ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 96-101
ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.4'6:539.389.3:539.67'32
НЕУПРУГОЕ ПОВЕДЕНИЕ СВЕРХПЛАСТИЧНОЙ ЭВТЕКТИКИ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННОМ СТАРЕНИИ
© 2004 г. В. М. Аржавитин*, В. Ф. Коршак**
*Националъный научный центр "Харьковский физико-технический институт", 61108 Харьков, ул. Академическая, 1 **Харъковский национальный университет им. В Н. Каразина, 61077Харьков, пл. Свободы, 4 Поступила в редакцию 19.11.2002 г.
Исследованы временные зависимости внутреннего трения Q-1(t) и модуля Юнга E(t) литого сплава Pb-62%Sn в условиях изотермической выдержки при температуре T ~ 293 K, при которой сплав обнаруживает сверхпластичные свойства. Эксперименты проведены с помощью метода резонансных изгибных колебаний с максимальной относительной амплитудой деформации е0 в интервале е0 ~ = (0.25-2.5) х 10-3. Обнаружены немонотонности на зависимостях Q 1(t), в том числе максимумы при t = 0; 5; 14; 20 мин циклического нагружения образцов, которым сопутствуют немонотонные изменения модуля нормальной упругости E сплава. Наблюдающееся поведение Q_1(t) и E(t) связывается с возможными фазовыми и кинетическими превращениями в сплаве в условиях циклического нагружения.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к особенностям неупругого поведения и изменению упругих свойств сплава РЬ-62%8п, исследуемого в данной работе, в условиях действия внешних напряжений обусловлен, в первую очередь, тем, что он является типичным представителем сплавов, проявляющих сверхпластичные (СП) свойства. Имеющиеся немногочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что и упругое, и неупругое поведение материалов в условиях сверхпластичности существенно отличается от такового при обычной пластической деформации, однако систематические исследования на сей счет практически отсутствуют.
Большинство исследователей отмечают, что эвтектика в литом состоянии имеет низкую пластичность, в то время как она же после интенсивной пластической деформации при высоких гомологических температурах становится сверхпластичной [1]. Влияние предварительной деформации, как принято считать, заключается в измельчении зерен. В то же время в экспериментах, проведенных авторами [2], полное удлинение, полученное при растяжении эвтектического сплава РЬ-8п, зависело от времени вылеживания при комнатной температуре после предварительной пластической деформации. Удлинение возрастало в течение первых 30 дней, а затем уменьшалось. Однако, согласно [3], эвтектические сплавы обнаруживают СП свойства и в свежелитом состоянии. Предварительная пластическая деформация является лишь "одним из сильнейших средств инициирования сверхпластичности у металлических материа-
лов". Наконец, в исследованиях, проведенных в [4, 5], установлено, что исследуемый сплав обнаруживает СП поведение как в свежелитом, так и в длительно состаренном состояниях. Однако параметры СП течения, в частности, скорость деформации, оказываются при этом существенно различными.
В связи с вышеотмеченным возникает вопрос о взаимосвязи процессов, контролирующих СП течение, и структурно-фазовых превращений в сплаве в условиях действия внешнего механического напряжения в зависимости от режимов предварительной пластической деформации и старения сплавов. Известно, что структурно-фазовые превращения, сопровождающие деформацию при повышенных температурах, существенно влияют на характер пластического течения материала. Однако механизмы этого влияния еще далеко не раскрыты.
Ранее в работе [6] были исследованы кинетические зависимости внутреннего трения (ВТ) и модуля Юнга £(£) литого сплава РЬ-62%8п, состаренного в естественных условиях в течение продолжительного промежутка времени (около двух лет) и затем обжатого на гидравлическом прессе на =75%. Измерения проводились на одном и том же образце с интервалом в двое суток между ними. Было установлено, что в зависимости от номера эксперимента величина б_1(0 уменьшается в первые минуты измерения и/или проходит через максимум при £ = 5 и £ = 20 мин. Обнаружив указанные аномалии, внутреннее трение затем либо сохраняется на определенном практически неиз-
менном уровне, либо наблюдается возрастание фоновой составляющей ВТ в процессе измерений.
В [6] предложен механизм микропластического внутреннего трения при динамическом старении исследуемого сплава в предположении, что старение сопровождается процессами распада исходно метастабильного сплава. Аналитическое выражение для О_1(г), полученное на основании широко используемого для описания кинетики фазовых превращений соотношения Аврами [7], при этом имеет вид:
О1 (г)~ г"-1ехр (-Кг"), (1)
где К и п - постоянные распада сплава. Это позволяет на качественном уровне объяснить как падение ВТ в начальный момент времени, так и появление эволюционных максимумов &1(г) в процессе измерения. Нарастающую же в изотермических условиях опыта фоновую зависимость внутреннего трения от времени возбуждения при больших амплитудах деформации е0 > 10-3 обычно связывают с развитием микропластических деформаций [8] безотносительно к фазовым превращениям.
ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В данной работе исследуется литой неподверженный механическому обжатию сплав РЬ-62%8п, состаренный в течение такого же промежутка времени, как и исследованный в [6]. Сплав получен из чистых компонентов сплавлением в лабораторной печи с последующим литьем на массивную медную подложку. Образцы для исследования ВТ имели форму призмы с квадратным поперечным сечением 2 х 2 мм и высотой 20 мм. Непрерывное деформирование образцов осуществляли возбуждением резонансных изгибных колебаний частотой / ~ 90 Гц. Одновременно регистрировали временные зависимости ВТ О_1(г) и нормального модуля упругости Е(г) ~ f (г). Относительная деформация на поверхности образцов составила (0.25-2.5) х 10-3. Ошибка определения О 1 составляла ~1.5%, а Е —0.1%. Кроме того, в экспериментах варьировался временной интервал между текущим и предыдущим измерением О 1 и Е.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Кинетические зависимости нормированных внутреннего трения Ог\г)1От\0) и модуля Юнга Е(г)/Е(0) = / (г)//" 2(0), полученные в последовательных измерениях при амплитуде деформации е0 ~ ~ 10-3, представлены на рис. 1. Как видно, в поведении экспериментальных кривых обнаруживаются те же характерные черты, что и в исследованном ранее сплаве, а именно: уменьшение О_1(г), начиная с г = 0; наличие пиков От1(г) при г = 5, 14, 20 мин; фоновое увеличение О_1(г) с течением
времени. При этом увеличение фона ВТ в исследуемых литых образцах является существенно более выраженным, чем в образцах, подверженных обжатию [6]. Перечисленные особенности в каждом эксперименте встречаются в различных комбинациях, но не все сразу. Так, в исходном измерении (рис. 1а) зарегистрировано начальное падение и пик О_1(г) при г = 14 мин, который не наблюдался в случае длительно состаренных и обжатых образцов, и значительная фоновая составляющая От1(г), также не наблюдавшаяся в ранее исследованных обжатых образцах. Во втором эксперименте, выполненном через 5 ч (рис. 16), обнаружены два пика О_1(г) при г = 5 и г = 20 мин. Спустя последующие 12 ч вновь наблюдается начальное падение ВТ и появляются пики От1(г) при г = 5 и г = 20 мин (рис. 1в). В последующем измерении, выполненном через 5 ч после предыдущего, также обнаруживаются немонотонность зависимости От1(г) при г ~ 5 мин и достаточно четкий максимум при г = 14 мин (рис. 1г). Последний становится ярко выраженным при измерениях, проведенных спустя 12 ч (рис. 1д).
Как видно из рис. 1а-д, во всех случаях начальному падению и пикам О_1(г) соответствуют немонотонные изменения упругого модуля Е(г). Такое поведение Е(г), как известно [9], свойственно фазовым переходам первого рода. Этот экспериментальный факт является чрезвычайно важным для трактовки экспериментальных данных, полученных ранее в [6], а также в настоящем исследовании. Речь идет об экспериментальном подтверждении предположения о том, что в исследуемом сплаве при выбранных условиях внешнего нагру-жения, осуществляется фазовое превращение.
При этом анализ рис. 1 показывает, что обусловленный развитием в матрице сплава микропластических деформаций фоновый рост О_1(г) в ходе первого измерения оказывается в значительной мере ослабленным в последующих измерениях. Данный факт может означать, что новая фаза выделяется не однородно по объему образца (гомогенно), а на дислокациях (гетерогенно). Тем самым материал упрочняется с повышением его предела текучести.
Оценки максимального относительного изменения величины модуля Юнга ДЕ/Е сплава, выполненные на основании данных рис. 1а-д, показывают, что значение ДЕ/Е в условиях проведенного эксперимента изменяется циклически при переходе от данного измерения к последующему. Так, в первом измерении максимальное значение ДЕ/Е составляет ~1.4%; во втором —4.0%; в третьем и четвертом - соответственно ~0.5% и ~1.0%. И, наконец, в пятом измерении значение ДЕ/Е снова уменьшается по сравнению с предыдущим измерением и составляет ~0.4%. Указанная величина ДЕ/Е может выступать в качестве коли-
Рис. 1. Кинетические зависимости нормированных внутреннего трения (1) и модуля Юнга (2) сплава РЬ-62%8п в последовательных измерениях в условиях изотермической выдержки при временных интервалах между текущим и предыдущим измерениями:
а, б - 5 ч; б, в - 12 ч; в, г - 5 ч; г, д - 12 ч. £0 = 10-3. Т = 293 К.
е-1(о/е-1(0) 1.8
1.6
1.4
1.2
(а)
□ 1
/2(М 2(0) -, 1.00
0.99
□ □
1.0
1.00 г
0.98
0.96 -
0.94 -
0.92
0.90
_|_I_I.
0.98
0.97
- 0.9985
- 0.9980
0.9975
0.9970
е-1(о/е-1(0)
I
1.04 1.02
0.98 0.96 0.94 0.92 0.90
А
% "Л/
/2(г)// 2(0) 1.000
0.998 0.996 0.994
0.992 0.990 0.988
0.986
0 10 20 30 40 50 60 г, мин
Рис. 2. Кинетические зависимости нормированных внутреннего трения (1) и упругого модуля (2) сплава РЬ-62%8п в последовательных измерениях при амплитудах деформации: а - £0 ~ 2.5 х 10-3; б - £0 ~ 10-3; Т « 293 К.
чественной меры структурных перестроек, которые происходят в сплаве в условиях действия внешней механической нагрузки. Тогда по
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.