закономерности деформирования листовых алюминиевых

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССАХ
Чаусов Н.Г., Волянская Е.М.
Киев, Украина
Резюме. Установлены общие закономерности деформирования и разрушения
листовых алюминиевых сплавов при динамических неравновесных процессах.
Вступление. При динамических неравновесных процессах практически все
пластичные материалы проявляют склонность к кратковременной пластификации с
одновременным «аномальным» разупрочнением за счет образования диссипативной
структуры в виде локализованных полос с аморфно-подобной структурой, объемносвязанных на различных масштабных уровнях, по которым осуществляется
гидродинамическое течение вещества [1…3].
Смену механизма деформации материала при динамических неравновесных
процессах авторы [4] связывают с существенными флуктуациями скоростей подведения
энергии к образцу материала на определенном этапе высокоскоростного деформирования,
в результате, образец вводится в возбужденное состояние и избыток подводимой энергии
к материалу диссипирует в локальных ослабленных зонах.
Также в результате ранее проведенных исследований установлено, что плотность
диссипативной структуры ниже плотности исходного материала и, что условия
образования самоорганизованных структур при динамических неравновесных процессах в
плоских образцах материала облегчаются, по сравнению, с гладкими цилиндрическими
образцами [4].
Проведенный в настоящее время на кафедре механики, сопротивления материалов и
строительства Национального университета биоресурсов и природопользования Украины
объем экспериментальных исследований в данном направлении позволяет сделать ряд
обобщений о влиянии импульсных подгрузок на процессы деформирования и разрушения
материалов.
Целью настоящей работы является установление закономерностей деформирования
листовых алюминиевых сплавов при динамических неравновесных процессах.
Методика эксперимента и результаты исследования.
Методика эксперимента аналогична, описанной в работах [1…4].
Исследования проводили на плоских образцах из алюминиевых сплавов Д16 и 2024Т3 шириной 10 мм и толщиной 1,5 и 3 мм при комнатной температуре.
В настоящей работе показано, как в достаточно узком диапазоне деформаций,
2…5%, в зависимости от интенсивности импульсных подгрузок, исследуемые
алюминиевые сплавы реализуют широкий спектр своих возможностей, связанных с
самоорганизацией структуры при динамических неравновесных процессах, от резкой
пластификации до практически мгновенного разрушения.
На рис. 1, для примера, показано, как практически при одинаковых импульсных
подгрузках на механическую систему (~170 кН), но при разных предварительных уровнях
статической деформации, сплав 2024-Т3 или очень сильно пластифицируется (кривая 1)
или разрушается (кривая 2).
На рис. 2 показан другой пример импульсного воздействия. Импульсные подгрузки
на образцы из сплава Д16 наносились практически при одном и том же уровне
деформации 3,92…3,98%, но с разной интенсивностью (кривые 1,2,3), Здесь же для
сравнения приведена кривая деформации сплава (кривая 4) при «чистом» статическом
растяжении. После скачков деформации, вызванных импульсными подгрузками, образцы
полностью разгружали и повторно статически растягивали до разрушения. Следует
обратить внимание на интересную особенность, связанную с увеличением общей
пластичности сплава в некотором диапазоне импульсных подгрузок (см. кривую 3 на рис.
2).
статика
2 (171 кН)
1 (168 кН)
Рис.1. Влияние уровня пластической деформации на процессы деформирования и
разрушения сплава 2024-Т3 при постоянной импульсной подгрузке (в скобках указана
величина импульсной подгрузки)
4
1
2
3
Рис. 2. Кривые деформаций сплава Д16 при возрастающей интенсивности импульсных
подгрузок: 1 (41 кН), 2 (47 кН), 3 (99 кН) и статическом растяжении (4)
Особый интерес вызывает экспериментально зафиксированный эффект проявления
площадок текучести различной протяженности в листовых алюминиевых сплавах Д16 и
2024-Т3 после импульсных подгрузок при последующем статическом растяжении.
Для объяснения данного эффекта построена физическая и математическая модели
процесса. С физической точки зрения эффект проявления площадок текучести можно
объяснить образованием в материалах при динамических неравновесных процессах тонкополосовой (аморфно-образной) диссипативной структуры, которая экспериментально
зафиксирована с использованием прямого метода, – трансмиссионной электронной
микроскопии (ТЕМ) [1…3].
Причем, наблюдается полная аналогия между процессом сверхпластичности
материалов при высоких температурах и процессом проявления площадок текучести в
алюминиевых сплавах при комнатной температуре после импульсных подгрузок.
При сверхпластической деформации основным механизмом является зернограничное
проскальзывание [5], в исследуемом случае – проскальзывание между блоками материала,
которые охватывает тонко-полосовая структура. Так как в процессе импульсного ввода
энергии в материал, когда присутствует значительный локальный адиабатический
разогрев, тонко-полосовая структура охватывает значительные объемы (блоки) материала,
размер которых может превышать размер исходных зерен, то и протяженность площадок
текучести материала после импульсных подгрузок значительно меньше общей
деформации при сверхпластичности.
С физической точки зрения также очевидно, что если импульсные нагрузки
осуществляются до предела текучести материала, когда поврежденность материала
минимальная, то вновь образованная диссипативная структура в объеме материала более
равномерная, по сравнению с диссипативной структурой, которая образуется в материалах
при значительном уровне пластической деформации, когда степень поврежденности
материала значительно выше.
Поэтому, естественно, и протяженность площадок текучести при одинаковой
интенсивности импульсной подгрузки будет зависеть от степени предварительной
деформации сплава, при которой осуществляется эта подгрузка.
статика
2 (171 кН)
1 (171 кН)
а)
1
2
б)
Рис. 3. Влияние уровня пластической деформации на процессы деформирования и
разрушения сплава 2024-Т3 при постоянной импульсной подгрузке – а; б – увеличенные
участки площадок текучести (в скобках указана величина импульсной подгрузки)
На рис. 3, для примера, приведены результаты испытаний алюминиевого сплава
2024-Т3 при одинаковом импульсе подгрузки, но при различных уровнях
предварительной деформации.
Анализ результатов экспериментов, представленных на рис.3, полностью
подтверждает вышеизложенное предположение.
Выявленная
аналогия
в
процессах
деформирования
материалов
при
сверхпластической деформации и после импульсных подгрузок позволяет использовать
общий подход теории сверхпластичности для прогнозирования образования и
протяженности площадок текучести после импульсных подгрузок листовых материалов.
Авторами предложена математическая модель оценки протяженности площадок
текучести в зависимости от интенсивности импульсных подгрузок в следующем виде:

