Стадийность пластического течения и скорость распространения ультразвука в поликристаллических металлах и сплавах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

БУШМЕЛЕВА Кия Иннокентьевна

СТАДИЙНОСТЬ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ И СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Специальность 01.04.07. - "Физика твердого тела"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-1998

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН

Научные руководителя:

доктор физ.-мат. наук, профессор Зуев Л.Б. кандидат физ.-мат. наук, ст.н.с. Семухин Б.С.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Ульянов В.Л. кандидат физ.-мат. наук, ст.н.с. Перевалова О.Б.

Ведущая организация:

Сибирский государственный университет путей сообщения, г. Новосибирск

Защита состоится " "/»гУ/Уия-^ 1998 г. в

часов на

заседании диссертационного совета Д 003.61.01 при Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 634021, Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Автореферат разослан ".3(21' ^уУеуО^Д 998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^ доктор физ. - мат. наук, профессор^

С.Н. Кульков

Общая характеристика работы

Актуальность. Общепринятые представления о процессе пластической деформации, как правило, основываются на данных о его стадийности, причем адекватность создаваемых моделей предполагает точное соответствие определенных стадий и их микроскопических механизмов. Выяснение границ и тем более природы каждой из стадий, в особенности для поликристаллов, оказывается сложной задачей, так как часто отсутствуют достаточно информативные и надежные внешние признаки смены механизмов деформации.

Акустические методики уже давно и успешно используются в исследованиях по физике твердого тела. К обычно используемым с этой целью эффектам, таким как акустическая эмиссия, возникающая при нагруже-нии, или амплитудная зависимость внутреннего трения, для интерпретации которых существуют в достаточной мере развитые теории, может быть добавлена более просто измеряемая характеристика - скорость распространения ультразвука.

Исследование пластической деформации поликристаллов с использованием методики измерения распространения ультразвуковых волн позволяет изучить процессы деформирования in situ и выявить дополнительные стадии деформационного упрочнения твердых тел. В данной работе методом измерения скорости распространения ультразвука исследована стадийность кривых течения поликристаллов от начальной стадии упрочнения до стадии падения деформирующего напряжения (образования шейки).

В связи с этим целью настоящей работы является экспериментальное установление связи между стадийностью кривой пластического течения и изменением скорости распространения ультразвуковых колебаний в поликристаллических металлах и сплавах. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. методом автоциркуляции ультразвуковых импульсов измерить скорость распространения акустических поверхностных волн на различных стадиях пластического течения поликристаллических металлов и сплавов;

2. исследовать стадию распространения полосы Чернова - Людерса при деформации поликристаллов низкоуглеродистой стали 09Г2С методом измерения скорости распространения ультразвука и методом двухэкс-позиционной спекл - интерферометрии;

3. установить корреляцию между макронапряжениямн 1-го рода и скоростью ультразвука в промышленных сплавах;

Научная новизна полученных результатов определяется тем обстоятельством, что в работе впервые получен и систематизирован большой объем фактических данных об изменениях скорости распространения ультразвука в металлах и сплавах ралных структурных классов в области пластических деформаций. Методом измерения изменения скорости распространения ультразвука подтверждено наличие трех стадийного деформационного процесса наблюдаемого на кривых пластического течения поликристаллнческого алюминия при комнатной температуре. Физически обоснованы и экспериментально подтверждены причины, определяющие взаимосвязь скорости ультразвука и величины внутренних напряжений. возникающих на различных стадиях кривой деформационного упрочнения.

Практическая ценность работы. Решена важная для промышленности задача технической диагностики и неразрушающего контроля состояния промышленных металлов и сплавов, подвергнутых пластическим деформациям. Принципиальной основой методики является корреляция между скоростью распространения ультразвука и такими характеристиками материала как структура, предел прочности, предел текучести. Исследования, проведенные в лабораторных условиях, позволили установить наличие такой корреляции, ее природу и количественные характери-

стики. Если образец или деталь работает в области пластических деформаций, то с помощью измерения скорости ультразвука можно обнаружить приближение стадии разрушения, этому моменту соответствует яркое изменение скорости ультразвука. При этом наблюдения за состоянием поверхности металла в этот момент еще не дают никаких указаний на приближение катастрофической стадии.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Совокупность экспериментально обнаруженных закономерностей изменения скорости распространения ультразвуковых колебаний в зависимости от механических характеристик, действующих в области пластических деформаций поликристаллов.

2. Соответствие между различными стадиями кривой нагружения поликристаллов и изменением величины скорости распространения ультразвука.

3. Экспериментальные данные подтверждающие влияние на скорость ультразвука в поликристаллических металлах и сплавах внутренних напряжений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на 8 Международных школах - семинарах, конференциях: IV Международная конференция «Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий» CAD AMT'95 (Томск, 1995): Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996); III Международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1996); V International conference «Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies» CAD AMT'97 (Baikal Lake, Russia, 1997); IX Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» IIAPS - 97 (Тула, 1997); I Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» им. Лихачева В.А. и XXXIII семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, 1997); IV научный се-

минар СНГ «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, 1997); Научно-практическая конференция «Социокультурная динамика Ханты-Мансийакого автономного округа сегодня и в перспективе XXI века» (Сургут, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, список которых приведен в конце автореферата

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа, общим объемом 147 страниц состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа иллюстрирована 69 рисунками, содержит две таблицы, библиографический раздел включает 140 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, научная новизна результатов и практическая значимость работы, представлены основные положения выносимые на защиту.

