Макролокализация пластической деформации в монокристаллах чистых металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Гончиков, Константин Викторович

• Гончиков, Константин Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гончиков, Константин Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1 МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ЕЕ ПРИРОДА

1.1 Этапы развития теории пластической деформации

1.2 Уровни пластической деформации твердых тел

1.3 Процессы самоорганизации в твердых телах на разных масштабных уровнях

1.4 Феноменология макроскопической локализации и упорядоченности картин распределения деформации

1.5 Кинетика зон локализации деформации и автоволновая природа макроскопической неоднородности пластической деформации

1.5.1 Скорость распространения волн локализации макродеформации

1.5.2 Длина волны локализации деформации и масштабный эффект

1.5.3 Зависимость длины волны локализации от размера зерна

1.5.4 Модель возникновения пространственного периода за счет акустической эмиссии от источников сдвигов

1.6 Постановка задачи

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ'

2.1 Обоснования выбора материалов

2.2 Рентгенографический метод

2.3 Механические испытания

2.4 Метод спеклинтерферометрии

2.5 Определение периода, ориентации и скорости движения очагов локализации макродеформации

2.6 Материалы исследования

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ЧИСТЫХ ГЦК МЕТАЛЛОВ

МЕДИ И НИКЕЛЯ

3.1 Результаты механических испытаний

3.2 Характер локализации макродеформации в ГЦК монокристаллах меди и никеля

3.3 Анализ результатов

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ

ДЕФОРМАЦИИ В ГПУ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ЦИНКЕ

4.1 Результаты механических испытаний

4.2 Характер локализации макро деформации в монокристаллическом цинке

4.3 Анализ результатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Гончиков, Константин Викторович

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 (С) 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 моно- и 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гончиков, Константин Викторович, 2004 год

1. Чернов Д.К. Записки Императорского Русского технического Общества. - 1885. - №2. - С.59. Цит. по кн. Д.К. Чернов и наука о металле. М.:Металлуриздат. - 1950. - 196с.

2. Muegge О. Ueber Translation und verwandte Erscheinungen in Kristallen. // Neues Jahrb. Mineral. 1898. -1. - S.71-158.

3. Polanyi M. Ueber ein Art Gitterstoerung die einen Kristallplastisch machen koente. // Z. Phys.1934. No89. - S.660-673.

4. Классен-Неклюдова M.B., Конторова T.A. Развитие современных теоретических представлений о природе пластической деформации. // УФН. 1944. -№26. -С.217-237.

5. Френкель Я.И., Конторова Т.А. К теории пластической деформации и двойникования. // ЖЭТФ. 1938. - №8. - С.89-95, 1340-1348.

6. Orowan Е. Zur Kristallplastizitaet. // Z. Phys. 1934. - No89. - P.605-634.

7. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат. - 1972. - 599с.

8. Коттрелл А. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлургиздат. 1958.-268с.

9. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир. - 1967. - 634с.

10. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир. - 1972. -408с.

11. Гилман Дж. Д. Микродинамическая теория пластичности. // Микропластичность. М.: Металлургия. - 1972. - С.18-37.

12. Коттрелл А. Прерывистая текучесть. // Структура и механические свойства металлов. М.: Металлургия. - 1967. - С.210-224.

13. Браун Н. Наблюдение микропластичности. // Микропластичность. М.: Металлургия. - 1972. - С.37-61.

14. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э. П. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. Киев: Наукова думка. - 1989. - 256с.

15. Трефилов В.И. Пластическая деформация и разрушение металлов. // Физические основы прочности и пластичности металлов. М.: Металлургия. - 1963. - С.190-254.

16. Витек В. Термически активированное движение винтовых дислокаций в металлах с ОЦК решеткой. // Актуальные вопросы теории дислокаций. -М.: Мир. 1974. - С.236-254.

17. Hall Е.О. The deformation and ageing of mild steel. // Pros. Phys. Soc. -1951. V64. - No9. - P.747-753.

18. Petch N.J. The cleavage strength of poly crystalline. // J. Iron and Steel Inst. -1953. -Nol73. P.25-28.

19. Low J.R. Deformation of polycrystalline a-iron. / Pros. Of Symp. of relation of properties to Microstructure. // ASM. 1954. - P.l 63-181.

