1. Введение
Процесс пластического течения твердых тел является многостадийным, причем обычно каждой стадии соответствует специфический микромеханизм, связанный с движением дефектов кристаллического строения
[1][2][3][4][1][2]
Одним из приоритетных классов конструкционных материалов, используемых в современной промышленности, являются высокопрочные аустенитные стали. Высокомарганцевая аустенитная сталь Гадфильда [5], обладающая высокой износоустойчивостью при трении с давлением и ударами, используется для изготовления зубьев ковшей экскаваторов, траков гусениц тракторов и танков, железнодорожных крестовин, деталей камнедробилок. Анализ результатов исследований в формировании прочностных свойств, полученных на поликристаллах высоколегированных сталей, осложняется границами зерен и требует целого ряда специальных исследований. В физике пластичности в экспериментальных исследованиях главных закономерностей и особенностей пластической деформации традиционно используются монокристаллы [1]. Отсутствие в них границ зерен и постоянство свойств по всему объему позволяют в этом случае наиболее точно представить основные элементы кристаллографии скольжения, выделить стадии процесса и связать их с особенностями дефектной структуры и ее эволюцией [1]. Использование монокристаллов высокомарганцовистой (13% Mn) аустенитной стали в настоящей работе вызвано тем, что за счет выбора ориентации оси растяжения в таких монокристаллах возможна смена механизма деформации от дислокационного скольжения к двойникованию [6]. При этом возникает возможность сравнения картин локализованной деформации при работе разных деформационных механизмов [2]. Таким образом, в настоящей статье ставится задача провести исследование закономерностей неоднородности пластического течения на ранних стадиях пластического течения при скольжении и двойниковании, в зависимости от ориентации оси растяжения деформации в монокристаллах стали Гадфильда. Сведения о роли механизмов деформационного упрочнения и ориентации кристалла на процессы локализации пластического течения стали позволят создавать текстурированные материалы с набором заданных свойств и конструировать материалы «по типу стали Гадфильда».
2. Методы и принципы исследования
Интерес к монокристаллам нержавеющей высокомарганцовистой стали Fe-13% Mn (сталь Гадфильда) вызван возможностью эффективно менять форму их диаграммы растяжения и активировать дислокационное скольжение или двойникование не только выбором кристаллографического направления оси растяжения, но и дополнительным легированием примесями внедрения углерода
[5][7][8][10][11]
Для исследования полей макроскопической неоднородности деформации на базе метода двух-экспозиционной спекл-фотографии
[2][12][1]
Основными характеристиками процесса локализации пластического формоизменения, рассматриваемыми далее, являются число и скорость перемещения зон локализации деформации вдоль растягиваемого образца, которая находится следующим образом. Поскольку при растяжении с постоянной скоростью общая деформация пропорциональна времени εtot Missing Mark : sub~ Missing Mark : subt
3. Основные результаты
Микро- и макроскопические детали процесса остаточной деформации в сплавах и в чистых металлах заметно различаются
[1][1]
Площадка текучести наблюдалась в ориентированных вдоль направлений [377] и [355] исследуемых монокристаллах с содержанием 1%С. Плоскость наблюдения в этих образцах имела индексы (011). Для указанных ориентаций благоприятное сочетание низкой энергии дефекта упаковки ~ 0,023 Дж/м2Missing Mark : sup и высокого уровня деформирующих напряжений за счет твердорастворного упрочнения углеродом приводит к развитию двойникования на ранних стадиях пластической деформации
[6][11]
Начальные стадии кривой пластического течения монокристалла стали Гадфильда и график движения очага локализованной деформации на стадии I
[6][11]
Одиночный деформационный фронт на площадке текучести в интервале 0,10-0,102 общей деформации в монокристалле стали Гадфильда
[12]
Для ориентации [355] удалось наблюдать разделение фронтов (очагов) локализованной деформации. Так, на стадии I' от первичного очага деформации отделяется еще один фронт. При этом основная деформационная зона продолжает двигаться с прежней скоростью по недеформированной части, а новая перемещается по уже деформированной области образца в противоположном направлении со скоростью -5,5×10-5Missing Mark : supм/с. Такая ситуация дважды повторяется на протяжении стадии I'. Стадия I' заканчивается, когда первый деформационный фронт проходит по всей длине образца.
Большой интерес представляют исследования кривой течения и картин локализации на стадии легкого скольжения при деформации двойникованием. Эта ситуация может быть реализована следующим образом.
