Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

А3,кН/м

мости \gV-\gN [7, 6], значение AKis —расчетным путем по углу наклона среднеамплитудного участка ДЦТ (по методу В.С.Ивановой). Дискретное изменение характеристики Д//обозначим через Д//как пороговое зна­ чение Д/f. Отношение последующего порогового значения к предыдущему

назовем коэффициентом квантования aj*пороговых амплитуд Д/у*. Зна­ чения этих квантований для трех марок стали приведены в таблице.

Таким образом, определение амплитуды циклического /-интеграла Д// в процессе субкритического распространения усталостной трещины позволяет выявить критические ситуации, возникающие при продвиже­ нии трещины. Они отвечаю дискретному изменениюДJf в зависимости от АК, т.е. пороговым значениям Д//. При этом, как видно из таблицы, коэффициент квантования этих значений для данного материала изменя­ ется мало. Это открывает перспективу прогнозирования одних пороговых значений AJ/по экспериментально найденным другим значениям.

Кроме того, зная Д/в*и предварительно определив Мд-критерий (по исходным данным зависимости длины трещины от числа циклов), можно

по другим пороговым Д//оценитьпороговые значения АК*.

О соответствии пороговых значений AJf точкам бифуркаций.При рас­ смотрении пороговых ситуаций в процессе субкритического роста усталост­ ной трещины, отвечающих значениям AJ/ (и соответствующих пороговых АК*), может возникнуть вопрос о справедливости отождествления их с точками бифуркаций. Такое отождествление будет оправданно, если к смене микромеханизма усталостного разрушения при пороговых ситуациях

107

Коэффициентыквантования aj* пороговых значений амплитуд циклического /-интеграла AJf

подойти с точки зрения не внезапной замены одного микромеханизма дру­ гим, а с точки зрения концепции раздвоения доминирующего микромеха­ низма разрушения. Такая концепция подразумевает конкурентную борь­ бу микромеханизмов разрушения, выживания наиболее оптимального в

новых условиях нагружения и напряженного состояния в зоне вершины усталостной трещины,т.е.в новых условиях диссипации энергии.

Подобная концепция согласуется с представлениями В.С.Ивановой1о связи роста усталостной трещины с кооперацией двух конкурирующих механизмов разрушейия - микросдвига и микроотрыва, причем каждый

акт продвижения трещины связан с образованием критического зародыша трещины по механизму микросдвига или микроотрыва в зависимости от структурного уровня деформации и характера структурно-неустойчивых

состояний. Зарождение микротрещины по механизму микросдвига связа­ но с достижением критической плотности дислокаций (в плоскости сколь­ жения), а по механизму отрыва —с достижением критической плотности дисклинаций в элементе объема, претерпевшем предельную пластическую деформацию.

Согласно упомянутой выше статье В.С. Ивановой, локальное хрупкое

разрушение происходит в результате микросдвига (низкоэнергоемких плоских скоплений дислокаций), которое инициируется сдвиговой неустой­ чивостью (трансляционной модой пластической деформации). На поверх­ ности разрушения обнаруживаются фасетки сдвига или скола. Вязкое разрушение происходит в результате микроотрыва (высокоэнергоемких скоплений дефектов —дисклинаций), которое инициируется ротационной неустойчивостью (ротационной модой пластической деформации).Фрактографическими признаками подобного разрушения являются усталостные бороздки и ямочный микрорельеф.

Перейдем к поэтапному рассмотрению конкурентной борьбы микро­ механизмов разрушения в процессе субкритического роста усталостной трещины в связи с достижением точек бифуркаций.

Дело в том,что если прициклическом нагружении растяжением образца с надрезом до порогового AK%h разрушение происходит, например, под влиянием сдвиговой деформации, то эта деформация, будучи доминирую­ щей, является почти стопроцентной, т.е. занимает почти всю площадь уста­ лостного излома образца. При достижении Д/С*ь появляется раздвоение доминирующего микромеханизма рузрушения на двй возможных: напри-

1ИёановаВ.С.Синергетикаразрушения и механические свойства //Наст.сб.

108

мер,для мягкой стали [21] это механизм микросдвига (£ц) и межзеренного разрушения (скола),которые имеют место и после достижения №%h. Однако доминирующая роль микросдвига падает, а роль межзеренного разрушения возрастает. Вмомент достижения начала среднеамплитудного участка Пэриса (А/ *_2 ) наряду с межзеренным разрушением, какглав­ ным, возникает механизм микроотрыва.Раздвоение микромеханизма раз­ рушения приводит затем к полному подавлениюмежзеренного механизма и быстрому возрастанию роли микроотрыва в виде бороздок усталости (80-90% всей площади излома). Подобный механизм микроотрыва в виде усталостных бороздок наблюдается для целого ряда материалов (нержа­ веющие и мягкие стали, алюминиевые и титановые сплавы, медь,никель, молибден,хром,цинк [22] идр.).

