Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации

Исследовано влияние предварительного деформирования методами равноканального углового (РКУ) прессования, гидроэкструзии (ГЭ) и поверхностной ультразвуковой (УЗ) деформации на характер формоизменения и структурообразования в продольном и поперечном сечениях локальных объемов большой деформации. Обнар...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автор:	Белоусов, Н.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2008
Назва видання:	Физика и техника высоких давлений
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70445
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации / Н.Н. Белоусов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 104-124. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-70445
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-704452014-11-07T03:01:41Z Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации Белоусов, Н.Н. Исследовано влияние предварительного деформирования методами равноканального углового (РКУ) прессования, гидроэкструзии (ГЭ) и поверхностной ультразвуковой (УЗ) деформации на характер формоизменения и структурообразования в продольном и поперечном сечениях локальных объемов большой деформации. Обнаружены стадийный характер пластического течения и многоуровневое структурообразование при локализации большой деформации в шейке образца. Разработаны и применены специальные методы: поверхностная деформация, кручение при растяжении, опережающее пластическое деформирование (ОПД) для управления процессами пластической деформации и структурообразования. Показана перспективность сочетания данных методов, способствующего усилению фрагментации структуры, делокализации деформации и увеличению пластичности материалов. Influence of preliminary deformation by methods of the equal-channel angular (ECA) pressing, hydrostatic extrusion (HE) and surface ultrasound (US) deformation on forming and structurization in longitudinal and cross-section of local deformation volumes has been investigated. With a high deformation localized in specimen’s neck there was the multilevel structurization and the plastic flow proceeded in stages. Special methods, such as surface deformation, twisting with tension, plastic-deformation advance (PDA) have been developed and applied to control plastic deformation and structurization processes. Combination of the methods is of prospect as it favours structure fragmentation, deformation delocalization and increases plasticity of materials. 2008 Article Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации / Н.Н. Белоусов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 104-124. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.–z, 80.40.Vw http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70445 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследовано влияние предварительного деформирования методами равноканального углового (РКУ) прессования, гидроэкструзии (ГЭ) и поверхностной ультразвуковой (УЗ) деформации на характер формоизменения и структурообразования в продольном и поперечном сечениях локальных объемов большой деформации. Обнаружены стадийный характер пластического течения и многоуровневое структурообразование при локализации большой деформации в шейке образца. Разработаны и применены специальные методы: поверхностная деформация, кручение при растяжении, опережающее пластическое деформирование (ОПД) для управления процессами пластической деформации и структурообразования. Показана перспективность сочетания данных методов, способствующего усилению фрагментации структуры, делокализации деформации и увеличению пластичности материалов.
format	Article
author	Белоусов, Н.Н.
spellingShingle	Белоусов, Н.Н. Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации Физика и техника высоких давлений
author_facet	Белоусов, Н.Н.
author_sort	Белоусов, Н.Н.
title	Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации
title_short	Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации
title_full	Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации
title_fullStr	Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации
title_full_unstemmed	Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации
title_sort	исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2008
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70445
citation_txt	Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации / Н.Н. Белоусов // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 104-124. — Бібліогр.: 23 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT belousovnn issledovaniezakonomernostejplastičeskogotečeniâistrukturoobrazovaniâprinakopleniibolʹšojdeformacii
first_indexed	2025-07-05T19:41:00Z
last_indexed	2025-07-05T19:41:00Z
_version_	1836837199661760512
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 104 PACS: 81.40.–z, 80.40.Vw Н.Н. Белоусов ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ НАКОПЛЕНИИ БОЛЬШОЙ ДЕФОРМАЦИИ Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина E-mail: bel@hpress.fti.ac.donetsk.ua Статья поступила в редакцию 11 марта 2008 года Исследовано влияние предварительного деформирования методами равноканаль- ного углового (РКУ) прессования, гидроэкструзии (ГЭ) и поверхностной ультразву- ковой (УЗ) деформации на характер формоизменения и структурообразования в продольном и поперечном сечениях локальных объемов большой деформации. Об- наружены стадийный характер пластического течения и многоуровневое струк- турообразование при локализации большой деформации в шейке образца. Разрабо- таны и применены специальные методы: поверхностная деформация, кручение при растяжении, опережающее пластическое деформирование (ОПД) для управления процессами пластической деформации и структурообразования. Показана пер- спективность сочетания данных методов, способствующего усилению фрагмен- тации структуры, делокализации деформации и увеличению пластичности мате- риалов. 1. Актуальность темы и цель исследования На стадии больших деформаций пластическое течение и структурообра- зование протекают по своим законам [1–9], которые отличаются от законов классической физики прочности и пластичности [10–12]. Актуальность изу- чения закономерностей пластического течения и структурообразования при больших деформациях объясняется не только внутренними потребностями физики больших деформаций, но и особой важностью прикладного значения данной проблемы. В первую очередь это относится к совершенствованию методов как интенсивной пластической деформации (ИПД), так и деформа- ционного структурообразования: РКУ-прессования, кручения под давлени- ем, прокатки со сдвигом, винтовой экструзии и др. [13–19]. В настоящее время по этим методам накоплен богатый производственный и технологиче- ский опыт [13,14,19], однако с научной точки зрения требуется понимание механизмов пластического течения и структурообразования на различных Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 105 структурно-деформационных уровнях (включая микро-, мезо- и макроуров- ни). Понимание механизмов пластического течения и закономерностей структурообразования на различных уровнях