ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 170
Скачиваний: 1
резко возрастает,хотя в локальныхобъемах металла при высоких уровнях циклической нагрузки может возникать развитая субструктура. При этих температурах испытания пластическая деформация может осущест вляться всеми видами трансляционно-ротационной формы движения струк турных несовершенств, включая двойникование. Стадийность цикличес кой деформации, характернаядля Тис > Т%,сохраняется и в случае Тис< < Гхц (см. рисунок),однако в последнем случае размеры усталостныхзон макроскопической деформации резко уменьшаются и протяженность пе риода зарождения усталостных трещин возрастает. Кроме того,в этих ус ловиях предел усталости становится равным циклическому пределу те кучести.
Для анализа изменения дислокационной и диклинационной структуры при многоцикловой усталости важно рассмотреть это изменение при пороговых значениях нагрузки, а именно на уровне предела усталости, поскольку предел усталости является минимальной нагрузкой, при ко торой наблюдается разрушение в условиях усталости. При напряжениях, близких к пределу усталости, многиеавторы наблюдали в ОЦК-металлах и сплавах самые различные субструктуры [1,2,30]:отдельные изолирован ные сплетения дислокаций (железо, плоский симметричный изгиб), плот ные скопления, вытянутые клубки, геликоиды и ряды петель (железо, растяжение-сжатие),сплетения дислокаций, отдельные почти прямые сег менты дислокационных границ (моно- и поликристаллическое железо, растяжение—сжатие), ряды дислокаций и отдельные дислокации петлево го и геликоидального типов (железо,симметричный изгиб),спектр дисло кационных структур —от отдельных скоплений дислокаций до ячеистой и полосовой структур (железо, повторное растяжение,растяжение-сжатие),
спектр дислокационных структур —от скоплений дислокаций до ячеистых структур (молибденовый сплав ЦМ-10, повторное растяжение) и др.
Эволюция дислокационной структуры, связанная с увеличением плот ности дислокаций, приводит к деформационному упрочнениюматериала, при котором внешние напряжения уравновешиваются внутренними напря жениями ближнего и дальнего порядка. При этом взаимодействуют все структурные уровни и механизмы пластической деформации. Скопления точечных дефектов являются источниками полей ближнего порядка, а ди слокационные скопления —полями напряжений дальнего порядка.
Движущиеся дислокации могут преодолевать поля напряжений различ ными путями. Например, такими полями напряжений,которые можно пре одолеть при низкой энергии активации, являются барьеры Пайерлса-На- барро (силовое преодоление барьера Пайерлса-Набарро требует напряже ния 600 МПа в случае железа [31]) и взаимодействия дислокаций с точеч ными дефектами. Полями напряжений, для преодоления которых тре буется более высокая энергия активации, являются поля вокруг различ ных дислокационных конфигураций.
Внастоящее время принято считать,что внешнее напряжение состоит из двух составляющих:
о = os(e,ё, Т)+ Оц (е),
где as —компонента,ответственная за поля напряжений ближнего порядка (зависит от степени деформации, температуры и скорости нагружения) и
б.Зак. 1067 |
81 |
а(1- компонента,ответственная за поля напряжений дальнего порядка (за висит от деформации). Упрочнение при циклическомдеформировании свя зано с увеличением обоих составляющих напряжения. Основные механиз мы упрочнения в условиях циклического деформирования рассмотрены в
монографии [30].
Наши исследования [32, 33] эволюции дислокационной структуры тех нического железа и молибденового сплава ЦМ-10 при повторном растяже нии позволили установить, что при температурах испытания Тис > Гхц су ществуют два интервала пороговых плотностей дислокаций,ответственных за формирование самоорганизующихся субструктур —ячеистой (плотность дислокаций Рп! « (54-8)1013 м~2) и квазимодулированной полосовой
структуры (ft,2 «2 • 1014 м-2).
