ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 169
Скачиваний: 1
21.Шанявский А.А.Диаграмма дискретного роста усталостной трещины в усло виях автомодельности //Фиэ.-хим.мсханика материалов. 1983.Т.19,№1.С.45-51.
22.WeiR.P.Fatigue Mechanisms//ASTMSTP.1979.N675.P.816-840.
23.Шанявский A.A.,ГригорьевB.M.Кинетическая диаграмма усталостного разру шения элементов конструкций на стадии Париса при различных видах и условиях нагружения // Тез.докл. II Всесоюз. симпоз. ’’Механика разрушения”. Киев: Наук, думка,1985.Т.3.С.89.
24.Шанявский А.А., Ванцовии К.В., Карасев А.В.Закономерности развития несквозных усталостных трещин при двухосном напряженном состоянии элементов са молетных конструкцийII Тр.ГосНИИА,1985.Вып.245.С.96-101.
25.Шанявский А.А., Бурченкова Л.М.Кинетика усталостной трещины на пере ходны режимах нестационарного нагружения элементов конструкций // Там же. Вып.243.С 31-37.
26.Liu НЖ, Me Gowan Y.I. Akinetic analysis of high temperature fatigue стаек growth ИSet.met.1981.VoL15.P.507-512.
27.Chan K.S.,Hack J.E.,LeverantG.R.Fatigue crack propagation in Ni-base superalloy single crystals under multiaxialcyclic loads //Met.Trans.A.1986.N17.P.1739-1750.
28.Кондратьев A.A.Ометодических вопросах индикации роста трещин в усло виях эксплуатации // Совершенствование методов технической эксплуатации лета тельных аппаратов.Рига: РКИИА,1986.С.56-59.
УДК539.43
ЭВОЛЮЦИЯСТРУКТУРЫПРИУСТАЛОСТИМЕТАЛЛОВ КАК РЕЗУЛЬТАТ САМООРГАНИЗАЦИИ ДИССИПАТИВНЫХСТРУКТУР
В.Ф.Терентьев
Сложность прогнозирования усталостного разрушения металлов и спла вов связана с тем,что сопротивление усталости зависит от ряда факторов: вида и условий нагружения, напряженного состояния образца или детали, асимметрии цикла нагружения, масштабного фактора, температуры испы тания, структурного состояния материала, влияния среды и состояния поверхности.
Все это сильно затрудняет создание общей теории усталостного разруше
ния металлических материалов. Однако в общем случае процесс усталости связан с постепенным накоплением и взаимодействием дефектов кристал лической решетки (вакансий,междоузельных атомов,дислокаций и дисклинаций, двойников, границ зерен и блоков и т.п.) и, как следствие этого, с постепенным развитием усталостных повреждений в виде образования и распространения микро- и макроскопических трещин [1—4]. Поэтому явлению усталостного разрушения (впрочем, как и любому виду разру шения) присуща периодичность и стадийность процесса, характеризующая ся вполне определенными структурными изменениями. Такой структур ный анализ накопления повреждений позволяет отвлечься от перечислен ных факторов.
Однако если просто изучать все многообразие наблюдаемых структур, и в частности .дислокационных субструктур, формирующихся в процессе
усталости металлическихматериалов, то очень трудно выявить общие за кономерности накопления повреждений. Важно рассмотреть эволюцию
76
Периодыи стадии циклическогодеформирования ОЦК-металлов 1—начало циклической текучести, 2 —окончание циклической текучести, 3 —
зарождение усталостных микротрещин, 4 - линия усталостных повреждений, 5 - кривая усталости; I —зарождениетрещин,II —распространениетрещин
структур при характерных (пороговых) условиях пластической деформа ции и разрушения. Вэтом смысле весьма перспективно привлечь к анализу
этих |
процессов общие подходы синергетики [5—9] (науки, изучающей |
|
явления самоорганизации) |
и термодинамики необратимых процессов |
|
[10, |
11], используя понятие |
производства энтропии, поскольку образо |
вание в кристалле дислокационной субструктуры при пластическом де формировании есть возникновение диссипативной структуры [12].
Синергетика, в своюочередь, связана с теориями бифуркаций [13]
и катастроф [14], описывающих те критические (пороговые) ситуации, при которых возникает специфическая самоорганизующаяся структура. Рассмотрим основные периоды и стадии усталостного разрушения метал лических материалов с учетом упомянутых соображений.
На рисунке представлена схема стадийности многоциклового усталост ного разрушения ОЦК-металлов и сплавов для температур выше и ниже критической температуры хрупкости в условиях циклического деформи рования —Т\ {Т\ —такаятемпература усталостныхиспытаний,при которой на 50%поверхности циклического излома наблюдаются фрактографи-
ческие признаки хрупкого разрушения).
