Особливості пластичної деформації та структурних змін алюмінію, міді та АРМКО-заліза при ударних ультразвуковій і низькочастотній обробках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук укрАїни

інститут металофізики

ім. Г.В. Курдюмова

УДК 548.4:534.29:621.7.044.5

Мордюк Богдан Миколайович

Особливості пластичної деформації

та структурних змін алюмінію, міді та армко-заліза

при ударних ультразвуковій і низькочастотній обробках

Спеціальність 01.04.13 - фізика металів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова

Національної академії наук України

Науковий керівник:доктор технічних наук Прокопенко Георгій Іванович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук Котречко Сергій Олексійович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, провідний науковий співробітник

Кандидат фізико-математичних наук Журавльов Анатолій Хомич, Інститут магнетизму НАН України, старший науковий співробітник Провідна установам. Київ, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України, відділ міцності та пластичності

Захист відбудеться 18.10.2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.168.01 в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (03680, м.Київ, проспект Вернадського 36)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (03680, м. Київ, проспект Вернадського 36)

Автореферат розісланий 18.09.2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Піщак В.К.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток машинобудування, потреба нової техніки в високоміцних конструкційних матеріалах, підвищені вимоги до їхньої якості, надійності і довговічності викликає необхідність подальшого розвитку фізичних уявлень про міцність і пластичність та вдосконалення способів їх поліпшення. Одним з таких способів є дія на метали та сплави потужного ультразвуку інтенсивністю більше 1 Вт/см². Починаючи з робіт Ланженекера завдяки роботам О.В.Абрамова, І.К. Вагапова, В.Ф.Казанцева, В.В. Клубовича, А.В.Кульоміна, П.П.Міхеєва, М.Е.Нерубая, І.Г. Полоцкого, Г.І. Прокопенко, Н. А. Тяпуниної та їх співробітників досягнуто великих успіхів у вивченні закономірностей впливу потужного ультразвуку на властивості металів, в з'ясуванні фізичної природи цього впливу. Варто відзначити значний внесок у вирішення цих питань робіт Мордюка М.С, які присвячені створенню теоретичної моделі акусто-пластичного ефекту, цілеспрямованій формозміні металів (в першу чергу волочінням) і зменшення швидкості високотемпературної повзучості за допомогою ультразвукової обробки. Широкому впровадженню способів ультразвукового впливу в промисловості заважають труднощі технологічного характеру, пов'язані з необхідністю введення в об'єм виробів коливань резонансної частоти близько 20...40 кГц. У зв'язку з цим, починаючи з 60-х років, ультразвукові коливання стали застосовувати для поверхневого зміцнення матеріалів за імпульсними методиками. Способи ударного впливу на поверхню металів з високою частотою є більш технологічними, і хоча структурні, фазові та інші фізико-механічні зміни відбуваються при цьому в приповерхневому шарі, для багатьох цілей цього буває достатньо. З багатьох існуючих способів поверхневого пластичного деформування спосіб ультразвукової ударної обробки є відносно новим і перспективним.

В роботах по дослідженню металів, підданих поверхневому зміцненню із застосуванням ультразвуку, що з'явились останнім часом, показана ефективність цього способу для вирішення багатьох технологічних задач - підвищення довговічності деталей машин, втомливої витривалості зварних з'єднань та ін. Однак фізичні механізми процесів, що протікають в металі під дією ультразвукової ударної обробки вивчені не достатньо. Лише окремі роботи присвячено теоретичному дослідженню поведінки металів в умовах багатократного ударного навантаження (Прокопенко Г.І., Благовєщєнский В.В. та Ломакін А.Л.). Структурних досліджень металів, оброблених високочастотною ударною обробкою (УЗУО) проведено недостатньо, а наявні вказують на підвищення густини дислокацій і зростання концентрації вакансій, а також на утворення розорієнтованих комірчастих структур при ступенях істинної деформації до двох одиниць. В той же час практично відсутні детальні структурні дослідження поверхневих шарів металів, що деформувалися багатократною ударною обробкою.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було вивчення закономірностей протікання деформаційних процесів при ударному ультразвуковому та низькочастотному навантаженні металів. У відповідності з метою роботи, необхідно було вирішити наступні задачі:

1.Проаналізувати роль внутрішніх напружень в деформаційних процесах при дії ударних навантажень, що повторюються, і побудувати феноменологічну модель пластичного деформування металів при багатократному ударному навантаженні, в якій відзначити частотну залежність деформації, можливість зниження деформуючих напружень, випадковий характер поля внутрішніх напружень;

2.Розробити та створити методики ультразвукової ударної обробки та низькочастотної ударної обробки, що давала б можливість змінювати напруження одиничного ударного імпульсу та частоту навантаження;

3.Експериментального вивчити деформаційні ефекти при ударному ультразвуковому і низькочастотному навантаженні металів, що мають достатній запас пластичності при кімнатних температурах, тобто метали з ОЦК - і ГЦК-гратками, в яких також достатньо повно вивчені закономірності еволюції дислокаційної структури при звичайних схемах статичного навантаження засобами електронної мікроскопії;

