Нелинейная механика и разрушение промышленных сплавов системы Al-Mg

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Г. Р. ДЕРЖАВИНА»

Нелинейная механика

и разрушение

промышленных сплавов

системы Al-Mg

Монография

Тамбов 2010

УДК 53

ББК 22.2+22.3

Ш55

Рецензенты:

заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор ;

доктор физико-математических наук, профессор

Ш55	Нелинейная механика и разрушение промышленных сплавов системы Al-Mg : монография /  ; Федеральное агентство по образованию, ГОУВПО «Тамб. гос. ун-т им. Г. Р. Державина». Тамбов : Издательский дом ТГУ им. Г. Р. Державина, 20с.
	ISBN -584-8 Монография посвящена проблеме вязкого разрушения авиационных алюминий-магниевых сплавов, которые проявляют прерывистую пластическую деформацию. Изложены новые экспериментальные результаты и теоретические представления по проблеме вязкого разрушения сплавов, полученные под руководством автора в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы ( годы)». Монография предназначена для научных работников и специалистов, занимающихся разработкой и производством алюминиевых сплавов, применяемых при производстве летательных аппаратов и автомобилей, а также для аспирантов и студентов, обучающихся по соответствующим специальностям. УДК 53 ББК 22.2+22.3
ISBN -584-8	© , 2010
	© ГОУВПО «Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина», 2010

FEDERAL EDUCATIONAL AGENCY

STATE EDUCATIONAL INSTITUTION

OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION

«TAMBOV STATE UNIVERSITY

NAMED AFTER G. R. DERZHAVIN»

A. A. Shibkov

NonlineAr mechanics

and fracture of

engineEring Al-Mg alloys

Monograph

Tambov 2010

Reviewers:

Honoured Scholar of RF, Doctor of Physics and Mathematics,

Professor V. A. Fedorov;

Doctor of Physics and Mathematics, Professor S. M. Dzyuba

	Shibkov А.А. Nonlinear Mechanics and Fracture of Engineering Al-Mg Alloys : Monograph / A. A. Shibkov ; Federal Educational Agency, SEIHPE «Tambov State University named after G. R. Derzhavin». Tambov : the Publishing House of TSU named after G. R. Derzhavin, 20pp.
	ISBN -584-8 Monography is dedicated to the problem of ductile fracture of the aircraft aluminium-magnesium alloys, which show a jerky plastic deformation. It contains new experimental results and theoretical propositions on the problem of ductile fracture of alloys obtained under the author’s direction within the bounds of realization of analitical departmental special-purpose programme «Development of Scientific Potential of the Higher School ( years)». Monography is intended for scientists and specialists who develop and produce aluminium alloys used in airship and automobile production. It is also intended for graduaters and students studying the proper disciplines.
ISBN -584-8	© Shibkov А. А., 2010
	© SEIHPE «Tambov State University named after G. R. Derzhavin», 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………	11
Глава i. Неустойчивая пластическая деформация и вязкое разрушение металлов..............................	15
1.1. Классификация пластических неустойчивостей…….	15
1.1.1.Неустойчивость и структурные уровни деформации………………………………………….	15
1.1.2. Макроскопические неустойчивости………………	18
1.1.3. Классификация макропластических неустойчивостей…………………………………….	19
1.2. Критическое состояние микроструктуры поликристалла…………………………………………..	21
1.2.1. Понятие критической фрагментированной структуры……………………………………………	21
1.2.2. Источники напряжений в поликристаллах и образование микротрещин………………….	23
1.2.3. Механизмы зарождения микротрещин в поликристаллах……………………………………..	25
1.2.4. Критическая концентрация вакансий и микротрещин………………………………………..	27
1.2.5. Механизмы зарождения, роста и объединения пор..	29
1.2.6. Механизмы докритического роста трещины........	34
1.3. Образование шейки и вязкое разрушение………….	38
1.3.1. Феноменология образования шейки. Условие Консидере………………………………	38
1.3.2. Макрополосы локализованной деформации и образование шейки перед разрывом поликристаллов……………………………………..	41
1.3.3. Полосы деформации и вязкое разрушение алюминиевых сплавов……………………………...	47
Глава 2. Комплекс in situ методов исследования динамики полос деформации и трещин….	54
2.1. Мягкая деформационная машина………………….....	54
2.2. Видеосъемка полос деформации и трещин………...	56
2.3. Материалы исследования. Исходная структура и механические свойства……………………………..	59
Глава 3. Влияние полос деформации на вязкое разрушение сплава Al-Mg……………………..	67
3.1. Динамика полос деформации и неустойчивая деформация перед разрывом………………………….	67
3.2. Корреляция динамики полос деформации и магистральной трещины в сплаве АМг6 с преципитатной микроструктурой………………….	73
3.2.1. Первичная полоса и магистральная трещина…..	73
3.2.2. Статистика полос деформации и разрушение….	78
3.2.3. Механизмы разрушения сплава Al-Mg с преципитатной микроструктурой………………	81
3.3. Корреляция динамики полос деформации и магистральной трещины в сплаве Al-Mg с рекристаллизованной микроструктурой…………..	81
3.3.1. Пространственно-временная корреляция между полосой Людерса и полосой Савара-Массона……	83
3.3.2. Корреляционная диаграмма полос деформации и разрушение сплава Al- Mg с рекристаллизованной структурой………………	86
3.4. Полосы деформации и динамика образования шейки перед разрывом…………………………………………	90
Глава 4. Исследование пространственно-временных неустойчивостей деформации перед разрушением методом динамического анализа..................................	94
4.1. Роль смены угла полосы в развитии пластических неустойчивостей перед  разрушением………………...	94
4.2. Кинетика смены угла полосы. …………………………	96
4.3. Степенной закон распределения на стадии предразрушения………………………………………...	100
4.4. Спектральный и динамический анализ неустойчивой деформации……………………………………………...	101
Заключение……………………………………………...	109
Литература…………………………………………………..	112
Приложение…………………………………………………	129

