Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.02.2024

Просмотров: 104

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

8.ФренкельЯ.И.Введение в теориюметаллов.М.:Физматгиз,1958.320с.

9. Павлов В.А., Антонова О.В., Адаховский А.П. и др. Механические свойства и структура металлов и сплавов с предельно высокой степеньюпластической дефор­ мации II Физикаметаллов и металловедение.1984.Т.58,вып.1.С.177-184.

10.Павлов В.А.Аморфизация структуры металлов и сплавов с предельно высокой степеньюпластической деформации //Там же.1985.Т.59,вып.4.С.629-649.

11.Sands Т., Sadana D., Gronsky R., Washbunn Y.High resolution structuralCharacte­ rization ofthe amorphous crystalline interface in Se+implanted GaAl 11J.AppLPhys.Lett. 1984.VoL44,N9.P.874-876.

12.Панин B.E., Лихачев B.A., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердыхтел.Новосибирск:Наука,1985.125 с.

13. Иванова В.С. Механика и синергетика усталостного разрушения//Физ.-хим. механикаматериалов.1986. вып.1.С.62-68.

14. Федоров В.В. Термодинамические аспектыпрочности и разрушения твердых тел.Ташкент:Фан,1979.168 с.

УДК539.385

САМООРГАНИЗАЦИЯ КИНЕТИКИ УСТАЛОСТНЫХТРЕЩИН

А.А.Шанявский

Твердое тело, представляющее собой элемент конструкции, в процессе эксплуатации испытывает сложный комплекс изменяющихся по уровню, периодичности и длительности приложения циклических нагрузок: Много­ факторная ситуация с воздействием на материал при распространении в нем

усталостной трещины

подразумевает комплексный анализ процессов

с позиций синергетики

[1]. Это связано с введением новых понятий,одно

из которых относится к самоорганизации изучаемого процесса. Основной принцип самоорганизации состоит в том, что изменение внешнего парамет­ ра (вида или способа циклического нагружения) не обусловливает иерар­ хиюструктур, которые может образовывать система, а реализует возмож­ ный механизм разрушения. Во времени и пространстве структуры могут усложняться и переходить от менее упорядоченного кболее упорядоченно­ му процессу самоорганизации.

Цель самоорганизации материалом кинетики усталостных трещин —со­ хранение способности сопротивляться внешнему циклическому воздей­ ствиюс минимальными затратами энергии на создание свободной поверх­ ности за цикл нагружения.

Уровни самоорганизации. Врамках синергетики выделены три масштаб­ ных уровня: микроскопический, мезоскопический и макроскопический. Микроскопический относится к процессам,определяемым отдельными ато­ мами или молекулами вещества [1], мезоскопический —к поведению ансамблей атомов. Возникновение пространственных структур относится кмакропроцессам.

Вприпороговой области скоростей роста трещин (СРТ) величина скачка трещины 5 за цикл нагружения близка или менее кванта разрушения aq [2], составляющего несколько параметров кристаллической решетки. Поэтому указанный этап относится к микроскопическому уровню поведения мате­

риала.

57


Стабильное развитие усталостных трещин на докритической стадии в об­ ласти СРТ больше aq и относится к мезоуровню. Оно характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений К/. Параметр Kjс позиций

синергетики неприемлем для описания микропроцессов —припороговая об­ ласть СРТ.

На мезоуровне СРТ полностьюопределяется размерами зоны пластиче­ ской деформации [3], формирующейся у кончика трещины. Самооргани­ зация процесса развития разрушения связана с созданием зоны пластиче­ ской деформации в условиях объемного напряженного состояния материа­ ла независимо от способа и условий приложения циклической нагрузки. Расчеты методом конечных элементов свидетельствуют о том [4], что при фиксированной длине трещины переход от одноосного к двухосному на­ гружениюприводит к изменениюстепени стеснения пластической деформа­ ции у кончика трещины, не меняя вида объемного напряженного состоя­ ния материала.