Первая глава имеет обзорный характер: в ней рассмотрены основные экспериментальные и теоретические работы, посвященные пластичности материалов, а также характерным особенностям современного состояния физики и техники ультразвуковых исследований.

Подробно описана стадийность кривых упрочнения поликристаллических металлов и сплавов. Обсуждена природа переходной стадии, стадии II, III и IV деформационного упрочнения. Проанализированы особенности пластического течения поликристаллов с различными кристаллическими решетками, приведены особенности дислокационного строения данных деформированных твердых тел.

Так же изложены известные в литературе результаты экспериментальных исследований измерения скорости распространения ультразвуковых волн в твердых телах в процессе нагружения механических обра-

боток. Рассмотрены методы и средства измерений скорости звука в металлах.

В конце первой главы на основе проведенного анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава содержит описание использованных методик и обоснование выбора материалов исследования. Измерение скорости распространения ультразвука (СУ) (поперечные волны частотой 2,5 МГц) проводилось непосредственно при растяжении образцов на испытательной машине «Instron-1185» методом автоциркуляции ультразвуковых импульсов с помощью специально сконструированного прибора ИСП-12, точностью ~ Ю-4. Расстояние между пьезопреобразователями было фиксированным и не менялось при удлинении образца во время растяжения. Образцы имели вид двойной лопатки с рабочей частью длиной 50 мм. Измерения были проведены на поликристаллическом алюминии А-85 (размер зерна 300-900 мкм). В работе исследовали также твердые растворы замещения, алюминиево-литиевые сплавы Al-Mg-Li и Al-Cu-Li, подвергнутые различной термической обработки. Кремнистое железо, является традиционным материалом для исследования механизмов пластического течения. В связи с большим содержанием кремния и малым углерода данная сталь является сталью ферритного класса. К сплавам, представляющим твердые растворы примесей внедрения относится малоуглеродистая сталь 09Г2С. В работе также использована широко распространенная малолегированная сталь 65Г. Замыкает круг материалов твердый раствор ос-циркония с ГПУ решеткой с небольшим количеством второй фазы в виде интерметаллидов и оксидов. Данные материалы представляют различные структурные классы наиболее распространенных и широко используемых металлов и сплавов с простыми кристаллическими решетками, механизм течения которых на микроструктурном уровне достаточно подробно изучен. Деформирование образцов позволило вы-

явить стадии пластического течения с меняющимся коэффициентом деформационного упрочнения.

Для анализа микроструктуры твердых тела в процессе деформации использовали методы рентгеноструктурного анализа, основанные на получении и анализе дифракционной картины. С помощью рентгеновской дифрактометрии проводили измерения макронапряжений I - рода по стандартной методике на отражение на установке ДРОН-3. Методом рентгеновской топографии in situ изучалось поведение субзерен в процессе нагружения образца, с помощью острофокусного прибора УРС-002 в медном излучении по методу Фудживара на просвет.

Для анализа пластической деформации низкоуглеродистой стали 09Г2С на площадке текучести применяли метод спекл-интерферометрии. В данном параграфе описывается измерительный комплекс, обеспечивающий автоматизированную расшифровку двухэкспозиционных спек-лограмм и позволяющий рассчитать компоненты тензора пластической дисторсии по всей поверхности образца. Дополнительную информацию о поведении деформируемого материала на стадии площадки текучести получали методом Шульца. Для исследования степени совершенства кристалла использовали смешанное рентгеновское излучение, исходящее из точечного источника. Рентгенотопографическая съемка по методу Шульца одного и того же места образца непосредственно в процессе деформации позволила понять механизм разворота субзерен.

В третьей главе представлены результаты исследований, проведенные на протяжении всего процесса растяжения, поликристаллического алюминия, с интервалом 0,5%. Были обнаружены закономерности, хорошо выявляемые при анализе зависимостей V(e) и V(a). Установлено, что скорость распространения ультразвука существенно меняется при растяжении, а зависимости V(e) и V(ct) достаточно сложны. Так, представленная на рис. 1 кривая V(s) для поликристаллического AI имеет N-образную

трехстадийную форму, которая указывает на различие природы связи V и е в соответствующих интервалах пластической деформации.