развития больших деформаций может оказать существенное влияние на практику формирования нанокри- сталлических структур и получение современных наноматериалов [15–18]. Существует много различных методов как получения больших пластиче- ских деформаций, так и изучения их влияния на процессы формоизменения и структурообразования [1,2,13,14,16,19]. Как правило, эти методы разрабо- таны и используются независимо друг от друга и не всегда учитывают спе- цифический характер пластического течения и структурообразования при развитии больших деформаций. Актуальным остается выбор такого метода, который бы комплексно сочетал методы получения больших пластических деформаций и непосредственного изучения процессов течения и структуро- образования на различных структурно-деформационных (микро-, мезо- и макро-) уровнях. Одним из перспективных в этом отношении является метод получения и анализа кривых деформации в условиях локализации деформа- ции в шейке растянутого образца [1–9]. Возможность и перспективность ис- пользования данного метода рассмотрены в работах [4,7–9]. Авторы [1–3,8] обосновали принципиальную возможность изучения закономерностей пла- стического течения [1,3] и структурообразования [2,8] при макролокализа- ции большой деформации в шейке образца. Цель работы – по кривым растяжения выбранных металлов и сплавов изучить закономерности структурообразования и характер изменения на- пряженно-деформированного состояния на различных структурно-деформа- ционных уровнях после предварительной деформации. 2. Материал и методика исследований Исследовали различные металлы и сплавы, отличающиеся энергией де- фектов упаковки, наличием равноправных или независимых систем сколь- жения: Ni (99.98% Ni, Тann = 1273 K, tann = 3 h, dav = 160 μm); Cu (99.98% Cu, dav = 20, 180 μm); Al (99.96% Al, dav = 80, 200 μm); Zn (99.999% Zn монокри- сталлический (плоскости деформации (0001) и (1122)) [20,21], 99.97% Zn поликристаллический, dav = 100, 220 μm); Fe-армко (0.04% C, 0.04% Mn, 0.01% Si, 0.36% Cu, dav = 50, 120 μm), Ст3, Ст45, высокоазотистая сталь (HNS) Х18АГ10Н16 (СN = 0.06, 0.3, 0.57%). Материалы изучали как в ис- ходном состоянии, так и после накопления больших деформаций комплекс- ным методом, включающим РКУ-прессование (N = 1–5 проходов, диаметр об- разцов D = 8 mm, длина 24, 30 mm), гидроэкструзию (ε = 0.6), поверхно- стную деформацию сдвига УЗ-ударником (f = 20 kHz, l = 10 μm, t = 1, 5, 10 min) [23]. Структурно-деформационные in situ исследования проводили на усовер- шенствованных и компьютеризированных разрывных машинах ИМАШ-20- 75 (АЛА-ТОО) и 2167Р-50, которые по физическим параметрам и экспери- Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 106 ментальным возможностям дополняли друг друга. Усовершенствование свя- зано с улучшением технических характеристик и расширением эксперимен- тальных возможностей машин путем: а) применения прямого и реверсивного кручения (ϕ = ±0.10°) в условиях активного растяжения и ползучести (ΔF = = ±0.01 N, Δl = ±1 μm); б) непосредственного применения в конструкции машин новых структурно-чувствительных методов: 2D-оптической профи- лометрии (Δh1,2 = ±10–6 m), дилатометрии (Δl = ±10–7 m), оптической микро- скопии (увеличение 10×–1000×) в широком диапазоне длин волн (видимый, ультрафиолетовый) при обычном, косом и поляризованном освещении. Де- формирование осуществляли в следующих режимах: с постоянной скоро- стью (έ = const), при постоянном напряжении (σ = const), при постоянной деформации (δ = const). После РКУ-прессования изготавливали гантелеоб- разные цилиндрические (d = 3 ± 0.1 mm, 5 ± 0.15 mm, L = 15, 25 mm) и пло- ские образцы с полированной поверхностью (∇8), на которую с помощью микротвердомера ПМТ-3 (P = 50 g) алмазной пирамидой наносили кон- трольные отпечатки (в продольном и поперечном направлениях). После гид- роэкструзии ( ( )2 2 2 0 0/d d dε = − , где d0 = 8 mm, d = 3 mm) использовали гото- вые проволочные образцы (d = 3 ± 0.2 mm, l = 100 mm), которые подвергали кручению в процессе активного растяжения и ползучести. В ходе комплексных испытаний на растяжение и ползучесть (при необхо- димости с наложением деформации кручения) через определенные проме- жутки времени Δt (вплоть до разрушения) проводили профилометрические измерения профиля и размеров шейки образца (в продольном l и поперечном d направлениях) с точностью Δ(l, d) = ±0.5, 1, 10 μm, а также вычисления скорости пластической деформации путем деления приращения деформации Δ(ε,ψ) на приращение времени Δt с точностью Δ(ε,ψ)/Δt = ±0.5, 1, 10 μm/s. Для этого использовали 2D-датчик перемещения и длиннофокусные микро- скопы МВТ-71У4.2 (в конструкции ИМАШ20-75, увеличение 500×) или МБС-9 (в конструкции 2167Р-50, увеличение 100×). При использовании 2D- датчика перемещений в реальном масштабе времени одновременно с запи- сью кривых растяжения и ползучести определяли скорость пластической деформации Δ(ε,ψ)/Δt в двух направлениях: вдоль и поперек образца. Для контроля и компьютерного анализа 2D-размеров и профиля шейки образца и оценки скорости пластической деформации на различных стадиях локализа- ции течения применяли также фоторегистрацию с помощью специальной цифровой фотокамеры, установленной на тубусе микроскопа и совмещен- ной с компьютером. Обработку картин осуществляли с помощью программ ImageTool и Origin. Профиль шейки с нанесенными отпечатками выводили на дисплей компьютера в реальном времени одновременно с кривой дефор- мации. Будем различать стадии микро-, мезо- и макролокализации шейки при оптических исследованиях с увеличениями порядка 1000×, 100× и 10× соответственно. Морфологические параметры использовались для опреде- Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 107 ления истинных напряжений (деформаций) и характера их распределения вдоль и поперек оси растяжения образца. Отпечатки алмазной пирамиды применяли для измерения расстояния между ними (за определенный проме- жуток времени) с последующей оценкой скорости деформации. Для in situ исследования эволюции деформационного рельефа в процессе растяжения применяли следующие методы оптической металлографии (ОМ): а) температурно-вакуумное травление полированной поверхности об- разца после различных степеней локализации течения в шейке непосредст- венно в деформационной камере (при T = 350–850 K, P = 10–5–10–6 mm Hg); б) химическое травление деформированной поверхности шейки (при T = 300 K, P = Patm, для Fe травление в 5%-ном растворе пикриновой кислоты в этило- вом спирте); в) косое освещение (при различных увеличениях) для изучения структурно-деформационного рельефа полированной поверхности образца на различных уровнях локализации деформации; г) оптическое исследова- ние (в видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн) характера на- пряженно-деформированного состояния по рисунку растрескивания окисно- го слоя (для Fe и стали), который предварительно получали путем контро- лируемого окисления поверхности нагретого образца в результате дозиро- ванного напуска кислорода в вакуумную камеру; д) оптическое исследова- ние (при обычном и поляризованном освещении) характера растрескивания специального лака, предварительно нанесенного на