Влияние электрического тока на прерывистую деформацию алюминий-магниевого сплава

УДК 620.172.2:539.37

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ПРЕРЫВИСТУЮ ДЕФОРМАЦИЮ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЕВОГО СПЛАВА

© А. А. Шибков, А.Е. Золотов, А.А. Денисов, С. А. Титов, М.Ф. Гасанов, В.В. Ломакин

Ключевые слова: прерывистое течение; деформационная полоса; высокоскоростные методы; алюминий-магниевые сплавы; электрический ток; электропластичность.

Экспериментально исследовали влияние постоянного электрического тока на прерывистую пластическую деформацию алюминий-магниевого сплава АМг6. Установлено, что пропускание постоянного тока низкой плотности 20-30 А/мм2 через деформируемый образец этого сплава полностью подавляет зарождение полос деформации и связанную с ними прерывистую пластическую деформацию.

Как известно, электрический ток стимулирует пластическую деформацию металла. Электропластический эффект проявляется в виде скачков разгрузки на диаграммах растяжения (сжатия) в жесткой испытательной машине при пропускании через деформируемый образец коротких импульсов электрического тока большой плотности —103-104 А/мм2 [1-4]. При этом характерные черты стимулированной током скачкообразной деформации повторяют закономерности прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) или низкотемпературной скачкообразной деформации металла [5-7]. Для исследования природы электропластическо-го эффекта обычно используют металлы, которые в отсутствие тока демонстрируют монотонную (без скачков) диаграмму деформации (цинк, кадмий, свинец, медь, вольфрам, некоторые стали и др.). В настоящей работе использовался алюминиевый сплав АМг6, демонстрирующий ярко выраженную прерывистую деформацию при комнатной температуре в отсутствие электрического тока (т. е. эффект Портевена-Ле Шателье). Экспериментально установлено, что пропускание постоянного тока низкой плотности —2030 А/мм2 в ходе деформирования полностью подавляет полосы макролокализованной деформации (полосы Людерса и полосы Портевена-Ле Шателье) и обусловленную ими прерывистую деформацию.

Образцы сплава АМг6 (Mg - 5,92 мас. %, Mn - 0,61 мас. %, Fe - 0,27 мас. %, Si - 0,14 мас. %) имели форму двухсторонних лопаток с размерами рабочей части 6*3*0,5 мм. Перед механическими испытаниями образцы отжигали при 450 °С в течение 1 ч и закаливали на воздухе для получения рекристаллизованной зерен-ной структуры. Средний размер зерна составил d = 10 мкм. Для исследования прерывистой деформации использовали испытательные машины двух типов: жесткую, Instron 3344, позволяющую производить растяжения с постоянной скоростью є 0 = const, и мягкую, описанную в [8, 9], которая позволяла деформировать с постоянной скоростью возрастания напряжения г 0 = const. В последнем случае кривые деформирования регистрировали с помощью лазерного триангуляционного датчика деформации с точностью 1,5 мкм с

частотой записи данных 1 кГц. Исследование динамики полос макролокализованной деформации проводили с помощью скоростной цифровой видеокамеры УБ-ЕАБТ/Об научно-производственной компании «Видеоскан».

В ходе деформирования через образец пропускали постоянный электрический ток от аккумулятора Ое1іо8. Плотность тока варьировали от 5 до 30 А/мм2 изменением дополнительного сопротивления. Для охлаждения образца использовали вентилятор и массивные алюминиевые радиаторы, укрепленные на изолированных захватах испытательной машины. Температуру образца измеряли дистанционно с помощью цифрового инфракрасного пирометра Те8Ію-845. Измерение температуры проводилось с локального участка площадью 1 мм2 поверхности образца, покрытого черной краской.

Влияние внешних воздействий на деформируемый материал обычно исследуют путем анализа силового отклика механической системы машина-образец на импульсное воздействие прямоугольной формы. В случае исследования воздействия на прерывистую деформацию длительность т прямоугольного импульса должна значительно превышать временной интервал Аґ между скачками напряжения. При умеренных скоростях растяжения в жесткой испытательной машине є0 = (1-3)-10-3 с-1, соответствующих примерно середине скоростного домена прерывистой деформации сплава АМгб, при комнатной температуре время между скачками обычно составляет Аґ и 5-10 с. Поэтому длительность прямоугольного импульса тока выбиралась т ~ 100-300 с, что легко реализовать при использовании источника постоянного тока.