На этой схеме в период зарождения усталостных трещин можно выде лить четыре основные стадии, а период распространения трещин характери зуется тремя основными стадиями: припорогового роста усталостных трещин, стабильного роста трещин и ускоренного (нестабильного) роста усталостных трещин. При температурах испытания ниже Т\ сохраняется та же стадийность накопления усталостных повреждений, которая харак терна для температур выше Т% но при этом изменяется продолжительность отдельных стадий и резко возрастает локальность протекания процессов пластической деформации и разрушения.
77
Кроме того,в этих условиях предел усталости становится равным цикли
ческому пределу текучести.
Рассмотрим кратко эволюциюструктуры на всех стадиях усталости ОЦК-металлов при напряжениях, близких к пределу усталости. Чаще всего в этом случае предел усталости по своему значениюменьше статического предела текучести. Поэтому начало усталостной деформации связано с про
цессами микротекучести.
Принципиальная возможность накопления локализованной микроде
формации при переменных напряжениях с максимальным напряже нием, меньшим статического предела текучести, связана со следующими факторами. Во-первых, с тем, что поверхностные слои металла могут генерировать дислокации при меньших напряжениях, чем это требуется для внутренних объемов металла. Во-вторых, на поверхности металлов находятся концентраторы напряжений в виде ступенек, включений, границ зерен и т.п. В-третьих, это связано с тем, что многократное приложение нагрузки приводит к понижениюкритических напряжений размножения дислокаций за счет большей возможности рекомбинации дислокаций и локального накопления избыточного дислокационного заряда - так назы
ваемая вентильная особенность [15], когда происходит неполный возврат дислокаций к источнику под действием цикла другого знака. В-четвертых, из-за того, что в поликристаллическом металле наблюдается анизотропия
пластичности отдельных зерен.
Возникающую в процессе циклического деформирования простран ственно-временную дислокационную субструктуру целесообразно рас сматривать с учетом структурных уровней деформации твердых тел [16,
17]. Вработе В.А. Лихачева с сотрудниками [17] предлагается трехсту пенчатая иерархия масштабов пластической деформации: микроскопи
ческий уровень, связанный с вкладом в остаточную деформацию эволюции ансамбля структурных несовершенств на уровне субзерен и области гра ниц зерен с объемом усреднения У\, на мезоскопическом —промежуточ ном уровне можно учитывать влияние на развитие пластической деформа ции ансамблей дислокационных и дисклинациониых зарядов внутри одного зерна с объемом У2>У\> наконец, макроскопический уровень с объемом У3 > У2 дает возможность учитывать вклад от взаимодействия между зернами.
Нам кажется, что этот макроуровень должен учитывать взаимосвязь
пластического течения приповерхностных слоев металла и внутренних объемов [18,19].
Согласно работе [16], усреднение на третьем уровне позволяет вычис лить конфигурационные тензоры, характеризующие деформацию и раз рушение в терминах обычной механики континуума. Учет структурных уровней деформации позволяет приблизиться к общему рассмотрению металла как системы, содержащей подсистемы, которые непрерывно флуктуируют [11].
Согласно работе [11], иногда отдельная флуктуация может стать на столько сильной, что существовавшая прежде организация структуры не выдерживает и разрушается. Вэтот переломный момент (названный осо
бой точкой, или бифуркацией) принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет
78
состояние системы хаотическим, или она перейдет на новый, более диф ференцированный и более высокий уровень упорядоченности или орга
низации, который И. Пригожин и И. Стенгерс называют диссипативной структурой (так как для их поддержания требуется большая энергия,
чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят) [11].
Таким образом, диссипативными структурами будем называть не все
динамические |
структуры, формирующиеся в процессе циклической |
деформации, а лишь те самоорганизующиеся структуры, которые обра зуются на мезоскопическом и , макроскопическом уровнях и которые могут вносить существенный вклад в общую .энергиюсистемы. К таким
структурам, по-видимому, можно отнести те структуры, которые Куль- манн-Вильсдорф называет низкоэнергетическими дислокационными струк турами (НДС) [20, 21] и для которых характерно наличие объемов, практически свободных от дислокаций, с граничными областями, в кото рых плотность дислокаций очень высока (неоднородное стационарное состояние,устойчивое относительно малых возмущений [22]).
В НДС входят границы смещения, малоугловые границы, решетка Тейлора, стенки диполей, полосы деформации при статическом дефор мировании, лестничная структура при циклическом деформировании, мозаичная блочная структура [20].