4.Дослідити за допомогою створених методик багатократного ударного навантаження частотну залежність накопичування деформації та еволюцію дислокаційної структури, а також масоперенесення при ультразвуковій ударній обробці.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше проведені експерименти і побудована феноменологічна модель, що підтверджують частотну залежність накопичування пластичної деформації при багатократному ударному навантаженні. Показано, що частотна залежність обумовлена зменшенням із зростанням частоти навантаження пластичної деформації в зворотному напрямку в проміжках між ударами, що відбувається за рахунок внутрішніх напружень. На базі моделі проведений теоретичний аналіз деформування металів в залежності від активаційних параметрів руху дислокацій.

Запропоновано механізм руху дислокацій за рахунок силового над-бар'єрного розповсюдження подвійних перегинів на дислокаціях однієї системи, що рухаються в неоднорідних полях, створених нерухомими дислокаціями іншої системи. Вперше проведений статистичний аналіз впливу випадкових полів внутрішніх мікронапружень, зумовлених дислокаціями, на активування деформаційних процесів при багатократному ударному навантаженні. Визначений інтервал густин дислокацій, при якому вплив полів внутрішніх мікронапружень на деформацію з урахуванням запропонованого механізму руху дислокацій є істотним.

Запропонована методика обробки експериментальних кривих зміни залишкової деформації з часом. Перебудова кривих в координатах істинна деформація - час в ступені одна друга дозволяє виявити стадійність деформаційного зміцнення при багатократному ударному навантаженні та має структурне обгрунтування. Вперше досліджені особливості зміни дислокаційних структур, що утворяться в приповерхневих і більш глибоких шарах металів, що деформувалися ударною обробкою з різними частотами.

Вперше отримано дані про аномальне масоперенесення алюмінію в мідь при ультразвуковій ударній обробці пари мідь-алюміній. Висловлено припущення, що ефект пов'язаний з тим, що атоми алюмінію, які утворюють з атомами міді твердий розчин заміщення, швидко проникають вглиб зразка міді при першому ударі, а при подальшому високочастотному ударному навантаженні проникають в більш глибокі шари за рахунок зростання товщини наклепаного шару з високим ступенем пластичної деформації та різниці між коефіцієнтами масоперенесення в наклепаному шарі і матриці.

Практична цінність отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи можуть стати основою для оптимізації існуючих і розробки нових способів високочастотної (ультразвукової) ударної обробки металів. Отримані результати Ожеспектроскопічних досліджень можуть бути використані в якості фізичної підстави для розробки технології поверхневого легування металів за допомогою ультразвукової ударної обробки.

Особистий вклад дисертанта. Аналіз літературних даних, проведення комплексу експериментів по вивченню процесу накопичування деформації при багатократному ударному навантаженні з різними частотами, комп'ютерне моделювання за допомогою створених ним програм дисертант виконав самостійно. В постановці задачі і поточному обговоренні результатів досліджень брали участь керівник дисертації д.т.н. Г.І.Прокопенко і к.ф.-м.н. А.В.Козлов. Теоретичний розгляд деформаційних процесів з урахуванням впливу випадкових полів внутрішніх мікронапружень дисертант виконав спільно з д.ф.-м.н. К.П.Рябошапка. Результати електронно-мікроскопічних і Ожеспектроскопічних досліджень отримані при безпосередній участі дисертанта.

Мордюк Б.М. брав безпосередню участь в обговоренні та написанні статей.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Тема дисертаційної роботи є складником науково-дослідної роботи “Вивчення фізичної природи зменшення деформаційних напружень при високочастотному імпульсному навантаженні металів з різною енергією дефекту пакування та дослідження супровідних релаксаційних процесів” (1996-1999 г. г.), проекту ГКНТ України “Дослідження впливу високочастотної ударної деформації на фізико-механічні властивості металів” (шифр 4.3/5), а також Міжнародної науково-технічної програми INCO-COPERNICUS (Contract №IC-15-CT96-0740).

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на ІІІ семінарі країн співдружності “Актуальные вопросы диффузии, фазовых и структурных превращений в сплавах” 19-24 червня 1996 р. - м. Черкаси.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 5 робіт. З них 4 в журналі “Металлофизика и новейшие технологии” і 1 в журналі “Фізико-хімічна механіка матеріалів”, список яких наведено в кінці автореферату.

Структура и объем диссертации. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і списку літератури, що включає 182 найменування. Дисертація містить 135 сторінок, 38 рисунків, 4 таблиці, 3 додатки.

термофлуктуаційне деформаційні ультразвукове низькочастотне

Зміст роботи

У вступі показана актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета та задачі дослідження, наведена структура роботи, відзначена наукова новизна та практична значимість отриманих результатів.

