Содержание к диссертации
Введение
1. Физическая природа локализации деформации
1.1. О сдвиговом характере пластической деформации твердых тел (феноменологический подход) 9
1.2. Микромеханизмы пластической деформации (дислокационный подход) 12
1.3. Уровни пластической деформации 19
1.3.1. Мезоуровень пластической деформации 20
1.3.2. Макроскопический уровень пластической деформации...22
1.4. Пространственно-временная упорядоченность локализованной макродеформации (автоволновой подход) 29
1.4.1. Самоорганизация и автоволны 30
1.4.2. Деформируемое тело, как активная среда. Автоволны локализованной пластической деформации 33
1.4.3. Автоволны локализованной пластической деформации и стадии кривой нагружения. Правило соответствия 35
1.5. Выводы по разделу 1 и постановка задач исследования 39
2. Материалы и методы исследования
2.1. Материалы исследования 42
2.2. Методы структурных исследований 50
2.3. Метод механических испытаний 51
2.4. Методика регистрации и анализа полей перемещения при пластической деформации 52
2.5. Способы обработки и представления первичных данных 56
3. Стадии диаграмм нагружения и типы локализации пластической деформации
3.1. Стадийность процесса деформации и картины локализации пластического течения в ОЦК поликристаллах 60
3.2. Картины локализации макродеформации в СМК алюминии 79
3.3. Эволюция полей локализации деформации в поликристаллических ГПУ материалах 82
3.4. Выводы по разделу 3 96
4. Характер локализации пластической деформации металлов на этапе предразрушения
4.1. Особенности кинетики очагов локализованной деформации на стадии предразрушения 98
4.2. Локализованный характер деформационного упрочнения-разупрочнения на стадии предразрушения 108
4.3. Выводы по разделу 4 113
Основные результаты и выводы 115
Список использованных источников 116
- Микромеханизмы пластической деформации (дислокационный подход)
- Методика регистрации и анализа полей перемещения при пластической деформации
- Картины локализации макродеформации в СМК алюминии
- Локализованный характер деформационного упрочнения-разупрочнения на стадии предразрушения
Введение к работе
Актуальность темы. Процессы пластического формоизменения и разрушения твердых тел в течение последних полутора столетий остаются в центре внимания мирового научного сообщества, как из-за прикладной значимости, так и сложности для интерпретации и математического описания. В настоящее время широко распространен подход, согласно которому деформируемое тело представляется многоуровневой иерархически организованной системой. На каждом структурном и масштабном уровне происходят сложные взаимообусловленные процессы самоорганизации деформационных дефектов. Поэтому в каждый момент времени на любом уровне деформационные процессы локализованы.
Локализация на микроскопическом уровне - это рождение, движение, размножение, аннигиляция и другие процессы в дислокационной подсистеме как ансамбле элементарных носителей деформации. Масштаб явлений локализации здесь соизмерим с межатомным расстоянием. К началу последнего двадцатилетия прошлого столетия в работах Д. Кульман-Вильсдорф, У. Кокса, В.Ф. Трефилова, Е.Э. Засимчук, В.В. Рыбина, Э.В. Козлова, Н.А. Коневой и др. была обнаружена связь между стадиями упрочнения и эволюцией дислокационных субструктур. Однако количественно выразить эту связь, то есть, описать полностью кривую нагружения материала на основе только микромеханизмов не удалось.
В восьмидесятых годах двадцатого века был сделан существенный шаг вперед. Работы В.И. Владимирова, В.А. Лихачева, Э. Айфантиса и др. вводили представления о кооперативных процессах пластической деформации. Следует отметить особую роль В.Е. Панина, который обосновал понятие и определил роль мезоскопического уровня в деформации и разрушении. Элементарными носителями деформации на мезоуровне являются дисклинационные образования, некристаллографические полосы сдвига, мезополосы локализованной деформации, вихревые структуры и др.
5 В этой концепции пластическая деформация и разрушение рассматриваются как локальные структурные превращения на мезоуровне. Такой подход оказался особенно эффективным при описании поведения нагруженного материала на границах раздела разного происхождения - на интерфейсе. Отсюда в частности следует, что на мезоуровне деформация тоже локализована, но масштаб локализации на 2 - 4 порядка больше.