Пусть переход от одного вида воздействия на материал кдругому на меэоуровне не связан с торможением трещины, а определяется изменени­ ем СРТ. Тогда соответствующее изменение размера зоны пластической деформации можно охарактеризовать через изменение предела текучести материала (а0>2)о> введя понятие об эквивалентном пределе текучести ма-

*

териала (аод)э =(°о,2)оП Я*,), где /(*,*) - поправочная функция на из­

менение предела текучести при объемном напряженном состоянии мате­ риала при изменении внешнего воздействия по отношению к тестовым условиям опыта. Под тестовыми условиями нагружения материала пред­

ложено

[5]

понимать

пульсирующий цикл одноосного растяжения при

уровне

напряжения 0,3

< а0/(а0>2) 0 ^ 0,4, частоте нагружения

10-20 Гц,

температуре

293-298

К, влажности воздуха (70-75%) и

давлении

760 мм рт ст. При сопоставлении поведения материала в исследуемых ус­ ловияхопытастестовыми рассматриваетсянеизменной величинаК\= ),

по отношениюк которой проведено изменение в условиях нагружения (добавлена вторая составляющая, изменена частота нагружения, темпера­ тура,и др.), где/ (а) - поправкана длину и геометрию трещины.

На мезоуровне, согласно модели Леонова-Панасюка,предельное состоя­ ние тела с трещиной перед ее скачком достигается при критическом рас­ крытии вершины бк. Между скачком трещины и раскрытием ее вершины существует однозначная связь [6]. Поэтому в условиях объемного напря­ женного состояния материала прирост усталостной трещины в цикле нагру­

жения на величину 5/ будет однозначно определяться некоторой величиной (6К)/ независимо от способа внешнего воздействия на материал.

Из проведенного анализа следует, что при корректном выборе парамет­ ра,характеризующего влияние изучаемых условий на рост трещин на мезо­ уровне, кинетические кривые смещаются эквидистантно.Любоевоздействие на материал при сохранении неизменным ведущего процесса самоорганиза­ ции кинетики усталостной трещины может быть охарактеризовано тестовой кинетической кривой и безразмерной переменной / (х*). Это позволяет ус­ танавливать единственное соответствие между величиной 5/ и коэффициен­ том интенсивности напряжений тестового опыта. Необходимо только знать

58


иерархиюпроцессов самоорганизации кинетики усталостных трещин, ко­ торуюможно реализовать в материале.

Иерархия процессов самоорганизации. Существование определенной иерархии процессов самоорганизации обусловлено дискретными перехода­ ми через точки бифуркации в связи с усложнением способа затрат энергии на образование свободной поверхности при распространении трещины [1]. Причинами таких переходов могут быть изменения в количестве компо­ нент или самих параметров, управляющих процессом. Однако во всех слу­ чаях наблюдаемые структуры, представляющие собой ступени самооргани­ зации, возникают, а не накладываются извне. Каждый объем материала не располагает информацией о своем последующем разрушении при внешнем воздействии с самого начала, а реализует один из возможных механизмов роста трещины (в соответствии с определенной иерархией). Поэтому код­ ному и тому же механизму роста трещины можно многократно возвращать­ ся в направлении роста в условиях нестационарного режима нагруже­ ния [7].

На мезоуровне определяющим процессом развития разрушения является микротуннелирование [8]. Вдоль всего фронта трещины образуются облас­ ти разрушенного материала, вытянутые в направлении развития трещины, между которыми существуют перемычки неразрушенного материала. Образование микротуннелей на первой стадии обусловлено механизмы сдвигообразования [9]. Однако помимо традиционного разрушения сдви­ гом по типу Кщ может быть реализована ротационная неустойчивость деформации и разрушения.

Переход к ротационной неустойчивости в перемычке связан с услож­ нением способа поглощения энергии материалом перед его разрушением. Поэтому согласно принципам синергетики следует рассматривать сдвиго­ вый процесс как более простой процесс самоорганизации механизма разру­ шения материала.