На рис. 1 представлена диаграмма растяжения сплава АМгб в испытательной машине ІшІхоп 3344 со скоростью є0 = 3 -10-4 с-1. В средней части диаграммы, в которой происходит макроскопическая прерывистая деформация (с амплитудой скачков разгрузки Аст и 1520 МПа, Аґ и 5-7 с), через деформируемый образец пропускали постоянный ток плотностью ] = 25 А/мм2 в течение т = 300 с. После включения тока в течение времени т1 < 5 с наблюдается, как правило, единствен-

1545

ный скачок, после чего следует монотонный, без скачков, участок диаграммы растяжения вплоть до момента выключения тока. После выключения тока прерывистая деформация сразу возобновляется, причем первый скачок стартует в течение времени т2< 1 с после выключения тока.

Следует отметить, что в данных условиях теплоотвода и воздушного охлаждения образец нагревается током на 10-12 °С (при j = 25 А/мм2), а время тепловой стабилизации (т. е. время нагрева током или охлаждения после выключения тока) составляет tT и 3-4 мин., что значительно больше характерных времен т1 и т2 переходных процессов, связанных с откликом материала на включение и выключение тока. Поэтому естественно предположить, что наблюдаемый эффект подавления постоянным током низкой плотности скачкообразной деформации Портевена-Ле Шателье не связан непосредственно с тепловым действием тока.

Природу скачкообразной деформации и связанной с ней макролокализации пластической деформации, как показано в [10], корректнее исследовать с использованием не жесткой, а «мягкой» деформационной машины, позволяющей производить растяжение с постоянной скоростью роста напряжения с&0 = const, т. к. в этом случае именно деформация g(t) является измеряемой функцией отклика на развитие неустойчивого пластического течения. Кроме того, мягкий режим нагружения рекомендован в [11] для экспериментального тестирования механизмов полосообразования и прерывистой деформации.

Постоянный электрический ток пропускали в течение всего времени нагружения с постоянной скоростью с& 0 = const до разрушения, а диаграмму растяжения на плоскости « с - s » сравнивали с диаграммой растяжения того же сплава без электротоковой обработки при одинаковой скорости нагружения и приблизительно одинаковой температуре образца.

(Т, МПа

5 10 15 20 25 30 £) %

Рис. 1. Кривая деформации в жесткой машине 1ш1топ со скоростью е0 = 3 -10-3 с-1 сплава АМгб. Стрелками отмечены моменты включения и выключения тока плотностью 25 А/мм2

Типичный пример сравнения таких диаграмм растяжения представлен на рис. 2. Видно, что пропускание постоянного тока с начальной плотностью у0 = 25 А/мм2 полностью «выглаживает» диаграмму растяжения: наблюдается лишь последний скачок, на фронте которого образец вязко разрушается (кривая 1). Непре-

рывный оптический мониторинг поверхности деформируемого образца с током не зафиксировал образования полос деформации за исключением нескольких полос за 300 мс до развития магистральной трещины.

6,%

Рис. 2. Изотермические кривые нагружения со скоростью а 0 = 0,2 МПа/с сплава АМгб. 1 - у = 25 А/мм2. Температура

лаборатории Т0 = 23 °С, температура образца с током Ту =

= 34 °С. 2 - у = 0, температура испытания 34 °С

В ходе растяжения поперечное сечение образца уменьшается, а плотность тока соответственно увеличивается, что вызывает рост температуры образца. В заданных условиях теплоотвода и принудительного воздушного охлаждения температура образца постепенно повышается от 32 °С в начале деформирования до 36 °С перед образованием шейки и разрывом образца. В ходе образования шейки за 0,3 с до развития магистральной трещины температура образца в области шейки резко возрастает на 8-10 °С (до 44-46 °С). Если исключить стадию образования шейки и разрыв образца, сопровождаемый зажиганием электрической дуги, то средняя температура образца с током в течение всего времени деформирования составила 34 °С. Для сравнения на рис. 2 представлена типичная ступенчатая диаграмма растяжения сплава АМгб, деформированного без токовой обработки при температуре 34 °С с той же скоростью а0 = 0,2 МПа/с. Она содержит обычно 9-10 ступеней, как и при комнатной температуре.

Как видно из рис. 2, нагружение образцов, обработанных и необработанных постоянным электрическим током низкой плотности в одинаковых температурноскоростных условиях, вызывает совершенно различное деформационное поведение сплава АМгб: в отсутствие электротоковой обработки этот сплав демонстрирует неустойчивое, прерывистое течение, в то же время пропускание постоянного электрического тока низкой плотности (25 А/мм2) вызывает полное подавление макроскопических скачков пластической деформации за исключением последнего скачка с разрывом образца.