Зависимость У(с), показанная на рис.1 для этого же образца А1, также имеет три стадии, причем обращает на себя внимание линейный характер связи V и а на каждом этапе. Характерные точки приведенных зависимостей, обозначенные на рис. 1 А, В, В' и С, надежно разделяют кривую течения на стадии. Установленный вид зависимостей У(е) и У(о) указывает на более сложную, чем парабола форму кривой пластического течения. Так, например, представление выделенного на кривой течения участка ВВ' в более крупном масштабе, позволило обнаружить в этой области линейную стадию, на которой а~е. Ранее Jaoi.il В. [*] обнаружил, что при испытаниях при температуре 77 К кривая пластического течения поликристаллического А1 состоит из двух параболических участков, разделенных стадией линейного упрочнения. Последняя, укорачивается по мере повышения температуры испытания и при 300 К становится практически незаметной. Есть основания полагать, что ультразвуковой метод позволяет зафиксировать именно этот момент перехода между параболическими стадиями, что невозможно сделать, пользуясь только зависимостью коэффициента деформационного упрочнения от деформации. Эти закономерности будут прослеживаться и на других материалах.

Анализ сплава А1-Си-1л (1450) подвергнутого различной термической обработке показал, что обе кривые имеют участки линейного упрочнения, сменяющиеся параболическим. Скорость ультразвука на начальной стадии практически не изменяется, монотонно убывая, на стадии параболического упрочнения наблюдается резкое падение СУ. Отсутствие начальной параболической стадии, характерной для алюминия, отражается на ходе зависимости изменения У(о).

[*] Jaoul В. Stude de la forme des courbes de déformation plastigue // Journ. Mech. Phys. Solids. - 1957. - №2. - PP. 95 - 114.

а,МПа ст,МПа

Е,%

Рис. 1. Выделение характерных точек и их соответствие на зависимостях V—е, о—е, V—и, на примере поликристаллического алюминия.

и

В данном случае мы наблюдаем лишь два ярко выраженных ниспадающих линейных участка. Деформационные кривые сплава Al-Mg-Li (1420) имеют параболический характер со снижающимся коэффициентом упрочнения. При этом на начальной стадии параболического упрочнения наблюдается падение СУ, которое затем сменяется возрастанием СУ и последующим падением. Зависимость СУ от деформирующего напряжения представляет собой линейные участки с разным знаком производной dV/dc.

В четвертой главе изложены результаты исследования стадии полосы Чернова-Людерса (ПЧЛ) при деформировании стали 09Г2С. Характерными особенностями данных деформационных кривых являются ярко выраженный зуб текучести, участок с отрицательным коэффициентом деформационного упрочнения, далее следует площадка текучести с нулевым коэффициентом упрочнения. Окончание участка с нулевым коэффициентом упрочнения совпадает с прохождением фронта деформации по всей рабочей части образца. Дальнейшее нагружение приводит к упрочнению и на кривой а-е наблюдается параболический участок, с небольшим слабо уменьшающимся коэффициентом упрочнения.

На площадке текучести вдоль образца движется одиночный фронт пластической деформации, известный как фронт ПЧЛ. Образец деформируется только в зоне, где наблюдается максимум величины eNX=du/dx. Положению максимума локальных удлинений sxx соответствует максимумы сдвиговой Еху и поворотной компоненты тензора днсторсии. Возрастание деформации сопровождается равномерным перемещением зоны локальных удлинении с постоянной скоростью ~10"4 м/с, что в данном случае на полтора порядка выше скорости перемещения подвижного захвата нагружающего устройства. Момент достижения фронтом ПЧЛ подвижного захвата соответствует окончанию площадки текучести и началу стадии деформационного упрочнения.

На основе данных рентгеноструктурного анализа было сделано предположение об изменении структурного состояния материала в ходе пластического деформирования на площадке текучести. Анализ дифракционных рефлексов 220 до и после фронта ПЧЛ показал, что на линиях ai и а2 рентгенограммы наблюдается множество субрефлексов, по угловому положению которых был определен, средний размер блоков. Средний размер блоков до прохождения ПЧЛ составил -70 нм, в той части образца, где уже прошел фронт деформации, видимый размер блоков увеличивается почти вдвое, средний размер составил -120 нм. Таким образом, при прохождении фронта ПЧЛ на площадке текучести происходит заметное увеличение размеров блоков, а их распределение по образцу становится более регулярным. Методом рентгеновской топографии в процессе деформации образца до прохождения ПЧЛ, высвечивались субзерна с довольно большим углом разориентации, на фотопленке наблюдались два рефлекса. В самой полосе субзерна смещались в новое положение и сливались, так что оставался лишь один рефлекс. После ухода ПЧЛ из наблюдаемой зоны происходит дополнительный поворот и часть новых субзерен выходит в отражающее положение. «Старый» рефлекс разбивается на новые. Этот трехстадинный процесс завершался заметным уменьшением угла разориентации субзерен от 11,6' в начальный момент до 6,5' после прохождения ПЧЛ.

Данные об изменении скорости распространения ультразвука, измеренные в деформируемом образце показали, что на площадке текучести зависимость V(s) имела ярко выраженный экстремум (рис.2). Воз--ржтання пспрпгтн утл трччиутгя нпптттпттяртгя непосредственно после зуба текучести при достижении нижнего предела текучести, а резкое падение при переходе к параболической стадии деформационного упрочнения. Непосредственно на стадии параболического упрочнения скорость ультразвука убывает. Зависимость СУ от действующих напряжений также имеет стадийный вид.

