Макролокализация пластической деформации в монокристаллах чистых металлов

На основе большого числа экспериментальных данных в настоящий момент установлен факт, что явление макролокализации пластической деформации наблюдается на широком круге материалов и имеет место на всех этапах формоизменения под нагрузкой, начиная с предела текучести, и до разрушения. Еще в 60−80-е годы был выполнен обширный цикл работ по изучению пространственной неоднородности распределений деформации на различных стадиях активного нагружения и ползучести различных сплавов на основе железа, алюминия и других металлов. Однако вопросы кинетики этого явления пластичности не затрагивались.

Использующийся в лаборатории физики прочности ИФПМ СО РАН метод двухэкспозиционной спеклинтерферометрии, позволил значительно расширить наши представления о макролокализации деформации. Было установлено, что в большинстве случаев, картины распределения зон локализации деформации упорядочены в пространстве и во времени. Кроме этого, тип локализации определяется законом пластического течения, то есть, деформационной диаграммой материала. Согласно проведенному анализу природа указанных явлений обусловлена процессами самоорганизации в виде автоволн и едина для всех нагружаемых объектов и материалов.

Однако все данные о характере развития макролокализации при пластическом течении получены либо на чистых поликристаллических материалах (алюминий), либо на монокристаллах высоколегированных сплавов, либо на материалах, объединяющих то и другое. Поэтому всегда остается возможность альтернативного объяснения указанных особенностей эволюции макролокализации деформации. В связи с этим, для прямого экспериментального подтверждения автоволновой природы актуальными являются исследования макролокализации на монокристаллических образцах чистых металлов, где микромеханизмы пластической деформации хорошо изучены, и которые являлись базовыми при создании теории пластичности кристаллических твердых тел.

Цель работы состоит в исследовании характера макроскопической локализации пластической деформации на монокристаллических образцах чистых металлов меди, никеля и цинка. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить качественно и описать количественно тип локализации пластической деформации на всех стадиях кривых пластического течения чистых монокристаллов меди, никеля и цинка.

2. Сравнить автоволновые характеристики эволюции макролокализации пластического течения в чистых ГЦК монокристаллах меди и никеля и ГПУ монокристаллах цинка с данными, полученными на монокристаллах сплавов.

3. Проанализировать общие закономерности и частные особенности кинетики локализованной на макроскопическом уровне пластической деформации в монокристаллических чистых металлах, в монокристаллах высоколегированных сплавов и в поликристаллических материалах.

4. Подготовить и аттестовать образцы монокристаллов меди никеля и цинка. Определить количественные характеристики стадий пластического течения и обосновать связь деформационного поведения с кристаллогеометрическими характеристиками образцов.

5. Усовершенствовать методику обработки полей векторов смещений деформируемых объектов для повышения быстродействия алгоритма определения пространственных и временных параметров автоволн пластической деформации.

Научная новизна работы. На основе метода двухэкспозиционной спеклинтерферометрии впервые исследован характер локализации макродеформации в монокристаллах чистых ГЦК (Си, Ni) и ГПУ (Zn) металлов. Установлено, что основные типы локализации пластической деформации: одиночный движущийся фронт на стадии легкого скольжения, система равномерно движущихся эквидистантных очагов на стадии линейного упрочнения, стационарная система очагов деформации на параболической стадии, а так же появление преобладающего максимума локализации деформации в месте будущего разрушения, наблюдаются и на этих монокристаллах, которые были главными экспериментальными материалами при создании физической теории пластичности. Скорости автоволн локализации на стадиях легкого скольжения и линейного упрочнения, чистых ГЦК (Си, Ni) и ГПУ (Zn) монокристаллов соответствуют ранее установленным зависимостям кинетических характеристик процессов локализации от приведенного коэффициента упрочнения. Обнаружено, что особенности локализации деформации в ГПУ монокристаллах Zn обусловлены образованием сбросов, которые разбивают образец на части, где деформационные процессы развиваются независимо.

Научная ценность работы. Научная ценность работы заключается в том, что ее результаты демонстрируют необходимость учета автоволнового характера макролокализации пластической деформации при описании формоизменения любых металлических материалов, в том числе и тех, которые были базовыми при создании дислокационной теории пластичности.

Практическая значимость работы. Полученные в работе данные о типах локализации макродеформации должны учитываться на практике при решении производственных задач при обработке металлов давлением и при создании систем диагностики напряженно-деформированного состояния деталей и конструкций, находящихся в процессе эксплуатации.

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Итогом настоящей работы являются результаты исследования макролокализации пластической деформации в монокристаллах чистых металлов меди, никеля и цинка, которые были базовыми при создании теории пластичности кристаллических твердых тел и их анализ в рамках концепции автоволн локализации пластического течения. Обнаруженные общие со всеми ранее исследованными материалами закономерности эволюции картин макромасштабной локализации пластического течения говорят о необходимости учета автоволновой природы данного явления в рассматриваемых монокристаллах. Несмотря на особенности процесса макролокализации деформации в цинке, связанные с наличием полос сбросов, общие тенденции здесь так же сохраняются. Основные выводы по всему комплексу исследований можно сформулировать следующим образом: 1. Установлен характер локализации макродеформации в процессе нагружения чистых ГЦК монокристаллов Си, Ni и ГПУ монокристаллов Zn. У меди на стадии легкого скольжения наблюдается система эквидистантно движущихся с постоянной скоростью зон локализации деформации. В никеле на данной стадии и в Zn на стадии (А) картины локализации деформации представляют собой единичные очаги (сбросы) так же движущиеся с постоянной скоростью. Однако, хотя на стадии легкого скольжения может наблюдаться как система очагов локализации деформации, характерная для Си, так и единичные очаги, наблюдаемые у Ni, Zn и других исследованных материалов образец проходится упомянутыми очагами один раз.

2. Установлено, что на стадии линейного упрочнения в меди и никеле, эквидистантно расположенные очаги локализации деформации равномерно движутся, проходя по образцу неоднократно со скоростями примерно в два раза выше, чем на предыдущей стадии.

3. В Zn на стадии (В) наблюдаются сбросы, которые разбивают образец на части таким образом, что в пределах каждой части независимо друг от друга синхронно движутся малоамплитудные очаги деформации аналогично тому, что наблюдается в ГЦК монокристаллах на стадии линейного упрочнения в пределах всего образца.

4. В Zn на стадии © наблюдается движение ранее стационарных очагов к месту будущего разрушения, в то время как в ГЦК материалах на этапе предразрушения на месте будущего разрушение происходит простое увеличение амплитуды максимума локализации деформации.

5. Кинетика развития локализации макродеформации в монокристаллах Си, Ni и Zn является общей для всех ранее исследованных монои поликристаллических материалов. Полученные значения скоростей движения очагов локализации деформации для меди, никеля и цинка хорошо удовлетворяют универсальной обратно пропорциональной зависимости скоростей движения автоволн локализованной деформации от 9/G, как на стадии легкого скольжения, так и на стадии линейного упрочнения.