Полосовые структуры формируются при достижении критической плотности дислокаций в местах с развитой ячеистой структурой. Вполне возможно, что формирование полосовых самоорганизующихся структур связано с локальной пластической нестабильностью, коллективными фор мами перемещения дислокаций (типа ротационных мод деформации) или
дисклинаций и протекает быстро при образовании бездиспокационных ка налов в молибдене [34].
Несмотря на то что существованиеполосовойструктурысвязанос высо кой средней плотностьюдислокаций, в целом ее формирование приводит к локальному разупрочнениюматериала из-за образования узких протя женных зон с низкой плотностью дислокаций.Эти зоны могут быть преиму щественным местом зарождения усталостных микротрещин. При темпера турах испытания Т»с < Т* пороговыми самоорганизующимися субструк турами могут быть как ячеистая, так и субструктура деформационных двойников.
Проведенный нами анализ показал [32,33],что полосовые дислокацион ные структуры (а при низких температурах двойники) формируются в первуюочередь и преимущественно в приповерхностных слоях металла глубиной порядка размера зерна. Если в условиях повторного растяжения
технического железа ипластичного молибденовогосплава ЦМ-10 при Гис > > во внутренних объемах металла наблюдается целый спектр дислока ционных структур, то в приповерхностных слоях основными структурами являются ячеистые и полосовые структуры.
Наши эксперименты однозначно показали, что в случае ОЦК-металлов и сплавов в условиях повторного растяжения плотность дислокаций в приповерхностных слоях металла значительно выше,чем во внутренних его объемах. Изменение поверхностного рельефа при усталости в области гра ниц зерен свидетельствует о возможности протеканшг ротационных мод пластической деформации.
Особенно резко проявляется различие в эволюции дислокационной структуры приповерхностных и внутренних объемов металла при испыта нии на усталость в условиях, когда Т„с < Т£ при напряжениях,близких к пределу усталости. Как в образцах железа,так и молибдена во внутренних объемах металла лишь в отдельных зернах наблюдаются признаки микропластической деформации (в основном отдельные дислокации и неболь шие скопления дислокаций в области границ зерен).Вто же время в при поверхностном слое наблюдается более развитаясубструктура с большей
82
чем на порядок плотностью дислокаций. Таким образом,в этих условиях пороговая самоорганизующаясядислокационная субструктура формирует ся (вернее, успевает сформироваться) лишь в приповерхностныхслоях ме талла глубиной порядка размера зерна.
Из анализа изменения дислокационной структуры внутренних объемов металла при напряжениях, близких к пределу усталости, в общем случае (здесь не рассматривается случай поверхностно-упрочненных материалов) трудно и, по-видимому,даже невозможно сделать выводоб уровне предела усталости.
Из литературных данных и наших исследований следует,что в условиях растяжения-сжатия в усталостных зонах макроскопической деформации образуется более развитая ячеистая субструктура,чем в условиях повтор ного растяжения, и, казалось бы, наличие такой более развитой субструк туры должно способствовать более высокому значениюпредела усталости в этом случае, Однако хорошо известно,что в условиях растяжения-сжатия значение предела усталости ниже. При Гис < Т%по дислокационной карти не деформации внутренних объемов металла на пределе усталости вообще трудно что-либо сказать о характере деформации, стадии деформирования и уровне предела усталости.
Кажущееся противоречие, связанное с тем фактом, что у более разви той структуры внутренних объемов металла (растяжение-сжатие) наблю дается меньшее значение предела усталости,чем в условиях менее развитой субструктуры (повторное растяжение),легко устранить, если рассмотреть явление многоцикловой усталости металлических материалов как конку ренцию двух кинетических процессов - пластической деформации и разру шения. Здесь можно использовать подходы, развиваемые А.В.Степановым [31], предложившим физическую модель вязкохрупкого перехода, осно ванную на идее конкуренции процессов пластической деформации и разру шения.