СТ,МПа У,м/с

8,%

Рис.2. Изменение скорости распространения ультразвука У-е на стадии площадки текучести стали 09Г2С.

распространения ультразвука для поликристаллпческнх металлов.

В пятой главе представлены результаты растяжения отожженной стали 65Г имеющей простой параболический вид без особенностей типа "зуб" и "площадка", со снижающимся коэффициентом деформационного упрочнения. Анализ кривых зависимости V(e) показал, что на начальном участке стадии параболического упрочнения СУ практически не изменяется, монотонно убывая. При дальнейшем нагружении СУ резко падает. Стадия падения с-е соответствует росту СУ. Зависимость V(c) имеет стадийный вид с линейными участками последовательно переходящими друг в друга.

Аналогичные изменения СУ при пластической деформации были обнаружены нами также при растяжении образцов Fe+3%Si и Zr-Nb сплава. Данные кривые V(s), V(a) отличались лишь количественно от представленной на рис. 1. Можно только заметить, что на наблюдаемой в этих материалах линейной стадии упрочнения СУ имела небольшой рост, при переходе к параболическому участку кривой с-е, величина СУ падала. В циркониево-ниобиевом сплаве наблюдалась также IV стадия с низким и постоянным коэффициентом упрочнения, СУ на данном участке V=const.

В шестой главе показано, что из рассмотренных нами зависимостей СУ от деформации и напряжения для всех исследованных поликристал-лическнх материалов с различными кристаллическими решетками наблюдается определенная общность кривых.

Принципиальное изменение характера поведения зависимости V(e) (рис.3) на разных стадиях кривой пластического течения указывает на кардинальное отличие соо^веичвующш, им мсханнзмев-^дефермацт-ь-Участки с разным знаком dV/ds отвечают, очевидно, различиям в накоплении уровня внутренних напряжений в деформируемом поликристалле, причем рост СУ соответствует снижению уровня внутренних напряжений от деформирующихся ансамблей дефектов, а падение этой величины их возрастанию. Данное положение можно интерпретировать

следующим образом: при малых степенях деформации возможна релаксация напряжений, рост СУ на первом участке за счет локальных разворотов отдельных объемов материала. Аналогичный рост СУ в правой части может быть связан с релаксацией напряжений за счет образования микротрещин и пор в формирующейся к этому моменту шейке. На ее появление указывает спад напряжений, начало которого соответствует минимуму на кривой V(s).

Промежуточная ситуация, когда dV/ds<0, разбивается на два участка и отвечает, вероятно, постепенному формированию сложной дислокационной структуры, сопровождающейся ростом внутренних напряжений.

Типичные зависимости (рис.4) СУ от напряжения позволяют наблюдать некоторую общность: во всех случаях наблюдались три линейные участка связи V(c). Следует отметить, что два ниспадающих участка зависимости V(o) присутствуют во всех исследованных материалах, а левая часть графика может иметь положительный наклон в (AI), отрицательный наклон в (сплаве Zr-Nb) и нулевой наклон в (Fe+3%Si, сталь 65Г. 09Г2С).

Уравнение, связывающее величины V и ст на каждой стадии, очевидно, может иметь вид линейной зависимости V = V0 + £> (1)

причем V0 и С здесь константы, различные для разных участков зависимости V(c). Зная, что скорость распространения ультразвука «чувствует» внутренние напряжения в среде, изменения данной величины (Q при пластической деформации можно связать с изменением размеров напряженных областей и уровня внутренних напряжений в них.

Таким образом, измерение СУ в ходе растяжения дает возможность выделить дополнительные стадии на кривой пластического течения, обусловленные, по видимому, различным характером дислокационных ансамблей, создающихся в деформируемом материале. Анализируя завис»-

Ь)

Рис.4. Общая схема зависимости скорости распространения ультразвука от деформирующего напряжения для поликрнсталлических металлов:

1 - алюминий;

2 - стали 65Г, 09Г2С, Ге+3%51;

3 - гг-1,5%!ЧЬ сплав.

оДШа У,.м/с с1\7(]г

Рис.5. Изменение скорости распространения ультразвука в области малых деформаций в поликристаллическом алюминии.

мость СУ от деформации и действующего напряжения можно выделить критические точки (на примере поликристаллического А1, рис.1), которые не только соответствуют изменению величины и знака СУ, но также отвечают за переход одной стадии деформационного упрочнения в другую, позволяя более четко выделить характерные участки кривой пластического течения.

На наш взгляд, природа изменения СУ в данных точках связана с двумя эффектами: первый из них - это линейная корреляция изменений СУ и уровня внутренних напряжений. Данное положение было проиллюстрировано на примере образцов холоднокатаных труб из 2г-ЫЪ сплава, в которых с интервалом в 10 мм определялась величина остаточных напряжения и СУ. Экспериментальные данные показали, что имеется корреляция между СУ и макронапряжениями 1-рода в циркониевом сплаве, коэффициент корреляции составил 0,87.