contents

INTRODUCTION……………………………………………	11
Chapter i. Nonstable plastic derformation and ductile fracture of metals…………………………………	15
1.2. Classification of plastic unstabilities……………………..	15
1.1.2.Unstability and structural levels of deformation……..	15
1.1.2. Macroscopic unstabilities….………………………...	18
1.1.3. Classification of macroscopic unstabilities…………..	19
1.2. Critical state of polycrystal microstructure……….	21
1.2.1. The notion of critical fragmentary structure………….	21
1.2.2. Sources of stresses in polycrystals and the crack nucleation…………………………………………..	23
1.2.3. Mechanisms of the microcrack nucleation in polycrystals…………………………………………..	25
1.2.4. Critical consentration of vacancies and microcracks...	27
1.2.5. Mechanisms of nucleation, growth and coalescence of voids………………………………………………..	29
1.2.6. Mechanisms of precritical growth of crack…………..	34
1.3. Necking and ductile fracture……………………………..	38
1.3.1. Phenomenology of necking. Konsidere condition…	38
1.3.2. Macrobands of localized deformation and necking before the rupture of polycrystals…………………	41
1.3.3. Deformation bands and ductile failure of aluminium alloys…………………………………...	47
Chapter 2. The complex of the in situ methods of investigation of dynamics of deformation bands and cracks………………………………….	54
2.1. The soft deformation machine……………………………	54
2.2. Videosurvey of deformation bands and cracks…………..	56
2.3. The research materials. The initial structure and mechanical properties…………………………………….	59
Chapter 3. Effect of deformation bands on the ductile  fracture of Al-Mg alloy…………………………	67
3.1. Dynamics of deformation bands and unstable deformation before the rupture…………………………..	67
3.2. Correlation of dynamics of deformation bands and the  main crack in Al-Mg alloy with the precipitation microstructure…………………………………………….	73
3.2.1. The primary band and the main crack……………….	73
3.2.2. Statistics of deformation bands and fracture…………	78
3.2.3. Mechanisms of fracture of Al-Mg alloy with the precipitated microstructure…………………………...	81
3.3. Correlation of dynamics of deformation bands and the main crack in Al-Mg alloy with the recrystalline microstructure…………………………………………….	81
3.3.1. Spatio-temporal correlation between Lüders band and the Savart-Masson band……………………………….	83
3.3.2. The correlation diagram of deformation band and fracture of Al-Mg alloy with the recrystalline structure………………………………………………	86
3.4. Deformation bands and dynamics of necking before the rupture……………………………………………………..	90
Chapter 4. Investigation the spatio-temporal deformation unstabilities before the rupture by method of  dynamic analysis……………………………………	94
4.1. Effect of change of the band angle on the development of plastic unstabilities before the rupture………………………..	94
4.2. Kinetics of the band angle change……………….............	96
4.3. Exponential law of distribution in prerupture stage……..	100
4.4. Spectral and dynamic analysis of unstable deformation…	101
ConcluSion…………………………………………….....	109
Literature…………………………………………………….	112
Appendix……………………………………………………..	129

