Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.02.2024

Просмотров: 108

Скачиваний: 1

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

структурные признаки (иногда заменяющие усталостные бороздки), которые свидетельствуют о ’’структурной неустойчивости”. Взаимно одно­ значное соответствие нарушается, поэтому на мезоуровне следует рассмат­ ривать переход к следующему, более высокому уровнюпроцесса само­ организации кинетики усталостных трещин.Он характеризуется сочетанием ротационных мод со сдвигообразованием при интенсификации процесса статического разрушения и сопровождается изменением в показателе степени при коэффициенте интенсивности напряжений в формуле Париса от2к4 [12].

Условия нагружения могутисключить переход кболее сложным формам самоорганизации кинетики усталостных трещин. Наглядным примером такой ситуации является кинетика усталостных трещин в титановых спла­ вах при введение выдержки цикла.

Вобласти малоцикловой усталости исследовали титановые сплавы ВТЗ-1 (совместно с В.П. Степановым) и ВТ-5. Сопоставляли треугольную(с час­ тотой 0,2 Гц) и трапециевидную формы цикла нагружения путем введения выдержек при максимальном уровне нагрузки длительностью3, 20, 60 и 120 с применительно к сплаву ВТЗ-1, а также обе указанные фермыцикла длительностью 20 с сопоставляли применительно к сплаву ВТ-5.

Треугольная форма цикла для обоих сплавов приводит к формированию

усталостных бороздок (рис. 1, а, б). Изменение формы цикла подавляет этот процесс. Применительно к сплаву ВТЗ-1 в деформированном состоя­ нии с двухфазной а+ /3пластинчатой структурой излом характеризуется ’’фасеточным” рельефом (рис. 1, б), повторяющим структуру материала. Всплаве ВТ-5 в литом состоянии рост трещины характеризуется фасетка­ ми раскалывания (рис. 1,г).

Оба указанных рельефа излома отвечаю процессу самоорганизации кинетики трещин на начальном этапе разрушения в области многоцикло­ вой усталости. Это первый уровень самоорганизации путем сдвигообразования. Выдержка материала в цикле под максимальной нагрузкой подавляет процесс ротационной неустойчивости деформации и разрушения и способ­ ствует сохранению сдвигообразования на всем этапе стабильного разруше­ ния. Трещина начинает распространяться в период выдержки от вершины в магистральном направлении. Последнее служит очевидным доказатель­ ством факта формирования самих усталостных бороздок в полуцикле раз­

грузки материала.

Наличие выдержки цикла не изменяет ситуации с накоплением поврежде­ ний в материале в условиях возрастания и уменьшения внешней нагрузки. Перед вершиной трещины формируется зона пластической деформации, которая определяет процесс развития трещины. Поэтому,если бы форми­ рование профиля усталостной бороздки было связано с восходящей ветвью циклической нагрузки, то независимо от длительности выдержки форми­ рование усталостных бороздок было бы реализовано - цикл с восходящей ветвью нагрузки многократно повторяется. Однако применительно к спла­ вам титана, имеющим существенную чувствительность к выдержке под нагрузкой, происходит развитие разрушения до перехода к нисходящей ветви нагрузки в процессе выдержки. Перенапряжение материала в резуль­ тате этого устраняется, что исключает необходимость перехода к ротацион­ ным модам деформации и разрушения в полуцикле разгрузки. При этом

61


Такую ситуациюобычно отмечают при анализе профиля усталостных бороздок с использованием стереопар [14]. Однако этот метод связан с получением изображения поверхности при различных углах падения электронного зонда. Получение нескольких снимков одного участка при значительных увеличениях методически весьма затруднительно. Поэтому была разработана методика (совместно с А.Ю.Сасовым) реконструкции профиля усталостных бороздок с помощью ЭВМпо сигналам, возникающим в растровом электронном микроскопе (РЭМ).