ЛИТЕРАТУРА

1. Троицкий О.А. Электромеханический эффект в металлах // Письма

в ЖЭТФ. 1969. Т. 10. С. 18-22.

1546

2. Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металла. М.: Изд-во «Наука», 1985. 298 с.

3. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства): в 2 т. Т. 1. Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. 590 с.

4. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства): в 2 т. Т. 2. Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. 590 с.

5. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 2. М.: Наука, 1984. 432 с.

6. Rizzi E., Hahner P. On the Portevin-Le Chatelier effect: theoretical modeling and numerical results // Int. Journ. Plastidty. 2004. V. 20. P. 121-165.

7. Hahner P. Modelling the spatiotemporal aspects of the Portevin-Le Chatelier effect // Mat. Sci. Eng. 1993. V. A164. P. 23-34.

8. Шибков А.А., Лебедкин М.А., Желтов М.А., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шуклинов А.В. Комплекс in situ методов исследован6ия скачкообразной пластической деформации металлов // Заводская лаборатория. 2005. Т. 71. № 7. С. 20-27.

9. 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 АМг6 // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 5. С. 24-32.

10. Шибков А.А., Золотов А.Е Нелинейная динамика пространственновременных структур макролокализованной деформации // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. № 5. С. 412-417.

11. Estrin Y., Kubin L.P. Spatial ^upling and propagative plastic instabilities /

Continuum models for materials with microstructure / еd. by H.-B. Muhl-

haus. N. Y.: Wiley & Sons, 1995. P. 395-450.

БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено

при поддержке Минобрнауки РФ (соглашения № 14.В37.21.0372 и № 14.132.21.1406).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Shibkov A.A., Zolotov A.E., Denisov A.A., Titov S.A., Gasa-nov M.F., Lomakin V.V. INFLUENCE OF ELECTRIC CURRENT ON JERKY DEFORMATION OF ALUMINUM-MAGNESIUM ALLOY

Influence of continuous electric current on jerky flow of alumi-num-magnesium Al - 6 % Mg alloy is experimentally investigated. It is revealed that the passing of the direct current with low density 2030 A/mm2 along deformed sample of the alloy suppress absolutely the nucleation of deformation bands and connected with them a discontinuous plastic deformation.

Key words: jerky flow; deformation band; high-speed methods; aluminum-magnesium alloys; electric current; electroplasticity.

УДК 620.172.2:539.37

НЕСТАЦИОНАРНАЯ ДИНАМИКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛОС В УСЛОВИЯХ ПРЕРЫВИСТОЙ ДЕФОРМАЦИИ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЕВОГО СПЛАВА

© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, М.А. Желтов, А.А. Денисов, В.В. Ломакин

Ключевые слова: прерывистое течение; деформационная полоса; высокоскоростные методы; алюминий-магниевые сплавы; эффект Савара-Массона.

Динамика деформационных полос при растяжении алюминий-магниевого сплава АМгб с постоянной скоростью роста нриложенного напряжения іQ = const исследовали комплексом высокоскоростных in situ методов. Установлено, что в условиях прерывистой деформации каждый скачок развивается за счет эстафетной передачи скольжения с участием порядка десяти деформационных полос, причем каждая полоса зарождается на одной из границ предшествующей полосы, за исключением первичной полосы.

Во многих металлических сплавах при температурах 0,3-0,4Tm (Tm - температура плавления) наблюдается прерывистое пластическое течение. Оно проявляется в появлении ступеней на кривых ползучести и кривых нагружения с постоянной скоростью возрастания напряжения с0 = const (эффект Савара-Массона [1-3]) или в повторяющихся скачках разгрузки на кривых деформации с постоянной скоростью s0 = const (эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) [4-8]). Большинство исследований прерывистой деформации посвящено эффекту ПЛШ и деформационным полосам. Различают полосы ПЛШ трех типов: полосы типа А распространяются непрерывно с почти постоянной скоростью вдоль оси образца; полосы типа В распространяются прерывисто, скачками; полосы типа С возникают в случайных позициях образца и не распространяются [9]. При изменении температурноскоростных условий деформирования наблюдаются

переходы между различными типами деформационных полос ПЛШ.

В работах [10, 11] показано, что при нагружении с постоянной скоростью роста напряжения с0 = const деформационные полосы представляют другой тип пластической неустойчивости, который не сводится к полосам ПЛШ. В экспериментальной работе [12] получена классификация механизмов генерирования полос в этих условиях, а в [13] - морфологическая диаграмма полос деформации Савара-Массона. Цель настоящей работы состояла в исследовании связи кинематических и геометрических характеристик полос деформации Савара-Массона с особенностями силового отклика на развитие пластической неустойчивости.

