Механика пластической деформации

Образец малой толщины, изготовленный из аморфного сплава, будучи подвергнутым испытанию на растяжение при использовании соответствующей испытательной машины, демонстрирует хрупкое поведение еще до появления четко выраженного предела текучести на кривой напряжение — деформация. Однако хрупкость обусловлена условиями испытания. Энергетический баланс системы машина — образец допускает использование массивного образца или машины с очень высоко-кой жесткостью, что в совокупности устраняет неустойчивость деформации при растяжении и приводит к появлению макроскопического предела текучести. На рис. 11.1 показана кривая удлинения в зависимости от напряжения для круглых стержней аморфного сплава Pd78Cu6Si16 при комнатной температуре и при 77 К, а на рис. 11.2 — картина пластической деформации при растяжении после начала макроскопического течения. Образец деформируется упруго до отклонения от линейности на кривой напряжение — деформация; при этом не наблюдается каких-либо следов пластического течения при исследовании структуры методами, обладающими соответствующим разрешением. Пластическое течение происходит локально в виде полос скольжения на стадии формирования локального предела текучести и в дальнейшем распространяется по всему поперечному сечению образца на стадии формирования макроскопического предела текучести. Угол между полосой скольжения и осью растяжения имеет постоянную величину, равную 55°. Макроскопический предел текучести наступает, по-видимому, до приложения максимальной нагрузки. Следовательно, напряжение, соответствующее макроскопическому пределу текучести, несколько ниже (1 или 2%), чем растягивающее напряжение предела текучести, полученное из значения максимальной нагрузки (кажущееся деформационное упрочнение). На этой стадии можно наблюдать разветвление и пересечение полос скольжения. На более поздней стадии, когда происходит падение нагрузки, пластическая деформация осуществляется путем прерывистого (скачкообразного) течения и осуществляется главным образом в результате появления единичных полос скольжения, наклоненных под углом 55° к оси растяжения, что приводит к снижению действующей нагрузки (явление нестабильности пластического течения). Уровень предела текучести для растягиваемых образцов, определенный исходя из максимальной нагрузки, составляет 1,48±0,02 ГПа. Осуществление растягивающей деформации на таких массивных образцах выявляет важные характеристики течения аморфных сплавов. Теперь мы попытаемся определить более строго с помощью континуальной теории характеристики пластического течения и связанные с ними переменные. Эти переменные определяют общий предел текучести, количественно описывают деформационное упрочнение и разупрочнение, локализацию сдвиговой деформации, угол расположения полос скольжения, пересечение и разветвление полос скольжения, прерывистое течение и начало нестабильности пластической деформации. Опишем механические испытания, которые позволяют адекватно определить физические характеристики статического течения.



Пластическое течение аморфного сплава Pd78Cu6Si16 исследовано в рамках существования соответствующих макроскопических переменных в континуальной теории пластичности. На рис. 11.3 показана зависимость момента кручения МТ от угла кручения 0, а на рис. 11.4 — наличие пластической деформации при кручении на поверхности испытываемых образцов. Простая теория кручения даст расчет чисто сдвигового напряжения т в виде:

где d — диаметр цилиндрического образца. Кривая А на рис. 11.3 четко отражает отсутствие деформационного упрочнения (dM/d0 = 0). В предположении наличия идеально пластичного твердого тела мы получаем из уравнения (11.1) чисто сдвиговое напряжение 910+/-90 МПа для аморфного сплава Pd78Cu6Si16 (кривая Б). Кривая типа момент кручения — угол кручения в области упруго-пластического течения позволяет нам использовать в довольно простой теории кручения свойства идеально упругого и пластичного твердого тела. Морфология полос скольжения при кручении (см. рис. 11.4) характеризуется двумя системами пересекающихся прямых полос скольжения, расположенных вдоль плоскостей максимальных сдвиговых напряжений, как и предсказывает простая теория кручения. Мы также обнаружили, что плотность полос скольжения возрастает, а расстояние между полосами падает по мере роста деформации кручения, что демонстрирует стабильный характер деформации при кручении. Образцы аморфного сплава Pd78Cu6Si16, подвергнутые кручению, обнаруживают признаки идеально упругого поведения и на стадии развитой пластической деформации. Зарождение и развитие полос скольжения на концентраторах напряжений в образце соответствует пределу текучести на растяжение, однако характер микроскопического течения на начальных стадиях при одноосном растяжении оказывается несколько неожиданным.

Для образцов малой толщины идеальное пластическое поведение было установлено Кренитским и Астом, которые проанализировали процесс сжатия кольцеобразных образцов аморфного сплава Fe40Ni40P14B6, подвергнутых изгибу.



На рис. 11.5 изображена картина пластической деформации при испытании на растяжение ленточного образца аморфного сплава Pd78Cu6Si16. Пластическая деформация протекает с образованием локальной шейки. Подобная модель разрыва известна как модель антиплоской деформации, в случае которой разрушение при растяжении гладкого ленточного образца аморфного сплава осуществляется в условиях плосконапряженного состояния.

Образцы с надрезом аморфного сплава Pd78Cu6Si16 использовались для анализа механики деформации в модели антиплоской деформации. Рис. 11.6 иллюстрирует разрыв по механизму антиплоской деформации у кончика надреза. Дагдейл для абсолютно жесткого пластичного твердого тела предположил, что размер R двухмерной пластической зоны связан с приложенным напряжением o и длиной трещины а соотношением:

Сжатие у основания надреза D, срелаксированное путем локального образования шейки по механизму антиплоской деформации (как функция угла изгиба 0b), обозначается как J-интеграл для идеального жестко-пластичного твердого тела:

где С1 = (l/oY)J/(2sinв) (в — угол между плоскостью скольжения и нормалью к плоскости ленточного образца).

Для случая аморфного сплава Pd78Cu6Si16 ленточные образцы двух различных толщин демонстрируют развитую пластическую деформацию растяжения у кончика надреза (рис. 11.7). В свою очередь на рис. 11.8 показано, каков размер пластической зоны в зависимости от отношения результирующего напряжения и предела текучести. Экспериментальные результаты на двух образцах до начала стадии макроскопического течения находятся в хорошем соответствии с соотношением Дагдейла.