Особенности кинетики деформационных фронтов при скачкообразной деформации Людерса в α-железе при повышенной температуре

Введение

При комнатной температуре деформация большинства ОЦК-металлов, которые содержат небольшое количество элементов внедрения, сопровождается образованием полосы Чернова-Людерса и ее монотонным распространением на площадке текучести при растяжении [1 – 4]. Характер распространения полосы Людерса может изменяться в зависимости от размера зерна, температуры, приложенного напряжения и скорости деформации. Расширение полосы на площадке текучести происходит равномерно, и в любой момент вся деформация сосредоточена на ее границах, то есть на деформационных фронтах. Скорости перемещения фронтов пропорциональны скорости, которая задается нагружающим устройством. В рамках автоволновой концепции [5 – 7] фронт полосы Чернова-Людерса является автоволной переключения, которая реализует переход из метастабильного упруго деформируемого состояния в стабильное пластически деформируемое [8; 9]. Однако в температурном интервале синеломкости мягких сталей 423 – 510 К [10 – 12], когда движение дислокаций определяется эффектом динамического деформационного старения, распространение полосы Людерса сопровождается прерывистым течением. В работе [13] установлено, что в интервале температур 393 – 503 К в АРМКО-железе стационарная кинетика движения фронтов Людерса сменяется скачкообразной. Температура перехода к скачкообразному развитию деформации Людерса тем выше, чем больше скорость деформирования. При этом на скачкообразной площадке текучести дискретно распространяющийся фронт полосы Людерса представляет собой автоволну возбуждения локализованной пластичности. Следует отметить, что движение фронта в этом случае происходит только во время спада напряжения в процессе скачка. Возникает вопрос о характере зависимости скорости локальной деформации в области фронта от действующего напряжения в процессе скачка.

Настоящая работа посвящена установлению кинетических закономерностей распространения деформационных фронтов при скачкообразной деформации Людерса в α-железе при повышенной температуре.

Материалы и методы

В качестве материала для исследования было использовано АРМКО-железо следующего состава (мас. %): C 0,025; Si 0,05; Cu 0,05; Mn 0,035; S 0,025; P 0,015; Fe – остальное. Образцы для испытаний в форме двусторонней лопатки были вырезаны лазером из горячекатаного листа толщиной 1,5 мм. Размер рабочего поля образца 50×10 мм. Для унификации напряженного и структурного состояний перед испытаниями образцы были подвергнуты отжигу второго рода в вакууме по режиму: 1233 К в течение 1 ч, охлаждение с печью до комнатной температуры.

Подготовленные образцы подвергались одноосному растяжению на испытательной машине LFM-125 со скоростями от 0,02 до 10 мм/мин. Испытания проводили при температурах от 296 до 503 К. Использовали печь STE-12H (Walter + Bai) с независимым контролем температуры в трех зонах. Измерения температуры образца осуществляли с помощью трех термопар, установленных вдоль оси образца на расстоянии 20 мм друг от друга.

Анализ кинетики деформационных фронтов Людерса осуществляли методом корреляции цифровых изображений [14; 15] и методом цифровой статистической спекл-фотографии [16; 17]. Для формирования спекл-структуры образец освещали когерентным светом полупроводникового лазера (635 нм, 15,0 мВт). Изображения образца регистрировали цифровой видеокамерой Point Grey FL3-GE-50S5MC с разрешением 2448×2048 пикселей со скоростью от 2 до 25 кадров в секунду, в зависимости от скорости растяжения. По полученным массивам данных строили хронограммы [18], которые позволяли выявить области зарождения полос Людерса и определить кинетические характеристики их фронтов.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 показаны площадки текучести деформационной кривой АРМКО-железа, полученные при комнатной и повышенной температурах. При комнатной температуре деформационная кривая содержит типичные для малоуглеродистых сталей зуб и гладкую площадку текучести. При температуре испытания 423 К и скорости деформирования 6,67·10\(^–\)⁵ с\(^–\)¹ на площадке текучести реализуются периодические скачки напряжения.

Известно, что при температуре ниже 393 К в АРМКО-железе должна быть нормальная скоростная чувствительность, то есть напряжение течения на площадке (нижний предел текучести \(\sigma _y^{(l)}\) ) должно возрастать с увеличением скорости деформирования и уменьшаться с ростом температуры [19]. На рис. 2, а видно, что, действительно, при комнатной температуре нижний предел текучести нелинейно возрастает с увеличением скорости деформирования.

Исследования в температурной области скачкообразного развития деформации Людерса показали, что с увеличением скорости деформирования амплитуда скачков уменьшается, причем уровень напряжения, до которого происходит спад \(\sigma _y^{(l)}\), остается постоянным (рис. 2, б). Таким образом, в температурном интервале скачкообразного течения скоростная чувствительность нижнего предела текучести отсутствует. В то же время напряжение начала скачка (верхний предел текучести \(\sigma _y^{(u)}\)) с увеличением скорости деформирования монотонно снижается.

