Influence of the Material Structure on the Deformed Surface Morphology

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Morphological changes in the free surface of materials during loading are interesting from a fundamental and practical point of view. In the first case, through the deformation relief, scientists judge the processes taking place inside the material, identify the deformation mechanisms, analyze the change in the stress-strain state, etc. In the second case, the deformation relief is an undesirable phenomenon, because it worsens fatigue resistance, adhesion, leads to cracking and reduces other physical and mechanical properties of machine parts. In addition, on the basis of the deformation relief, scientists try to evaluate the residual life of the machine parts. Today, industry uses materials in various structural conditions. The microstructure of the metal (the presence or absence of grains and grain boundaries, grain size, texture, crystallographic orientation, etc.) has a significant effect on the nature of the course of plastic deformation and the morphology of the deformed surface. The purpose of the work is to study the influence of the material structure on the evolution of the surface morphology during deformation. For this purpose, nickel samples in a single-crystal, polycrystalline, and ultrafine-grained state are investigated. The methods of investigation are mechanical compression tests, confocal laser scanning microscopy. Quantification is carried out using standardized three-dimensional roughness parameters. Results and Discussion. The paper shows the influence of the internal structure of the material on the evolution of the morphology of the deformation surface. Changes in the strain relief are discussed in terms of the prevailing strain mechanisms for each structural state of the material. It is shown that using three-dimensional roughness parameters, one can evaluate the presence of potential stress concentrators on the surface. It is determined that the presence of deep sharp depressions is most inherent in the material in a polycrystalline state. The results of the work can be useful for a reasoned choice of the microstructure of the material in the manufacture of machine parts and for mathematical modeling of the behavior of metals under load.

About the authors

A. A. Ekaterina

Email: katerina525@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, katerina525@mail.ru

F. V. Andrey

Email: Andrey.V.Filippov@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, Andrey.V.Filippov@yandex.ru

