Исследование пластической деформации и разрушения поликристаллических материалов на основе алюминия методами технического зрения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ПАНИН Сергей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ МЕТОДАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

01.04.07 - физика твердого тела

05.13.05 - элементы и устройстпа вычислительной техники и систем

управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1997

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН

Научный руководитель: доктор технических наук

ст. научн. сотрудник Сырямкин В. И.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор КоротаевА.Д. Доктор технических наук,

профессор КориковА.М.

Ведущая организация: Институт металлургии им. А. А. Байкова РАН, г. Москва

Защита состоится 1997 г. в /б часов на заседании

диссертационного совета Д 003. 61. 01 при Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу:

634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Отзывы по реферату, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан "/¿7 " о/у^л^ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Кульков С. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. До недавнего времени исследование процессов пластической деформации и разрушения проводилось на основе двух традиционных подходов: механики сплошной среды (макроуровень) и теории дислокаций (микроуровень). В рамках обоих подходов были всесторонне изучены носители, механизмы и закономерности деформации, качественно объяснено поведение деформируемого твердого тела в различных условиях нагружения. Однако многочисленные попытки количественно описать кривую пластического течения на основе теории дислокаций, объяснить механизм зарождения дислокаций и поведение сложных дислокационных ансамблей натолкнулись на непреодолимые трудности.

Пятнадцать лет назад было выдвинуто положение о том, что в деформируемом твердом теле необходимо рассматривать иерархию структурных уровней деформации. На мезомасштабных уровнях носителями деформации являются трехмерные мезообъемы, которые перемещаются по схеме "сдвиг+поворот". Систематическое исследование структурных уровней деформации привело к созданию нового научного направления - физическая мезомеханика материалов. В рамках данного подхода деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой микро-, мезон макромасштабные уровни органически взаимосвязаны. Данный подход оказался особенно актуальным для многих практически важных задач, поскольку условия эксплуатации многих конструкций и деталей машин определяют развитие в них с самого начала нагружения процессов деформации мезомасштабного уровня (сложная конфигурация деталей, наличие сварных соединений, упрочняющие и защитные покрытия, композиционные материалы, циклическое нагружение и т. д.). Проведение экспериментальных исследований пластической деформации и разрушения на мезоуровне потребовало создания новых аппаратных и программных средств, в качестве которых могут выступать методы и средства технического зрения, включающие автоматизированные измерительные комплексы, способные оперативно выполнять обработку больших объемов видеоинформации, производить высокоточные измерения, качественно и наглядно представлять полученные результаты.

Цель и задачи работы: Создание методов, алгоритмов, аппаратных и программных средств для обработки оптико-телевизионных изображений с целью получения качественной и количественной оценок процессов, развивающихся в деформируемом твердом теле на мезоуровне, а также проведение таких исследований на образцах

поликристаллического алюминия с модифицированными поверхностными слоями.

Это определило поставленные в работе задачи:

- разработать метод количественной оценки изменения состояния поверхности путем анализа ее оптических изображений, а также структурную схему оптико-телевизионной измерительной системы и на ее основе реализовать два варианта исследовательского комплекса (на базе оптического и растрового электронного микроскопов);

- разработать опытный образец устройства ввода изображения из растрового электронного микроскопа (РЭМ) в персональную ЭВМ;

- создать пакет программ для вычисления векторов смещений и компонентов тензора дисторсии по оптическим изображениям оптико-телевизионного комплекса "ТОМБС", а также пакет программ для оценки характера мезосубструктуры на поверхности нагруженного материала по значению ее фрактальной размерности;

- провести экспериментальные исследования механизмов деформации образцов поликристаллического алюминия с различным состоянием поверхности: естественная окисная пленка, ионная имплантация атомов никеля, керамическое покрытие, а кроме того характера и стадийности мезосубструктуры на поверхности деформируемых образцов алюминия и дуралюмина Д16АТ по значению фрактальной размерности их поверхности.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обоснование возможности анализа процессов пластической деформации на мезоуровне и разрушения методами технического зрения.