ПРЕДИСЛОВИЕ

Механизмы разрушения материалов – традиционно актуальная проблема на стыке различных наук о материалах: физики конденсированного состояния, механики деформируемых твердых тел, физики прочности и пластичности материалов и др. Наиболее опасным считается хрупкое разрушение, что обусловило более значительное количество публикаций по сравнению с вязким разрушением. Последнее, однако, характерно для многих практически важных металлов и сплавов. Проблема повышения прочности конструкционных материалов, особенно при ударных нагрузках, так или иначе сводится к проблеме вязкого разрушения.

Присущая пластической деформации неустойчивость и неоднородность обусловливает сложную иерархию структурных уровней деформации и связанную с ней многомасштабность процесса вязкого разрушения. Пластическая деформация в шейке нагруженного материала на стадии предразрушения и его разрушение при активном растяжении являются сложными многоуровневыми процессами, которые самосогласованно развиваются на микро-, мезо - и макромасштабных уровнях. В течение длительного времени механизмы пластической деформации в шейке исследовали на микромасштабном уровне, используя просвечивающую электронную микроскопию. Основное внимание уделялось эволюции в шейке дислокационных субструктур. Особый интерес заслуживает механизм мезоскопической фрагментации материала в шейке, подробно изученный санкт-петербургской школой физиков-прочнистов

В последнее десятилетие в связи с ростом производства листового проката алюминиевых сплавов для нужд авиационной и автомобильной промышленности возникло сравнительно новое направление проблемы вязкого разрушения, связанное с изучением физической природы разрушения сплавов, демонстрирующих скачкообразную деформацию, в основном практически важных сплавов систем Al-Mg, Al-Cu и Al-Li. Скачкообразная пластическая деформация твердых тел на макроскопическом уровне проявляется в двух различных ситуациях: 1) при нагружении с постоянной скоростью роста напряжения регистрируется ступенчатая кривая деформации с амплитудой скачков до ~ 10 % (эффект Савара-Массона [1]); 2) при деформировании с постоянной скоростью регистрируется зубчатая кривая изменения напряжения с повторяющимися скачками разгрузки («зубцами») системы машина-образец амплитудой до нескольких процентов (эффект Портевена-Ле Шателье (ПЛШ) [2, 3]). В обеих ситуациях самоорганизация во времени сопровождается пространственной самоорганизацией – локализацией пластической деформации в статических или распространяющихся полосах деформации [2-4]. Скачкообразная (прерывистая) деформация обнаружена у многих металлических сплавов. Типичными модельными материалами для исследования прерывистой деформации являются поликристаллические сплавы Al-Mg с содержанием магния 3-6 %.