поверхность образца, в местах наибольшего развития локального течения; е) оптическое изучение структурно-деформационного рельефа полированной поверхности образца с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4. Первые четыре метода применяли непосредственно в температурно- вакуумной камере деформационной машины ИМАШ-20-75, совмещенной с высокотемпературным микроскопом МВТ-71У4.2 и выводом оптической информации на дисплей компьютера. С помощью МИИ-4 проводили коли- чественные исследования эволюции деформационного рельефа по таким па- раметрам, как длина, высота и плотность следов скольжения, с учетом, что длина линий скольжения пропорциональна длине свободного пробега дис- локаций, высота ступеньки, образующейся на линии скольжения, – числу дислокаций, испущенных источником, а плотность линий скольжения – ко- личеству активных источников дислокаций. Высоту ступенек вычисляли по измеренным величинам смещений интерференционных линий по формуле: h = λ/2((N3 – N4)/(N1 – N2)), где λ – длина волны монохроматического излу- чения, N1–N4 – положения интерференционных полос. С помощью микроинтерферометра МИИ-4 (×490) измеряли искривления и выступы не менее 0.1 величины интервала между интерференционными полосами, что эквивалентно минимальной величине неровности на дефор- мируемой поверхности, равной (λ/2)⋅0.1 = 0.05λ (где λ – длина волны, λ/2 – величина интервала между интерференционными полосами). Для зеленого света (λ = 0.550 μm) наименьшая величина деформационного рельефа, кото- Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 108 рую измеряли, равна 0.05⋅0.55 = 0.0275 μm. Интерференционный метод применяли следующим образом: исследуемый образец деформировали сту- пенчато на различные степени деформации, и перед последующим дефор- мированием проводили полировку боковой поверхности образца. Это обес- печивало практически полное уничтожение фона линий скольжения, соз- данных во время предыдущего этапа деформирования, и все наблюдаемые полосы скольжения относились к последнему этапу деформации. Для микроструктурных исследований характера локализации деформации (методами оптической металлографии) после образования шейки различной кривизны (вплоть до разрушения) использовали следующую методику: одну половину образца разрезали поперек, а другую – вдоль их длины; изготавли- вали соответствующим образом шлифы с полировкой и химическим травле- нием для выявления микрозеренной структуры в поперечном и продольном сечениях. При кручении цилиндрических образцов записывали диаграммы крутящих моментов как функции угла закручивания, из которых вычисляли: а) максималь- ные касательные напряжения по формуле [5]: 3 max 1/ 2 (3 (d / d ) )r M Mτ = π + θ θ , где r – радиус образца; M – крутящий момент; производная dM/dθ определя- лась графически по кривой M(θ); θ – удельный угол закручивания, θ = ϕ/l (ϕ – угол кручения в rad, l = 100 mm – длина образца); б) максимальные сдвиго- вые деформации по формуле [5]: 2 2 max ln(1 / 2 1 )g = + γ + γ + γ , где γ = r/θ – максимальный сдвиг, равный произведению радиуса r образца на удельный угол закручивания θ. При растяжении максимальные касательные напряже- ния τmax равны половине эффективного нормального напряжения S0, т.е. τmax = S0/2. Максимальный истинный сдвиг определяли по формуле [5]: gmax = = ln(1/(1 – ψn)), ψn = (s0 – sn)/s0, где sn, s0 – площадь сечения в шейке и на па- раболической стадии соответственно. Обработку кривых деформации за пределом прочности осуществляли также в рамках теории Романа–Родригеса [22]: 1,2 1,2 2 2 1 1 0.2 2 1,2 1,2 2 11 1 1 1 A n n n ⎛ ⎞σ ε −σ ε = σ + ⎜ ⎟ε −ε + + ε −ε⎝ ⎠ , где n1,2 – коэффициент деформационного упрочнения на участке между ε2 и ε1; А1,2 – работа, затраченная на деформирование образца в определенном интервале деформаций ε = (ε2 – ε1), определялась как площадь под кривой деформации. Эта формула взята за основу, только вместо σ0.2 подставляли σb, а напряжения и деформации брали истинные. Поправочный коэффициент Бриджмена определяли по формуле [1]: 1 Br 11 2 ln 1 2 R rk r R − ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ , где r – радиус образца в шейке, R – радиус кри- визны шейки. Электронно-микроскопическое (ЭМ) определение размеров ячеек фраг- ментированной структуры осуществляли стандартными методами на элек- Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 109 тронном микроскопе ПЭМ-100К (при увеличении (2–2.5)⋅104×) с предвари- тельной подготовкой фольг на приборе ПТФ-2. Исследование эволюции структуры как функции истинной логарифмической деформации е = ln(1/(1 – ψ)) в шейке после одноосной деформации растяжения и разрыва методом ПЭМ проводили двумя способами с использованием одного или нескольких об- разцов: 1) по достижении заданного локального сужения ψ деформирование прекращали и из наиболее тонкого сечения электроискровым методом (при- бор ПТФ-2) вырезали заготовку диаметром 3 mm и толщиной 0.3 mm, затем электрохимическим травлением приготавливали фольги; 2) из деформиро- ванного вплоть до разрушения образца приготавливали несколько фольг из сечений с различными ψ. Размеры ячеек оценивали по формуле 2 /d S= π , где S – площадь ячейки. Плотность дислокаций подсчитывали по среднему расстоянию между ними [8]. Проявление фрагментированной структуры на- блюдали в режиме темнопольного изображения. Компьютерную обработку осуществляли с помощью программы ImageTool. Размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) и величину внутренних микронапряжений рассчитывали методами рентгеноструктурного анализа (РСА) на дифрактометре ДРОН-3 с помощью программ DronCalc и FullProf. Плотность дислокаций Λ определяли стандартными методами ОМ путем химической полировки и травления поверхности с последующим подсчетом количества ямок травления на выделенных участках поверхности. 3. Результаты исследования и их обсуждение Управление процессом локализации пластической деформации и ло- кального структурообразования. Для управления процессом локализации пластической деформации и кинетикой формирования шейки на различных уровнях ее развития разработаны и применены специальные методы: 1) ин- тенсивная поверхностная деформация со сдвигом; 2) кручение при растяже- нии; 3) опережающее пластическое деформирование. В первом случае по- верхность образца перед растяжением предварительно интенсивно обраба- тывали специальным УЗ-ударником, создающим сдвиговые компоненты де- формации на поверхности образца [23], во втором – осуществляли кручение (Δϕ/Δt = 5⋅10–3 rad/s) в процессе непрерывного растяжения (Δε/Δt = 10–3 s–1) после предварительной деформации РКУ-прессованием, в третьем – проводили ОПД путем введения дополнительной энергии в образец за пределами зоны ло- кализации большой деформации, что способствовало подготовке материала к распространению фронта пластической деформации перед шейкой образца. Метод ОПД основан на использовании явления акустопластического эф- фекта [21,22]. ОПД выполняли УЗ-ударником со сферическим активатором [23], который мог: а) прижиматься к поверхности растягиваемого образца с силой в пределах F = 1–103 N; б) вращаться вокруг своей оси с различной скоростью Δϕ/Δt = 10–360°/min; в) перемещаться в направлении развития зо- ны локальной деформации со скоростью в пределах Δl/Δt = 0.01–100 mm/min. Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 110 В способе ОПД механическая энергия процесса формоизменения комбини- ровалась с дополнительной энергией периодического деформирования УЗ- частоты. Часть работы, которая при обычной локализации деформации затра- чивалась на пластическое формоизменение в зоне формирования шейки, при ОПД выполнялась УЗ-активатором еще до начала процесса макролокализации деформации. Сохраненная работа способствовала удлинению формы шейки в продольном направлении и повышению пластичности материала за пределом прочности на ниспадающей части кривой деформации. Осуществляли варьиро- вание скоростью оборотов и силой прижатия УЗ-активатора: при малых оборо- тах и небольших усилиях прижатия выполняли часть работы локального де- формирования за пределами зоны формирования шейки; при больших оборо- тах и усилиях прижатия (ϕ ≥ 360°/min, F ≥ 103 N) в окрестность зоны локальной деформации вводили дополнительную тепловую энергию, что временно сни- жало прочность материала и повышало его пластичность в локальных объемах большой деформации. Кривые деформации записывали одновременно с фото- регистрацией морфологических параметров локализации пластической дефор- мации на различных этапах формирования шейки (рис. 1). а б в г Рис. 1. Характер локализации пластического течения (а, в, г) и вид разрушения (б) образцов Cu при растяжении (Δl/Δt = 1 mm/min) в условиях кручения (θ = 1.8 rad/mm); а, в – после РКУ-прессования (а – N = 1, в – N = 3) и ГЭ (ε = 0.6); г – после РКУ-прессования (N = 3), ГЭ (ε = 0.6) и ОПД (F = 102 N, Δϕ/Δt = 3 rad/min, Δl/Δt = = 1.2 mm/min) На рис. 2 приведены кривые деформации методом растяжения образцов Cu (исходные значения: 0 Tσ = 180 MPa, δ0 = 45%), подвергнутых комбини- рованному воздействию больших деформаций. При комбинировании методов пластической деформации реализована воз- можность целенаправленного управления процессами деформационного струк- турообразования на различных структурно-деформационных уровнях в ло- кальных объемах больших деформаций. После многократной поверхностной деформации со сдвигом (f = 20 kHz, l = 10 μm, t = 10 min) после РКУ-прес- сования (N = 3) в зависимости от силы прижатия ударника в исследуемых ме- таллах возникал поверхностный слой с градиентной по толщине (d = 2–20 μm) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 111 структурой. Для образцов Cu (рис. 3) непосредственно под поверхностным слоем после травления и полировки обнаружено наличие сетки мезополос более мелкой, чем сопряженные макрополосы, наблюдаемые после РКУ- прессования без поверхностной деформации. Картина распределения мезо- полос зависела от ряда факторов, связанных с амплитудой, частотой и вре- менем УЗ-деформации. 0 20 40 60 0 100 200 300 400 32 σ , M Pa ψ, % 1 0 10 20 30 40 0 100 200 300 400 32 1 σ , M Pa ψ, % а б Рис. 2. Характерный вид кривых деформации образцов Cu при: а – растяжении (Δl/Δt = 1 mm/min) в условиях кручения (θ = 1.8 rad/mm) с ОПД (F = 102 N, Δϕ/Δt = = 3 rad/min, Δl/Δt = 1.2 mm/min); б – многократной поверхностной деформации со сдвигом (f = 20 kHz, l = 10 μm, t = 10 min, n = 6); 1, 2 – после предварительного РКУ-прессования (1 – N = 1, 2 – N = 3) и ГЭ (ε = 0.6); 3 – после РКУ-прессования (N = 3), ГЭ (ε = 0.6) и ОПД а б в Рис. 3. Влияние поверхностной деформации со сдвигом (f = 20 kHz, l = 10 μm, t = = 10 min) и силы прижатия ударника F на микроструктуру Сu: а – F = 10 N, б – 102 N, в – 103 N; 1 – рельеф поверхности (продольный срез), увеличение 100×; 2 – сетка мезополос деформации под деформированным поверхностным слоем (поперечный срез), увеличение 500× Поверхностная деформация со сдвигом после РКУ-прессования приводи- ла к делокализации деформации на мезоуровне и создавала условия для за- держки макролокализации деформации в шейке, что способствовало допол- нительному упрочнению и удлинению стадии пластической деформации на макроуровне (см. рис. 2,б). 1 1 1 2 2 2 Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 112 Морфологические особенности макролокализации течения и харак- тер изменения напряженно-деформированного состояния в условиях большой деформации в локальном объеме. Исследованы морфологические особенности макролокализации течения и характер изменения напряженно- деформированного состояния вдоль проволочного образца Cu после предва- рительного РКУ-прессования и ГЭ (рис. 4). 0 2 4 6 8 10 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3 2 l, mm d, m m 1 0 2 4 6 8 10 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1 3 2 1 e l, mm а б Рис. 4. Количественные изменения профиля шейки Cu (а) и распределение истин- ных деформаций (б) по длине образца после РКУ-прессования (N = 5) и ГЭ (ε = 0.6) для различных значений деформации и напряжения: 1 – δ = 3%, σ = 120 MPa; 2 – δ = 15%, σ = 270 MPa; 3 – δ = 25%, σ = 375 MPa При увеличении кривизны шейки (рис. 4,а) наблюдается все большее по- вышение осевых нормальных напряжений при относительно все меньшем увеличении касательных напряжений (рис. 4,б). Это подтверждается тем, что разрушение образца в шейке происходит в основном в результате отры- ва под действием нормальных напряжений, а не сдвигом под влиянием каса- тельных напряжений. Морфологические особенности характера разрушения отрывом представлены на рис. 1,б. Согласно результатам, представленным на рис. 4, в процессе локализации большой деформации в шейке исследуе- мых образцов наблюдался градиентный характер распределения истинных деформаций: в центральной ее части степень деформации намного превы- шала значение равномерной деформации, а значения напряжений, дейст- вующих в области шейки, существенно превосходили предел прочности. При растяжении предварительно деформированных образцов в шейке начи- нало формироваться «передеформированное» (по терминологии [2]) состоя- ние, в котором должны протекать интенсивные структурные изменения, что является предметом настоящих исследований. Определение деформационных условий нарушения однородности пла- стического течения путем учета искажающего влияния шейки при ло- кализации большой деформации. Согласно методике, предложенной в [1,4], количественные морфологические изменения в шейке (для Zn, Al, Cu, Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 113 Fe-армко, Ni) после РКУ-прессования находили отношением радиуса шейки r к радиусу кривизны ее контура R. Определяли зависимость формы шей- ки r/R от величины истинной дефор- мации е, а также зависимость попра- вочного коэффициента Бриджмена kBr [1] от r/R для Cu (после РКУ-прессо- вания). Учет поправочного коэффи- циента kBr позволил привести в соот- ветствие кривые растяжения при мак- ролокализации деформации (рис. 5, кривая 1) к кривым кручения, где де- формация протекала однородно – без образования шейки (рис. 5, кривая 2). Учет поправочного коэффициента на неоднородность (рис. 5, кривая 3) позволил осуществить расчеты параметров напряженно-деформированного состояния на ниспадающей ветви диаграммы растяжения и свести неравно- мерный характер распределения напряжений в шейке к равномерному (для предварительно деформированных образцов). Это