Второй эффект, связанный с разворотом субзерен, нашел прямое подтверждение в специальном эксперименте, в котором при малых деформациях одновременно с записью диаграммы деформации не только фиксировалась скорость распространения ультразвука, но и методом рентгеновской топографии были получены данные о движении крупных элементов структуры в отдельных зернах поликристалла А! . Топограм-мы снимались методом Фудживара во время растяжения образца (без разгрузки). Результаты измерений скорости ультразвука в таких условиях приведены на рис.5. Анализ поведения фрагментов зерен по их лауэ-рефлексам показал, что при деформации е < г* разориентировки фрагментов зерен возрастают, а скорость ультразвука быстро растет. После перехода через критическую степень деформации е* наблюдается обратный разворот фрагментов, и темп прироста скорости падает. Феноменологически изменение скорости распространения ультразвука объясняется наличием в объеме среды мозаики напряженных областей, распределение и размер которых, очевидно, меняется в ходе пластического течения.

Таким образом, совокупность экспериментальных, данных показывает, что в процессе нагружения изменяется не только коэффициент деформационного упрочнения, но и такая величина как скорость ультразвука, которую можно считать дополнительной характеристикой стадийности кривой пластического течения.

Основные результаты и выводы

1. Экспериментально установлен сложный характер изменения скорости распространения ультразвука на протяжении кривой пластического течения поликристаллических металлов и сплавов. Зависимости V(s) и V(cr) являются много стадийными и точки их перелома надежно разделяют деформационную кривую на отдельные стадии.

2. Методом измерения скорости распространения ультразвука подтверждено существование трех стадий пластического течения поликристаллов алюминия. Кривая течения при 300 К состоит из двух параболических и одного линейного участков деформационного упрочнения.

3. На основании экспериментальных данных установлена обобщенная форма зависимостей скорости распространения ультразвука от деформации и деформирующего напряжения для исследованных полнкри-сталлических материалов.

4. Обнаружены изменения скорости ультразвука и напряжения при перемещении фронта полосы Чернова-Людерса на стадии площадки текучести, связанные с уменьшением разориентации блоков и субзерен.

5. Обнаружена корреляция между изменением скорости ультразвука и внутренними напряжениями 1-го рода в сплавах позволяющая количественно пирнитц напряженное состояние материала._

Основные публикации по теме диссертации

1. Бушмелева К.И., Семухин Б.С. Диагностика состояния материала тяжело нагруженного оборудования методом измерения скорости ультразвука // Тезисы докладов IV Международной конференции «Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий.» - Томск, 11-14 сентября 1995г. - С. 134.

2. Зуев Jl.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И. Скорость распространения ультразвука и стадийность пластического течения поликристаллов AI // Письма в ЖТФ. - 1996. - Т.22, №14. С.76-79.

3. Бушмелева К.И., Семухин Б.С., Зуев Л.Б., Степиков В.В. Исследование механизма разрушения в AI ультразвуковым методом in situ // Труды Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствущих явлений.» - Тамбов, 24-28 июня 1996г. - С.

4. Зуев Л.Б., Бушмелева К.И., Семухин Б.С., Степиков В.В. Исследование структур деформации ГЦК металлов ультразвуковым методом // Тезисы III Международной школы-семинара «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах.» - Барнаул, 27 августа-2 сентября 1996г. - С.

5. Bushmeleva K.I., Semukhin В.S. and Zuev L.B. In situ Investigation of Local Yield Stresses in 09Г2С Steel // V International conference «Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies.» - Baikal Lake, Russia, August 4-6, 1997.-P.96.

6. Semukhin B.S., Bushmeleva K.I. and Zuev L.B. Correlation Between Macrostresses and Ultracound Velocity in Cold-Rolled Fuel Element Zirconium pipes // V International conference «Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies.» - Baikal Lake, Russia, August 4-6, 1997. - P. 173-174.

7. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И. Стадийность пластического течения и акустические свойства ГЦК и ОЦК металлов // Тезисы докладов IX Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах.» - Тула, 23-25 сентября 1997г. -С.ЗО. '

8. Бушмелева К.И., Семухин Б.С., Зуев Л.Б. Связь скорости ультразвука со стадийностью деформационного упрочнения стали 09Г2С // Научные труды I Международного семинара «Актуальные проблемы прочности.» имени В.А. Лихачева и ХХХШ семинара «Актуальные пробле-. мы прочности.» - Новгород, 15-18 октября 1997г. - С.230-234.

9. Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И. Акустическая диагностика in situ пластической деформации и разрушения металлов и сплавов // Сборник трудов IV научного семинара СНГ «Акустика неоднородных сред.» - Новосибирск, выпуск 112, 1997г. - С.160-165.

10. Зуев Л.Б., Полетика И.М., Бушмелева К.И. Определение прочности и надежностных показателей с помощью измерения скорости ультразвука // Тезисы Всеросийской научно-практической конференции «Социокультурная динамика Ханты-Мансийского автономного округа сегодня и в перспективе XXI века.» - Сургут, 28-29 мая 1998г. - С. 127128.