Следующий масштабный уровень - макроскопический. Характерный размер здесь соизмерим с размерами объекта, либо значительной его части. Особое внимание процессам локализации на макромасштабном уровне было уделено в работах профессора Л.Б. Зуева и сотрудников его лаборатории. Основной итог данного цикла работ - это установление факта, что развитие пластической деформации от предела текучести и до разрушения обусловливается поведением очагов локализации пластической деформации на макроскопическом уровне. Был выявлен ряд важных закономерностей поведения нагруженного материала на макромасштабном уровне. В частности обнаружена связь между поведением неоднородной макродеформации и стадийностью деформационных кривых нагружения материала. Стадии деформационного упрочнения при этом определялись величиной показателя деформационного упрочнения п в уравнении Холомона-Людвика о- = <70 +Кє", которое описывает закон упрочнения
деформируемого тела. Упорядоченные распределения зон макродеформации в пространстве и во времени, представлены для каждой стадии особым типом волн - автоволнами. Так, на площадке текучести наблюдается движение вдоль образца уединенного фронта деформации (автоволна возбуждения или переключения). На линейной стадии происходит согласованное движение системы очагов локализации (фазовые автоволны). Стадии параболического упрочнения соответствует стационарная структура очагов (устойчивые диссипативные системы). Согласно современным представлениям, кривые течения любых материалов содержат еще четвертую стадию, которая характеризуется низким коэффициентом деформационного упрочнения и
предшествует образованию шейки вязкого разрушения. На этой завершающей стадии деформации вязких материалов характер картин локализации и их эволюция исследована значительно хуже. Не ясно, каким образом происходит переход от стационарной картины очагов локализованной деформации, когда макроскопическая неоднородность визуально не обнаруживается, к потере устойчивости в виде шейки разрушения.
Цель данного исследования состоит в установлении закономерностей
автоволнового характера локализованной макродеформации
поликристаллических металлов и сплавов на стадии, предшествующей формированию шейки вязкого разрушения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
Установить количественные характеристики кривой течения при переходе от макрооднородного пластического течения к образованию шейки разрушения в поликристаллических чистых металлах и сплавах с разным типом кристаллической решетки в разных структурных состояниях и выявить соответствующий этому переходу тип картин макролокализации деформации.
Качественно описать характер эволюции автоволн макролокализованной деформации на участках кривых нагружения, предшествующих формированию шейки разрушения.
Установить количественные пространственно-временные закономерности поведения очагов локализованной деформации на участках деформационных кривых предшествующих разрушению.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Установлено, что во всех исследованных материалах, независимо от химического состава, кристаллической решетки и структурного состояния, на стадии с показателем деформационного упрочнения п < Уі (стадия предразрушения), эволюция картин локализованной макродеформации представляет собой процесс схлопывания (коллапс) автоволн.
Показано, что коллапс автоволн локализованной макродеформации приводит к сокращению длины активно деформирующейся части образца и сосредоточению деформационных процессов в стационарной высокоамплитудной зоне локализации деформации, которая формируется на предыдущей стадии тейлоровского упрочнения и отмечает место будущего разрушения.
Установлено, что кинетические характеристики движения очагов пластической деформации в начале стадии предразрушения позволяют определить время и место будущего разрушения.
Достоверность полученных экспериментальных данных
обеспечивается комплексным подходом к решению корректно поставленных задач исследования, с использованием современных, апробированных методов.
Личный вклад автора состоит в совместной с научным руководителем постановке задач диссертации, а также в организации и проведении экспериментальных исследований, в обработке полученных результатов, их анализе и подготовке к публикации.
На защиту выносятся следующие положения:
Экспериментальные результаты, доказывающие, что на стадии кривой упрочнения с показателем деформационного упрочнения п < У2, которая непосредственно предшествует вязкому разрушению, происходит смена типа автоволн макролокализации деформации.
Закономерности кинетики очагов локализованной деформации на стадии предразрушения, состоящие в том, что во всех исследованных материалах, независимо от их кристаллического и структурного состояния, графики движения очагов в координатах «пространство - время» образуют пучок прямых с полюсом, совпадающем со стационарной зоной локализации, то есть развивается коллапс автоволн локализации деформации.