формально позволит в дальнейшем рассматривать развитие больших деформаций в шейке как од- нородный (равномерный) процесс. Расширение условий применимости законов классической физики прочности и пластичности к физике больших деформаций. Если пласти- ческую деформацию в шейке можно привести к однородной (при учете по- правочных коэффициентов на неоднородность), то целесообразно попытать- ся распространить основные закономерности деформационного упрочнения и структурообразования (установленные для интервала равномерной дефор- мации) на интервал больших локальных деформаций. Это позволило бы ис- пользовать ниспадающие ветви диаграммы растяжения для осуществления расчетов структурно-деформационных параметров в области больших ло- кальных деформаций. Для подтверждения данного предположения исходные кривые перестраива- лись в истинных координатах, соответствующих различным теориям равно- мерного течения [1,3,10–12], таких как: lnσ–lnε, σ –ε1/2, ln(dσ/dε)–lnε. Обработ- ку кривых деформации за пределом прочности (см. рис. 1) осуществляли в рамках зависимостей [22] (учитывающей работу деформации и адиабатический нагрев) и [3] (описывающей условия формирования ячеистой структуры). Об- наружено количественное совпадение коэффициентов деформационного уп- рочнения (с точностью ±20%). При построении кривых деформации (в коорди- натах [22] и [3]) наблюдались перегибы при приблизительно одинаковых сте- пенях локализации течения в шейке. В терминах классических представлений 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 100 200 300 3 2 τ m ax , G Pa gmax 1 Рис. 5. Сопоставление кривых дефор- мации Cu, полученных методами рас- тяжения и кручения после РКУ-прессо- вания (N = 3): 1 – растяжение без по- правки; 2 – кручение; 3 – растяжение с учетом поправочного коэффициента kBr на искажающее влияние шейки Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 114 [3] для условий равномерной деформации это может свидетельствовать о том, что стадийный характер развития структурно-деформационных процессов про- являлся и в начальных условиях развития больших деформаций. Для объяснения характера пластического течения и деформационного структурообразования при больших деформациях (по крайней мере на на- чальных стадиях ее развития) целесообразно использовать знания классиче- ской физики прочности и пластичности применительно к закономерностям проявления коллективных эффектов в ансамбле сильновзаимодействующих дислокаций. Это обстоятельство может исключить необходимость разработ- ки качественно новых теорий и принципов в рамках физики больших де- формаций. На завершающей стадии локализации деформации в шейке, ве- роятно, следует ожидать появления качественно новых структурно- деформационных состояний. Исследование влияния предварительного РКУ-прессования и гидро- экструзии на характер изменения микро- и мезоструктур на различных стадиях локализации деформации. Практический интерес представляют исследования характера микроструктурных изменений в условиях «переде- формированного» состояния, которое формировалось в локальных объемах предварительно деформированных материалов. Исследовали влияние степе- ни РКУ-прессования (N = 1, 3) и последующей ГЭ на характер формирова- ния деформационного рельефа и дислокационной структуры при локализа- ции деформации в шейке образца. Для монокристаллов Zn обнаружили, что уже при N = 1 на начальной стадии локализации деформации образуются узкие участки (шириной от 0.1 до 0.5 mm), в которых наблюдается умень- шение поперечного диаметра образца в пределах от 0.01 до 0.05 mm. В про- цессе дальнейшей локализации деформации начинал формироваться явно выраженный профиль шейки, состоящий из суммарного действия микро- и мезолокализованных сдвигов (в виде ступенек), которые смещались в раз- ных участках шейки с различными скоростями и как бы запаздывали за ве- личиной внешней макродеформации. На параболической стадии кривой де- формации исходных образцов Zn наблюдали формирование лишь отдельных линий скольжения (рис. 6,I,а). В условиях локализации деформации после РКУ-прессования (N = 1) отмечали характерный деформационный рельеф в виде появления сопряженных полос деформации (под углом 45–60°) к на- правлению действия нагрузки (рис. 6,I,б). После РКУ-прессования (N = 3) в начальных условиях локализации деформации наблюдали появление новых ориентаций полос скольжения и увеличение их по толщине (рис. 6,I,в). На рис. 6,II для монокристаллов Zn представлены характерные структуры из пирамидальных дислокаций при различных значениях величины РКУ- прессования. Количественные изменения параметров деформационного рельефа и дис- локационной структуры полированной поверхности Zn (после N = 1) в зави- симости от степени локализации деформации представлены на рис. 7. Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 115 I а б в II а б в Рис. 6. Микроструктурные изменения при макролокализации деформации: I – де- формационные рельефы на базисной плоскости; II – дислокационные структуры из пирамидальных дислокаций при различных значениях величины РКУ-прессования: а – N = 0, б – 1, в – 3; увеличение 500× 0 4 8 12 16 20 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 20 30 40 50 <n >, 1 0–2 μ m –1 e = ln(1/1 – ψ) 1 2 <h >, 1 02 μ m 0.01 0.1 1 10 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 0 2 4 6 8 10 d C SR , 1 0–5 c m e = ln(1/(1 – ψ)) 1 2 3 4 5 λ , 1 0–1 0 c m –2 , Λ , 1 0–9 c m –2 а б Рис. 7. Микроструктурные изменения средних параметров: а – деформационного рельефа методом ОМ: линейной плотности (1) и высоты (2) полос скольжения; б – субмикрокристаллической и дислокационной структур различными методами: 1 – размеры ОКР (РСА); 2 – величина дислокационных ячеек (ПЭМ); 3, 4 – общая плотность дислокаций (3 – ОМ, 4 – РСА); 5 – плотность дислокаций в субграницах ячеек (ПЭМ) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 116 Согласно результатам, представленным на рис. 7, для Zn в условиях мак- ролокализации деформации, высота полос скольжения начинала уменьшать- ся по мере увеличения их плотности. Оба структурных элемента (высота и линейная плотность полос скольжения) выходили на насыщение по мере развития макролокализации пластической деформации. При переходе от ме- зо- к макролокализации деформации наблюдали нарушения прямолинейно- сти полос деформации. Этими полосами образец разделялся на отдельные части с различной степенью деформации. При дальнейшем развитии макро- локализации деформации эти части поворачивались и изгибались относи- тельно друг друга и относительно направления действующей силы. Подоб- ные исследования проведены для Fe-армко и Cu. При этом наблюдались за- кономерности, характерные для Zn. Практический интерес представляют исследования характера морфологи- ческих изменений зеренной структуры в различных направлениях локальной деформации после предварительного РКУ-прессования и ГЭ. На начальной стадии макролокализации деформации в шейке образца начинали изменять- ся как форма, так и размеры зерен в поперечном (рис. 8,I) и продольном (рис. 8,II) сечениях. I а б в II а б в Рис. 8. Деформационные изменения микроструктуры Cu (после РКУ-прессования, N = 2) и ГЭ (ε = 0.6) в