 пл.тек
  

  им п Т exp   нач  ,
 стат
  им п 
где  им п – скачок деформации в процессе импульсных подгрузок материала;  Т –
напряжение площадки текучести,  стат – статическое напряжение, при котором
осуществляются импульсные подгрузки,  нач – статическая деформация, при которой
осуществляются импульсные подгрузки,  – параметр материала.
Даная модель удовлетворительно описывает экспериментальные результаты.
Следует подчеркнуть, что при динамических неравновесных процессах, в каждом,
относительно узком диапазоне статических деформаций, при которых осущестляются
импульсные подгрузки с возрастающей интенсивностью, листовой материал реализует
широкий спектр своих возможностей, от практически мгновенного динамического
разрушения до существенной пластификации с возможным проявлением площадок
текучести. Все это связано с текущим структурным состоянием материала в момент
импульсного ввода энергии той или другой интенсивности.
Поэтому возможности по модификации механических свойств материалов при
импульсном вводе энергии не ограничены.
Выводы.
1. Выявлена высокая чувствительность листовых алюминиевых сплавов Д16 и 2024Т3 к динамическим неравновесным процессам.
2. Установлено, что на смену механических свойств сплавов после импульсных
подгрузок, в первую очередь, влияет уровень предварительной деформации, при которой
осуществляются импульсные подгрузки, а так же их интенсивность. Причем, при
критическом импульсе воздействия деформационные способности исследуемых
алюминиевых сплавов не успевают реализоваться и образцы разрушаются при
деформации, значительно меньше предельной.
3. Впервые экспериментально установлены эффекты проявления площадок
текучести различной протяженности в
листовых алюминиевых сплавах после
одноразовых импульсных подгрузок при комнатной температуре. Предложены
физическая и математическая модели данного процесса.
Литература
1. Чаусов Н.Г., Засимчук Е.Э., Маркашова Л.И., Вильдеман В.Э., Турчак Т.В., Пилипенко А.П., Параца В.Н.
Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах //
Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2009 – 75. № 6. – С.52 – 59.
2. Засимчук Е.Э., Маркашова Л.И., Турчак Т.В., Чаусов Н.Г., Пилипенко А.П., Параца В.Н. Особенности
трасформации структуры пластичных материалов в процессе резких смен в режиме нагружения //
Физическая мезомеханика. – 2009. – 12. - №2. – С. 77 – 82.
3. Вплив багаторазових змін в режимі навантаження на деформування пластичних матеріалів. Чаусов
М.Г., Лучко Й.Й., Пилипенко А.П. та інш. / Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і
конструкцій. Збірник наукових праць. Львів. Каменяр. 2009, вип. 8. - С. 289-298.
4. Чаусов Н.Г., Засимчук Е.Э., Пилипенко А.П., Порохнюк Е.М. Самоорганизация структур листовых
материалов при динамических неравновесных процессах // Вестник Тамбовского университета. – Серия:
Естественные и технические науки. – 2010. – Т. 15. - № 3. – С. 892-894.
5. Чумаченко Е.Н., Смирнов О.М., Цепин М.А. Сверхпластичность: материалы, теория, технологии /
Предисл. Г.Г.Малинецкого. Изд.2-е. –М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. -320с.