8 3. Экспериментальная проверка возможности определения времени и места будущего вязкого разрушения материала по координатам полюса графиков зависимостей положения очагов деформации от времени.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2007); XIV Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008); IV всероссийской конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2008); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2008); Международной школе - семинаре «Многоуровневые подходы в физической мсзомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (Томск, 2008); 8-й Международной научно - технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт - Петербург, 2009); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009); the 2nd WSEAS International Conference on «Engineering mechanics, structures and engineering geology» (Rodos, Greece 2009).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка литературы из 129 наименований, всего 127 страниц, включая 15 таблиц и 72 рисунка.
1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ
Микромеханизмы пластической деформации (дислокационный подход)
Следующий важный этап в развитии физических представлений о пластической деформации связан с введением линейных дефектов носителей сдвиговой (или трансляционной) пластической деформации. В 1934 г Орован, Поляни, Тейлор независимо ввели представление о краевых дислокациях [8-10]. Первые теоретические представления о дислокационной пластичности представлены в работе Френкеля и Конторовой (1938 г.) [11]. В 1939 году Бюргере [12] описал модель винтовой дислокации. Все это было важнейшими открытиями того времени. Понятие о таком дефекте решетки, как дислокация, позволило установить связь между пластическим поведением кристалла и атомным строением. Важно, что представление о дислокациях было введено непосредственно из экспериментальных данных процесса скольжения [13]. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. При действии вдоль плоскости скольжения касательных напряжений, атомы вблизи ядра дислокации перемещаются на расстояния значительно меньшие межатомных. Переход (переползание, восхождение) осуществляется добавлением или удалением слоя атомов путем диффузии. То есть, сдвиг в плоскостях скольжения происходит в результате перемещения дислокаций, при этом на поверхности кристалла образуется ступенька [13]. Так формируются полосы скольжения. Наблюдение полос в деформированном кристалле недвусмысленно свидетельствует о неоднородности пластической деформации скольжения на дислокационном микроскопическом уровне. Интенсивная пластическая деформация происходит в полосах скольжения, тогда как расположенные между ними слои кристалла остаются пластически недеформированными. Как отмечалось ранее, под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения.
Так как в большинстве случаев пластическая деформация в кристаллических телах осуществляется движением дислокаций, то упрочнение металла может быть достигнуто путем создания препятствий для их прохождения. Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокаций друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Следует отметить, что дислокации влияют не только на прочностные и пластические свойства, но также и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и т.д.). В кристаллах со сдвигонеустойчивой структурой деформация осуществляется двойникованием или образованием мартенситных ламелей. Двойникование осуществляется переориентацией части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование также сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. Механизм двойникования приобретает важное значение при деформации кристаллов с ограниченным числом систем скольжения. Деформационное двойникование ярко выражено в ГПУ кристаллах, при низкотемпературной деформации двойникование наблюдается также в кристаллах ОЦК и ГЦК. Двойники, кроме обеспечения механизма сдвига, важны как барьеры при движении скользящих дислокаций. Процессы пластической деформации и разрушения проходят в своем развитии несколько различных стадий. При переходе от одной стадии к другой происходит качественное изменение дислокационной структуры. Смена одной дислокационной структуры другою определяется величиной средней скалярной плотности дислокаций р, которая задает соотношение различных типов структуры в материале [14]. Там же, на моно и поликристаллах показано, что скалярная плотность , дислокаций р(є) изменяется пропорционально с напряжениями течения а(є), а скорость ее изменения dp/ds - с коэффициентом упрочнения 0. С повышением плотности дислокаций усиливаются коллективные эффекты в дислокационных ансамблях, а каждая последующая структура охватывает все большие характеристические объемы, вовлекая в процесс пластической деформации все большие объемы материала. На начальной стадии пластическая деформация скольжением осуществляется движением дислокаций, в одной системе - стадия легкого скольжения. Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессирующую деформацию без значительного роста действующих напряжений. При более значительной степени деформации протекает стадия множественного скольжения - движение дислокации в двух и более системах. В этом случае деформирующее напряжение снова, как и на упругом участке, прямо пропорционально деформации, поэтому данную стадию называют стадией линейного упрочнения. На ней дислокационная структура металла очень усложняется, и плотность дислокации возрастает по сравнению с исходным состоянием на 4 - 6 порядков, достигая 10 - 10 " см"".
Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями, сопротивление их движению сильно возрастает и для их продвижения внешнее напряжение должно резко увеличиться. Под влиянием все возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций, т.е. скольжение с переходом из одной разрешенной плоскости в другую. Это приводит к частичной релаксации напряжений, аннигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячейки. Коэффициент деформационного упрочнения начинает постепенно снижаться - происходит так называемый динамический возврат [3,14]. Наступает третья стадия деформационной кривой, где зависимость напряжения от деформации более слабая и может описываться параболической функцией с показателем 1. Наиболее известное заявление о существование четвертой стадии пластической
Методика регистрации и анализа полей перемещения при пластической деформации
Для изучения характера локализации пластической деформации твердых тел, требуется методика, позволяющая обеспечить высокую чувствительность к малым перемещениям точек на поверхности образца (10" " мм) с большим полем зрения (10" мм). Очень эффективными являются методы измерения деформаций с помощью когерентного лазерного излучения. В частности перспективным является метод двухэкспозиционной спеклфотографии. Физические основы метода просты, а для реализации не требуется специального оборудования, кроме достаточно мощного лазера. Метод близок к широко распространенным топографическим методам анализа напряженного состояния, а простота его реализации делает его удобным для использования в лабораториях общего металлофизического профиля. Физика данного метода обусловлена возникновением спекл-структуры при освещении когерентным светом не зеркальной поверхности. Спекл-структура - это результат интерференции диффузно отраженной предметной волны, которая полностью детерминирована состоянием и расположением на освещенной поверхности рассеивающих центров. Изображение исследуемой поверхности, промодулированное спеклами, может быть зафиксировано фотокамерой (рис. 2.2). Если исследуемую поверхность сместить на достаточно малую величину в собственной плоскости и затем ее изображение зафиксировать на тот же самый фотоматериал, то на нем окажутся записанными две идентичные спекл-структуры смещенные относительно друг друга. Пропускание через такую двухэкспозиционную спеклограмму (рис. 2.3) плоской монохроматической волны с последующим Фурье преобразованием дает в фокальной плоскости распределение освещенности, промодулированное полосами, чередующимися по закону квадрата косинуса. Подобная картина периодических полос возникает и при освещении такой спеклограммы узким не разведенным лазерным пучком. Таким образом, возможно измерение локальных смещений для областей 1 мм . Для целей интерферометрии важен размер спекла. Наименьший размер пятнышек будет наблюдаться в фокальной плоскости и составит: где Я - длина волны источника, А - угловая апертура линзы. Верхний предел соответствует случаю раскорреляции спеклов, то есть смещению спекл-структуры на величину более длины когерентности. Дополнительные ограничения накладываются снижением контраста полос с ростом смещений спекл-структуры. Этот предел составляет 100-200 мкм. Метод расшифровки спеклограммы малоапертурным лазерным пучком не требует, чтобы смещения точек поверхности образца были однородными, поэтому он пригоден для анализа полей смещений деформируемых объектов.