Полосы макролокализованной деформации создают технологический брак при производстве листового проката алюминиевых сплавов, применяемых при производстве автомобилей и авиационной техники: они портят качество поверхности промышленных изделий и могут вызвать преждевременное разрушение [5, 6]. Последнее непосредственно связано с влиянием полос деформации на механизмы вязкого разрушения. Теория вязкого разрушения, однако, не учитывает локализацию деформации в макроскопических полосах деформации, распространяющихся или статических, а основана на представлении о зарождении деформационных и/или диффузионных пор, их коалесценции и слиянии в магистральную трещину [7-9]. При «жестком» режиме нагружения, когда растяжение происходит с постоянной скоростью, в центральной области образца накапливаются полосы деформации и разрушение происходит, как правило, по статической полосе деформации ПЛШ. Ключевая роль полос макролокализованной деформации, самосогласованных по схеме «креста» на стадии образования шейки перед разрывом, была недавно выявлена в [10] на некоторых сплавах, не демонстрирующих прерывистую деформацию при жестком режиме нагружения. При «мягком» режиме нагружения с постоянной скоростью роста напряжения полосы зарождаются и непрерывно расширяются [11]. Из-за отсутствия статических деформационных полос пластичность сплавов Al-Mg выше в условиях мягкого режима растяжения по сравнению с жестким. Поэтому механизм разрушения сплава, деформируемого в условиях проявления эффекта Савара-Массона отличается от механизма разрушения в условиях проявления эффекта ПЛШ. Исследование природы вязкого разрушения материалов с учетом локализации деформации в статических и распространяющихся полосах деформации представляет актуальную фундаментальную проблему физики прочности и пластичности.

Таким образом, механизмы вязкого разрушения металлов и сплавов, демонстрирующих прерывистое течение, в настоящее время не исследованы. Эта проблема особенно важна при производстве листового проката и промышленных изделий из сплавов на алюминиевой основе, применяемых при производстве автомобилей и авиационной техники. Настоящая монография посвящена систематическому исследованию влияния нелинейной динамики полос макролокализованной деформации на механизмы вязкого разрушения промышленных алюминий-магниевых сплавов с различной исходной микроструктурой, приготовленной искусственным старением и рекристаллизационным отжигом. Изложены новые экспериментальные результаты и теоретические представления по проблеме вязкого разрушения сплавов, полученные под руководством автора в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы ( годы)».

Монография состоит из четырех глав. В первой главе представлен обзор теоретических представлений о природе пластических неустойчивостей и механизмах вязкого разрушения металлических сплавов. Во второй главе излагаются основы оригинального подхода к исследованию проблемы вязкого разрушения металлов, склонных к полосообразованию, основанного на измерении скачков пластической деформации при нагружении с постоянной скоростью роста напряжения и синхронном высокоскоростном оптическом мониторинге полос макролокализованной деформации вплоть до развития магистральной трещины. Третья глава монографии посвящена изложению результатов исследования с помощью скоростной видеосъемки пространственно-временной корреляции между полосами макролокализованной деформации и развитием магистральной трещины в искусственно состаренных и рекристаллизованных сплавах системы Al-Mg. В четвертой главе использованы методы спектрального и динамического анализа для анализа связи развития макропластических неустойчивостей и разрушения. Развит подход к проблеме вязкого разрушения с позиций нелинейной физики. Показано, что вязкое разрушение рекристаллизованного сплава Al-Mg следует рассматривать как глобальную самоорганизацию неравновесной нелинейной (диссипативной) системы, находящейся в состоянии детерминированного хаоса.

Результаты и представления, изложенные в монографии, представляют интерес для институтов РАН, технических вузов и научно-производственных объединений, связанных с разработкой и модификацией конструкционных материалов для автопрома и авиационной промышленности.

….

Учебное издание

НЕЛИНЕЙНАЯ МЕХАНИКА

И РАЗРУШЕНИЕ

ПРОМЫШЛЕННЫХ СПЛАВОВ

СИСТЕМЫ Al-Mg

Монография

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 23.04.2010 г. Формат 60´84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.

Усл. печ. л. 8,32. Уч.-изд. л. 7,50. Тираж 500 экз. Заказ 1210.

Издательский дом ТГУ имени . 90г