Материалом исследования служил алюминий-магниевый сплав АМг6 (Al - 5,92 wt. % Mg - 0,61 wt.% Mn - 0,27 wt. % Fe - 0,14 wt. % Si), демонстрирующий явно выраженную прерывистую деформацию при комнатной температуре [3]. Образцы сплава АМг6 имели

1547

форму двухсторонних лопаток с размером рабочей части 1x3x6 мм. Образцы отжигали в течение 1 ч при температуре 450 °С, закаливали на воздухе и испытывали одноосным растяжением через 1 ч после закалки. Растяжение производили в мягкой испытательной машине, описанной в [14].

Рис. 1. Схема измерительной ячейки: 1 - образец; 2 - триангуляционный датчик смещения фирмы Шйес; 3 - датчик усилия фирмы 2ешю; 4 - высокоскоростная цифровая камера У8-РЛ8Т/С6; 5 - металлическое зеркало

Деформацию измеряли с частотой счета данных 3 кГц оптическим экстенсометром, представляющим собой триангуляционный лазерный датчик положения фирмы Шйес с точностью 1,5 мкм в полосе частот 01 кГц. Силу растяжения измеряли с помощью датчика 7ешіс Н3-С3-100к£-3Б (чувствительность 1,5 мкВ/Н, собственная частота 6,25 кГц) в полосе 0-1 кГц (рис. 1). Показания датчиков деформации и усилия синхронизировали с цифровой скоростной видеокамерой УБ-ГАБТ/Об научно-производственной компании «Видеоскан». Скорость видеосъемки поверхности варьировали от 500 до 4000 кадр/с. Для исследования характеристик полос на поверхности деформируемого металла данные видеосъемки обрабатывали с помощью компьютерной программы вычитания последовательных цифровых изображений [3]. Эксперименты проводили при комнатной температуре.

На рис. 2а представлены временные зависимости приложенной силы 1, показаний датчика усилия 2 (силовой отклик) и деформации образца - показания оптического экстенсометра 3, а на рис. 2б представлены форма скачка деформации Ає (1) и соответствующая форма временной зависимости напряжения и (2). Видно, что каждый макроскопический скачок деформации на деформационной кривой є(г) (рис. 2а, кривая 3) сопровождается пачкой скачков разгрузки на зависимости F(г) (рис. 2а, кривая 2 и рис. 2б, кривая 2). Макроскопический скачок деформации амплитудой >1 % имеет более тонкую временную структуру, включающую последовательность более мелких, «мезоско-

пических» скачков амплитудой ~0,1 %; причем каждый такой мезоскопический скачок сопровождается отдельным скачком разгрузки механической системы машина - образец амплитудой —1-10 МПа. Длительность переднего фронта скачка разгрузки обычно варьируется от 1 до 10 мс. Самые высокоамплитудные скачки, имеющие соответственно минимальную длительность фронта —1 мс, характерны для первого скачка в серии скачков разгрузки, отвечающей макроскопической деформационной ступени Ає(ґ). Серии

обычно состоят из У и 5-10 скачков разгрузки для первых скачков до У и 20-40 для последнего скачка с разрывом образца.

Рис. 2. а) Временные зависимости приложенной силы (1), показания датчика усилия (2) и датчика смещения (3); б) форма ступени Де(?) на деформационной кривой (1), силовой

отклик а(^) на развитие деформационной ступени (2) и корреляционная диаграмма у(() деформационных полос.

Видеосъемка со скоростью 4000 кадров/с показала, что для первых скачков деформации каждый скачок разгрузки в серии обусловлен эволюцией одной полосы деформации, причем собственно фазе разгрузки образца соответствуют стадии зарождения полосы, ее распространение поперек образца под углом около 60° к оси растяжения и активной фазе расширения. Для первого скачка в серии длительность этих стадий составляет около 1 мс (рис. 3а, кривая 1 и рис. 3б). Временная зависимость модуля напряжения разгрузки | ст(Г) | хорошо коррелирует с временной зависимостью «площади полосы» А(1) - площади поверхности, заключенной между границами полосы (рис. 3а, кривая 2), с коэффициентом корреляции между величинами а и А, равным 0,985.

Для первых макроскачков величиной обычно ~1 % характерна высокая степень корреляции скачков разгрузки в серии, отражающая временную корреляцию соответствующих деформационных полос. Высокая временная корреляция скачков разгрузки в сериях отражает пространственную корреляцию деформационных полос. Скоростная видеосъемка показывает, что за исключением первичной полосы, которая стартует от поверхностного концентратора напряжений, каждая

1548