У першому розділі наведено огляд літератури, де аналізуються результати експериментальних і теоретичних досліджень впливу ультразвукових і імпульсних (ударних) дій на структуру та властивості металів. Ультразвукова обробка може призводити як до зміцнення, так і до знеміцнення матеріалу, в залежності від його вихідного стану. Одною з основних особливостей ультразвукового зміцнення є утворення дислокаційних диполів і петель. При дії ультразвуку зафіксована генерація значно більшого числа нерівноважних вакансій, що обумовлено циклічністю ультразвукової деформації, оскільки причини утворення вакансій ті ж, що і при однонаправленій деформації (рух дислокацій з порогами та анігіляція дислокацій протилежного знаку).

В загальному випадку при динамічному деформуванні великий вплив на утворення мікроструктурних станів в матеріалі мають два основних чинника: величина напруження, що прикладається і швидкість деформації. Крім того, на напруження пластичної плинності може впливати і історія навантаження. Пластична деформація в процесі ударного навантаження локалізується в смугастих структурах. З підвищенням швидкості деформації зростають густина смуг ковзання і вірогідність появи вторинних площин ковзання. При певних умовах навантаження можливе інтенсивне механічне двійникування. Особливості мікроструктурних змін при ударі багато в чому залежать від структури фронту ударної хвилі, а саме від наявності так званого пружного передвісника, що спричиняє підвищення густини дислокацій.

Розглянуті також існуючі методики ударного навантаження і теоретичні моделі впливу імпульсних навантажень на процес пластичного деформування металів. Серед методик, що найбільш часто використаються для досліджень впливу на метали слабких ударних хвиль при середній швидкості деформації (10² сек^-1), є розрізний стержень Гопкинсона і копер. Однак, тут потрібно оперувати з середніми значеннями напруження, деформації та швидкості деформації. Більшість теоретичних моделей можуть застосовуватись лише у вузькому діапазоні швидкостей деформації, оскільки на різних етапах пластичної деформації домінують різні фізичні механізми. Описаний також розвиток способів багатократного ударного впливу, починаючи від різного роду струйних обробок і аж до ряду способів високочастотної (ультразвукової) обробки. Аналіз літературних даних показав, що в нинішній час досить докладно вивчений вплив імпульсних дій на структуру і властивості металів. Разом з тим, процеси, що відбуваються в металах при багатократних ударних діях з напруженнями, величина яких порівняна з межами пропорційності і плинності, багато в чому вивчені лише якісно. Залишається нез'ясованим питання про мікроскопічні механізми пластичної плинності при багатократному імпульсному навантаженні. Структурних досліджень металів, оброблених високочастотною ударною обробкою (УЗУО) проведе-но недостатньо, а наявні вказують на підвищення густини дислокацій і зростання концентрації вакансій, а також на утворення розорієнтованих комірчастих структур при ступенях істинної деформації до двох одиниць. В той же час практично відсутні детальні структурні дослідження поверхневих шарів металів, що деформувалися багатократною ударною обробкою. В кінці першого розділу приводяться стислі висновки і ставиться наукова задача дисертації.

В другому розділі наведені характеристики зразків та описані методики ультразвукової ударної обробки та низькочастотної ударної обробки, а також ме-одики досліджень, що були використані. Об'єктами досліджень були обрані алюміній, мідь і АРМКО-залізо, що мають достатній запас пластичності при кімнатних температурах, при цьому існує багато інформації щодо еволюції дислокаційних структур цих металів при квазістатичних способах деформування. Наводиться опис методик високочастотного ударного навантаження (частота близько 3 кГц) з застосуванням ультразвуку, а також методики ударного навантаження при низькій (близько 1 Гц) частоті імпульсів. В методиці низькочастотного ударного навантаження передбачена можливість зміни частоти та амплітуди впливу за незмінності решти умов експерименту. Суттєвим є те, що напруження ударного імпульсу були нижчими межі плинності (див. табл.1). Розігрівання зразків вим-рювалось в процесі обробки (дані в табл.1) і враховувалось в подальшому моделюванні. В другому розділі також стисло описані електронно-мікроскопічна та Ожеспектроскопічна методики, що застосовувалися для дослідження еволюції дислокаційних структур та масоперенесення при багатократному ударному навантаженні.

Таблиця 1. Режими ударної ультразвукової й низькочастотної обробок

Матеріал Вид ударної обробки Частота, ГцАмплітуда УЗ,мм Маса бойка, кгСила удару, кН Напруження ударного імпульсу, ?_вн, МПа Межа плинності [131], ?_т, Мпа Розігрівання зразка, ДТ= Т_max-Т_к^*,⁰С

АlУЗУО3·10³300,010,14…0,21,911

Низькочастотна 0,15; 0,8-0,0262,1220,529,4…41,24

СuУЗУО3·10³300,010,14…0,22,5351

Низькочастотна 0,15; 0,8-0,0483,74759…694

FeУЗУО3·10³300,010,14…0,22,5398

Низькочастотна 0,15; 0,8-0,0816,68498…1124

В третьому розділі дисертації висвітлено результати теоретичного вивчення деформації при багатократному ударному навантаженні. В підрозділі 3.1 викладена феноменологічна модель. В моделі застосований підхід до опису пластичної деформації, що базується на термофлуктуаційному подоланні бар'єрів рухомими дислокаціями. Для високочастотної ударної обробки швидкість загальної деформації зразка задавалася наступним законом:

, ,(1)

адже при великій потужності ультразвукових коливань і малих масах бойка та зразка у порівнянні з масою концентратора, що завжди виконувалось в експерименті, вони істотно не впливатимуть на гармонійність коливань концентратора. В виразі (1) А - константа, що визначається амплітудою ультразвукових коливань і товщиною зразка, Н(sint?) - функція Хевісайда. Отже, концентратор коливається майже вільно, тобто по синусоїдальному закону, що і підтверджується експери-ментально наявністю резонансних коливань в системі. При цьому припускалося, що рухомий інструмент (бойок) періодично коливається між торцем ультразвукового концентратора і зразком. Для випадку ударного навантаження з низькими часто-тами близько 1 Гц вид загальної швидкості деформації зразка при ударі задавався лінійною функцією виду:

,(2)

де ?_max - амплітудне значення деформації зразка після одного удару, ? - коефіцієнт розмірності сек^-2. В роботі ? було обрано таким чином, щоб тривалість ударного імпульсу була ф_уд=35 мкс, що відповідає літературним оцінкам.

Залежність напруження, що виникає при ультразвуковому або низькочастотному ударному навантаженні, від часу шукається вирішенням диференційного рівняння для швидкості деформації з урахуванням ряду структурних і субструктурних характеристик матеріалу:

,(3)

де Е - модуль Юнга, t - час, ?_m - густина рухомих дислокацій, b - вектор Бюргерса, U - енергія активації руху дислокацій (висота бар'єру Пайерлса), V - активаційний об'єм, ? - відстань, яку проходить дислокація при подоланні потенційного бар'єру (відстань між долинами Пайерлса),

(4)

внутрішні напруження, зумовлені дислокаціями, ? - коефіцієнт пропорційності; G - модуль зсуву, ? _t - загальна густина дислокацій.

Враховуючи, що на початкових етапах ударного навантаження до появи значних ступенів пластичної деформації ?_p комірчаста структура в зразках не формується, вважали, що густина дислокацій зі збільшенням ?_p росте лінійно:

, (5)

г - константа для даних матеріалу і умов деформування; ?₁=0,5 - орієнтаційний фактор; f=L/d=0,15; d - розмір зерна; L - середня довжина вільного пробігу дислокації, b - вектор Бюргерса. Слід відзначити, що залежність виконується в широкому інтервалі значень розміру зерна. Тобто густина дислокацій істотно залежить від вихідного розміру зерна d. Тому для всіх зразків проводився контроль d на оптичному мікроскопі МИМ-8.

Розрахунки проводилися в безрозмірних змінних. При низькочастотному ударному навантаженні дія зовнішнього напруження припинялася повністю після кожного ударного імпульсу, тобто в проміжках між ударами. Крім того, важливим є той факт, що в цьому випадку при збільшенні частоти навантаження тривалість одиночного імпульсу залишається постійною. Таким чином, на проміжку часу, коли відбувалося імпульсне навантаження зразка, напруження і деформацію в ньому визначали в відповідності з виразом (3), що вирішувався чисельним методом Рунге-Кутти 4-го порядку точності на ЕОМ за допомогою оригінальної програми на мові Паскаль. Межі інтегрування виразу (3) для даного випадку (тобто власне проміжок часу, коли відбувалося навантаження зразка) наступні: початок навантаження t_п визначався частотою ударів f, закінчення навантаження t_к з виразу (2) при ?=0:

;(6)

В проміжках між ударами: зовнішнє напруження буде рівним нулю, а внутрішні напруження будуть і надалі визначатися виразом (4). Інтегруванням виразу (3) в цьому інтервалі часу отриманий вираз для пластичної деформації. Вона змінюється лінійно з часом:

, (7)

Іншими словами за відсутності зовнішнього напруження, що задається ударним імпульсом в зразку діють лише внутрішні напруження ?_? і під їх дією відбувається деформація зразка в зворотному напрямку.