11. Семухин Б.С., Бушмелева К.И., Зуев Л.Б. Скорость распространения ультразвука и явление текучести в стали 09Г2С. II Металлофизика и новейшие технологии. - 1998. - Т. 20. N5. - С. 68 - 71.

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН

На правах рукописи

БУШМЕЛЕВА Кия Иннокентьевна

СТАДИЙНОСТЬ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ И СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Специальность 01.04.07. - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители

доктор физ.-мат. наук, профессор Зуев Л.Б. кандидат физ.-мат. наук, ст.н.с. Семухин Б.С.

Томск-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............... .................................. 4

Глава 1. Влияние неоднородностей пластической деформации на скорость ультразвука в поликристаллических материалах..........3

1.1 Стадийность кривых деформационного упрочнения...........9

1.2 Деформационное упрочнение поликристаллических материалов. ЛЗ

1.3 Пластическая деформация поликристаллических ГЦК-металлов. /6

1.4 Пластическая деформация поликристаллических ОЦК-металлов. /3

1.5 Ультразвуковой способ анализа материала....... ............2.6

Глава 2. Материалы и методики эксперимента........ ......... 33

2.1 Измерение скорости ультразвука методом автоциркуляции импульсов.............................................. 33

2.2 Метод спекл - интерферометрии.......... .................

2.3 Рентгеновские топографические методы........ .............

2.4 Рентгеновские методы определения напряжений 1-рода и размера кристаллитов............... .............................54

2.5 Материалы для исследования............ ..................59

Глава 3. Взаимосвязь стадийности кривой пластического течения и скорости распространения ультразвука поликристаллических ГЦК металлов и сплавов................. ............................ 65

3.1 Измерение скорости ультразвука на параболической стадии упрочнения поликристаллического алюминия.................66

3.2 Скорость ультразвука и стадийность деформационной кривой в алюминиевых сплавах.....................................^3

Глава 4. Исследование стадии распространения полосы Чернова-Людерса при деформировании стали 09Г2С........................26

4.1 Распределение локальных деформаций при растяжении низкоуглеродистой стали 09Г2С методом двухэкспозиционной спекл

- интерферометрии............... ........................&9

4.2 Измерение скорости распространения ультразвука при деформации стали 09Г2С............................................. $б

4.3 Исследование субструктуры полосы Чернова-Людерса на стали 09Г2С методами рентгеновской дифрактометрии и топографии...

Глава 5. Взаимосвязь скорости распространения ультразвука и стадийности кривой пластического течения поликристаллических промышленных сталей и сплавов.................................

5.1 Измерение скорости ультразвука при деформации стали 65Г. .. .

5.2 Скорость ультразвука в деформируемом кремнистом железе Ре+3%81................................................ 10&

5.3 Определение внутренних напряжений 1-го рода на промышленном сплаве 2г-№>.............................................

Глава 6. Обобщенные кривые изменения скорости распространения ультразвука на различных стадиях пластического течения

поликристаллических материалов................................

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................

ЛИТЕРАТУРА..................................................'Эв

ВВЕДЕНИЕ

Общепринятые модели пластической деформации, как правило, включают в себя представления о ее стадийности. Но если для монокристаллов, в особенности ГЦК- металлов, выделение стадий кривой течения не представляет труда, то для материалов других кристаллических классов и особенно поликристаллов эта процедура остается сложной, так как отсутствуют достаточно информативные и надежные признаки смены механизмов деформации. В последнее время проблема стадийности пластического течения приобрела новый глубокий смысл. Было установлено, что с нею связано принципиальное различие форм локализации деформации, что указывает на различный характер процессов самоорганизации дефектов кристаллического строения в деформируемой системе.

Так, например при изучении пластического течения методом спеклинтерферометрии иногда обнаруживаются изменения вида распределения компонент тензора пластической дисторсии, связанные с заметным изменением кривой а-е.

Исследование пластической деформации поликристаллов с использованием методики измерения распространения ультразвуковых волн позволяет изучить процессы деформирования in situ и выявить дополнительные закономерности деформационного упрочнения твердых тел.

Акустические методы уже давно и успешно используются в исследованиях по физике твердого тела. С их помощью проводится изучение физических свойств и строения твердых тел в широком диапазоне частот упругих колебаний. Электронная структура металлов и сплавов, природа фазовых переходов, структура и свойства дефектов - вот краткий перечень тех вопросов, сведения о которых могут быть получены с помощью современных акустических методов.

Распространение упругих волн в твердых телах характеризуется скоростью этих волн. Скорость распространения ультразвуковых волн в твердых телах функционально связана с модулями упругости, которые в свою очередь определяются силой взаимодействия между соседними атомами в кристаллической решетке. С изменением межатомных расстояний при пластическом деформировании изменяются силы взаимодействия между атомами и соответственно модули упругости, что влечет за собой изменение скорости ультразвука в этих материалах.