Так смещение растягиваемого образца может быть проанализировано следующим образом (рис. 2.2, 2.3) Поверхность закрепленного в захватах испытательной машины образца освещается через расширитель и фиксируется с помощью камеры. Затем производится смещение подвижного захвата машины на расстояние не более 100-200 мкм и изображение объекта с помощью камеры фиксируется на тот же фотоматериал. После соответствующей обработки, полученная двухэкспозиционная спеклограмма подвергается дешифровке по точкам с необходимым для решения поставленной задачи шагом. При этом регистрируется не только шаг полос интерференции на экране, но и угол, который определяет направление смещений. Это позволяет вычислять все компоненты тензора пластической дисторсии: где L - расстояние от спекл-интерферограммы до экрана, на котором образуются полосы Юнга; М -масштаб изображения на фотопластинке; D, -шаг полос на экране; Л -длина волны сканирующего лазера. Угол наклона полос 6 , дает возможность определить продольную и поперечную f компоненты вектора г). Из экспериментально полученных зависимостей компонент вектора смещения от координат х,у путем численного дифференцирования в каждой точке сканирования рассчитываются компоненты тензора дисторсии: где щ - прирост продольного смещения (вдоль оси растяжения); Ц- - прирост поперечного смещения. Получаемые таким образом распределения (2.5) отражают прирост локальных деформаций, а не их интегральные значения с начала процесса нагружения. Точность определения смещения определяется в первую очередь разрешением фотоматериала, а также масштаба съемки и некоторых других факторов. Так при использовании фотоматериала с разрешением 3000 линий на миллиметр (эмульсии типа ИАЭ-690) предельная теоретическая точность определения смещения не может быть выше 0,3 мкм. Применение материалов с разрешением до 5000 линий/мм увеличивает точность измерения до 0,2 мкм. В случае применения широко распространенных эмульсий типа ПФГ-0,1 получаются вполне приемлемые спеклограммы с точностью определения смещений порядка 1мкм. Оценка точности определения компонент тензора дисторсии производится исходя из процедуры численного дифференцирования зависимостей и(х), v(x), и (у), v(y). При дифференцировании по пяти узловым точкам: где 8п- точность определения смещений, Ах - шаг сканирования. Подставляя типичные значения используемых величин, получаем относительную ошибку в вычислении около 15 %. Очевидно, что точность определения других компонентов тензора дисторсии находится в этих же пределах. Указанная точность оказывается вполне удовлетворительной для решения поставленных в работе задач. В нашей работе анализировались компоненты только продольного смещения. Проводилось численное дифференцирование по пяти точкам интерполированных кубическими сплайнами зависимостей и(х). Все операции сглаживания, восстановления недостающих данных и численного дифференцирования выполнялись с помощью специально написанной программы PIED 32 [105]. Программа создает файлы данных вхх и обеспечивает графическое представление результатов в виде поля векторов перемещений г(х,у), в виде трансформаций прямоугольных сеток на поверхности образца, а также распределений каждой из компонент тензора дисторсии по любой из строк сканирования єхх или распределений какой либо избранной компоненты по всем строкам сразу (рис. 2.4 а).
Картины локализации макродеформации в СМК алюминии
Прочностные характеристики титана в разных состояниях существенно отличаются (табл. 3.1). В СМК состоянии а02 и ан возрастают практически в 3-4 раза при более чем трехкратным падением величины 5. Несмотря на это, разрушение СМК титана имеет вязкий характер. Также, различие деформационных кривых а{є) состоит в том, что после достижения временного сопротивления ан . в СМК титане напряжения падают медленно, и накапливающаяся на этой стадии деформация 0,036 оказывается больше деформации на восходящей части кривой, составляющей в этом случае не более -0,025 (рис. 3.20). Это совершенно нехарактерно для крупнозернистого титана, в котором, падения условных напряжений в конце кривой J{S) практически не наблюдается. Таким образом, СМК титан способен сохранять несущую способность уже после достижения уровня JH [119]. Подобное поведение наблюдалось при испытании СМК алюминия. Накопление деформации на падающем участке деформационной кривой было в два раза большее, чем на восходящем. Восходящая ветвь деформационной кривой СМК титана не содержит стадии линейного упрочнения, но включает стадию параболического упрочнения Тейлора с п « 1А (0,009 е 0,024) и короткий участок, где п х/г. Последний, вместе с участком медленного спада условных напряжений можно рассматривать как стадию предразрушения с положительным показателем упрочнения п = 0,06 в интервале 0,025 г 0,040 (рис.3.21 а).