Переход к разрушению перемычек за счет ротационной неустойчивости приводит к формированию сферических частиц. Располагаясь между по­ верхностями,образованными в результате разрушения материала по грани­ цам объемов, испытавшим ротационную неустойчивость, сферические час­ тицы затрудняют раскрытие усталостной трещины. Этим подтверждается основной принцип самоорганизации кинетики усталостных трещин —ми­ нимизация затрат энергии на развитие усталостной трещины, связанное с созданием свободной поверхности. Формирование сферических частиц сопровождается пиролизом углеводородных соединений в результате локального разогрева материала в зоне контакта и адсорбцией углерода [9].Создается подложка или прослойка 'углеродоподобного вещества между двумя ответными частями разрушенной перемычки.Расположение частиц в слое графитоподобного вещества снижает интенсивность локально­ го разогрева материала.

Развитие трещины в формирующихся микротуннелях первоначально также определяется сдвиговым процессом деформации и разрушения. Визломе выявляют псевдобороздчатый рельеф,который имеет четкие при­ знаки интенсивного скольжения: системы пересекающихся полос скольже­ ния, ступеньки, на фоне которых можно наблюдать экструзии [7]. Убеди­ тельным доказательством превалирования процессов сдвигообразования


является наличие в изломе трещин раскалывания материала, удовлетво­ ряющих схеме Томкинса [10].

Процесс сдвигообразования связан с распространением трещины от ее вершины в направлении развития разрушения. Темп такого развития трещины весьма высок. Увеличение СРТ определяется четвертой степенью коэффициента интенсивности напряжений в формуле Париса [8]. Поэтому при достижении у кончика трещины критических условий, отвечающих переходу через точку бифуркации,процесс разрушения преобразуется в ор­ ганизованное, более упорядоченное движение, связанное с ротационной не­ устойчивостьюдеформации и разрушения.

Обусловленность перехода к ротационой неустойчивости определяется закономерным переходом к возрастающим масштабным уровням локали­ зации деформации [11] с переходом в зоне пластической деформации укон­ чика трещины кколлективным процессам ротационной неустойчивости де­ формации и разрушения, приводящим к формированию усталостных бо­

роздок [12]. Существуетоднозначное соответствие между запасенной энер­ гией, связанной с пластической деформацией, и энергией, диссипируемой в связи с образованием свободной поверхности. Большей энергии пласти­ ческой деформации соответствует больший размер зоны, а следовательно, большая величина скачка трещины внутри этой зоны.Поэтому ротационная неустойчивость, являясь аккомодационным актом накопления поврежде­ ний без нарушения сплошности материала, становится определяющим про­ цессом пластической деформации у кончика трещины,посколькувозникает необходимость в поглощении большого количества энергии в локальном объеме без значительного увеличения размера зоны пластической де­ формации.

Переход ко второй стадии разрушения характеризуется подрастанием

трещины в полуцикле разгрузки материала [12]. Скачок трещины проис­ ходит не в направлении разрушения, а навстречу магистральной трещине от дислокационной трещины, возникающей при переходе к полуциклу

разгрузки. Этот механизм приводит к формированию в изломе усталост­ ных бороздок.

На II стадии разрушения процесс формирования усталостных бороздок характеризует кинетику усталостных трещин в большинстве сплавов [13]. По мере увеличения шага усталостных бороздок в направлении роста тре­ щины происходят ’’структурные изменения” - один ведущий механизм

сменяет другой. При достижении определенных условий профиль усталост­ ных бороздок меняется - они становятся ’’составными”.Добавляются приз­

наки морфологии рельефа в виде растрескиваний - свидетельство ветвле­ ния трещины за счет процессов сдвигообразования. Появляются элементы статического вязкого или хрупкого разрушения материала.Все эти морфо­ логические особенности соответствуют переходу от линейной связи 6 с дли­

ной трещины (область ПА упругого разрушения) к нелинейной (область UВ упругопластического разрушения).

Спозиций синергетики описанная ситуация отвечает нарушению принци­ па взаимно однозначного соответствия [1]. Нельзя от этапа ПА перейти

к этапу ИВ непрерывно за счет последовательного изменения масштаба - непрерывное увеличение шага усталостных бороздок, изменение степени их изогнутости, возрастание длины и высоты. Появились дополнительные