К настоящему времени хорошо изучены и широко применяются методы исследования напряженно деформированного состояния поликристаллов, основанные на явлении внутреннего трения, проявляющегося в зависимости от затухания и скорости распространения акустических волн от ее амплитуды. Изучение эффектов внутреннего трения направлено на исследование дислокационной структуры поликристалла, определения плотности дислокаций, характера их взаимодействия с примесными атомами. Результаты интерпретируются на основе дислокационной теории поглощения ультразвука и показывают, что изменения скорости ультразвука связаны с колебаниями дислокаций. Но применение хорошо разработанных методов внутреннего трения для измерения механических свойств и исследования структуры материала весьма затруднительно из-за методических особенностей, связанных с необходимостью приготовления специальных образцов.

Измерить же скорость ультразвука значительно легче, даже в реальных изделиях. Например, металлические конструкции и детали машин в процессе эксплуатации подвергаются действию переменных во времени механических нагрузок, которые могут стать причиной изменения структуры металла и накопления микродефектов, а следовательно, образования макродефектов, зарождения трещин и разрушения изделия. Используемые методы и приборы дефектоскопии имеют существенные ограничения для обнаружения таких

в

изменений. Ультразвуковые, электромагнитные, вихревые дефектоскопы позволяют выявить только наличие уже образовавшихся достаточно крупных трещин. Однако существенно важнее вовремя обнаружить подготовительный этап процесса, связанный с накоплением повреждаемости в металле, а именно стадию накопления дефектности - образование атомных микротрещин, которые не обнаруживаются традиционными методами и серийными приборами. Для решения такой задачи можно воспользоваться акустическим методом, основанным на изменении скорости звука в металле в зависимости от структуры и накопления микродефектов при эксплуатации под действием циклически меняющихся нагрузок или температуры. При эксплуатации металлических конструкций тяжело нагружаемого оборудования в материале наблюдается неравномерное распределение напряженных областей, что приводит к необратимой деформации и, как следствие, к образованию микротрещин их, росту вплоть до макроразрушения. Контроль состояния металла, как при строительстве так и в процессе эксплуатации достаточно сложен и трудоемок, а также, зачастую невозможен, так как необходимо вырезать куски металла из работающей конструкции для лабораторных исследований.

В последнее время все шире применяется более простой метод исследования структуры твердых тел и ее изменений при пластической деформации на основе измерения скорости распространения ультразвуковых волн. В данной работе методом измерения скорости ультразвука исследована стадийность кривых течения поликристаллов от начальной стадии упрочнения до стадии падения деформирующего напряжения (образования шейки).

В связи с этим целью настоящей работы является экспериментальное установление связи между стадийностью кривой пластического течения и изменением скорости распространения ультразвуковых колебаний в поликристаллических металлах и сплавах.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

■ методом автоциркуляции ультразвуковых импульсов измерить скорость распространения акустических поверхностных волн на различных стадиях пластического течения поликристаллических металлов и сплавов;

■ исследовать стадию распространения полосы Чернова - Людерса при деформации поликристаллов низкоуглеродистой стали 09Г2С методом измерения скорости распространения ультразвука и методом двухэкспозиционной спекл - интерферометрии;

■ установить корреляцию между макронапряжениями 1-го рода и скоростью ультразвука в промышленных сплавах.

Новизна полученных результатов определяется тем обстоятельством, что в работе впервые получен и систематизирован большой объем фактических данных об изменениях скорости распространения ультразвука в сталях и сплавах разных структурных классов в области пластических деформаций. Физически обоснованы и экспериментально подтверждены причины определяющие взаимосвязь скорости ультразвука и величины внутренних напряжений, возникающих на различных стадиях кривой деформационного упрочнения.

Практическая ценность работы. Решена важная для промышленности задача технической диагностики и неразрушающего контроля состояния промышленных металлов и сплавов, подвергнутых пластическим деформациям. Принципиальной основой методики является корреляция между скоростью распространения ультразвука и такими характеристиками материала как структура, предел прочности, предел текучести. Исследования, проведенные в лабораторных условиях, позволили установить наличие такой корреляции, ее природу и количественные характеристики. Если образец или деталь работает в области пластических деформаций, то с помощью измерения скорости ультразвука можно обнаружить приближение

стадии разрушения, этому моменту соответствует яркое изменение скорости ультразвука. При этом наблюдения за состоянием поверхности металла в этот момент еще не дают никаких указаний на приближение катастрофической стадии.

На защиту выносятся следующие положения:

■ Совокупность экспериментально обнаруженных закономерностей изменения скорости распространения ультразвуковых колебаний в зависимости от механических характеристик, действующих в области пластических деформаций поликристаллов;

■ Соответствие между различными стадиями кривой нагружения поликристаллов и изменением величины скорости распространения ультразвука;

■ Экспериментальные данные, подтверждающие влияние на скорость ультразвука в поликристаллических металлах и сплавах внутренних напряжений.