Таким образом, в СМК материале на этом участке деформационной кривой продолжается макроскопически однородное удлинение. На деформационной кривой крупнозернистого ВТ1-0 выявлены стадия линейного упрочнения с п = 1 (0,013 е 0,03), стадия Тейлора с п = 0,56 (0,04 е 0,075) и стадия предразрушения с п = 0,4 (0,075 е 0,16) (рис.3.21 б). В этом материале вся стадия предразрушения располагается, в отличие от СМК титана, на восходящей ветви диаграммы а(є). Диаграмма деформации крупнозернистого титана содержит стадию линейного упрочнения, на которой очаги локализации движутся с постоянной скоростью. Стационарная система очагов в этом случае формируется только на следующей (тейлоровской) стадии, в то время как в СМК титане стационарное распределение очагов образуется сразу после перехода от упругости к пластичности при е 0,1. Пространственный период распределений (длина автоволны локализованной деформации) локальных удлинений „ в СМК титане составляет X = 8 ± 2 мм, в то время как в крупнозернистом только Л = 5 ±2 мм. В конце стадии Тейлора при переходе к стадии предразрушения амплитуда деформации в одном из очагов начинает быстро увеличиваться, отмечая место будущего разрушения. Это характерно как для СМК, так и для крупнозернистого титана. На стадии предразрушения, когда показатель деформационного упрочнения п Уг, в крупнозернистом и СМК образцах очаги, бывшие неподвижными на стадии Тейлора при п 1Л, вновь приобретают подвижность (рис. 3.22 а, б). Однако один из них остается на этой стадии неподвижным, отмечая место зарождения вязкого разрушения. Если проэкстраполировать дальнейшее движение макроочагов, видно, что линии их движения пересекутся в одном месте. Очаги движутся с разными и постоянными на всей продолжительности стадии предразрушения скоростями (табл. 3.6) В СМК титане наблюдается возникновение новых очагов деформации, не связанных со стадией Тейлора. Очаги локализованной деформации с координатами 6 мм и 24 мм образовались между уже существующими ранее очагами, и продолжили свое движение к месту будущего разрушения.
Координата стационарной зоны Х= 39,5 мм совпала с реальным местом разрушения образца равным 41 мм. Интерес к исследованию локализации пластического течения в сплаве на основе магния обусловлен двумя взаимосвязанными факторами [120]. Соотношение с/а = 1,632 у магния близко к идеальному для ГПУ структуры. В магнии и его сплавах на микроскопическом уровне пластическая деформация реализуется базисным скольжением. По этим параметрам магний и его сплавы резко отличаются от титана и сплавов на титана. Отштампованные из холоднокатаного листа так, чтобы продольная ось совпадала с направлением прокатки образцы, размерами рабочей части 40x6x1 мм подвергались активному растяжению с постоянной скоростью =8,33-10-5 с"1 при комнатной температуре. Деформационная кривая в условных и истинных координатах представлена на рис. 3.23 а, б. Она имеет трехстадийный вид: линейный участок (0,011 е 0,017) с показателем упрочнения п = 1,3 (Л), параболическая стадия (0,024 е 0,069) с п = 0,54 и участок предразрушения (0,075 е 0,13) с л = 0,37.
Локализованный характер деформационного упрочнения-разупрочнения на стадии предразрушения
Наблюдаемому явлению схождения очагов локализации предлагается следующая интерпретация. Развитие макроскопической деформации носит автоволновой характер. Однако, если на ранних стадиях деформирования (легкое скольжение, стадия линейного упрочнения, стадия параболического упрочнения Тейлора) формируются устойчивые автоволны или стационарные периодические распределения, то есть, весь образец в целом участвует в деформационном процессе, то на стадии предразрушения всякие деформационные процессы начинают стягиваться к месту формирования шейки разрушения, и активно деформирующаяся часть образца сокращается. Так как в рамках автоволновой концепции каждая стадия пластического течения представлена определенным типом автоволн, схлопывание или своеобразный «коллапс» [124] автоволн соответствует стадии предразрушения. Описанные закономерности можно считать общими, поскольку они наблюдались в опытах, проведенных на целом ряде пластичных материалов. Возвращаясь к рисункам 3.6 а, 3.9, 3.15 а, 3.18, 3.22 а, б, 3.26, 3.31, можно констатировать, что на стадии предразрушения (при п V-i) в ходе временной эволюции волновой картины локализации деформации зона активной пластической деформации сужается, но число очагов в ней либо сохраняется при уменьшении расстояния между ними, либо даже возрастает. Результатом этого процесса является образование макроскопической шейки, а затем разрушение. Таким образом, общеизвестное проявление макроскопической локализации деформации -образование шейки - предваряется сложными явлениями взаимосогласованного движения очагов локализованной пластичности на стадии предразрушения.
