Экспериментальное исследование структуры меди при квазистатическом сдвиговом нагружении

Исследование эволюции структуры материалов при больших деформациях является научной проблемой, актуальной уже долгие годы, поскольку с появлением все более совершенного оборудования и методов исследования удается глубже проникать в тайны микромира. Каждый следующий этап позволяет открывать новые особенности деформирования и, следовательно, точнее строить математические модели поведения материалов.

В данной работе изучается эволюция внутренней структуры меди при больших сдвиговых деформациях, Эта экспериментальная работа является частью комплексного исследования механизмов деформирования материалов и статистических закономерностей эволюции структуры материалов при динамическом нагружении и разрушении, результаты которого позволят провести идентификацию параметров развитой в лаборатории физических основ прочности ИМСС модели поведения

а                                             б

Рис. 1. Экспериментального оборудования: а) разрывная машина 2167 Р-50 с установленным конвертором; б) конвертор

Эксперименты проводились на базе ИМСС УрО РАН на разрывной машине 2167 Р-50 с использованием разработанного в лаборатории конвертора (рис.1), преобразующего поступательные перемещения захватов разрывной машины в деформацию кручения.

На рис. 2 показано схематическое изображение образца, представляющего собой прямоугольный брусок с двумя симметричными проточенными шейками (3) и торцевыми отверстиями. При измерениях галтели (1) образца помещаются в соответствующие отверстия каждого из трех дисков конвертора, крайние галтели заглушаются стальными цангами (2), при этом внутренняя и внешняя поверхности шейки остаются свободными.

Рис. 2. Схематическое изображение и основные размеры образца. L = 30 мм, D\ = 10 мм, £>2 = 13 мм, а = b = 14 мм, С] = С2 = 9,5 мм, d - 9 мм, Л = 1 -^ 2 мм

Кинематическая схема работы конвертора изображена на рис.

галтели образца поворачиваются относительно средней по мере перемещения захватов разрывной машины. Ось вращения галтелей при любом положении захватов остается жесткой, что исключает нарушение соосности и появление касательных напряжений в плоскости, перпендикулярной оси образца. Таким образом, галтели образца являются нагружающими элементами для шейки, в которой реализуется основная часть деформации.

Максимальный угол относительного поворота дисков конвертора составляет 110°, что при шейке в 1 мм соответствует деформации в шейке около 1000%. Скорость перемещения захватов разрывной машины задавалась равной 1 мм/мин, соответственно скорость деформации составляет 10'3 ^ 4*10"3 с"1 в зависимости от ширины шейки и угла поворота дисков.

3. Внешние

Рис. 3. Принципиальная схема нагружения

Рис. 4. Фотографии образцов: а) до испытания, б) после испытания

При проведении эксперимента на самописце разрывной машины фиксировались усилие и перемещение захватов. Используя представление шейки в виде тонкостенного цилиндра, основание которого поворачивается относительно другого, и, считая деформацию чистым сдвигом, эти данные можно пересчитать в относительную сдвиговую деформацию и касательные напряжения. На рис. 5 и б представлены деформационные диаграммы для двух серий экспериментов, проведенных на образцах, изготовленных из холоднокатаной бескислородной электродной меди марки Ml (99,99% Си). Для уменьшения внутренних напряжений и «обновления» структуры перед испытаниями образцы подвергались глубокому отжигу при температуре 350° С в течение 6 часов с последующим охлаждением с печью. .

Рис.5. Кривая деформаций: касательные напряжения от сдвиговых деформаций. Ширина шейки 2 мм

Рис.6. Кривая деформаций: касательные напряжения от сдвиговых деформаций.

Ширина шейки 1 мм

Следует отметить, что в области значительных деформаций эти кривые дают лишь качественную картину процесса нагружения. Кроме того, даже в области относительно небольших деформаций, где эффект Пойтинга еще не имеет существенного влияния, значения модуля сдвига, рассчитанные по данным кривым, на несколько порядков меньше точных значений, полученных из экспериментов на колебания. Подобное расхождение также наблюдалось и в экспериментах по осадке медных образцов, где, однако, с использованием особой программы нагружения (нагрузка в пластическую область, частичная разгрузка и повторная нагрузка с измерением) удалось уменьшить разницу до трех раз.

Причина данного несоответствия, по-видимому, в том, что зона упругой деформации составляет всего 0,07%, а в начальной зоне деформации существенную роль оказывают механические и технологические факторы: зазоры и люфты в нагружающем устройстве, перекосы и неровности контактных поверхностей образцов и т.д. Поэтому участок линейной зависимости, хорошо различимый на рис. 6, включает в себя не только упругое деформирование образца, но и результаты влияния всех этих факторов.

Исследование внутренней структуры образцов проводилось на интерферометрическом микроскопе ZYGO NewView 5000, установленном в ИМСС УрО РАН, который позволяет получить бесконтактным способом трехмерный образ изучаемой поверхности. Вертикальная разрешающая способность составляет 1 А, горизонтальная зависит от увеличения и соответствует обычным оптическим микроскопам с увеличением до 4000 раз.

Для проведения исследования одна из граней образцов плоско стачивалась на 1 мм (до углубления в шейку) и шлифовалась. Далее проводилось травление в концентрированной азотной кислоте в течение 10 с. Поскольку скорость травления зависит от ориентации решетки и концентрации дефектов, рельеф полученной поверхности непосредственно отражает особенности внутренней структуры материала.

На рис. 7 представлена серия фотографий поверхностей образцов при деформации ~ 500%.

На рис. 7,а показана поверхность недеформированной части образца вдали от шейки. Хорошо видна зеренная структура без выраженной ориентации, форма зерен преимущественно округлая.

Рис. 7. Фотографии характерных поверхностей образцов. Для каждого снимка указана область и аппаратное увеличение: а - исходная структура, х200; б - шейка, хЮО;

в - переходная зона, хЮО; г - переходная зона, х500

На рис. 7,в,г представлена переходная зона между недеформированной областью и шейкой. Ширина зоны составляет 250 мкм, полная ширина деформированной зоны, включая переходные зоны, 2,4 мм при шейке 2 мм. По фотографиям переходных зон можно косвенно судить об эволюции структуры при различных степенях деформации - измельчение зерен, изменение их формы, появление выделенного направления и межзеренных деформационных структур.

б

Рис. 8. Фотографии поверхности шейки и соответствующие им топографические карты, профили вдоль секущих и трехмерные образы: а) аппаратное увеличение 500, б) аппаратное увеличение 2000. Светлые области на топографических каргах соответствуют высоким точкам рельефа поверхности, темные — низким

На рис. 7,6 на поверхности шейки наблюдается явное выделенное направление деформационных структур, зерна неразличимы. На рис. 8,6 четко видны границы полос скольжения (темные линии), топографическая карта поверхности позволяет определить, что полосы расположены ступеньками. Ширина полос 6-7 мкм, высота ~ 0,4 мкм.

На фотографии на рис. 8,а также можно различить границы подобных полос скольжения примерно той же визуальной ширины, однако аппаратное увеличение меньше в 4 раза и реальная ширина видимых здесь полос составляет - 40 мкм.

Таким образом, можно говорить об определенном самоподобии рельефа на различных масштабах.

Авторы выражают особую благодарность Елене Алексеевне Николаевой за разработку конструкторской документации на конвертор.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке из средств Гранта РЕ-009-0 Американского фонда гражданских исследований и развития (АРГИФ).

Получено 25.06.2002