Отримано теоретичні залежності зміни напружень, пластичної деформації та її швидкості з часом (рис.1). Показано, що ступінь пластичної деформації зростає зі підвищенням частоти імпульсів (рис.2). Крім того, теоретично розглянуто вплив енергії активації та активаційного об'єму руху дислокацій на деформацію Al та Fe, а також температури (Al) (рис.3). На рис.4 наведено залежність зміни пластичної з часом в час розвантаження (відповідно до виразу (7)). Саме його аналіз дозволяє пояснити отримані залежності зміни пластичної деформації, наведені на рис.1 3. Дійсно, при зростанні частоти навантаження зменшується проміжок між ударами, тобто час дії внутрішніх напружень, що спричиняють зворотну деформацію. Тому величина зворотної деформації зменшується з підвищенням частоти навантаження, а ступінь загальної пластичної деформації зростає (рис.2). Зростання енергії активації руху дислокацій U веде до зменшення першої експоненти в (7). Таким чином, зворотна пластична деформація Де росте і, отже, зменшується деформація, накопичена після багатократної ударної обробки. Фізична суть такого результату теж зрозуміла, оскільки зростання висоти потенціальних бар'єрів ускладнює рух дислокацій. Розглянемо тепер, як буде змінюватися пластична деформація при зростанні активаційного об'єму руху дислокацій V. Аналіз виразу (7) показує, що при зростанні V друга експонента в (7) росте, тобто деформація в зворотному напрямку Де зменшується, а отже, зростає накопичена деформація. Однак, при досягненні величини () друга експонента в (7) стає порівняною з першою і подальше зростання V веде до зростання Де і, відповідно, до зменшення накопиченої деформації. І, нарешті, при зростанні температури перша експонента в (7) росте, а друга зменшується, причому з різною швидкістю, що веде до немонотонної залежності накопичування деформації. Фізичний смисл цих викладень полягає в тому, що зі зростанням температури, а також ширини потенційних бар'єрів при їхній постійній висоті (тобто бар'єри стають більш пологими) імовірність зворотних скачків дислокацій під дією внутрішніх напружень зростає, але процес залежить і від співвідношення висоти та ширини бар'єрів. Отже, очевидно, що більш інтенсивно повинні йти релаксаційні процеси. В зв'язку з цим відповідно зменшується загальна накопичена величина пластичної деформації при більш високих температурах.

В даній моделі використано середні величини внутрішніх напружень і деформацій. Однак, в роботах Б.М.Струніна з співробітниками, а також К.П.Рябошапки вказується, що поля внутрішніх напружень в реальних кристалах мають неоднорідний характер, тобто існують локальні відхилення від середнього рівня, які виявляють вплив на процеси утворення та переміщення дислокацій. Для врахування таких локальних перенапружень необхідно застосовувати статистичний підхід.

В підрозділі 3.2 проведений статистичний аналіз впливу випадкових полів пружних напружень, зумовлених дислокаціями, на активування деформаційних процесів при багатократному ударному навантаженні. Запропонований механізм руху дислокацій за рахунок силового надбар'єрного розповсюдження подвійних перегинів на дислокаціях первинної системи в неоднорідних пружних полях, створюваних хаотично розподіленими нерухомими прямолінійними дислокаціями вторинної системи (рис.5). Вирази для характеристик поля мікронапружень в пружно-напруженному наближенні можна записати в вигляді:

, (8)

, (9)

,->0,(10)

. (11)

<L>середня довжина флуктуації, <N> середнє число пересічень з деяким рівнем напружень, Ф(х) інтеграл імовірності, коефіцієнт кореляції, <A> cередня амплітуда флуктуації, D_kl дисперсія поля, С_kl коефіцієнт, що визначається типом і просторовим розташуванням дислокацій в первинній і вторинній системах ковзання, G модуль зсуву, b_x вектор Бюргерса, ? - коефіцієнт Пуассона, ? - густина дислокацій, R - розмір кристалу (для полікристалів розмір зерна), а відстань між площинами ковзання, r - радіус ядра дислокації, ?_с - критичне напруження,?_з - зовнішнє напруження. Індекси k, l приймають значення x, y, z координат, зв'язаних з вторинною системою.

Отримані співвідношення для залежностей характеристик неоднорідності пружного поля мікронапружень від густини дислокацій, визначений інтервал густин дислокацій, для якого вплив флуктуацій на деформаційні процеси є істотним:

,, (12)

де - критичний розмір парного перегину, А, В - коефіцієнти. В оціночних розрахунках накопичування деформації при низькочастотному ударному навантаженні з урахуванням локальних перенапружень використовувалося запропоноване в моделі (розділ 3.1) диференційне рівняння (3) при тому, що внутрішні напруги задаються формулою:

 (13)

Перший доданок описує середній рівень внутрішніх напружень, а другий - це амплітуда флуктуації поля внутрішніх напружень, що визначається виразом (11), =3,1 - фактор орієнтації Тейлора, що враховує відмінність орієнтацій окремих зерен полікристалу та вплив границь зерен. Результати комп'ютерного моделювання накопичування деформації при багатократному ударному навантаженні полікристалічного алюмінію при врахуванні випадкового характеру поля внутрішніх напружень (13) наведені на рис.6.

Доречно ще раз відзначити, що даний ефект в першу чергу повинен спостерігатися при деформуванні монокристалів певної орієнтації з дотриманням зазначених вище умов (рух дислокацій вторинної системи ковзання в полі пружних напружень, створеному нерухомими дислокаціями первинної системи). Однак, оскільки утворення випадкових полів внутрішніх напружень процес статистичний, то цілком можливе виконання означених умов деформування і для окремих зерен полікристалічного матеріалу, в кожному з яких умови роботи запропонованого механізму будуть різними.

