ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 2, с. 108-112
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.7Г721: 539.374
СКОРОСТНАЯ И МАСШТАБНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ НЕУСТОЙЧИВОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАНО-И МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ Al-2.7%Mg СПЛАВА
© 2004 г. Ю. М. Головин*, В. И. Иволгин*, М. А. Лебедкин**, Д. А. Сергунин*
*Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, 392622 Тамбов, ул. Интернациональная, 33 **Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка Московской области
Поступила в редакцию 02.06.2003 г.
Проведено сравнительное экспериментальное исследование неустойчивого пластического течения при динамическом микроиндентировании Л1-М§ сплава в условиях линейного нарастания силы, приложенной к индентору, а также постоянной средней скорости относительной деформации (е ). Установлено, что в первом приближении частота следования скачков деформации пропорциональна (е ), а их величина - текущей глубине отпечатка. Показано также, что эти зависимости определяются величиной максимального относительного упрочнения сплава по твердости между последовательными релаксациями напряжения.
ВВЕДЕНИЕ
Во многих материалах, в том числе и в Л1-М§ сплавах, наблюдается скачкообразная пластическая деформация, известная как "эффект Порте-вена-Ле Шателье" (ПЛШ). Этот вид неустойчивости к настоящему времени достаточно подробно исследован при растяжении/сжатии, кручении, изгибе и др. [1-9]. Среди особенностей ПЛШ следует отметить его высокую чувствительность к условия деформирования. Так, например, изменение скорости относительной деформации е всего лишь на один-два порядка величины может приводить к переходу от устойчивого течения к прерывистому с последовательной сменой трех различных типов неустойчивости (Л, В и С) и снова -к непрерывному. Вариации геометрии исследуемых образцов также весьма заметно сказываются на его параметрах [3, 4]. Все это свидетельствует о значительном влиянии скоростного и масштабного факторов на ПЛШ при макроиспытаниях.
В последнее время резко повысился интерес к исследованию неустойчивой пластической деформации в Л1-М§ сплавах в субмикрообъемах, которую обычно осуществляют методами нано- и микроиндентирования [10-14]. Характеристики эффекта ПЛШ при этом существенно отличаются от таковых при традиционных видах испытаний. И это не удивительно, поскольку условия при микроиндентировании и одноосном деформировании очень сильно различаются. Часть этих отличий носит принципиальный характер и является следствием используемых методов нагруже-
ния (при микроиндентировании - малость пластически деформируемого объема, его непрерывный рост на много порядков величины в процессе погружения, высокий градиент деформации и напряжений и т.д.). Другая часть обусловлена общепринятыми в каждом из испытаний режимами на-гружения. Так, например, при сжатии/растяжении обычно среднее значение скорости относительной деформации (е) поддерживается постоянным, а при индентировании линейно нарастающим во времени t силой - (е) ~ Г1. Очевидно, что для упрощения сопоставления и сравнения результатов, полученных этими методами, целесообразно производить индентирование также в условиях (е) = const. К тому же это позволит разделить влияние скоростного и масштабного факторов на параметры ПЛШ.
Целью настоящей работы было исследование и сравнение кинетических характеристик неустойчивого пластического течения в сплаве Al-2.7%Mg в микронных и субмикронных объемах методом непрерывного динамического нано- и микроиндентирования при комнатной температуре в условиях (е) = const, а также - линейно нарастающей силы внедрения.
МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Измерения проводились с использованием ин-дентора Берковича на оригинальной установке, обеспечивавшей регистрацию динамики процесса
нано- и микроиндентирования в диапазоне усилий от 5 до 250 мН в режиме "мягкого" нагружения (действующая сила не зависит от положения ин-дентора) и продолжительности цикла - от десятков миллисекунд до сотен секунд. Разрешение установки при этом составляло: по глубине - 1 нм, по силе - 0.01 мН, по времени в зависимости от выбранного диапазона измерений - 0.05-20 мс. Ее более подробное описание приведено в [13, 15]. При обработке данных применялись методики, позволяющие учесть влияние на результаты измерений притупления индентора, упругие реакции поверхности образца и силовых элементов установки [16-18].
В работе использовали два вида нагружения. В первом из них сила внедрения Р росла пропорционально времени г (рис. 1, кривая 1):
P = ц*,
(1)
где ц - скорость нарастания силы. Соответствующая ему кривая погружения индентора приведена здесь же под номером 2.
Величина мгновенной скорости относительной деформации е обычно определяется при локальном нагружении следующим образом [19]:
8 = (dh/dt) /h.
(2)
P, мН 200
150
100
50 Pc
Pm
100
t, c
Из этого соотношения видно, что в условиях плавного погружения индентора при нагружении
вида (1) 8 монотонно падает по мере увеличения глубины h. При скачкообразном течении поведение 8 из-за быстрого изменения в пределах каждой из ступенек несколько усложняется (см. рис. 1). Тем не менее, в целом эта тенденция для (8 ) сохраняется. Для определения (8 ) экспериментальные данные h(t) "сглаживали" путем аппроксимации подходящим полиномом с использованием метода наименьших квадратов и затем вычисляли по (2).