Анализ кинетики очагов локализованной пластичности при росте общей деформации показал, что в момент зарождения вязкой трещины все они сливаются в месте ее образования, практически одновременно приходя к этому сечению образца. Следовательно, место разрушения и время жизни образца до разрушения детерминированы процессами, происходящими на более ранних стадиях пластического течения. Первый интенсивный максимум локализации деформации — предвестник образования очага разрушения - появляется на месте будущей шейки в конце тейлоровской стадии течения {п « 14), пока все очаги течения неподвижны. Этот ранее сформировавшийся очаг, по-видимому, «управляет» движением всех остальных, так как после его рождения другие очаги локализации начинают согласованное движение, при котором их скорости линейно зависят от начальных координат. Такая закономерность позволяет всем очагам локализованной пластичности прибыть в зону разрушения одновременно. На участке с п 14 на местах ушедших к шейке деформационных максимумов, а также, между ними возможно зарождение новых очагов локализации деформации, однако поведение их подчиняется этой же закономерности. То есть, коллапс автоволны является заключительным этапом развития волнового процесса локализованной пластической деформации, в ходе которого последняя «стягивается» и захлопывается с образованием нового дефекта - разрушающей вязкой трещины. Аналогичные процессы наблюдались в различных нелинейных средах, для описания которых принято использовать синергетический подход. Так, например, в работах [125, 126] описан режим горения, характеризующийся стягиванием очагов к единому центру. Показано, что природа этого эффекта связана с обменом тепловой энергией между очагами горения в среде с нелинейной зависимостью теплопроводности от температуры.
Существенно, что авторы [125, 126] ввели в этом случае макроскопический пространственный период процесса - фундаментальная длина, которая, по-видимому, соответствует длине автоволны локализованной пластической деформации. Похожие результаты и выводы были получены при описании перераспределения упругих напряжений в массивах горных пород [127] и при рассмотрении распространения импульсов в биологических системах [128]. Можно предположить, что движущиеся на стадии предразрушения очаги локализации находятся в разных условиях с точки зрения напряженно-деформированного состояния материала и именно поэтому имеют разную скорость движения. Из исследования типа автоволн на стадии линейного упрочнения известно, что скорость очагов локализации тем меньше чем больше коэффициент деформационного упрочнения. Есть основания полагать, что на стадии предразрушения скорость движения очагов локализованной деформации таким же образом определяется коэффициентом упрочнения. Тогда следует предположить, что деформационные характеристики материала в зоне каждого очага локализации на стадии предразрушения должны быть различны. Если для описания закона пластического течения использовать уравнение
Людвика (3.3), то на стадиях, где показатель деформационного упрочнения п 1, коэффициент деформационного упрочнения О = dcrjde /?"" пропорционален показателю п. С другой стороны в работе [129] для циркониевых сплавов была установлена зависимость скорости автоволн локализованной деформации от показателя деформационного упрочнения: где Vo и q константы, q 1/2. Уравнение (4.4) справедливо для любой стадии. Действительно, на стадии линейного упрочнения, когда п = 1, скорость движения очагов локализованной пластичности V — V0/4 = const. В интервале % п 14, то есть при значении, близком к показателю деформационного упрочнения Тейлора п = Vi, V - 0, очаги стационарны. Когда достигается условие п Уг, снова приобретают способность двигаться, причем по мере уменьшения п скорость их движения должна возрастать, так как уменьшается коэффициент деформационного упрочнения в. Таким образом, в интервале О п 1 прирост скорости распространения автоволн локализованного пластического течения на единицу изменения показателя деформационного упрочнения п пропорционален этой величине, то есть, dVaw/dn п, откуда следует V п . Это также подтверждает эмпирическое соотношение (4.4). Зависимость Vm (п) может быть использована для анализа поведения очагов локализованной деформации на стадии предразрушения [114]. В