2. Алгоритмы вычисления векторов смещений и компонентов тензора дисторсии, применяемые в оптико-телевизионной измерительной системе для количественной оценки изменения состояния поверхности.

3. Алгоритмы оценки характера мезосубструктуры на поверхности деформируемого образца путем вычисления ее фрактальной размерности.

4. Структурная схема оптико-телевизионной измерительной системы и функциональная схема устройства ввода изображения из РЭМ в персональную ЭВМ.

5. Механизмы и закономерности пластической деформации на мезоуровне образцов технического алюминия, поверхностно упрочненного (ионной имплантацией никеля) алюминия и алюминия с керамическим покрытием: возникновение в деформируемом техническом алюминии поверхностных стационарных волн пластической деформации микронного диапазона и обусловленной ими мезосубструктуры; влияние на них

имплантации в поверхность атомов никеля; возникновение деформационных доменов и фрагментация как основной механизм деформации на мезомасштабных структурных уровнях; подтверждение закона подобия в иерархии масштабных уровней деформации и интерпретация стадии IV микромасштабного уровня как стадии I макромасштабного уровня. 6. Стадийность изменения фрактальной размерности от степени деформации образца при активном растяжении и знакопеременном нагружении образца.

Научная новизна. В работе впервые:

- обоснована возможность применения методов технического зрения для анализа процессов пластической деформации на мезоуровне и разрушения твердых тел;

- созданы алгоритмы и программы для анализа параметров пластической деформации на мезомасштабном уровне и измерений изменения состояния поверхности;

- разработаны структурные схемы оптико-телевизионного измерительного комплекса и устройства ввода изображения из РЭМ в персональную ЭВМ;

- обнаружено влияние естественной окисной пленки на техническом алюминии на его пластическое течение на мезоуровне;

- исследовано влияние модификации поверхностного слоя

поликристаллического алюминия ионной имплантацией атомов никеля на процессы пластической деформации на мезоуровне;

- изучены закономерности и механизмы пластической деформации технического алюминия с пористым керамическим покрытием на мезо- и макромасштабном уровнях.

Практическая ценность.

- варианты реализации исследовательских оптико-телевизионных измерительных систем и опытный образец устройства ввода изображения из РЭМ в персональную ЭВМ;

- программное обеспечение для вычисления компонентов тензора пластической дисторсии, фрактальной размерности, алгоритм (подпрограмма) расчета векторов смещений.

- результаты экспериментальных исследований на мезоуровне могут быть использованы при разработке оптимальных покрытий и режимов упрочнения поверхности с целью повышения эксплуатационных свойств конструкционных и инструментальных материалов.

- программы для оценки фрактальной размерности поверхности могут быть использованы для неразрушающего контроля состояния нагруженных материалов и конструкций.

Внедрение работы. Результаты диссертации использовались при выполнении государственных научных программ и международных соглашений, что подтверждено в двух актах внедрения. Общая сумма средств от внедрения результатов работ, описанных в данной диссертации, составила 242,5 млн. рублей. При этом доля автора составляет 47,1 млн. рублей.

Аппробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались на следующих конференциях: "MESOFRACTURE '96" (Томск, Россия, 1996); "Распознавание-95" (Курск, Россия, 1995); "Конверсия вузовской науки Сибири - международному сотрудничеству" (Сибконверс'95). (Томск, Россия, 1995); "Физика прочности и пластичности материалов". (Самара, Россия, 1995); "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии: РОАИ-2-95" (Ульяновск, Россия 1995); "Advanced Materials and Processes": Third Russian - Chinese Symposium (Kaluga, Russia, 1995); "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (Курск, Россия, 1993); Международный конгресс "Защита-95" (Москва, Россия, 1995); II Международный симпозиум по трибофатике (Москва, Россия, 1996); "CADAMT-95" (Томск, Россия, 1995); РМ2ТЕС'95 "International Conference on Powder Metallurgy and Particular Materials" (Seattle, USA, 1995); Die gemeinsame Jahrestagung der Deutschen, der Österreichischen und der Schweizerischen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (Zürich, Switzerland, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, четырех приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 240 страниц, включая 55 рисунков, 4 таблицы, библиографический список содержит 127 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, показана научная новизна и практическая ценность исследований.