поперечном (I) и продольном (II) сечениях при различных значениях локализованной деформации: а – е = 0.2, б – 0.5, в – 0.8; увеличение 500× Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 117 Получено, что после РКУ-прессования (N = 2) и ГЭ (ε = 0.6) зерна в попе- речном сечении имели достаточно правильную полиэдрическую форму со средним размером в пределах d ≈ 50 ± 5 μm (рис. 8,I). В продольном сечении шейки при развитии макролокализации деформации начинала формировать- ся специфическая текстура растяжения (рис. 8,II): зерна настолько вытяги- вались, что металлографическое выявление их границ (температурно- вакуумным или химическим травлением) становилось затруднительным. Обнаружено, что интенсивность изменения формы и размеров различных зерен по мере развития макролокализации деформации в шейке зависела от их ориентации по отношению к растягивающей силе. Более значительные изменения структуры, вероятно, можно выявить на субмикроскопическом уровне с помощью методов ПЭМ. Исследование влияния предварительного РКУ-прессования и гидро- экструзии на характер изменения субмикроскопических структур в ло- кальном объеме большой деформации. Для различных стадий локализации деформации проведены электронно-микроскопические исследования (ПЭМ, увеличение 2.5·104× и 2·104×) начальных стадий изменения параметров суб- микроскопической структуры (Fe-армко, Ст3, HNS (CN = 0.06%)) до и после обработки РКУ-прессованием и ГЭ (рис. 9). Обнаружено (рис. 9.I,а), что на- чальная стадия локализации деформации (ψ ≈ 0.2) при N = 1 характеризова- лась формированием ячеистой структуры среди однородно-распределенных I а б в II а б в Рис. 9. Характерные изменения ячеистой структуры Fe-армко при макролокализа- ции деформации в шейке (ПЭМ, светлое поле) в поперечном (I) и продольном (II) срезах шейки (ψ ≤ 0.6): а – N = 1, б – N = 3; (ψ ≤ 0.4) в – N = 5; увеличение 2.5·104× Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 118 дислокаций. При дальнейшем развитии локализованного течения дислока- ционные линии искривлялись и перепутывались, трансформируясь в объем- ные образования типа жгутов и клубков (рис. 9,I,б). На характер формирова- ния ячеистой структуры оказывали влияние, с одной стороны, степень пред- варительной деформации и стадия локализации деформации при формиро- вании шейки, с другой – параметры исходной зеренной структуры деформа- ционного происхождения. Обнаружено, что чем мельче зерно (больше сте- пень предварительной деформации), тем легче образовывалась ячеистая структура внутри деформированных зерен. После обработки РКУ- прессованием (N = 1, 3) для Ni, Ст3 при макролокализации деформации (ψ ≤ 0.6) в сравнении с исходным состоянием обнаружены общие законо- мерности с Fe-армко (рис. 9,I,а,б): ячейки становились более неоднородны- ми по величине (со средним размером d ≈ 1–2 μm); границы ячеек уширя- лись (Δ ≈ 0.2–0.5 μm) и состояли из хаотически переплетенных дислокаций с плотностью Λ ≈ 1010 сm–2; разориентировка соседних границ увеличивалась до Δθ ≈ 0.2–0.3°. После максимальной обработки РКУ-прессованием (N = 5) параметры ячеистой структуры в сравнении с исходными при локализации деформации в шейке (на различных стадиях ее развития) изменялись следующим обра- зом (рис. 9,I,в): а) ячейки начинали измельчаться, и их наиболее вероятный размер (при ψ ≤ 0.5) асимптотически приближался к d ≈ 0.2–0.5 μm; б) мак- симальные изменения происходили при деформации в пределах 0.1 ≤ ψ ≤ ≤ 0.3, где размер ячеек уменьшался в n ≈ 2–3 (в поперечном сечении) и уве- личивался вдоль оси растяжения (продольный срез) приблизительно во столько же раз; в) при увеличении деформации в пределах 0.3 ≤ ψ ≤ 0.5 раз- мер ячеек изменялся не более чем в n ≈ 1.2–1.5; г) толщина дислокационных границ уменьшалась от Δ ≈ 0.5 μm (при ψ ≈ 0.05) до Δ ≈ 0.06 μm (ψ ≈ 0.5); д) плотность дислокаций внутри субграниц увеличилась от λ ≈ 1010 сm–2 (при ψ ≈ 0.05) до λ ≈ 1011 сm–2 (ψ ≈ 0.5); е) углы разворота соседних ячеек увеличивались до θmax ≈ 0.3–0.5°. На завершающей стадии формирования шейки (ψ ≈ 0.5, N = 5) в ячеистой структуре, кроме количественных, начина- ли проявляться и качественные изменения (рис. 9,I,в; II,в), обусловленные в первую очередь: а) появлением новых кристаллографических ориентаций в отдельных исследуемых участках; б) увеличением плотности нескомпенси- рованных дислокационных границ, которые обрывались, как правило, внут- ри ячеистой структуры; в) попарным группированием соседних оборванных границ в специфические конфигурации, имеющие форму замкнутых петель, охватывающих несколько ячеек; г) изменением дифракционного контраста (рис. 9,I,в) в различных участках ячеистой структуры, что может свидетель- ствовать о значительных локальных микронапряжениях, приводящих к из- гибу плоскостей скольжения. Обнаружено, что максимально деформированная структура (ψ ≈ 0.5, N = 5) представляла собой набор таких петель, в результате чего исследуемая об- Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 119 ласть разбивалась (при темнопольном изображении) на сильноразориенти- рованные фрагменты (более чем на 1°) со значительно большими размерами (до 1 μm), чем размеры отдельных ячеек. Кроме этого, чем больше вытяги- вались высокоугловые ячейки вдоль оси деформации, тем сильнее они раз- ворачивались друг относительно друга (рис. 9,II). Структурные конфигура- ции типа диполей и частичных дисклинаций в условиях потери механиче- ской устойчивости ранее наблюдались на Mo в работе [8]. Согласно результатам, представленным на рис. 7,б, все исследуемые суб- микроструктурные параметры (величина ОКР и дислокационных ячеек, плотность дислокаций в границах ячеек) в зависимости от степени деформа- ции выходили на насыщение, начало которого в пределах точности экспе- римента совпадало с интенсивным развитием шейки на ниспадающем уча- стке кривой деформации. С выходом на участок макролокализации дефор- мации кроме субмикроструктурных параметров наблюдалось также насы- щение структурных параметров на мезо- и макроскопическом уровнях, а именно: внутризеренной плотности дислокаций (рис. 7,б), высоты и линей- ной плотности полос скольжения (рис. 7,а). Замечено, что чем больше вели- чина РКУ-прессования, тем при меньших степенях деформации структур- ные параметры начинали выходить на насыщение. Характер изменения суб- микро-, микро- и мезоскопических параметров деформационной структуры в локальных объемах (рис. 7,а,б) при переходе на уровень большой дефор- мации, по-видимому, может свидетельствовать о том, что дислокационный механизм ее перестройки перестал играть доминирующую роль в пластиче- ском течении в данных условиях. Тем не менее пластическое течение (в продольном сечении) в условиях макролокализации продолжалось, несмот- ря на исчерпание возможностей дислокационных перестроек (в поперечном сечении), поэтому более вероятно предположить участие другого конкури- рующего механизма пластической деформации, либо образование новых структурных элементов, либо изменение характера напряженно-деформиро- ванного состояния при локализации деформации. Таким образом, на различных стадиях формирования шейки осуществля- ется переход от механизма трансляционных сдвигов в