Глава 1. Влияние неоднородностей пластической деформации на скорость ультразвука в поликристаллических материалах

1.1. Стадийность кривых деформационного упрочнения

Первые работы, посвященные исследованию кривых течения поликристаллов, были выполнены и опубликованы на ГЦК чистых металлах в период 1953-1967 гг. Бэллом, Коррекером и Хибардом [1,2,3], ими описывалось параболическое упрочнение деформационных кривых, причем было обнаружено несколько стадий. В 1973 г. Бэлл опубликовал по этому вопросу монографию [4]. В начале 60-х годов в работах Махерауха и Швинка [5,6] были описаны стадии II и III на кривых течения поликристаллов чистых металлов. Наличие переходной стадии в поликристаллах идентифицируется в работе [7]. Значительный импульс исследованию стадийности на кривых течения поликристаллов дали исследования выполненные на упорядоченных сплавах. В 1964г. Марсинковский и Чессин [8] на поликристаллах упорядочивающегося сплава FeCo обнаружили продолжительную стадию II в упорядоченном состоянии, сменяющуюся затем стадией III. Эту же картину наблюдали и в работах [9,10,11] на сплавах №3Мп и Ni3Fe. К концу 60-х годов описание стадийности кривой течения упорядоченных сплавов попадает в обзоры и монографии [12,13]. Некоторое время спустя становится ясным, что и в разупорядоченном состоянии кристаллы твердых растворов обнаруживают стадии II и III пластической деформации [14,15]. Картина течения поликристаллов приобретает общий характер независимо от того, сплав это или чистый металл, упорядоченное или разупорядоченное состояние и каков тип кристаллической решетки. В 1976г. в монографии В.С.Ивановой и В.А.Ермишкина [16] явление стадийности;кривых течения описано на ОЦК поликристаллах. Картина кривой течения поликристаллических металлов была представлена в следующем виде (рис. 1.1): переходная стадия, стадия II

I

4к

деформация

Рис. 1.1. Схематическое изображение кривой деформации поликристаллического материала.

и III. С развитием электронной микроскопии была исследована и классифицирована дислокационная субструктура и характер стадийности кривых течения поликристаллических материалов. Важный цикл работ в этом направлении был выполнен В.И.Трефиловым, С.А.Фирстовым, Ю.В.Мильманом и Ф.В.Моисеевым с сотрудниками [17-20], детально изучивших эволюцию дислокационной структуры с развитием деформации на поликристаллических ОЦК-металлах. Именно в их работах впервые вводятся диаграммы "тип субструктуры-деформация" (рис. 1.2) [21]. Данные диаграммы позволяют более четко выявить закономерности эволюционирования дислокационной структуры с ростом плотности дефектов. Это же подтвердил в своем докладе В.А.Лихачев на семинаре в г.Ижевске (1982 г.) [22]. Параллельно проводились экспериментальные исследования в коллективе Э.В.Козлова и Н.А.Коневой [23-28] на разупорядоченных и упорядоченных сплавах, которые позволили расширить и углубить представления о деформации поликристалла на уровне систем скольжения и отдельных зерен: было установлено, что деформация зерен происходит в основных зонах сдвига, количество которых не превышает 3. Схема последовательной смены субстуктур при усталостном нагружении была развита в работе B.C. Ивановой [29]. Большой набор экспериментальных данных подобного рода можно найти в работах Е.Ф.Дударева [30,31,32], Б.И. Смирнова [33]. В работе В.Е. Панина, Ю.В.Гриняева с сотрудниками [34] для описания деформации поликристаллов привлекаются представления механики среды со структурой. Вводится представление о зерне в поликристалле как о структурном элементе деформации, обладающем собственным полем напряжений. Рыбин В.В., используя тензорные представления механики сплошной среды, строит микроскопическую схему деформации поликристалла [35].

Рис.1.2. Диаграмма структурных состояний [21]: I - область существования клубковых сплетений слабо' разориентированных ячеек;

П - область хаотического распределения дислокаций; Ш - область промежуточных структурных состояний; IV - V - области существования разориентированной ячеистой структуры.

\

Все эти исследования приводят к тому, что к концу 70-х-началу 80-х годов представления о качественной взаимосвязи стадий пластической деформации с дислокационной субструктурой проникает в учебники [36-38].

1.2. Деформационное упрочнение поликристаллических материалов

Развитие пластической деформации в поликристаллах является сложным процессом. В основе большинства моделей, предложенных для описания такого процесса, лежат механизмы деформационного упрочнения монокристаллов, а свойства поли- и монокристаллов на всей кривой течения связываются для простоты ориентационным фактором т. Исходя из общих дислокационных соображений, деформационное упрочнение рассматривается как следствие накопления в объекте плотности дефектов различного рода, основная роль здесь традиционно отводится дислокациям. Экспериментально было установлено, что для большей части кривой упрочнения поликристаллов с ОЦК, ГЦК и ГПУ решетками выполняется зависимость

1/2

ст = Go+maoGbp , (1.1)

где Сто - предел текучести поликристаллов, а0 - величина, изменяющаяся в пределах 0,05-1,5 в зависимости от действующего механизма и типа кристаллической решетки материала, G - модуль сдвига, Ь - вектор Бюргерса дислокаций, m - ориентационный фактор. Данная зависимость впервые приведена в работах [39,40,41]. Наличие границ зерен оказывает существенное влияние на протекание процесса пластической деформации в целом и на деформационное упрочнение. В начале пластической деформации гр