При достижении пороговых Д/в* (или ДКа) характер микрорельефа изломов также меняется. Раздвоение микромеханизма разрушения заклю­ чается в том, что наряду с сохранением бороздок усталости;которые под­ вергаются значительным изменениям (они становятся более короткими, прерывистыми, волнистыми), начинает появляться ямочный вид разруше­ ния либо скольный. Изменение вида усталостных бороздок можно объяс­ нить тем, что равномерный или равноускоренный рост трещины (до Д/а*, ДКа ) позволяет формировать более ’’идеальные” бороздки, а резко воз­ растающее ускорение (при достижении Д/а*, АКа) разрушает прежний ’’ла­ минарный” режим формирования их и объясняется вмешательством нового конкурирующего микромеханизма разрушения. Происходит смена долей конкурирующих микромеханизмов. Роль нового микромеханизма разру­ шения, адаптирующегося к новым условиям нагружения и кинетики роста трещины, возрастает, а роль прежнего микромеханизма.разрушения

уменьшается.

Как указывалось выше, достижение АКа (или Д/а*) знаменует изме­ нение ряда других важных параметров и свойств. Поэтому можно считать, что достижение подобной пороговой ситуации соответствует достижению точки бифуркации. Это подтверждается также аналогией пороговых ситуа­ ций, имеющих место на зависимостях, представленных на рис.4, 5, 7 и 8.

Представленная на рис. 7 зависимость скорости роста трещины от числа циклов указывает на наличие перелома,что говорит о скачкообразномизме­ нении кинетики роста усталостной трещины: от почти равномерного (или равноускоренного) роста к распространениюс постоянно возрастающим ускорением. По аналогии можно напомнить, что точкой бифуркации счи­ таю переходотламинарного течения жидкости к турбулентному.

Интерес представляет рассмотрение зависимости выходной мощности лазера от мощности накачки (входной мощности) выше и ниже порога генерации (рис. 8). Приводя эти данные, Хакен [1] отмечает,что в пере­ ходной области перелома (порога генерации) обнаруживаются черты, характерные для фазовых переходов. Макроскопические свойства лазера коренным образом меняются, и эта точка является точкой бифуркации.

Как видно, и в нашем случае достижение пороговых значений Д/а и АКа при росте усталостной трещины резко меняет характер макроскопи­ ческого разрушения (см.рис.5-7) и является порогом генерации,другими словами,порогом мощности ’’накачки”.

Пороговые A/*, HiTlsозначают переходиз области квазиупругого роста

109

Рис. 7.Перегибызависимости скорости роста тре­ щиныусталости от числа циклов при достижении. АК= &Ка

1—алюминиевый сплав Д16, 2 —ст. 20, 3 — 38XH3, 4- 20ХН

Рис,9. Определение пороговых значений AJf(то­ чек бифуркаций) по дискретному изменениюза­ висимости ДJf от АК

трещины усталости в область упругопластическую и совпадение микро-и макроскорости роста трещины (ширины бороздок усталости и скачка трещины за цикл,нагрузки).

При достижении пороговых Л/2*_3и A/f2_3 бороздчатый микромеха­ низм разрушения перестает быть доминирующим. Раздвоение основного микромеханизма заключается в том, что, помимо него, резко проявляют

себя элементы другого вида разрушения. Разрушение происходит по сме­ шанному типу (Kiи,по-видимому,Кт ). Затем, как правило, доминирую­ щим микромеханизмом разрушения становится либо ямочный (механизм микроотрыва, вязкое разрушение), либо межзеренный (механизм микро­ сдвига, хрупкое разрушение). Смена микромеханизма разрушения означа­

ет достижение точки бифуркации.

110

Таким образом, концепция раздвоения доминирующего микромеханиз­ ма разрушения при достижении пороговых ситуаций объясняет соответст­ вие пороговых значений ДIf, АК*точкам бифуркаций.

Взаключение следует указать,что начиная с 30-х годов процесс распрост­ ранения усталостной трещины перестали рассматривать как мгновенный акт разрушения. До начала 60-х годов процесс усталостного разрушения тщательно изучался с точки зрения накопления в материале предельной энергии разрушения или предельной плотности дислокаций,ответственных за элементарный акт разрыва межатомных связей. Развитие усталостной трещины исследовалось без применения подходов и критериев линейной механики разрушения. Лишь с опубликованием работ Пэриса-Эрдогана внимание многих исследователей привлекла заманчивая возможность использовать критерий механики разрушения (коэффициент интенсивности напряжений) и связать его со скоростьюраспространения усталостной трещины. Начиная с 1963 г. появилось большое число экспериментальных данных, посвященных связи амплитудных значений ДК со скоростью роста трещины, а позже появились опытные данные для области цикличес­ кого доломаДЦТ,а также и для припороговой области,которая и в настоя­ щее время интенсивно изучается.