границах индивиду- альных ячеек (при поперечной макролокализации) к коллективным и само- согласованным сдвигам в границах целых групп ячеек в ансамбле сильно- взаимодействующих дислокаций (при продольной макролокализации). По- добный механизм трансформации дислокационных границ и характер изме- нения пластического течения и разрушения (в поперечном и продольном се- чениях), по-видимому, можно применить для объяснения явления хрупко- вязкого перехода в Zn при изменении условий локализации большой дефор- мации как в базисной, так и в пирамидальных системах скольжения [21,22]. Вероятность протекания таких процессов может увеличиваться при усиле- нии влияния термической активации, например, за счет адиабатического на- грева в процессе растяжения и формирования шейки. Для подтверждения Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 120 данного предположения необходимы специальные теплофизические иссле- дования. Кроме этого, анизотропное протекание деформационных процессов должно отразиться на характере изменения коэффициента Пуассона. Влияние предварительного РКУ-прессования и гидроэкструзии на ха- рактер изменения скорости пластического течения и анизотропию ло- кализации большой деформации. Сравнение кривых деформации образцов Cu, Zn, Al, Ni, Fe-армко в исходном состоянии и после РКУ-прессования в условиях Δε/Δt = const и σ = const позволило выделить три стадии локализа- ции деформации и установить корреляцию с коэффициентом деформацион- ного упрочнения n при обработке в рамках деформационных теорий [2,22] (рис. 10). Выделены стадии: а) микролокализации деформации с линейным ростом скорости деформации при сравнительно постоянном коэффициенте деформационного упрочнения n ≥ 0.5; б) мезолокализации деформации с на- чалом скачкообразного изменения скорости деформации и нелинейным из- менением коэффициента упрочнения 0.5 ≥ n ≥ 0.3; в) макролокализации де- формации с линейным ростом скорости деформации при прогрессирующем разупрочнении, связанном с образованием и развитием макроскопической шейки n ≤ 0.2. После РКУ-прессования (N = 5) и поверхностной обработки наблюдаемые эффекты качественно изменялись и смещались по шкале де- формации (рис. 10. кривые 2, 3). Вероятно, немонотонный характер измене- ния скорости пластического течения (рис. 10) может быть связан с характе- ром изменения деформационного рельефа в условиях локализации деформа- ции (см. рис. 7). Для монокристаллов Zn, ориентированных для осуществления базисного скольжения [20,21], проведены подобные исследования и обнаружено, что увеличение поперечной деформации в условиях кручения инициировало уменьшение скорости деформации вдоль оси растяжения и увеличение ко- эффициента деформационного уп- рочнения. При резком повышении нагрузки на стадии макролокализа- ции скорость пластической дефор- мации в шейке росла с определен- ной задержкой (до нескольких се- кунд), не связанной с инерционны- ми свойствами деформационных машин, что, вероятно, является од- ной из особенностей макролокали- зации большой деформации. На различных этапах формиро- вания шейки наблюдалась корре- ляция между появлением полос ло- кализации деформации (см. рис. 7) и скачками деформации (рис. 10). 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 100 200 300 400 0 2 4 6 8 10 Δε /Δ t, 10 2 m m /s σ, MPa 1 2 3 n Рис. 10. Изменение скорости пластиче- ской деформации (кривые 1, 2) и коэф- фициента деформационного упрочнения (кривая 3) в зависимости от напряжения σ для исходных образцов Cu (кривая 1) и после деформации (N = 5, кривые 2, 3) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 121 Скачки были различной величины: вдоль деформации – на порядок больше, чем в поперечном направ- лении. На параболической стадии кривой упрочнения и микролока- лизации наблюдалось пропорцио- нальное изменение размеров об- разца в двух направлениях. При трансформации очага локализации деформации в шейке проявлялись отклонения от пропорционального изменения ее размеров: сечение переставало быть круглым, а кон- тур терял вращательную симмет- рию. Эти процессы связаны с ани- зотропией пластического течения и должны отразиться на величине и характере изменения коэффициента Пуас- сона, особенно в области больших деформаций. Исследования Cu показали (рис. 11, кривые 2, 3), что значение коэффициента Пуассона ν [5] за преде- лом упругой деформации увеличивалось от начального значения ν ≈ 0.30 (для исходного состояния) до ν ≈ 0.46 на пределе прочности. В условиях развития шейки коэффициент ν уменьшался до значения ν ≈ 0.38. Предвари- тельная деформация комбинированными методами (РКУ-прессование (N = 5) и поверхностная УЗ-обработка) приводили к количественным изменениям в характере поведения ν (рис. 11, кривая 3). Таким образом, характер изменения ν (рис. 11) может свидетельствовать о том, что вплоть до стадии макролокализации деформации более интенсив- но изменяются поперечные размеры локальной области пластической де- формации, связанные, в первую очередь, с влиянием касательных компонент напряжений. За пределом прочности замедляются изменения поперечных размеров и более интенсивно увеличиваются продольные размеры локаль- ной области, связанные с нормальными напряжениями. Обнаружено, что морфологические изменения профиля шейки в ортогональном направлении развития деформации (рис. 11, кривые 2, 3) коррелируют с характером из- менения параметров деформационной (см. рис. 7,а) и дислокационной (рис. 7,б) структур в поперечном сечении, а именно, выход на насыщение струк- турных параметров соответствует замедлению в данном направлении про- цесса локализации деформации. С другой стороны, наблюдалось увеличение скорости деформации в продольном направлении при больших локальных деформациях (см. рис. 10). Это может свидетельствовать о том, что развитие микропроцессов, сопровождающих накопление больших деформаций в ло- кальных объемах, нельзя удовлетворительно объяснить в рамках дислокаци- онных теорий классической физики прочности и пластичности без учета ха- 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 10 20 30 0 100 200 300 400 2 σ , M Pa ψ, % 1 3 ν Рис. 11. Изменение напряжения (кривая 1) и коэффициента анизотропии профиля шейки ν в зависимости от степени дефор- мации ψ для Cu: 2 – исходное состояние; 3 – после РКУ-прессования (N = 5) и поверх- ностной обработки Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 122 рактера самосогласованных структурно-деформационных изменений как в продольном, так и в поперечном направлениях. Выводы 1. Область локализации деформации при формировании шейки рассмот- рена как объект большой пластической деформации. Методом стандартных испытаний на растяжение получены кривые деформации для микро-, мезо- и макроуровней локализации пластических деформаций в зависимости от ха- рактера и величины предварительного РКУ-прессования, ГЭ и поверхност- ной УЗ-обработки. 2. Разработаны специальные методы: кручение при растяжении, опережаю- щее пластическое деформирование, которые применялись для управления про- цессами локализации пластической деформации и структурообразования на различных уровнях накопления большой деформации. Обнаружена делока- лизация деформации на мезоуровне и задержка деформации на макроуровне, что способствовало увеличению стадии пластической деформации. 