В первой главе приведен обзор литературных данных по существующим на сегодняшний день представлениям о процессах пластической деформации на микро- и мезомасштабных уровнях, а также о разрушении, как процессе локализации деформации на макромаштабном уровне. Описаны существующие представления о структурных уровнях деформации, их механизмах, носителях и связи со стадиями кривой течения.

Во второй главе на основе проведенного анализа литературных данных приведена классификация методов неразрушающего контроля и диагностики материалов и конструкций, а также обзор существующих на сегодняшний день оптических методов измерений параметров смещений. Особое внимание уделено методу спекл-интерферометрии как методу, взятому в качестве аналога для измерения векторов смещений. Кроме этого, рассмотрены известные методы использования концепции фракталов для количественного описания тонкой структуры поверхностей разрушения. На основании проведенного анализа сделано заключение о том, что оптические методы исследований и определения параметров пластической деформации на мезоуровне являются наиболее эффективными и не требующими больших материальных затрат. Показано, что использование метода вертикальных сечений для измерения фрактальной размерности поверхности является наиболее приемлемым для неразрушающего контроля состояния нагруженных материалов и конструкций.

В третьей главе сформулирована постановка задачи, обоснован выбор материалов для исследования, описаны методы, разработанные для изучения механизмов деформации на мезомасштабном уровне.

В качестве материала в работе использовали образцы технического алюминия, два типа его поверхностного упрочнения (ионная имплантация поверхности атомами никеля с различной величиной интегральной дозы и микродуговое оксидирование), а также образцы технического дуралюмина Д16АТ. Образцы алюминия имели размер рабочей части 30.0x1.10x3.15 мм3, образцы дуралюмина 4.0x2.0x1.0 мм3.

В диссертации были использованы два следующие метода исследования процессов пластической деформации на мезоуровне:

- построение полей векторов смещений и расчет компонентов тензора дисторсии;

- измерение фрактальной размерности поверхности деформируемого образца.

Для проведения механических испытаний на растяжение использовали испытательную машину "ИМАШ-2078". Анализ процессов пластической деформации на мезоуровне проводили in situ с помощью оптико-телевизионого измерительного комплекса "TOMSC" с разрешением 3000-125000 векторов/мм2. Запись изображений производили двухэксиозиционным методом с приращением деформации в промежутках между экспозициями.

Трехмерные изображения поверхности образцов для измерения фрактальной размерности были получены с помощью растрового электронного микроскопа "РЭМ-200". Запись изображений на жесткий

диск персональной ЭВМ в виде графических файлов проводили с помощью разработанного опытного образца устройства ввода изображения.

Исследование процессов, протекающих в глубине образца при различных видах поверхностного упрочнения, производили на боковой грани рабочей части образцов. Схематичное изображение образца с изображением граней, подвергнутых поверхностному упрочненению, и плоскости наблюдения приведено на рис. 1.

Поверхностное упрочнение

Внешняя

приложенная

нагрузка

Плоскость наблюдения

I Поверхностное упрочнение

Рис. 1. Схематическое изображение рабочей части образца;

1 - грань образца с поверхностным упрочнением;

2 - боковая грань с деформационным рельефом.

Четвертая глава посвящена разработке методов технического зрения высокого разрешения для количественной аттестации параметров деформации нагруженных материалов на мезоуровне.

Для исследования процессов пластической деформации на мезоуровне в данной работе было предложено использовать оптико-телевизионную измерительную систему (ОТИС), структурная схема которой представлена на рис. 2.