С целью разделения влияния h и (8 ) на ПЛШ в работе использовали еще один режим нагружения - с (8 ) = const, который формировали путем задания соответствующего закона изменения силы P(t). При его определении исходили из выражения (2), а также приближенной связи между силой P, приложенной к острому пирамидальному индентору, и глубиной его погружения h в виде
P = kh2, (3)
где k - константа, определяемая геометрией индентора и упругопластическими свойствами твердого тела.
Из приведенных выше соотношений нетрудно получить искомое выражение
P (*) = Po *
2 (8) t
(4)
41-
Н, мкм
Рис. 1. Зависимость силы Р и глубины отпечатка к от времени г для линейного (кривые 1, 2) и экспоненциального (кривые 3, 4) видов нагружения. На врезках приведены фрагменты кинетических кривых силы и погружения, соответствующих формированию одной ступеньки.
где Р0 - усилие при г = 0, (е ) - задаваемое значение средней скорости относительной деформации. Далее будем называть нагружение в соответствии с (1) линейным, а по (4) - экспоненциальным.
В работе исследовали образцы сплава А1-2.7%М (-0.05%81-0.02%Бе), вырезанные с помощью электроискровой резки из листового проката, размером 3 х 5 х 40 мм, сполированные механическим способом на глубину до 50 мкм на пасте с размером зерна 1-5 мкм. Затем проводили отжиг при температуре 450°С в течение 2 ч с последующей закалкой в воде.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Как показано в [13], начальное погружение индентора характеризуется неустойчивой скачкообразной кинетикой, которая после достижения некоторой глубины, в основном определяемой величиной ц, сменяется ее регулярной модой. В настоящей работе анализировали закономерности регулярной стадии скачкообразной неустойчивости.
Из экспериментальных данных следует, что по мере роста Р и к величина ступенек увеличивается (см. рис. 1), а изменение Ак и АР в первом при-
P, мН
Рис. 2. Зависимость амплитуды скачков АН от глубины к и соответствующих им приращений силы АР от величины достигнутой силы Р при линейном (1, 3) и экспоненциальном (2, 4) видах нагружения.
t, С
Рис. 3. Зависимость времени формирования ступеньки т от обратной величины средней скорости относительной деформации (е) (кривая 1) и времени X (кривая 2) при линейном нагружении.
ближении для обоих видов нагружения подчиняется линейным соотношениям:
Ah = ah
(5)
печатка на поверхность образца она равна средним контактным напряжениям (а)
H = (а) = cP/h2,
(9)
AP = pP, (6)
где h и P соответствуют началу формирования каждой из ступенек, a ~ 2.5 х 10-2, в = 5 х 10-2 (рис. 2).
Еще одна из закономерностей эволюции неустойчивости, но уже как функции времени, описывается выражением, вытекающим из (1) и (6)
т = pt, (7)
которое связывает длительность формирования ступеньки т (интервал между соседними скачками деформации) со значением момента времени t начала этого процесса при линейном нагружении (рис. 3). Или, учитывая, что из (2) следует приближенное равенство (е) = (Ah/T)/h, а из (5) вытекает Ah/h = a, получаем
т = а/(е). (8)
Действительно, экспериментальные данные, соответствующие линейному нагружению, следуют этой зависимости (рис. 3), причем т = А/(е) , где A = = 0.023 (R2 = 0.98). Из нее косвенно вытекает независимость т от h при (е) = const. Прямые измерения в условиях экспоненциального нагружения (когда установка поддерживает на протяжении
всего опыта (е) = cosnt) также подтверждают этот вывод (рис. 4).
Одной из основных количественных характеристик индентирования является микротвердость H. При определении ее по Мейеру как отношения текущего значения силы P к площади проекции от-
где с - константа, определяемая геометрией ин-дентора. Величина Н в процессе каждого скачка деформации также изменяется, однако ее максимальное относительное изменение в среднем не зависит ни от номера скачка, ни от х, ни от к (рис 5, кривые 3 и 4)
AH/H = у,
(10)
где у - 5 х 10-2 (Я2 = 0.98).
Для построения графика (Н-(Н))/(Н) (рис. 5, кривые 1, 2) вначале из зависимостей Р(х) и Н(х) по формуле (9) находили Н(х), затем из этих данных "сгла-
т, c 16
12
* . А А а--з
1 I ^^3
-ПВО %о4
+ х . X ++ . +J.+.
+ +
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
к, мкм
Рис. 4. Зависимость времени формирования ступеньки т от глубины к для различных значений средней скорости относительной деформации при экспоненциальном нагружении:
1 - 0.0027; 2 - 0.0038; 3 - 0.0048; 4 - 0.0066; 5 - 0.0104 с-1.
и
2
8
4
5
АЯ/(Я) 0.06
0.02 0
-0.02
■ *■ • ц1 ■ ■■
20
20
40
60
80
100
40
60
80
100
t, c
Рис. 5. Зависимость приведенной величины вариаций микротвердости Н - (Н-(Н))/(Н) и значения у при линейном (1, 3) и экспоненциальном (2, 4) видах нагружения.
8, С 0.10
t, c
100
100
Р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.