ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЛИСТОВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССАХ
,
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, объемно-связанных 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 2024-Т3 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).
|
|
|
Рис.1. Влияние уровня пластической деформации на процессы деформирования и разрушения сплава 2024-Т3 при постоянной импульсной подгрузке (в скобках указана величина импульсной подгрузки)
 |
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 тонко-полосовой (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.
|
|
|
а)
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:
,
где 
– скачок деформации в процессе импульсных подгрузок материала; 
– напряжение площадки текучести, 
– статическое напряжение, при котором осуществляются импульсные подгрузки, 
– 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 2024-Т3 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. , , Параца деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2009 – 75. № 6. – С.52 – 59.
2. , , Параца 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. , , та інш. / Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій. Збірник наукових праць. Львів. Каменяр. 2009, вип. 8. - С. 289-298.
4. , Э., , Порохнюк структур листовых материалов при динамических неравновесных процессах // Вестник Тамбовского университета. – Серия: Естественные и технические науки. – 2010. – Т. 15. - № 3. – С. 892-894.
5. , , Цепин : материалы, теория, технологии / Предисл. . Изд.2-е. –М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 20с.