Електронно-мікроскопічні дослідження показали можливість утворення подібних дислокаційних структур в ударно деформованому полікристалічному залізі навіть на етапі формування комірчастої структури (рис.7).

Безумовно, що при деформуванні металів в умовах імпульсних навантажень, що повторюються, процеси руху дислокацій неможливо описати лише в рамках механізму силового надбар'єрного розповсюдження парних перегинів в неоднорідних пружних полях або якого-небудь іншого механізму. Але безсумнівним є і той факт, що робота більшості відомих мікромеханізмів утворення та розповсюдження дислокацій буде відбуватися під впливом випадкових неодноріних полів пружних внутрішніх напружень. Тут слід згадати джерела Франка-Ріда, подвійне поперечне ковзання, коливання закріпленого на сітці Франка або дислокаціях лісу дислокаційного сегменту і т. п.

В четвертому розділі подано результати експериментального вивчення деформації при багатократному ударному навантаженні. Тут наведено експериментальні залежності зміни залишкової деформації всіх досліджених металів від часу, амплітуди, кількості ударів, які підтверджують теоретичні криві, отримані в розділі 3. Запропоновано також обробку експериментальних даних. Аналогічно з методикою, розробленою в роботах В.Ф. Моісеєва з співробітниками, яка передбачає перебудову кривих зміцнення ОЦК металів при розтяганні в координатах істинне напруження істинна деформація в ступені одна друга, в випадку багатократного ударного навантаження залежності пластичної деформації від часу перебудовано в координатах істинна деформація час в ступені одна друга. Показано, що така методика дозволяє виявити стадійність деформаційного зміцнення (рис.8). І результати електронно-мікроскопічних досліджень підтвердили її структурну обумовленість. В результаті перебудови криві трансформуються в ламані лінії з чітко вираженими прямолінійними ділянками, кожній з яких відповідає своя дислокаційна структура (рис. 8). Еволюцію дислокаційної структури міді можна описати схемою: ліс > комірчаста структура> структура повернення. Подано також результати дослідження еволюції дислокаційної структури Al, Cu та Fe в процесі багатократного ударного навантаження. Наведені результати електронної мікроскопії приповерхневих (15мкм) і більш глибоких шарів (100 мкм) зразків, підданих високочастотній і низькочастотній ударній обробці. Відповідні глибини обрано на основі проведеного мікродюрометричного аналізу деформованих зразків.

Наведені також результати Ожеспектроскопічних досліджень масоперенесення при ультразвуковому ударному навантаженні пари мідь-алюміній. Виявлене аномальне масоперенесення алюмінію в мідь (рис.9). Атоми алюмінію, що утворюють з атомами міді твердий розчин заміщення, швидко проникають вглиб зразка міді при першому ударі, а при подальшому високочастотному ударному навантаженні проникають в більш глибокі шари за рахунок зростання товщини наклепаного шару з високим ступенем пластичної деформації та різниці між коефіцієнтами масоперенесення в наклепаному шарі і матриці.

Висновки

1. Побудована феноменологічна модель деформації металів при багатократному ударному навантаженні. Теоретично показано, що ступінь пластичної деформації металів зростає з підвищенням частоти ударних імпульсів, що пов'язано зі зменшенням зворотної пластичної деформації під дією внутрішніх напружень під час розвантаження між ударами. Теоретичні залежності пластичної деформації від числа ударів (тобто від часу), отримані з урахуванням середнього рівня внутрішніх мікронапружень, підтверджені експериментальними даними.

2. Показано, що при низькочастотній ударній обробці Al і армко-Fe ступінь пластичної деформації зменшується зі зростанням енергії активації руху дислокацій за рахунок зростання величини потенційних бар'єрів в площинах ковзання. Крім того, ступінь пластичної деформації має максимум при певних значеннях активаційного об'єму і температури, що обумовлено конкуренцією процесів деформаційного зміцнення і релаксації.

3. Запропоновано механізм силового надбар'єрного руху парних перегинів на дислокаціях первинної системи в неоднорідному полі напружень, що формується хаотично розподіленими прямолінійними дислокаціями вторинної системи. З використанням отриманих виразів для мінімальної та максимальної густин дислокацій для Al, Cu і армко-Fe виконані оціночні розрахунки інтервалу густин дислокацій, в межах якого деформація відбувається при впливі локальних перенапружень в кристалі. Врахування вкладу локальних перенапряжений дозволило уточнити (10%) теоретичні криві зміни пластичної деформації з часом, отримані з використанням феноменологічної моделі.

4. Експериментально показано, що при напруженнях ударного імпульсу нижче межі плинності і при фіксованій тривалості ударного імпульсу ступінь пластичної деформації Al, Cu і армко-Fe зростає зі зростанням частоти обробки вже на частотах близько 1 Гц, що пов'язано зі зменшенням пластичної деформації в зворотному напрямку під дією внутрішніх напружень під час розвантаження між ударами.