Алгоритм работы ОТИС, предназначенной для оценки происходящих на поверхности деформируемого образца изменений, заключается в поиске на изображении информативных признаков, определении их параметров и измерении изменений этих параметров при пластической деформации образца. В общем виде алгоритм работы ОТИС может быть записан как:

где 1П - информативный признак, Р(Я) - функция распределения яркости на изображении поверхности, Р(С) - функция распределения структурных элементов на изображении поверхности, Р(Г, Д) -функция, определяемая геометрическими параметрами структурных

элементов на изображении (Г) и степенью деформации (Д), Р(Р, Д) -функция, определяемая параметрами рельефа (Р) на изображении поверхности и степенью деформации (Д).

Рис. 2. Структурная схема оптико-телевизиокной измерительной системы (ОТИС) на базе оптического микроскопа

Использование ОТИС для решения задач подобного класса требовало проведения численной параметризации мезодефектов, появляющихся на поверхности деформируемого образца. В табл. 1

приведены типы приповерхностных изменений для различных материалов и условий нагружения на мезоуровне, взятые из различных глав [1], и параметры, применяемые в ОТИС для их количественной оценки.

Таблица 1

№ п/л Тип материала Характерный элемент мезосубструктуры Информативный признак

1. Пластичный поликристалл (растяжение) Зерно, конгломерат зерен Площадь, ориентация, периметр, коэффициент формы, координаты центра тяжести

2. Высокопрочный дисперсно-упрочненный сплав (растяжение) Мезополоса (распространяющаяся через многие зерна) Длина, ширина,период

3. Сдвигонеустойчивый поликристалл (растяжение) а) мартенситные ламели б) поперечная мартенситная полоса а) длина, период, ориентация б) длина, ширина

4. Мелкозернистый поликристалл с надрезом (растяжение) Дисклинации, зигзагообразные мезополосы Длина, ориентация, ширина

5. Высокоазотисгая сталь, нагартованная прокаткой (растяжение) Мезополосовая структура Площадь, период полос, длина, ориентация

б. Малоуглеродистая сталь (растяжение) Полоса Людерса Ориентация, длина

7. Сварное соединение (растяжение) Макрополоса (в зоне термического влияния) Длина, ориентация, ширина

8. Усталостное разрушение Петли деформированных зерен, мезосубструкгура Площадь, периметр, координаты центра тяжести, коэффициент формы

Разработанное в работе программное обеспечение включает следующие алгоритмы и программы.

Алгоритм расчета векторов смещений элементарных площадок поверхности исследуемого образца состоит из двух основных этапов. На первом этапе производится сканирование с грубым шагом для предварительного определения параметров смещения элементарной площадки (направления и величин перемещения по координатам X и Y). Затем, в найденной области сканирование выполняется с единичным шагом. Если во время первого этапа поиска параметры смещения не были определены с заданной вероятностью, производится второй этап сканирования, при котором точка начала отсчета (сканирования) смещается на половину величины грубого шага и дальнейшие вычисления производятся аналогично первому этапу.

Программа расчета компонентов тензора дисторсии позволяет рассчитывать численные значения и получать двух- и трехмерное графическое представление продольной, поперечной, сдвиговой и поворотной компонентов тензора дисторсии. Пакет программ расчета векторов смещений и вычисления компонентов тензора дисторсии работает под управлением операционной системы "WINDOWS".

Пакет программ нахождения значения фрактальной размерности основан на двух методиках. Первая из них является разновидностью метода определения фрактальной размерности по отношению длины профиля изображения к длине ее проекции. Ее отличие от стандартной методики заключается в том, что вычисления производятся не по одному изображению с изменяющимся шагом измерения, а по серии изображений, снятых при различном увеличении. Значение фрактальной размерности определяется как тангенс угла наклона графика зависимости величины отношения длины профиля к длине проекции от значения коэффициента увеличения, построенного в дважды логарифмическом масштабе.

Вторая программа расчета фрактальной размерности основана на методе нормированного размаха. В этой методике каждая строка изображения принимается в виде временного ряда, в котором рассматриваются выборки с различной длиной (величиной запаздывания). Значение фрактальной размерности вычисляется как

тангенс угла наклона графика зависимости величины отношения максимального отклонения от среднего в выборка,., к среднеквадратическому отклонению от длины выборки, построенного в дважды логарифмическом масштабе.

