Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.02.2024

Просмотров: 170

Скачиваний: 1

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

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