20. Армстронг P.B. Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном. // Сверхмелкое зерно в металлах. М.: Металлургия. - 1973. -С. 11-40.

21. Конрад Г. Модель деформационного упрочнения для объяснения влияния величины зерна на напряжение течения металлов. // Там же. -С.206-219.

22. Li J.C.M. Petch relation and grain boundary sources. // J. Austral Inst. Metals. 1963. - No8. -P.206-221.

23. Панин В.E., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука. 1990. -225с.

24. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Новая деформационная модель зернограничного упрочнения в поликристаллических металлах. // ДАН СССР. 1988. - Т.303 - №4. -С.869-872.

25. Владимиров В.И., Кусов А. А. Эволюция дислокационных неоднородностей при пластической деформации металлов. // ФММ. -1975. Т.39. - №6. - С.1150-1151

26. Владимиров В.И. Коллективные эффекты в ансамблях дефектов. // Вопросы теории дефектов в кристаллах. Л.: Наука. - 1987. - С. 43-57.

27. Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. и др. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. Киев: Наукова думка - 1989. - 320с.

28. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел. // Изв. ВУЗов. Физика. 1982. - №6. -С.5-27.

29. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука. - 1985. - 230с.

30. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Неустойчивость ламинарного течения и вихревой характер пластической деформации кристаллов. // Изв. ВУЗов. Физика. 1984. - №1. - С.5-27.

31. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела. // Физ. мезомех. - 2003. - Т.6. - № 4. - С.9-36.

32. Панин В.Е., Макаров П.В., Псахье С.Г. и др. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. -Новосибирск: Наука. 1995. - T.l - 297с; Т.2 - 317с.

33. Головнев И.Ф., Уткин А.В., Фомин В.М. Переходные режимы детонации и их моделирование методом молекулярной динамики // Физ. мезомех. 1999. - Т.2. - №6. - С.41-50.

34. Болеста А.В., Головнев И.Ф., Фомин В.М. Исследование процесса соударения сферического кластера меди с жесткой стенкой методом молекулярной динамики. // Физ. мезомех. 2000. - Т.З. - №5. - С.39-46.

35. Шемякин Е.И. Синтетическая теория прочности. Часть 2. О диссипативной функции в моделях упругопластичсских сред. // Физ. мезомех. 2000. - Т.З. - №5. - С.11-17.

36. Ревуженко А.Ф. Диссипативные структуры в сплошной среде. // Изв. вузов. Физика. 1992. - Вып.35. - №4. - С.94-104.

37. Лихачев В.А. Кооперативная пластичность, вызванная мобильной разориентировкой и фазовыми границами. // Изв. вузов. Физика. 1982.- Вып.25. №6. - С.83-102.

38. Лихачев В. А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. С.-Петербург: Наука. - 1993. - 471с.

39. Гриняев Ю.В., Чертова Н.В. Калибровочные теории пластической деформации в механике сплошных сред. // Изв. вузов. Физика. 1990. -Вып.33. - №2. - С.36-50.

40. Makarov R V., Romanova V.A. Mesoscale plastic flow generation and development for polycrystals. // Theor. Appl. Fracture Mech. 2000. - V.33.- No.l. P.1-8.

41. Makarov P.V. Localized deformation and fracture of polycrystals at mesolevel // Theor. Appl. Fracture Mech. 2000. - V.33. - No.l. - P.23-30.

42. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах от диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. М.: Мир.- 1979.-336с.

43. Хакен Г. Синергетика. М.: Мирю. - 1980. - 406 с.

44. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Мир. - 1990. - 342с.

45. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики. // Физ. мезомех. 2000. - Т.З. - №6. - С.5-36.

46. Panin V.E. Synergetic principles of physical mesomechanics // Theor. Appl. Fracture Mech. 2001. - V.37. -No.1-3. -P.261-298.

47. Набарро Ф.Р., Базинский 3.C., Холт Б.Д. Пластичность чистых монокристаллов. М.: Металлургия. - 1967. - 214с.

48. Вишняков Я.Д. Дефекты упаковки в кристаллической структуре. -М.: Металлургия. 1970. - 216с.

49. Мак-Клинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. -М.: Мир. 1970.-443с.50.