3. Обнаружен стадийный характер накопления большой деформации в локальных объемах и выявлены характерные стадии локализации течения. Изучено влияние на характер стадийности большой деформации вида и ве- личины предварительной деформации. 4. Обнаружен многоуровневый характер структурообразования в про- дольном и поперечном сечениях локальных объемов большой деформации. Изучено влияние на характер многоуровневого структурообразования вида и величины предварительной деформации. 1. П.В. Бриджмен, Исследование больших пластических деформаций и разрыва, Изд-во науч. лит., Москва (1955). 2. В.В. Рыбин, Большие пластические деформации и разрушение металлов, Ме- таллургия, Москва (1986). 3. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов, В.И. Трефилов (ред.), Наукова думка, Киев (1989). 4. Н.Н. Давиденков, Н.И. Спиридонова, Заводская лаборатория 11, 583 (1945). 5. А. Надаи, Пластичность и разрушение твердых тел, Изд-во иностр. лит., Москва (1954), т. 1; Мир, Москва (1969), т. 2. 6. О. Гофман, Е. Закс, Введение в теорию пластичности для инженеров, Машгиз, Москва (1957). 7. С.С. Одинг, Проблемы прочности № 10, 103 (1938). 8. А.С. Рубцов, В.В. Рыбин, ФММ 44, 611 (1977). 9. Я.Б. Фридман, Т.К. Зилова, Н.И. Демина, Изучение неоднородности пластической деформации и разрушения методом накатанных сеток, Оборонгиз, Москва (1962). 10. Р. Хоникомб, Пластическая деформация металлов, Мир, Москва (1972). 11. Я.Б. Фридман, Механические свойства металлов, Машиностроение, Москва (1974). Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 123 12. Р. Беккер, Г. Кронмюллер, Пластическая деформация монокристаллов, Мир, Москва (1969). 13. Р.З. Валиев, Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластиче- ской деформацией, Логос, Москва (2000). 14. В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов, Д.А. Павлик, В.Ф. Малышев, Процессы пластического структурообразования металлов, Наука и техника, Минск (1994). 15. Ч. Пул, Ф. Оуэнс, Нанотехнологии, Техносфера, Москва (2005). 16. А.И. Гусев, Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии, Физматлит, Мо- сква (2005). 17. Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля, Наноструктурные материалы, Академия, Москва (2005). 18. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследова- ний, Мир, Москва (2002). 19. Я.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Д.В. Орлов, С.Г. Сынков, Винтовая экструзия – процесс накопления деформаций, ТЕАН, Донецк (2003). 20. Н.Н. Белоусов, В.Н. Варюхин, О.И. Дацко, Ф.Ф. Лаврентьев, ФММ 68, 799 (1989). 21. Н.Н. Белоусов, В.Н. Варюхин, О.И. Дацко, Ф.Ф. Лаврентьев, ФММ 68, 1016 (1989). 22. S.U. Romani, P. Rodriguez, Scr. Met. 4, 755 (1970). 23. Н.Н. Белоусов, И.А. Кулик, Тез. докл. Международной конф. «Мезоскопические явления в твердых телах», Донецк (2007), с. 93. N.N. Belousov INVESTIGATION OF REGULARITIES IN PLASTIC FLOW AND STRUCTURIZATION UNDER SEVERE DEFORMATION ACCUMULATION Influence of preliminary deformation by methods of the equal-channel angular (ECA) pressing, hydrostatic extrusion (HE) and surface ultrasound (US) deformation on forming and structurization in longitudinal and cross-section of local deformation volumes has been investigated. With a high deformation localized in specimen’s neck there was the multilevel structurization and the plastic flow proceeded in stages. Special methods, such as surface deformation, twisting with tension, plastic-deformation advance (PDA) have been developed and applied to control plastic deformation and structurization processes. Combination of the methods is of prospect as it favours structure fragmentation, defor- mation delocalization and increases plasticity of materials. Fig. 1. Character of plastic flow localization (а, в, г) and type of Cu-sample failure (б) under tension (Δl/Δt = 1 mm/min) with twisting (θ = 1.8 rad/mm); а, в – after ECA pressing (а – N = 1, в – N = 3) and HE (ε = 0.6); г – after ECA pressing (N = 3), HE (ε = 0.6) and PDA (F = 102 N, Δϕ/Δt = 3 rad/min, Δl/Δt = 1.2 mm/min) Fig. 2. Typical shape of deformation curves for Cu samples: а – tension (Δl/Δt = 1 mm/min) under twisting (θ = 1.8 rad/mm) with PDA (F = 102 N, Δϕ/Δt = 3 rad/min, Δl/Δt = = 1.2 mm/min); б – after multiple surface deformation with shear (f = 20 kHz, l = 10 μm, Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 124 t = 10 min, n = 6); 1, 2 – after preliminary ECA pressing (1 – N = 1, 2 – N = 3) and HE (ε = 0.6); 3 – after ECA pressing (N = 3), HE (ε = 0.6) and PDA Fig. 3. Influence of surface deformation with shear (f = 20 kHz, l = 10 μm, t = 10 min) and striker attractive force F on microstructure of Сu: а – F = 10 N, б – 102 N, в – 103 N; 1 – surface relief (longitudinal cut), ×100; 2 – network of deformation mesobands under deformed surface layer (transverse cut), ×500 Fig. 4. Quantitative changes in Cu neck profile (а) and distribution of true deformations (б) in sample length after ECA pressing (N = 5) and HE (ε = 0.6) for different values of deformation and stress: 1 – δ = 3%, σ = 120 MPa; 2 – δ = 15%, σ = 270 MPa; 3 – δ = 25%, σ = 375 MPa Fig. 5. Comparison of Cu deformation curves obtained by methods of tension and twist- ing after ECA pressing (N = 3): 1 – tension without correction; 2 – twisting; 3 – tension with correction factor kBr for distorting effect of the neck taken into account Fig. 6. Changes in microstructure during deformation macrolocalization: I – deformation reliefs on basal plane; II – dislocation structures composed of pyramidal dislocations for different values of ECA pressing quantity: а – N = 0, б – 1, в – 3; ×500 Fig. 7. Microstructural changes of mean parameters: а – deformation relief by OM method: linear density (I) and height (2) of slip band: б – submicrocrystalline and dislo- cation structures by different methods: 1 – dimensions of CSR (X-ray analysis); 2 – value of dislocation cells (TEM); 3, 4 – total dislocation density (3 – ОМ, 4 – X-ray analysis); 5 – dislocation density at subboundaries of cells (TEM) Fig. 8. Deformational changes of Cu microstructure (after ECA pressing, N = 2) and HE (ε = 0.6) in transverse (I) and longitudinal (II) sections for different values of localized deformation: а – е = 0.2, б – 0.5, в – 0.8; ×500 Fig. 9. Typical changes in cellular structure of armco-iron with deformation macrolocoli- zation in the neck (TEM, light field), in transverse (I) and longitudinal (II) cuts of the neck (ψ ≤ 0.6): а – N = 1, б – N = 3; (ψ ≤ 0.4) в – N = 5; ×2.5·104 Fig. 10. Changes in plastic deformation velocity (curves 1, 2) and in coefficient of defor- mation hardening (curve 3) depending on stress σ for initial Cu samples (curve 1) and after deformation (N = 5, curves 2, 3) Fig. 11. Changes in deformation (curve 1) and in coefficient of neck profile anisotropy ν depending of deformation degree ψ for Cu: 2 – initial state; 3 – after ECA pressing (N = 5) and surface treatment

Исследование закономерностей пластического течения и структурообразования при накоплении большой деформации

Репозитарії

Схожі ресурси