Наиболее распространенный режим получения изображения в РЭМ—ре­ жим регистрации вторичных электронов, который не позволяет рекон­ струировать профиль поверхности, так как изменение угла взаимодейст­ вия электронного зонда и локального участка поверхности ведет кизмене­ ниюсигнала независимо от направления наклона исследуемого участка. Выход из этого положения позволяет найти режим регистрации отраженных электронов. Отраженные электроны имеют косинусоидальное угловое рас­ пределение,положение оси которого соответствуетзаконамзеркального от­ ражения электронного зонда отисследуемого участка поверхности.Для оп­ ределения направления наклона локального участка поверхности информа­

ция регистрируется двумя широкоапертурными детекторами отраженных электронов (RE1, RE2). Сигналы, попадающие на детекторы, выражаются следующим образом:

2F

V-2F

(1)

REl=kif cos Odd,

RE2 =k1f соsdde,

2F +ip

-2F

 

где кi - коэффициент усиления видеотракта РЭМ,tр - апертура детекторов, F—угол между фасеткой излома и горизонталью.

Формирование анализируемых сигналов RE* и RE~ происходит соответ­ ственно как результат суммарного и разностного сигналов RE1и RE2, а отношение этих сигналов получается согласно (1) независимым от кх. Зная сигналы RE* и RET в каждой точке поверхности, а также апертуру детекторов </э, можно вычислить локальный угол наклона участка и соот­ ветственно по функции локальных наклонов в каждой точке профиля гра­ ницы излома достаточно точно восстановить профиль поверхности.

На основе описанного алгоритма была разработана программа, позво­ ляющая реконструировать профиль усталостных бороздок по суммарному и разностному сигналам от детекторов отраженных электронов в РЭМ. Программа реализована на персональной микроЭВМ”Apiskad-6128” (Анг­ лия) при анализе профиля усталостных бороздок по излому образцов из алюминиевого сплава АК6, в которых выращивали приповерхностные трещины.

На рис. 2 сверху показаны распределения сигналов RE* иRE~,получен­ ные в соответствии с разработанным подходом при сканировании перпен­ дикулярно периодической структуре усталостных бороздок в РЭМ”Хита- 4H-S800”, имеющем разрешение 2 нм. Внизу (третья линия) приведен ре­ конструированный профиль поверхности двух усталостных бороздок с ука­ занием их размера на горизонтальной оси, имеющих вид асимметричных зубцов с близким шагом. Анализ этого профиля свидетельствует о наличии на восходящей ветви нагрузки эффекта пластического затупления вершины

64


Рис. 2. Сигналыотражения электронов RE* иRE~, формирующихся в растровом электронном микроскопе; восстановленный профиль двух усталостных бороздок с поверхности излома образца из сплава АК6 и схема последовательности протекания процессов деформации и разрушения материала у кончика трещиныв цикле нагру­ жения,приводящая к выявленному профилюбороздок

S.Зак.1067

усталостной трещины. Его реализация отвечает такой последовательности протекания процессов деформации и разрушения материала в цикле нагру­ жения,как указано в нижней части рис.2.

На восходящей ветви нагрузки происходит разрыв перемычки h, что отвечает началу перемещения берегов в вершине усталостной трещины

в связи с достижением напряжения 0ор раскрытия трещины [151. Далее при возрастании уровня напряжений цикла реализуется пластическое

затупление вершины трещины, что и определяет формирование вогнутого профиля переднего фронта усталостной бороздки (Н-Ш). Вполуцикле

разгрузки перед магистральной трещиной образуется дислокационная тре­ щина, и при последующей разгрузке создается свободная поверхность за счет ротационной неустойчивости деформации и разрушения, завершаю­ щая конфигурациюпрофиля усталостной бороздки (III—IV).