Собранный опытный образец устройства ввода изображения из РЭМ в персональную ЭВМ, выполненный в виде стандартной платы формата ISA (для компьютеров типа IBM PC), вставляемой в разъем системной шины, позволяет записывать на жесткий диск ПЭВМ качественные изображения поверхности исследуемых образцов в виде графических файлов.

Пятая глава посвящена применению методов технического зрения для исследования закономерностей пластической деформации и разрушения на мезоуровне при активном растяжении.

При исследовании, процессов пластической деформации в техническом алюминии было выявлено два мезомасштабных уровня.

1. Приповерхностный слой, в котором развивается мезополосовая субструктура в виде треугольных призм.

2. Формирование в плоском образце слоистой субструктуры, на границах которой возникают эффекты экструзии-интрузии.

Как видно из рис. 3, в приповерхностном слое зарождаются мезополосы деформации, распространяющиеся через многие зерна по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Этот механизм деформации, относящийся к мезомасштабному уровню, очевидно, связан со скачком напряжений между окисной пленкой и подложкой и должен рассматриваться как дополнительный к дислокационной деформации на микромасштабно.ч уровне. Как следствие, приповерхностный слой образца алюминия испытывает дополнительную пластическую деформацию по сравнению со средней деформацией образца, что приводит к образованию на поверхности образца выступающей "корочки", связанной с поверхностной окисной пленкой. Взаимное пересечение мезополос образует в приповерхностном слое мезосубструктуру в виде регулярно повторяющихся треугольных призм сильно деформированного материала (рис. 3). На боковой грани образца наблюдаются вертикальные сечения треугольных призм в виде плоских треугольников.

Более детальное исследование поведения приповерхностного слоя в зонах деформируемых треугольников показывает, что с регулярно расположенными треугольными призмами связана поверхностная стационарная волна с длиной ?v~120 мкм. Мезополосы в приповерхностном слое увлекают материал в зоне треугольных призм вглубь образца, вызывая сильную встречную экструзию материала в центральной части призм и на краях их оснований. Эффект экструзии

Рис. 3. Фрагмент приповерхностного слоя. Формирование мезосубструктуры

в виде треугольных призм; а) е=3.5%; б) в=7%; в) е=11%. х250.

материала растет с увеличением степени деформации, приводя к формированию на плоской поверхности образца локализованных максимумов стационарной волны. Слева и справа от этих максимумов возникают минимумы стационарной волны. Подобный эффект (формирование поверхностной стационарной волны с Хл<120 мкм) для образцов нержавеющей стали, подвергнутых ионному азотированию, был описан в [2].

При исследовании образцов технического алюминия, подвергнутых ионной имплантации, было обнаружено, что ионное легирование плоских граней образцов никелем приводит к подавлению деформации в приповерхностном слое, что проявляется в виде более однородного деформационного рельефа приповерхностного слоя по сравнению с нижележащими слоями материала матрицы.

На рис. 4 приведено распределение векторов смещений в образце алюминия, в плоские поверхности которого имплантированы атомы никеля. Проведенный статистический анализ показал, что на границе приповерхностного слоя и нижележащего материала матрицы формируется гофр, проявляющийся в виде пространственной волны микронного диапазона с длиной л«400 мкм. Другими словами, волна с поверхности в чистом алюминии в результате упрочнения поверхностного слоя при имплантации как бы "спускается" вглубь образца.

I Имплантированная

I поверхность

400 мкм

Рис. 4. Поле векторов смещений на боковой грани поверхностно упрочненного ионной имплантацией образца поликристаллического алюминия; интегральная доза имплантации 11017 ион/см2

Исследование образцов технического алюминия с пористым керамическим покрытием А1/)з показало, что основным механизмом деформации таких образцов является их фрагментация на макромасштабном уровне. Она определяет возникновение в керамическом покрытии стохастически распределенных поперечных микротрещин длиной «150 мкм, каждая из которых инициирует распространение в объеме образца поперечных мезополос деформации. Образец фрагментируется с образованием поперечных фрагментов, которые характеризуются осцилляцией сдвиговой с^у и поворотной ©2 компонент тензора дисторсии при движении вдоль оси образца.