Согласно этой модели,если при Т >Тх скорость процесса пластической деформации выше, чем у процесса разрушения,то микропластическая де формация успевает пройти около всех концентраторов раньше,чем там на чнется разрушение. Врезультате напряжения у концентратора уменьша ются. В области Т < Т.х пластическая деформация пройтине успевает и раз рушение происходит при максимальныхлокальных напряжениях.
Сфеноменологической точки зрения скорость разрушения ё р —величи на,обратная долговечности tр [31]:
tv = tQexp [(t/0 - уvo)lkT) =>ёр ~ Г0*• exp [-(J70 -yvo)/кТ\,
где ио —энергия активации разрушения,г0 - коэффициент,характеризую щий прочностные свойства твердого тела, yv —коэффициент, описываю щий перенапряжения.
Следовательно, роль пластической деформации сводится к изменению коэффициента уи:
Ти —Тои ^ 7'iv ПРИТ > Tx\yv~ при Т Тх
и Уо v < 7и < Ухо - увеличивается в области вяэкохрупкого перехода при уменьшении Т в области Т ~ТХ, т.е. модель предполагает различные энергии активации процессов пластической деформации и разрушения [31].
Сэтих позиций ясно, что в условиях жесткого режима циклического 83
деформирования (растяжение-сжатие) для зарождения поверхностной усталостной трещины в гладком образце без концентратора напряжений требуется меньшее напряжение (поскольку при этом виде деформирова ния интенсивность накопления повреждений в поверхностном слое более высокая), чем для зарождения усталостной трещины в условиях повтор
ного растяжения.
Вусловиях циклического деформирования ОЦК-металлов и сплавов при Тис < конкурирующие процессы пластической деформации и
разрушения (зарождения усталостных трещин) в приповерхностном слое при напряжениях, близких к пределу усталости,идут со значительным опе режением по сравнениюс эволюцией дислокационной структуры внутрен них объемов металла. Поэтому к моменту возникновения критической длины усталостной трещины (длина которой для этих условий составляет 1-5 размеров зерна) во внутренних объемах металла не успевает сформи роваться развитая субструктура (в частности, за счет уменьшения подвиж ности винтовых дислокаций и затрудненности размножения дислокаций при этих температурах), а наблюдается лишь структура, соответствующая
стадии микротекучести.
Проведенный анализ показал, что для оценки стадии повреждаемости в условиях циклического деформирования необходимо изучать дислока ционнуюструктуру в области формирования усталостных зон макроскопи ческой деформации (поскольку именно в этих зонах происходит развитие макроскопической усталостной трещины) в приповерхностном слое метал ла глубиной порядка размера зерна,в которомв первую очередь достигают
ся пороговые значения плотности дислокаций /o^i и рп2,соответствующие объемам металла с ячеистой и полосовой дислокационными структурами (при низких температурах критическая ситуация Связана с образованием
двойников).
Естественно, что в образцах с концентратором напряжений и в гладких образцах в периоде распространения усталостной трещины наибольший интерес представляют параметры дислокационной структуры у вершины концентратора напряжений или распространяющейся усталостной трещины.
Факт формирования специфических квазимодулированных дислока ционных структур (ячеистой и полосовой)в процессе циклического дефор мирования при достижении пороговых плотностей дислокаций и дисклинаций может быть лучше осмыслен с привлечением общих подходов синерге
тики и термодинамики необратимых процессов [35, 36] и использованием понятия производства энергии.
По определению авторов работы [11], термодинамика - это физика возникающего. Эти подходы могут описать явление самоорганизации дис сипативных структур в открытых системах вдали от термодинамического равновесия. Вслучае дислокационных субструктур, формирующихся в процессе циклического деформирования, такими самоорганизующимися структурами можно считать ячеистуюи полосовые, а также двойниковые структуры при низких температурах, ВГЦК-металлах, кроме ячеистых структур,характерными дислокационными структурами являются венопо добная,лестничная или лабиринтовая [30,37,38],
Спозиций синергетического подхода эволюцию дислокационной струк
туры в процессе циклического деформирования можно рассмотреть по 84