Прямым подтверждением реализации описанной формы профиля,уста­ лостных бороздок служит срез поверхности излома, почти перпендикуляр­

но фасетке с усталостными бороздками,который был реализован в процес­ се роста усталостной трещины в сплаве ВТ-5 (рис. 3,д, ф. Видна треуголь­ ная форма асимметричного профиля усталостной бороздки. Передний

фронт вогнут,и его поверхность испещрена следами скольжения в виде волнистого рельефа, отвечающего процессу пластического затупления

вершины усталостной трещины на восходящей ветви нагрузки. Помимо этого, дополнительно можно наблюдать ’’декорирование” поверхности усталостной бороздки, сформированной в полуцикле разгрузки. Это соот­ ветствует в области больших величин бороздок развитию разрушения не

от одной,а от нескольких дислокационных трещин.

Процесс формирования усталостных бороздок при пластическом затуп­ лении вершины трещины заканчивается при активизации порообразо­ вания перед вершиной трещины и слиянии зоны пластического затупления с границами пор, образующими ямочный рельеф на восходящей ветви нагрузки [71.

Последняя возможность сопротивляться образованию свободной по­ верхности при низкоскоростном циклическом нагружении определяется

процессом формирования плоских сдвиговых ямок (рис. 3,в,г). Каждый цикл нагружения характеризуется ростом трещины от ее вершины без пластического затупления и связан с образованием плоских ямок, вытя­ нутых в направлении разрушения. Такая геометрия ямок отвечает процес­ су медленного статического подрастания трещины в условиях внецентренного растяжения.

Таким образом, иерархия процессов самоорганизации кинетики уста­ лостных трещин следующая: сдвигообразование, определяющее раскалы­ вание материала, ротационная неустойчивость деформации и разрушения, совместное сдвигообразование и ротационная неустойчивость, пластиче­ ская неустойчивость с затуплением кончика трещины и ротационная не­ устойчивость.

Помимо этого, на мезоуровне существует иерархия процессов разруше­ ния перемычки при микротуннелировании: сдвигообразование, ротацион­ ная неустойчивость и статический разрыв.

Передача ’’информации” от соседних объемов материала вдоль фронта движущейся трещины определяет самоорганизацию переходов в микро­

бе


туннелировании от одного механизма разрушения к другому и чередование актов образования микротуннелей с разрушением перемычек между ними по одному из указанных механизмов.

Введение представлений о масштабах анализируемых процессов и уров­ нях самоорганизации кинетики роста трещин обусловливает необходи­ мость выявления меры или фракталя [16], характеризующего последо­ вательность переходов к возрастающим величинам скачков трещины в каждом цикле нагружения. Возникает потребность в переходе от тради­ ционных к нетрадиционным измерениям параметров рельефа излома свыявлением фракталей и закона самоорганизации процесса формиро­

вания бороздок.

Фрактальная геометрия усталостных бороздок. Теоретический анализ дискретного процесса усталостного разрушения в условиях автомодель­ ности позволил описать иерархию величин б,,через универсальнуюпостоян­ нуюразрушения А, предложенную В.С.Ивановой [17], в следующем виде

[18]:

«<=

(2)

где 0, —параметр, определяющий иерархиювеличин 5/ .

Возможность описания дискретного изменения шага усталостных бороз­ док че^эез соотношение (2) является отражением фрактальной геометрии природы, теория которой развита автором работы [16]. Измеряемый параметр, характеризующий исследуемый процесс, изменяется в соответ­ ствии с определенным законом упорядоченно, если в процессе измерения выявлен фракталь —элементарная ячейка или размер,через который с по­ мощью автомодельного соотношения может быть рассчитан или определен весь ряд последовательно меняющихся в пространстве и времени анализи­

руемых величин.

Обычно при фрактографическом исследовании в РЭМнабор статистики по измерениям шага усталостных бороздок проводят вручнуюпо экрану видеомонитора.На основании таких измерений применительно к сплавам на основе алюминия установлено [8, 12, 18], что переход от предыдущего 6/ к последующему 5/+ хшагу усталостных бороздок, а также изменение

СРТпроисходят в соответствии с условием

Д'"",

(3)

где т- 1, 2, 4, 8,..., 2”.

