и б. Внутри каждого конгломерата просматриваются исходные зерна титана. Указанная мезоскопическая самоорганизация зерен обусловлена внутренними напряжениями, которые возникают в наводороженном поверхностном слое при его сопряжении с ненаводороженной подложкой.

В ходе последующего циклического нагружения в наводороженном слое развиваются механизмы деформации, не связанные с кристаллографией исходных зерен. На рис. 3, а представлено оптическое изображение фрагмента поверхности образца с наводороженным поверхностным слоем. Прежде всего, обращает внимание сильно выраженное гофрирование поверхности конгломерата зерен, проявляющееся в наличии чередующихся зон интрузии и экструзии материала. Видно, что эти зоны не ограничены размерами исходных зерен титана, т.е. имеют некристаллографическую природу.

Другой недислокационный механизм деформации проявился в формировании мезополос пластического течения (рис. 3, а), распространяющихся через весь конгломерат зерен в направлении максимальных касательных напряжений, «не чувствуя» исходных зерен, составляющих конгломерат. Сильное гофрирование наво-дороженного поверхностного слоя искривляет траек-

тории мезополос. У встречной границы СD конгломерата направление распространения мезополос изменяется. Рисунок 3, б получен съемкой зоны локальной интрузии поверхностного гофра на лазерном профило-метре. Здесь видно, что в этой зоне декорируется тонкая мезосубструктура-П типа «шахматной доски». Этим же методом установлено проскальзывание по границе конгломератов CD (на рис. 3, а) с формированием в приграничных зонах подобной «клеточной» мезосубструк-туры (рис. 4).

Таким образом, получено прямое экспериментальное подтверждение развиваемой В.Е. Паниным [7] концепции о «шахматном» характере распределения напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженной структурно-неоднородной среде. Это значит, что избыточная по сравнению с деформацией объема образца пластическая деформация поверхностного слоя развивается строго каналированно по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений.

Преимущественное действие максимальных касательных напряжений при развитии мезоскопической субструктуры установлено и в процессе циклического нагружения свинца. Это типичный сдвигонеустойчивый, легкоплавкий металл с низкими механическими характеристиками, в нем при Ткомн сильно развито зер-

D

В

Рис. 3. Мезополосы пластического течения в конгломерате зерен наводороженного поверхностного слоя титана (а), ABCD — граница конгломерата; объемная профилометрическая картина «шахматной» структуры зоны локальной интрузии (б); N = 12.4 • 106 циклов

Рис. 4. «Шахматная» структура приграничных зон (а) и клеточный профиль проскальзывания по границе конгломератов (б); N = 12.4 • 106 циклов

нограничное проскальзывание. Как следствие, при тех же условиях нагружения в поверхностном слое свинца очень легко развиваются мезополосы локализованной деформации в сопряженных направлениях ттах. Их взаимодействие между собой приводит к формированию крупномасштабной блочной мезосубструктуры-П. Поворот поверхностных мезоблоков как целого относительно подложки с низкими упругими характеристиками приводит к развитию усталостных трещин по границам блоков и последующему усталостному разрушению при сравнительно малом числе циклов нагружения.

К сдвигоустойчивым материалам в настоящей работе относится алюминий, имеющий очень высокую энергию дефекта упаковки. В нем при комнатной температуре зернограничное проскальзывание отсутствует. Как следствие исключается формирование мезополос локализованной деформации и связанной с ними опасной блочной мезосубструктуры-П. Циклическое нагружение алюминия приводит к формированию мезосубструкту-ры-П в виде конгломератов самосогласованно деформирующихся зерен, имеющих форму овальных петель. Таким образом, по характеру мезосубструктуры алюминий качественно подобен титану, но у алюминия размер элементов мезосубструктуры-П, как и размер исходных зерен, значительно больше. Зарождение усталостных трещин происходит на границах конгломератов. Высокой сдвиговой устойчивости внутренней структуры алюминия соответствует и сравнительно высокая циклическая долговечность (табл. 1).

4. Заключение

В результате выполненных исследований показано, что большую роль в усталостном разрушении поликристаллов играет крупномасштабная многоуровневая мезо-субструктура-П, формирующаяся в процессе их циклического нагружения. Ее характер, размер ее структурных элементов и кинетика формирования определяются сдвиговой устойчивостью внутренней структуры поверхностного слоя и характеристиками упругости материала подложки. Получено прямое экспериментальное

подтверждение эффекта «шахматного» распределения пластической деформации в зоне интерфейса «поверхностный слой - подложка» и на внутренних границах раздела. Это свидетельствует о строго каналированном развитии избыточной пластической деформации поверхностного слоя по сопряженным направлениям т max.

Установленные закономерности связываются исключительно с многоуровневостью системы «поверхностный слой - подложка», с факторами сопряжения и необходимости совместности деформации пластически деформирующегося поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки. Воздействуя целенаправленно на параметры формирующейся мезосубструктуры через состояние поверхностного слоя, можно эффективно управлять характеристиками усталости всего материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ №№ 05-01-00767, 05-01-08007 и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ № НШ-2324.2003.1.

Литература

1. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика

деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. 1. Физические основы многоуровневого подхода // Физ. мезомех. -2006. - Т. 9. - № 3. - С. 5-22.

2. Zangwill A. Physics of Surfaces. - Cambridge: Cambridge University Press, 1988. -536 p.

3. Панин В.Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев // Физ.

мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 6. - С. 5-23.

4. Панин А.В. Нелинейные волны локализованного течения в наноструктурных поверхностных слоях твердых тел и тонких пленках // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 3. - С. 5-17.

5. Моисеенко Д.Д., МаксимовП.В. Формирование спиральных струк-

тур и эффект «шахматной доски» при расчете деформационного профиля на поверхности нагруженного твердого тела // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 6. - С. 89-96.

6. Демиденко В.С., Зайцев Н.Л., Менъщикова Т.В., Скоренцев Л.Ф. Предвестник виртуальной P-фазы в электронном строении нанокластера в а-титане // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 3. - С. 5560.

7. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю., Максимов П.В. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле // ДАН. - 2006. - Т. 409. - № 5. - С. 606-610.