При содержании углерода в исследуемых монокристаллах ~1% и ориентации оси растяжения [111], начиная с предела текучести, реализуется множественное двойникование по трем системам, а диаграмма нагружения содержит участок линейного деформационного упрочнения, продолжающийся вплоть до разрушения. Кроме того, в начале кривой пластического течения (сразу после предела текучести) наблюдался участок, для которого θ ≈ 0.
Распределения локальных удлинений на стадии легкого скольжения таких монокристаллов имели форму совокупности трех расположенных на одинаковых расстояниях синхронно перемещающихся широких деформационных зон. Скорость движения очагов локализации деформации составила ~3,2×10-5 Missing Mark : supм/с.
В отличие от описанных выше случаев деформации монокристаллов за счет двойникования, для ориентаций [123] и [012] в
[1][11]
При анализе распределений локальных деформаций образца с ориентацией [123] были обнаружены следующие особенности. На стадии I со стороны неподвижного захвата движутся с одинаковой скоростью 3,1×10-5 Missing Mark : supм/с две широкие деформационные зоны, разделяющие деформированную и недеформированную части материала (рис. 3). Стадия I заканчивается, когда деформационные фронты проходят всю длину образца.
Картина локальных деформаций в образце монокристалла стали Гадфильда в интервале общей деформации 0,122 – 0,124 на стадии легкого скольжения
4. Обсуждение
Принципиальным следствием наблюдаeмых явлений явилось признание того факта, что неоднородность является неотъемлемой чертой пластического течения и сопровождает весь ход этого процесса, принципиально важно. Локализация помечает в деформируемом объеме наиболее физически существенные участки среды (очаги), в которых деформация обгоняет в развитии процессы, идущие в других объемах. Это означает, что внимание исследователей должно быть сосредоточено на форме таких очагов и деформации в них. В свою очередь самопроизвольное рождение зон локализованной пластичности сигнализирует о формировании структуры среды
[2]
Очаг локализованной пластичности в деформируемой среде документирует процесс структурообразования, которое является предметом интересов теории неравновесных систем — раздела науки, нацеленного на поиск причин возникновения порядка в открытых неравновесных системах
[13]
Движение одиночных очагов локализованной пластичности на стадиях легкого скольжения и площадке текучести соответствует фронту Людерса, который переводит среду из метастабильного упруго деформируемого в стабильное пластически деформируемое состояние. Этот переход может реализоваться в системе только один раз, что объясняет однократное прохождение фронта Людерса по образцу. Закономерности развития деформации на площадке текучести при деформации Людерса заставляют описать движение фронта, используя такое понятие, как
[2]
В такой постановке автоволновой подход к проблеме физики пластичности естественным образом становится частью проблематики теории неравновесных систем
[13]Возможность ввести проблему пластичности в круг таких явлений, конечно, следует рассматривать как большую удачу исследователей, поскольку это обогащает изучение пластичности методологией и аппаратом теории неравновесных процессов и синергетики [13].Обретя эти возможности, наука о пластичности пополнилась методами решения таких задач, которые в рамках традиционных подходов считались неразрешимыми. Для нынешнего состояния этой науки такие возможности кардинально важны, поскольку на протяжении нескольких последних десятков лет исследователи в этой области были участниками или свидетелями многочисленных тщетных попыток решить проблему пластичности, осуществляемых почти исключительно на базе просвечивающей электронной микроскопии дислокационных структур в деформированных монокристаллах [1].
5. Заключение
Визуализация полей локальных деформаций, регистрируемых методом двух-экспозиционной спекл-фотографии, показала, что во всех рассмотренных случаях в монокристаллах стали Гадфильда, ориентированных для одиночного скольжения или двойникования, на площадке текучести (стадии легкого скольжения) картины локализации деформации представляли собой одиночные движущиеся фронты деформации, подобные полосам Людерса. Такое же движение деформационных фронтов наблюдалось ранее на площадках текучести в поликристаллах малоуглеродистой стали.
Стадия легкого скольжения заканчивается либо с завершением движения единичного фронта, либо при встрече двух очагов деформации. Таким образом, есть основание полагать, что на стадии I пластического течения картина локализация макроскопической деформации монокристаллов обусловлена числом активных систем скольжения или двойникования
Дальнейшее деформирование сопровождается ростом напряжения и на диаграмме растяжения возникает стадия линейного деформационного упрочнения, на которой меняется тип распределения локальных деформации, который характеризуется наличием движущихся с постоянной скоростью 4...5 равноудаленных зон локализации (максимумов компоненты локальных удлинений).