Однако указанный

подход в измерениях связан со значительными по­

грешностями из-за неопределенности наклона фасетки излома к пучку электронов в РЭМ, а также в результате осреднения ансамбляусталостных бороздок. Измерение каждой отдельной усталостной бороздки при ручной обработке изображений в РЭМневозможно, что приводит к неопределен­ ности в отношении того факта, какой же истинный размер имеет усталост­ ная бороздка в направлении роста трещины - шаг усталостной бороздки.

Всвязи с изложенным была разработана методика автоматизированной обработки периодической структуры излома в виде усталостных бороз­ док [19], включавшая в себя получение метрологических характеристик ее параметра в виде шага усталостных бороздок 81 путем одномерного и двумерного фурье-анализа.


Исходной информацией для преобразования Фурье является функция профиля яркости р(г%где г —координата вдоль профиля. Преобразо* вание Фурье ставит в соответствие новую функцию [F]Л(К)* Вычисленный по указанной функции фурье-спектр представляет ряд чисел, отвечающих спектральной характеристике функции р(г). Если dсоответствует расстоя­ ниюмежду точками дискретизации в метрических единицах, то значение компоненты р(г) в фурье-спектре отражает вклад периодических струк­ тур на изломе, имеющих период (2N + 1)d/R в тех же метрических едини­ цах. Преобладание какой-либо гармоники служит доказательством сущест­

вования усталостных бороздок данного шага б,-.

Изложенный подход был реализован применительно к анализу усталост­

ных бороздок на изломе образца из сплава АК6, в котором была выраще­ на приповерхностная усталостная трещина. Висследованиях использовался комплекс, состоящий из высокоразрешающего РЭМ ”Хитачи-8800” и

микроЭВМ’’Искра 226” [20].

Впределах каждой исследованной фасетки с усталостными бороздками присутствует две или три их группы одинакового шага. Они отстоят друг от друга всего лишь на Д1^32 = 0,955 или А1!64 = 0,975, что выявить при традиционном подходе к анализу бороздок невозможно. По мере увеличе­

ния длины трещины возрастающие величины шага усталостных бороздок отличаются друг от друга на все меньшую величину и сохраняются постоян­ ными.

Самоорганизация формирования усталостных бороздок состоит в том, что с увеличением их шага даже при значениях автомодельной переменной

Д,/ш, близких к единице, увеличение размера скачка трещины в цикле нагружения становится существенным. Минимизация затрат на образование свободной поверхности в общем энергетическом балансе у кончика трещи­ ны выражается в том, что переходам на новый уровень б,- соответствуют все большие величины Д11т.

Представленные данные по наибольшей значимости (рис. 4,д) шага усталостных бороздок 0,24, 0,214 и 0,185 мкм с точностью в пределах 1%соответствуют расчетным величинам, полученным на основании соот­ ношения (3).

Наиболее наглядными данными об упорядоченности величин 6f в соот­ ветствии с соотношением (3) являются измеренные величины шага уста­ лостных бороздок в нескольких местах излома на участках с приблизи­ тельно равным интервалом его изменения. Исследованию подвергались участки с изменением б,- в диапазоне 0,5—1мкм. Достоверными считали

те значения, которые повторялись не менее 2 раз. На полученных спектрах (см. рис. 4,6) четковиднапериодичностьформированияусталостныхбороз­

док, удовлетворяющая условию (3). Обращают на себя внимание, напри­ мер, значения 0,83 и 0,905 мкм, которые с точностью в пределах 1%совпа­ дают с прогнозируемыми значениями шага усталостных бороздок [21].

Представленные результаты служат доказательством того факта, что

процесс самоорганизации формирования усталостных бороздок описы­ вается соотношениями (2) и (3). Величину следует рассматривать в качестве фракталя. Через нее и автомодельное соотношение А1'т могут

быть определены все возможные величины шага усталостных бороздок. На основании этого для любого сплава может быть построена кинетиче-

70