Сопряжение поперечных мезополос, в которых локализуется сильная пластическая деформация, с прилегающим к ним малодеформированным материалом фрагментов приводит к возникновению внутри фрагментов на более низком мезоуровне деформационных доменов аккомодационной природы. Доменная структура внутри фрагментов характеризуется самосогласованной ориентацией векторов смещений в каждом домене и скачкообразным изменением ориентации векторов смещений при переходе от домена к домену (рис. 5).

доменная структура мезоподаса доменная структура

Рис. 5. Доменная структура в поле векторов смещений в деформируемом алюминиевом образце с керамическим покрытием А^Оз; е=4%; х 160

На рис. 6 приведены кривые течения для образцов без керамического покрытия и с покрытием толщиной 50 мкм. Хорошо видно различие не только значений с0_2, Св> н0 и характера кривых.

Процесс фрагментации образца при распространении в нем поперечных мезополос вызывает появление на кривой течения

площадки текучести (подобно полосам Людерса в образцах малоуглеродистой стали). Это является дополнительным подтверждением подавления микромасштабного уровня при деформации образца с керамическим покрытием.

100-

та С

. 804 ге

I Ш

5 60-)

<и *

сс о. с:

та X

40

20-

0

О 2 4 б 8 Ю 12 Относительная деформация, %

Рис. б. Кривые течения плоских алюминиевых образцов без покрытия (1) и с керамическим покрытием А1203 (2).

Исследованием характера изменения фрактальной размерности (ФР) при перемещении вдоль образцов алюминия и кремнистого железа, деформированных до разрушения при растяжении и знакопеременном изгибе была выявлена 3-х стадийность этого изменения ФР при переходе от головки образца к месту разрушения при растяжении (рис. 7) и 2-х стадийность при знакопеременном изгибе (рис. 8).

При растяжении первая стадия (вблизи головки образца) характеризует формирование фрактальной структуры и сопровождается значительным возрастанием ФР. Вторая стадия (на рабочей части образца) соответствует стационарной картине фрактальной структуры перед разрушением и характеризуется слабым возрастанием ФР. Третья стадия (вблизи места разрушения) отражает самосогласованное движение конгломератов фрактальных элементов, соизмеримое с поперечным сечением образца и проявляется в виде быстрого возрастания ФР.

При знакопеременном изгибе деформация сильно локализована вблизи неподвижного захвата, а основной образец деформируется незначительно. Это отражается в двухстадийном характере изменения

ФР, которая резко возрастает вблизи места локализации деформации и последующего усталостного разрушения образца.

•Я 2,40

и

0 2,35 | 2,30

1 2,25

а)

а 2,20

«

пз 2,15

х

ч 2,10

а 2,оо

©

Рис. 7. Зависимость ФР от расстояния до места разрушения образца алюминия, разрушенного в результате активного растяжения

л &

и о а о.

си

а

(Л га а

к га х л

ч

го в и га

а ©

Расстояние до места разрушения, мм

Рис. 8. Зависимость ФР от расстояния до места разрушения образца алюминия, разрушенного в результате испытаний на знакопеременный изгиб

Уровень абсолютных значений ФР в деформированных материалах сильно зависит от вида материала и условий нагружения. Чем выше твердость материала, тем труднее формируется поверхностный мезорельеф с сильно локализованной кривизной и тем ниже абсолютное значение ФР.

