1.2 Волны пластической деформации

В процессе пластической деформации и ансамбле дефектов может реализоваться либо циклическое изменение плотностей дефектов, либо автокаталитическое их размножение, приводящее к образованию гидродинамической моды пластического течения. В описанных системах самосогласованное поведение дефектов наблюдалось в условиях монотонно возрастающего или постоянного нагружения, а поле деформации выступало в качестве медленно меняющегося параметра порядка. Рассмотрим теперь более сложный случай, когда колебательный характер имеет изменение самого поля пластической деформации.

Рисунок 1.1. -- Кривая деформации кремнистого железа

Экспериментальное исследование такого случая проводили Фролов К.В., Панин В.Е., Зуев Л.Б., Махутов Н.А., Данилов В.И., Мних Н.М. на образцах крупнозернистого (размер зерна 10 мм) кремнистого железа состава Fe+3%Si и малоуглеродистой стали 10Г2Ф (размер зерна 80 мкм) толщиной (0.3-1.5) мм с рабочей частью 10x50. Они подвергались растяжению на жесткой испытательной машине Instron-1185 с постоянной скоростью при комнатной температуре. Кривая деформации сплава Fe+3%Si имеет вид, представленный на рис. 1.1 На ней цифрами I-V указаны отвечающие пластическому течению материала участки, на которых регистрировалось 5-8 спеклограмм. Прирост деформации между фиксациями ближайших спеклограмм составлял 0.2%. Расшифровка спеклограмм позволила найти вектор смещений точек по всей рабочей поверхности образца с шагом 1 мм. По полю смещений стандартным методом определялись компоненты сдвиговой деформации и поворота (ось x совпадает с направлением приложения нагрузки к образцу, у находится в его плоскости). В результате были построены пространственные зависимости , и зависимости , от интегральной деформации , которые могут быть интерпретированы как временные (рис.1.2-1.3) [2].

Рисунок 1.2. -- Распределение локальных сдвигов и локальных поворотов вдоль оси x образца Fe+3%Si для различных участков кривой нагружения (см. рис.1.1) с приростами общей деформации, %: 0.88-1.08 (а); 1.08-1.28 (б); 1.28-1.48 (в).

Рисунок 1.3. -- Зависимость локальных сдвигов и локальных поворотов вдоль оси x образца Fe+3%Si в точке (см. рис. 1.2) от общей деформации .

Видно, что для образца Fe+3%Si они имеют волновой характер, при этом сдвиги и повороты меняются вдоль осей координат синфазно. С помощью зависимостей , и , были оценены длина пластической волны , период Т и скорость ее распространения . Они оказались приближенно равными 5±2 мм, 300 с, 0.0015 см/с. Было установлено, что длина волны зависит только от структурных и геометрических параметров образца. Так, при активном растяжении А1 и аморфного сплава величина характеризуется логарифмической зависимостью от размера зерна и линейной - от поперечника образца. В то же время скорость распространения волны v не зависит от размеров образца и зерна, но представляет возрастающую функцию скорости нагружения. Величина v примерно на порядок превышает скорость перемещения подвижного захвата машины.

Для малоуглеродистой стали обнаружен ряд отличий в характере изменения поля дисторсий. В таких материалах отвечающая площадке текучести деформация сопровождается распространением одной или нескольких полос Людерса. В эксперименте, в частности, происходило движение двух полос Людерса во встречном направлении. Основным носителем деформации является фронт полосы, перед ним материал деформирован незначительно. Как показал анализ соответствующего площадке текучести ноля деформации (рис. 1.4а), существуют значительные распределенные волновым образом сдвиги, как за фронтом полосы Людерса, так и перед ним. Величины последних примерно одинаковы, но ярко выраженная цикличность сдвигов, как при деформации Fe+3%Si отсутствует. На зависимости максимумы разного знака совпадают с положениями фронтов полос Людерса. Как видно из рис. 1.46, при встрече полос (окончание площадки текучести и переход к стадии упрочнения) экстремумы поворотов аннигилируют. В дальнейшем зависимости , принимают вид, подобный наблюдаемому для системы Fe+3%Si (рис. 1.4в).

Рисунок 1.4. -- Изменение пространственной части волны деформации при распространении полос Людерса в малоуглеродистой стали (и - положение фронтов полос во время регистрации спеклограммы, - координата встречи полос Людерса).

фазовый волна пластическая деформация автоколебательная

Для этой стадии деформирования скорость распространения волны v=0.0023 см/с. Указанное значение v соизмеримо со скоростью фронта полосы Людерса, определенной путем киносъемки процесса при освещении скользящим пучком света. Оно на порядок больше скорости подвижного захвата нагружающего устройства. Таким образом, квазистатическая деформация сталей также носит волновой характер. Наблюдаемые волны не являются упругими и их нельзя отождествлять с волнами пластичности Кольского, реализуемыми при ударном нагружении. Это следует из того факта, что волновые процессы последних двух типов характеризуются скоростями распространения которые намного больше скорости обнаруженных в работе Фролова К.В., Панина В.Е., Зуева Л.Б.. Махутова Н.А., Данилова В.И.. Мних Н.М. волн пластической деформации [3]. Приведенные экспериментальные данные показывают, что, по всей видимости, пластические волны образуются в результате самоорганизации элементарных актов пластического течения.

Согласно одному из подходов к объяснению деформационного упрочнения при пластическом течении структурные изменения и перестройки в системе дефектов обусловлены релаксацией напряжений в деформируемом твердом теле. При этом характерная неоднородность поля напряжений и связанная с ней неоднородность пластической деформации говорят о том, что образец является неравновесной системой, в которой происходит диссипация упругой энергии. Последнее явление связано с релаксационными процессами, осуществляемыми на различных структурных уровнях - рождением и движением точечных дефектов, дислокаций, дисклинаций и т.д.