Исследования характера локализации деформации методом цифровой статистической спекл-фотографии позволили установить, что как на гладкой (рис. 3, а), так и на скачкообразной (рис. 3, б) площадках текучести формируются и движутся фронты локализованной пластической деформации. Однако, если в первом случае фронт движется монотонно с постоянной скоростью V_f, то во втором – дискретно, только во время спада напряжения в процессе скачка.

Исходя из того факта, что деформационный фронт проходит всю длину образца L за время наблюдаемой площадки текучести Δt, то L = V_fΔt. За это время происходит удлинение образца, выражающееся как ∆L = V_d∆t (где V_d – скорость деформирования, задаваемая нагружающим устройством). Тогда деформация, приобретаемая образцом на площадке текучести, может быть представлена как

Отсюда следует, что скорость фронта и скорость деформирования взаимосвязаны соотношением V_d = ε_LV_f. Если пронормировать это соотношение на ширину фронта δ, то относительная скорость деформации выразится как

где t_f – время движения фронта в процессе скачка с определенной скоростью V_f.

Таким образом, относительная скорость деформации \(\dot \varepsilon\) и скорость движения фронта V_f должны быть линейно связаны друг другом, если деформация ε_L в любой момент времени одинакова и сосредоточена на фронте. Кроме того, для выполнения соотношения (2) ширина деформационного фронта δ в процессе движения также должна оставаться постоянной.

Для проверки первого постулата о постоянстве ε_L были проведены измерения смещения маркеров на поверхности образца в ходе деформирования на скачкообразной площадке текучести. На поверхности образца с помощью микротвердомера ПМТ-3М были нанесены маркеры в три ряда на расстоянии 100 мкм друг от друга. Затем на оптическом микроскопе NEOPHOT-21 были сделаны две серии снимков этих маркеров до и после деформации. Измерения расстояния между центрами двух соседних маркеров до деформации l и после деформации l₁ позволили определить смещения каждого маркера ∆l = l₁ – l, то есть получить поле смещений ∆l(x) (где x – координата маркера). Путем численного дифференцирования данного поля была вычислена локальная деформация в каждой точке как ε_L = Δl / l. На рис. 4 представлен график распределения ε_L по длине образца. Применение гипотезы о нормально распределенной генеральной совокупности [20] показало, что изменения ε_L носят случайный характер; величина может считаться постоянной, а ее среднее значение составляет ε_L = 0,0184 ± 0,0003.

Как указано в работе [17], при использовании метода цифровой статистической спекл-фотографии для визуализации деформационных фронтов яркость изображения фронта пропорциональна деформации в нем. Отсюда может быть определена средняя ширина фронта δ. Такие измерения для фронтов, двигавшихся в процессе всех скачков (рис. 1, б и 3, б), показали, что их ширина постоянна и составляет 105 ± 7 мкм. Таким образом, второй постулат о постоянстве ширины фронтов также выполняется, и выражение (2) может быть использовано для исследования зависимости локальной скорости деформации от напряжения во время реализации скачка.

На рис. 5, а показана эта зависимость. Видно, что \(\dot \varepsilon\) возрастает с ростом напряжения по линейному закону. Коэффициент корреляции интерполирующей зависимости ρ = 0,99. С другой стороны, в случае монотонно движущегося фронта, на основании корреляционной зависимости (рис. 2) и выражений (1) и (2) можно рассчитать скорости деформации на фронте для каждого значения \(\sigma _y^{(l)}\)  (рис. 5, б). Видно, что она не может быть интерполирована линейной функцией. То есть скорости деформации в монотонно движущемся фронте и во фронте, движущемся скачкообразно, по-разному реагируют на изменение напряженного состояния.

Причиной этого различия может быть смена автоволновой моды деформации от автоволны переключения к автоволне возбуждения. В работе [13] показано, что характер кинетики движения фронтов Людерса в АРМКО-железе действительно контролируется эффектом динамического деформационного старения, то есть временем t_w задержки подвижных дислокаций на барьерах, преодолеваемых термически активируемым путем, и временем t_a осаждения примесных атомов углерода на этих дислокациях. При температурах ниже 393 К, когда t_a \( \gg \)  t_w, фронт движется монотонно и является автоволной переключения локализованной пластичности. При этом локальная скорость деформации возрастает с напряжением нелинейно по параболическому закону. Дискретный характер движения деформационных фронтов возникает в таких температурно-скоростных условиях, когда t_w и t_a соизмеримы. Скачкообразно движущийся деформационный фронт представляет собой автоволну возбуждения локализованной пластичности. В этом случае локальная скорость деформации от действующего напряжения зависит линейно.

Выводы

Деформация, накапливаемая на скачкообразной площадке текучести в α-железе, постоянна. В этих условиях ширина фронта в первом приближении также является постоянной величиной.

Локальная скорость деформации при монотонном движении фронта (296 – 393 К) с ростом напряжения изменяется по степенному закону. При скачкообразном характере деформации Людерса (393 – 503 К) локальная скорость деформации прямо пропорциональна величине действующего напряжения.

Различие в кинетике фронтов определяется характером реакции активных деформируемых сред на внешнее механическое воздействие и контролируется эффектом динамического деформационного старения.