Расстояние до места разрушения, мм

На рис. 9 показан график изменения значений ФР в зависимости от степени деформации образцов дуралюмина Д16АТ. Проведенный анализ показал, что зависимость ФР поверхности образцов дуралюмина Д16АТ от степени деформации описывается набором

дискретных значений (площадок), которые образуют численную последовательность ¿»/у, ¿»/^ Д/^, Df4 =2.00, 2.02, 2.04, 2.06, и соответствуют различным механизмам деформации мезомасштабного уровня.

Рис. 9. Кривая изменения ФР на поверхности плоских образцов дуралюмина Д16АТ в зависимости от степени деформации

Заключение и основные выводы. В диссертации обоснована возможность применения оптико-телевизионных измерительных систем для анализа процессов пластической деформации на мезоуровне. Разработаны блок-схема ОТИС на базе оптического микроскопа, устройство ввода изображения из РЭМ в ПЭВМ, алгоритм расчета векторов смещений и программа для вычисления компонентов тензора дисторсии, программы расчета ФР, которые позволяют исследовать качественную картину и получать количественную оценку параметров пластической деформации на мезомасштабном уровне.

Разработанные методы и средства позволили выявить следующие закономерности пластической деформации поликристаллических материалов.

Поликристалли чес кий алюминий.

- Наличие естественной окисной пленки на поверхности алкЗминия приводит к возникновению в деформируемом образце стационарной поверхностной волны микронного диапазона с длиной АМ20 мкм.

- Стационарная волна миллиметрового диапазона с длиной мм, обнаруженная ранее в [3], связана с сопряжением в образце продольных полос, имеющих разную степень деформации.

Ионная имплантация никеля в поверхность алюминиевого образца.

Пространственная волна с поверхности в чистом алюминии в результате упрочнения поверхностного слоя при имплантации как бы "спускается" вглубь образца. Длина поверхностной волны при этом возрастает.

Пористое керамическое покрытие на плоских образцах алюминия.

- наличие керамического покрытия на поверхности образца алюминия подавляет развитие деформации на микромасштабном уровне и обусловливает фрагментацию материала на макромасштабном уровне с образованием поперечных мезополос с самого начала пластического течения;

- сопряжение поперечных мезополос, в которых локализуется сильная пластическая деформация, с прилегающим к ним малодеформированным материалом фрагментов приводит к возникновению внутри фрагментов на более низком мезоуровне деформационных доменов аккомодационной природы. Доменная структура внутри фрагментов характеризуется самосогласованной ориентацией векторов смещений в каждом домене и скачкообразным изменением ориентации векторов смещений при переходе от домена к домену;

- стадия слабого линейного упрочнения на кривой течения образцов с керамическим покрытием интерпретируется как стадия легкого скольжения на макромасштабном уровне (по классификации акад. В. Е. Панина [4]) и эквивалентна стадии IV по классификации проф. Н. А. Коневой [5] на базе механизмов деформации микромасштабного уровня.

Фрактальная размерность.

- изменение значения ФР при переходе от головки образца к месту разрушения в образцах алюминия и кремнистого железа имеет 3-х стадийный характер при растяжении и 2-х стадийный при знакопеременном изгибе;

- зависимость ФР поверхности образцов дуралюмина Д16АТ от степени деформации описывается набором дискретных значений, которые соответствуют различным механизмам деформации мезомасштабного уровня;

- критические дискретные значения ФР, соответствующие стадии предразрушения, могут быть эффективным критерием диагностики нагруженных материалов и конструкций.

В приложениях приведены листинги программ расчета векторов смещений, компонентов тензора дисторсии, фрактальной размерности

(по отношению длины профиля к длине проекции, измеренному по

серии изображений, снятых при разном увеличении, и по методу

нормированного размаха), а также акты внедрений.

Основные научные результаты диссертации изложены в

следующих публикациях:

1. Сырямкин В. И., Панин В. Е., Парфенов А. В., Панин С. В. и др. В кн. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Новосибирск: Наука, 1995. Т. 1. С. 176-194.

2. Панин В. Е., Панин С. В., Мамаев А. И. Деформационные домены на мезоуровне в деформируемом твердом теле. Доклады РАН, 1996. Т. 350. №1. С. 35-38.