5. Виявлено стадійний характер зміцнення металів при багатократному ударному навантаженні, що було показано шляхом перебудови експериментальних кривих зміни залишкової деформації з часом при багатократному ударному навантаженні полікристалічних металів в координатах , яка має структурне обгрунтування. Еволюція дислокаційної структури міді при багатократному ударному навантаженні з частотою близько 1 Гц протікає за схемою: ліс> комірчаста структура> структура повернення.

6. Показано, що ультразвукова ударна обробка сприяє не тільки прискореній формозміні Al, Cu і армко-Fe у порівнянні з низькочастотною, але й формуванню більш досконалих комірчастих структур. Розміри комірок зменшуються зі зростанням частоти навантаження та ступені пластичної деформації. Аналіз структурних станів приповерхневих шарів Al, Cu і армко-Fe, які деформувалися багатократною ударною обробкою, показав, що прискорене формування комірчастих структур при УЗУО, а також зменшення густини дислокацій в приповерхневих шарах слід пов'язувати з генерацією великої кількості вакансій.

7. Виявлено аномальне масоперенесення алюмінію в міді при ультразвуковій ударній обробці пари мідь-алюміній за допомогою Ожеелектронної спектроскопії. Припускається, що останнє пов'язане з розмиттям при багатократній ударній обробці експоненційного розподілу алюмінію, що формується після першого удару. Це зумовлено неоднорідністю величин деформації та коефіцієнту масоперенесення по глибині наклепаного шару.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Васильев М.А., Пpокопенко Г.И., Козлов А.В., Мордюк Б.Н. Массоперенос при ультразвуковой ударной обработке пары медь-алюминий // Металлофизика и новейшие технологии.- 1995.- 17, №11.- С. 75-78.

2. Прокопенко Г.И., Козлов А.В., Кузьмич Г.И., Мордюк Б.Н. Деформация алюминия при многократном ударном нагружении с низкими частотами // Металлофизика и новейшие технологии.- 1996.- 18, №5.- С. 77-81.

3. Прокопенко Г.И., Козлов А.В., Мордюк Б.Н., Абрамов В.О. Влияние активационных параметров на процесс деформации металлов при много-кратном ударном нагружении // Металлофизика и новейшие технологии.- 1998.- 20, №7.- С. 30-34.

4. Рябошапка К.П., Прокопенко Г.И., Козлов А.В., Мордюк Б.Н. Влияние случайных полей упругих напряжений, обусловленных дислокациями, на образование двойных перегибов и активирование деформационнных процессов при многократном ударном нагружении // Металлофизика и новейшие технологии.- 1999.- 21, №9.- С. 3-10.

5. Gust W., Prokopenko G.I., Kozlov A.V., Morduyk B.N., Abramov V.O. Shock ultrasonic treatment of welded joints // ФХММ.- 1999.- №5.- С.71-74.

Анотація

Мордюк Б.М. Особливості пластичної деформації та структурних змін в алюмінії, міді та армко-залізі при ударних ультразвуковій та низькочастотній обробках. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 - фізика металів.

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова, Київ - 2000.

Дисертаційну роботу присвячено теоретичному та експериментальному вивченню процесу пластичної деформації алюмінію, міді та армко-заліза під дією багатократних ударних обробок ультразвукової та низькочастотної, а також особливостей формування дислокаційних структур в приповерхневих та більш глибоких шарах вказаних металів. Побудовано феноменологічну модель деформування металів при вказаних обробках. Вперше показано, що накопичення пластичної деформації при багатократному ударному навантаженні обумовлене релаксаційними процесами, що протікають в час розвантаження між ударами, і залежить від частоти, амплітуди, а також активаційних параметрів руху дислокацій та температури. Показано визначну роль в процесі деформації внутрішніх напружень, обумовлених дислокаціями. На основі статистичного аналізу їх випадкового розподілу та врахування наявності локальних перенапружень проведено уточнення залежності залишкової деформації від часу обробки. Вперше проведено детальні електронно-мікроскопічні дослідження дислокаційних структур приповерхневих та більш глибоких шарів алюмінію, міді та армко-заліза при багатократному ударному навантаженні (високо- та низькочастотному). За допомогою запропонованої обробки експериментальних кривих зміни залишкової деформації з часом в координатах істинна деформація - час в ступені одна друга та електронно-мікроскопічних дослідженнь показано, що еволюція дислокаційної структури міді при низькочастотній ударній обробці може бути описана схемою: ліскомірчаста структураструктура повернення. Проведена робота дозволяє з'ясувати природу суттєвого зниження межі плинності при ультразвуковій ударній обробці металів, що має наукове та практичне значення.

Ключові слова: ультразвукова ударна обробка, багатократне ударне навантаження, пластична деформація, дислокаційна структура, релаксаційні процеси, внутрішні напруження.

Summary

Mordyuk B.N. The peculiarities of plastic deformation and structure changing in aluminium, copper and armko-iron under shock ultrasonic and low-frequency treatments. Manuscript.