Теперь, когда основные понятия кратко рассмотрены, можно перейти к конкретному рассмотрению процессов на стадии циклической микро текучести. Важной особенностью поведения ОЦК-металлов на этой стадии является то, что с первых циклов нагружения наблюдается более ранняя и более интенсивная микропластическая деформация приповерхностных слоев металла глубиной порядка размера зерна. На этой стадии микроде формация протекает в наиболее благоприятно ориентированных зернах поликристалла, по границам зерен, на включениях, на границах раздела пластичной и твердой фазы. Флуктуации очагов микропластической дефор мации расположены крайне неоднородно [23, 24]. Однако уже на этой стадии наблюдаются все основные микромеханизмы пластической деформа ции и разрушения, связанные с трансляционно-ротационной формой дви жения структурных несовершенств [17], - скольжение, поворот и разрых
ление.
Скольжение на этой стадии связано в основном с независимым движе нием отдельных дислокаций. Такое движение дислокаций сопоставимо с ламинарным течением жидкости. Элементарный акт деформации в таких условиях заключается в выбрасывании дислокаций парного пере гиба. Характеристический объем подобного выброса составляет У5^ Ю3Уо, где Уо = Ьэ - объем элементарной ячейки. Величина У5
является масштабом малых деформаций [25]. Физическими носителями пластических поворотов (разворотов) в твердых телах являются линей ные дефекты поворотного типа - дисклинации. Внашем случае это может быть развитие локальной полосы Людерса в наиболее благоприятно ориен тированном зерне поликристалла. Под рыхлением понимают эффект пов реждения структуры самой различной природы.
Несмотря на то что на стадии циклической микротекучести проявляется лишь микроскопический уровень деформации, уже на этой стадии могут
79
наблюдаться самоорганизующиеся процессы. Таким процессом самоорга низации может быть испускание дислокаций из границы зерна, а также образование НДС. К окончанию стадии циклической микротекучести (протяженность стадии от 102до 104 циклов при напряжении, равном пределу усталости) все сечение материала претерпевает небольшую микропластическую деформацию порядка 10“3- 10"4%, а в приповерхностном слое зерен образуется слой с повышенной плотностью дислокации [26]. Зависимость между напряжением и деформацией на этой стадии описы
вается линейным законом.
Начало 2-й стадии периода зарождения трещин - стадии циклической текучести - связано у ОЦК-металлов и сплавов с макроскопической не гомогенной текучестью[26,27].
Образование негомогенной текучести в виде фронта Людерса [2,26]при водит кпоявлению точки бифуркации на кривой циклического упрочнения,
которая теперь будет описываться параболическим законом,исвидетельст вует о том,что в металле появляются значительные флуктуации интенсив ных локальных зон пластической деформации.Вусловиях осевого растяже ния-сжатия это многочисленные зародыши полос Людерса [2].
На этой стадии в процесс пластической деформации вовлекаются все структурные уровни и роль ротационных мод деформации резко возра стает.В.Г.Курдюмов высказал предположение [28], что начало резкой те кучести может быть связано с формирующимися у концентраторов напря жений (поверхностные и внутренние дефекты решетки) дислокационны ми ансамблями,которые могут создавать локальные моменты напряжений
и могут быть описаны в терминах дисклинаций и дислокаций Сомилиана. Внашей работе предложена феноменологическая модель,согласно которой начало негомогенной текучести связано с прорывом более прочного при поверхностного слоя, формирующегося на стадии микротекучести [29].
Протекание последующих стадий в период зарождения усталостной тре щины связано с интенсивным участием всех структурных уровней дефор мации при трансляционно-ротационной форме движения структурных не совершенств. Анализ литературных данных и собственных [1—3,30] и эк сперименты, проведенные с участием автора, показывают, что в условиях многоцикловой усталости в ОЦК-металлах и сплавах проходит эволюция дислокационной структуры вне зависимости от того, находится ли предел усталости выше и ниже статического предела текучести. При высоких амплитудах напряжения (или деформации) при температурах испытания Г„с > Т%эта эволюция дислокационной и дисклйнационной структур яв
ляется существенной и в конечном итоге сводится к формированию ячеи стой,полосовой идвойниковой структур.
Однако обнаружение нами [26, 27] макроскопической неоднородности в условиях усталости ОЦК-металлов —усталостных зон макроскопической
деформации —указывает на то, что анализ изменения дислокационной структуры в процессе усталости нужно проводить с учетом этой макроско пической неоднородности, а также макронеоднородности пластического де формирования приповерхностных и внутренних объемов металла.Интерес но отметить, что негомогенность циклической деформации наблюдается и у монокристаллов.
При Тис < Т$ неоднородность накопления микро-и макродеформации