3. Панин В. Е., Панин. С. В. Мезомасштабные уровни пластической деформации поликристаллов алюминия. Изв. вузов. Физика, 1997. №1. С. 31-39.

4. Панин С. В., Парфенов А. В., Сырямкин В. И. Устройство для считывания изображения. Положительное решение о выдаче патента Российской Федерации на изобретение от 03.10.96.

5.Panin V.E., Panin S.V., Mamaev A.I. Mesolevel Deformation Mechanisms and Fracture of Polycrystalline Aluminum Coated with Porous Ceramics./ Mathematical Methods in Physics, Mechanics, and Mesomechanics of Fracture. Int. Conf. Abstracts.-Tomsk: ISPMS, 1996.-P. 91-92.

6. Панин B.E., Папин C.B.. Мамаев А.И.. Диагностика пористых керамических покрытий на конструкционных материалах. IV-ая Международная научная конференция "CADAMT'95. Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий". Тезисы докладов. - Томск: Изд-во "Норма" Российского материаловед-ческого центра, 1995. - С. 126.

7. Панин В. Е., Сырямкин В. И., Дерюгин Е. Е., Кириков А. А., Кузнецов П. В., Неруш Г. И., Панин С. В., Парфенов А. В. Неразрушающий метод контроля материалов на основе методик измерения фрактальных характеристик. Тезисы докладов XIV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов". Самара, 27 - 29 июня 1995 г. - С. 6-7.

8. Неруш Г. И., Панин С. В., Парфенов А. В., Сырямкин В. И. Устройства ввода изображений в персональные ЭВМ. Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: Материалы международной конференции. Курск: КПИ, 1993. С 109.

9. Панин В. Е., Сырямкин В. И., Кириков А. А., Неруш Г. И., Панин С. В., Парфенов А. В. "Оптико-телевизионная измерительная система неразрушающего контроля материалов и конструкций, использующая методы физической мезомеханики". Тезисы докладов

XIV Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов". Самара, 27-29 июня 1995 г. С.14-15.

10. Панин В. Е., Сырямкин В. И., Дерюгин Е. Е., Парфенов А. В., Панин С. В., Кириков А. А. Диагностика нагруженных конструкций оптико-телевизионными измерительными системами, основанными на мезомеханике неоднородных сред. Тезисы докладов Международного Конгресса "Защита-95", 20-24 ноября 1995г., Москва. С. 26-27.

11. V. Е. Panin, V. I. Syrjamkin, А. V. Parfenov, S. V. Panin, A. A. Kirikov, К. V. Levin, and P. G. Pen'kov. Automatic optical-TV systems for studying of materials and constructions.// Advanced Materials and Processes: Third Russian-Chinese Symposium, Kaluga, Russia, October 9-12, 1995. P. 422.

12. Панин В. E., Сырямкин В. И., Парфенов А. В., Панин С. В., Кириков А. А. Новый класс оптико-телевизионных измерительных приборов неразрушающего контроля. Тезисы 2-ой Международной конференции "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии": РОАИ-2-95, Ульяновск, 27 августа -2 сентября 1995 г. Изд. УГТУ, 1995.

Список цитированной литературы

1. Панин В. Е., Егорушкин В. Е., Макаров П. В. и др. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Новосибирск: Наука, 1995, т. 1. -255 с. Т.2. -320 с.

2. Панин В. Е., Слосман А. И., Колесова Н. А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении. ФММ, 1996, Т. 82, вып. 2.

3. Горбатенко В.В. О природе пространственной и временной периодичности при пластической деформации. Дисс. ... канд. физ,-мат. наук.-Томск, 1993.-120 с.

4. Панин В. Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов. Изв. вузов. Физика, 1995. №11. С. 6-25.

5. Конева Н. А. Эволюция дислокационной структуры, стадийность деформации и напряжение течения моно- и поликристаллов ГЦК однофазных сплавов. Дисс. ... докт. физ.- мат. наук. Томск, 1987. 620 с.