References

  1. The effect of grain size on the localization of plastic deformation in shear bands / H.S. Ho, M. Risbet, X. Feaugasb, G. Moulin // Scripta Materialia. – 2011. – Vol. 65, iss. 11. – P. 998–1001. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2011.09.001.
  2. Grain-scale micromechanics of polycrystal surfaces during plastic straining / D. Raabe, M. Sachtleber, H. Weiland, G. Scheele // Acta Materialia. – 2003. – Vol. 51. – P. 1539–1560. – doi: 10.1016/S1359-6454(02)00557-8.
  3. Extrusions and intrusions in fatigued metals. Pt. 2. AFM and EBSD study of the early growth of extrusions and intrusions in 316L steel fatigued at room temperature / J. Man, P. Klapetek, O. Man, A. Weidner, K. Obrtl?´k, J. Pola´k // Philosophical Magazine. – 2009. – Vol. 89, iss. 16. – P. 1337–1372. – doi: 10.1080/14786430902917624.
  4. AFM and SEM-FEG study on fundamental mechanisms leading to fatigue crack initiation / J. Man, M. Valtr, M. Petrenec, J. Dluhoš, I. Kube?na, K. Obrtlík, J.  Polák // International Journal of Fatigue. – 2015. – Vol. 76. – P. 11–18. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2014.09.019.
  5. Meng B., Fu M.W. Size effect on deformation behavior and ductile fracture in microforming of pure copper sheets considering free surface roughening // Materials and Design. – 2015. – Vol. 83. – P. 400–412. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.06.067.
  6. Sangid M.D., Maier H.J., Sehitoglu H. A physically based fatigue model for prediction of crack initiation from persistent slip bands in polycrystals // Acta Materialia. – 2011. – Vol. 59, iss. 1. – P. 328–341. – doi: 10.1016/j.actamat.2010.09.036.
  7. Atypical “boomerang” slip traces in [001] niobium single crystals deformed at room temperature / D.S.H. Charrier, J. Bonneville, C. Coupeau, Y. Nahas // Scripta Materialia. – 2012. – Vol. 66, iss. 7. – P. 475–478. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2011.12.019.
  8. A comparison of collective dislocation motion from single slip quantitative topographic analysis during in-situ AFM room temperature tensile tests on Cu and Feα crystals / C. Kahloun, G. Monnet, S. Queyreau, L.T. Le, P. Franciosi // International Journal of Plasticity. – 2016. – Vol. 84. – P. 277–298. – doi: 10.1016/j.ijplas.2016.06.002.
  9. Topological analysis of {110} slip in an alpha-iron crystal from in situ atomic force microscopy / C. Kahloun, L.T. Le, G. Monnet, M.-H. Chavanne, E. Ait, P. Franciosi // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, iss. 17. – P. 6459–6465. – doi: 10.1016/j.actamat.2013.07.023.
  10. Kramer D.E., Savage M.F., Levine L.E. AFM observations of slip band development in Al single crystals // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53, iss. 17. – P. 4655–4664. – doi: 10.1016/j.actamat.2005.06.019.
  11. The Evolution of slip morphology and fatigue crack initiation in surface grains of Ni200 / K.S. Chan, J.W. Tian, B. Yang, P.K. Liaw // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2009. – Vol. 40, iss. 11. – P. 2545–2556. – doi: 10.1007/s11661-009-9980-4.
  12. The fundamental relationships between grain orientation, deformation-induced surface roughness and strain localization in an aluminum alloy / M.R. Stoudt, L.E. Levine, A.Creuzigera, J.B. Hubbard // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 530, iss. 1. – P. 107–116. – doi: 10.1016/j.msea.2011.09.050.
  13. Investigating the relationship between grain orientation and surface height changes in nickel polycrystals under tensile plastic deformation / K. Balusu, R. Kelton, E.I. Meletis, H. Huang // Mechanics of Materials. – 2019. – Vol. 134. – P. 165–175. – doi: 10.1016/j.mechmat.2019.04.011.
  14. Microstructure and mechanical properties of Cu and Cu-Zn alloys produced by equal channel angular pressing / Z.J. Zhang, Q.Q. Duan, X.H. An, S.D. Wu, G. Yang, Z.F. Zhang // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528. – P. 4259–4267. – doi: 10.1016/j.msea.2010.12.080.
  15. Effects of dislocation slip mode on high-cycle fatigue behaviors of ultrafine-grained Cu-Zn alloy processed by equal-channel angular pressing / Z.J. Zhang, X.H. An, P. Zhang, M.X. Yang, G. Yang, S.D. Wu, Z.F. Zhang // Scripta Materialia. – 2013. – Vol. 68. – P. 389–392. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2012.10.036.
  16. Mousavi S.E., Meratian M., Rezaeian A. Investigation of mechanical properties and fracture surfaces of dual-phase 60–40 brass alloy processed by warm equal-channel angular pressing // Journal of Materials Science. – 2017. – Vol. 52. – P. 8041–8051. – doi: 10.1007/s10853-017-1006-9.
  17. Characteristic features of physical and mechanical properties of ultrafine-grained Al–Mg alloy 1560 / V.A. Krasnoveikin, A. Kozulin, V.A. Skripnyak, E.N. Moskvichev, D.V. Lychagin // Inorganic Materials: Applied Research. – 2018. – Vol. 9, iss. 9. – P. 389–392. – doi: 10.1134/S2075113318020168.
  18. Sliding wear behavior of submicrocrystalline pure iron produced by high-pressure torsion straining / H. Kato, Y. Todaka, M. Umemoto, M. Haga, E. Sentoku // Wear. – 2015. – Vol. 336–337. – P. 58–68. – doi: 10.1016/j.wear.2015.04.014.
  19. Wear resistance and electroconductivity in copper processed by severe plastic deformation / A.P. Zhilyaev, I. Shakhova, A. Belyakov, R. Kaibyshev, T.G. Langdon // Wear. – 2013. – Vol. 305. – P. 89–99. – doi: 10.1016/j.wear.2013.06.001.
  20. ГОСТ Р ИСО 25178-2–2014. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Ареал. Ч. 2. Термины, определения и параметры структуры поверхности. – М.: Стандартинформ, 2015. – 47 с.
  21. Lychagin D.V., Alfyorova E.A. Slip as the basic mechanism for formation of deformation relief structural elements // Physics of the Solid State. – 2017. – Vol. 59, iss. 7. – P. 1433–1439. – doi: 10.1134/S1063783417070137.
  22. Micromechanical model of deformation-induced surface roughening in polycrystalline materials / V.A. Romanova, R. Balokhonov, A. Panin, M.S. Kazachenok, V.S. Shakhijanov // Physical Mesomechanics. – 2017. – Vol. 13, iss. 3. – P. 324–333. – doi: 10.1134/S1029959917030080.
  23. Alfyorova E.A., Lychagin D.V. Self-organization of plastic deformation and deformation relief in FCC single crystals // Mechanics of Materials. – 2018. – Vol. 117. – P. 202–213. – doi: 10.1016/j.mechmat.2017.11.011.
  24. Deformation behaviour of ultra-fine-grained copper / R.Z. Valiev, E.V. Kozlov, Yu.F. Ivanov, J. Lian, A.A. Nazarov, B. Baudelet // Acta Metallurgica et Materialia. – 1994. – Vol. 42. – P. 2467–2475. – doi: 10.1016/0956-7151(94)90326-3.
  25. Flow processes at low temperatures in ultrafine-grained aluminum / N.Q. Chinh, P. Szommera, T. Csanádia, T.G. Langdon // Materials Science and Engineering: A. – 2006. – Vol. 434, iss. 1–2. – P. 326–334. – doi: 10.1016/j.msea.2006.07.014.
  26. Experimental evidence for grain-boundary sliding in ultrafine-grained aluminum processed by severe plastic deformation / N.Q. Chinh, P. Szommera, Z. Horita, T.G. Langdon // Advanced Materials. – 2006. – Vol. 18, iss. 1. – P. 34–39. – doi: 10.1002/adma.200501232.
  27. Tensile deformation of an ultrafine-grained aluminium alloy: micro shear banding and grain boundary sliding / I. Sabirov, Y. Estrin, M.R. Barnett, I. Timokhina, P.D.  Hodgson // Acta Materialia. – 2008. – Vol. 56. – P. 2223–2230. – doi: 10.1016/j.actamat.2008.01.020.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».