Thesis for a Ph.D. degree by speciality 01.04.13 - physics of metal.

Kurdumov Institute for metal physics Ukrainian National Academy of Science, Kiev - 2000.

The dissertation work is devoted to theoretical and experimental investigations of plastic deformation process of aluminium, copper and armko-iron under effect of multiple shock treatments - ultrasonic and low-frequency ones and also to study of peculiarities of dislocation structure formation into near surface and balk layers above mentioned metals. The phenomenological model of metal deformation process under shock treatments was devoted. It was firstly shown that plastic strain accumulation under multiple shock loads is conditioned by relaxation processes that occurs during gap between consequent impacts and depends on frequency, amplitude and also on activation parameters of dislocation motion and temperature. It was shown that internal stress conditioned by dislocation play a determinative role in deformation process. Based on statistic analysis of chaotic distribution of internal stress and taking into account of local overstrain occurrence the refinement of residual strain dependencies on treatment time was carried out. It is firstly conducted the detail transmission electron microscopy studies of dislocation structures formed in surface neighbour and balk layers in aluminium, copper and armko-iron under multiple shock loads (high- and low-frequency). Based on suggested treatment of experimental dependencies of residual strain on time in coordinates true strain - square root of time and results of transmission electron microscopy investigations it was shown that the dislocation structure evolution of cooper can be described by scheme: wood cell structurereturn structure. The conducted work permits to explain a nature of essential reduction of yield stress under shock ultrasonic treatment of metals that have a scientific and practical importance.

Key words: shock ultrasonic treatment, multiple shock loads, plastic deformation, dislocation structure, relaxation process, internal stress.

Аннотация

Мордюк Б. Н. Особенности пластической деформации и структурных изменений в алюминии, меди и армко-железе при ударных ультразвуковой и низко-частотной обработках. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математи-ческих наук по специальности 01.04. 13 - физика металлов. Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова, Киев - 2000.

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению процесса пластической деформации алюминия, меди и армко-железа под действием многократных ударных обработок с напряжениями единичного ударного им-пульса ниже предела текучести - ультразвуковой (высокочастотной) и низкочастотной, а также особенностей формирования дислокационных структур в при-поверхностных и более глубоких слоях указанных металлов. Построена феноменологическая модель деформирования металлов при указанных обработках. В модели учитывался средний уровень внутренних напряжений. Впервые показано, что накопление пластической деформации при многократном ударном нагружении обусловлено релаксационными процессами, которые протекают во время разгрузки между ударами. Степень пластической деформации металлов возрастает с ростом амплитуды, частоты следования ударных импульсов, что обусловлено сокращением времени между ударами, т.е. времени действия внутренних напряжений, вызывающих обратную пластическую деформацию. Она снижается с ростом энергии активации движения дислокаций из-за возрастания высоты потенциальных барьеров в плоскостях скольжения, и немонотонно зависит от активационного объема движения дислокаций и температуры, что связано с действием конкурирующих процессов деформационного упрочнения и релаксации напряжений. Показана определяющая роль в процессе деформации внутренних напряжений, обусловленных дислокациями. На основе статистического анализа их случайного распределения и учета наличия локальных перенапряжений проведено уточнение зависимости деформации от времени обработки. Учет случайного характера полей внутренних напряжений приводит с одной стороны к деформированию металла при более низких действующих напряжениях во время удара, а с другой стороны к возрастанию обратной деформации под действием внутренних напряжений в промежутках между ударами. Временная, частотная, амплитудная и температурные зависимости изменения остаточной деформации алюминия, меди и армко-железа подтверждены экспериментально. Впервые проведены детальные электронно-микроскопические исследования дислокационных структур приповерхностных и более глубоких слоев алюминия, меди и армко-железа при многократном ударном нагружении (высоко- и низкочастотном). При ультразвуковой ударной обработке, а также в приповерхностных слоях формируются более совершенные ячеистые структуры - с узкими границами и меньшей плотностью дислокаций в теле ячеек, что, по-видимому, обусловлено повышенной концентрацией вакансий. При помощи предложенной обработки экспериментальных кривых изменения остаточной деформации со временем в координатах истинная деформация - время в степени одна вторая и электронно-микроскопических исследований показано, что эволюция дислокационной структуры меди при низкочастотной ударной обработке может быть описана схемой: лесячеистая структураструктура возврата. Впервые получены данные об аномальном массопереносе алюминия в медь при ультразвуковой ударной обработке пары медь-алюминий. Выдвинуто предположение, что в данном случае происходит размытие экспоненциального распределения алюминия, формируемого после первого удара, за счет неравномерности по глубине деформации и коэффициента массопереноса. Проведенная работа позволяет объяснить природу существенного снижения предела текучести при ультразвуковой ударной обработке металлов, что имеет научное и практическое значение.

Ключевые слова: ультразвуковая ударная обработка, многократное ударное нагружение, пластическая деформация, дислокационная структура, релаксационные процессы, внутренние напряжения.

Размещено на Allbest.ru