Дальнейшие исследования позволили уточнить ДЦТ на всем протяжении от ДKih до KfC.На рис. 1отмечены точки, соответствующие пороговым АК*

В.В. Панасюк [23] указывает, что основная идея подхода механики разрушения твердого тела (имея в виду развитие трещины в деформируе­ мом теле) сводится к переходу элемента деформируемого тела из сплош­ ного (С) состояния в разрушенное (Р). Этот переход сопровождается не­ которым промежуточным (П) состоянием деформируемого тела,которое необходимо (обязательно!) учитывать прирешении задачио прочности тела

с дефектами типа трещины [23].

Вобласти (П) материал деформирован всегда за предел упругости, и, как указывается в работе [23], здесь совершаются наиболее интенсивные процессы пластического течения, взаимодействия с окружающей средой, диффузионные процессы, повреждаемость материала и другие явления, предопределяющие в конечномсчете локальное разрушение материала [23], т.е.происходит переходот Ск Пи затем от Пк Р.

Вработе [23] отмечается также,что учет П-состояний материала в рам­ ках механики сплошных сред требует введения новых (по сравнениюс классическим) расчетных концепций и моделей.

На основании изложенного становится ясно,что концепция амплитуды циклического /-интеграла AJf дает возможность учесть это П-состояние материала в случае наличия нагрузки циклического характера. Сдругой стороны, рассматривая процесс разрушения с синергетических позиций, можно считать, что деформируемое твердое тело является открытой систе­ мой и отвечает требуемому синергетикой условиюобмена энергией с внеш­ ней средой (’’накачка” энергии и ее диссипация). Этот обмен наиболее интенсивно происходит в активной зоне у вершины усталостной трещины (в промежуточной зоне П),результатом являетсялокальное разрушение.

Если достижение сильно возбужденного состояния в зоне предраэрушения считать порогом локальной неустойчивости [24], то усталостное раз­

111

рушение явится следствием самоорганизующегося неравновесного фазо­ вого (кинетического) перехода на различных структурных уровнях при достижении точек бифуркации.Хакен [1] отметил, что общая особенность рассматриваемых явлений перехода —это внезапные изменения на макро­ скопических масштабах, т.е. изменение свойств. Параметры свойств мате­ риала, выявляемые в точках бифуркаций, имеют фундаментальное зна­

чение.

Следовательно, пороговые значения Д//, отвечающие дискретным изменениям ДJfс ростом длины усталостной трещины и связанные с дости­ жением точек бифуркаций, являются важнейшими характеристиками циклической трещиностойкости, имеющими вполне определенный фи­

зический смысл (рис.9).

ЛИТЕРАТУРА

1.Хакен Г. Синергетика.Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся систе­ махи устройствах.М.:Мир,1985.423 с.

2.Гуревич С.Е.Некоторыеаспектыусталостноймеханикиразрушения //Цикличес­ кая вязкостьразрушения металлов исплавов! М.:Наука,1981.С 19-38.

3.Новожилов В.В.Онеобходимом и достаточном критерии хрупкой прочности // ПММ.1962.Т.33,№2.С.212-222.

4.Журков С.Н.,Нарзуллаев Б.Н.Временная зависимость прочности твердых тел // ЖТФ.1953.Т.23,вып.10.С 1677-1690.

5.Гуревич С.Е., Едидович Л.Д.Пороговые значения коэффициента интенсивности напряжений на стадии докритического роста усталостной трещины// Крат. докл. VI Всесоюэ. совещ.по усталости металлов. М.: ИМЕТим. А.А. Байкова АНСССР. 1971.С 178.

6.Гуревич С.Е.,Едидович ЛД, Оскорости распространениятрещиныи пороговых значениях коэффициента интенсивности напряжений в процессе усталостного разру­ шения ЦУсталость и вязкость разрушения металлов. М.: Наука, 1974. С 36-78.

7.Гуревич С.Е.,Едидович Л.Д.Определение деформации в пластическойзоне око­ ло вершиныусталостнойтрещины//Тамже.М.:Наука,1974.С 210-214.

8.Кишкина С.И., Старова Е.Н.Некоторы особенности роста трещины усталости

втонких пластинах алюминиевых сплавов // Проблемыметалловедения цветных сплавов.М.:Наука,1978.С 166-180.

9.Шур ЕЛ. Некоторы практические аспектыизучения живучести металлических материалов//Физ.-хим.механикаматериалов.1978.Т.14,№6.С 53-58.

10.Георгиев М.Н., Рощин С.Н., Тябликов Ю.Е. и др. Влияние температуры на сопротивление развитиюусталостных трещин в сталях Ст.Зсп, 18Гпс и 09Г2С // Пробл.прочности.1978.№5.С 45-50.

11.Сосновский ЛА., Марченко В.ТФрактографическое исследование закономер­ ностей усталостногоповреждения стали45//Физикаметалловиметалловедение.1976. Т.42,№2.С.377-284.

12.Иванова В.С. Концепция циклической вязкости разрушения // Циклическая вязкостьразрушенияметаллов и сплавов.М.:Наука,1981.С 5-19.

13.Иванова В.С. К определениюциклической вязкости разрушения в условиях подобия предельного состояния // Физ.-хим.механика разрушения. 1982. Т.18,№4. С 77-86.

14.Иванова В.С.Одискретности и автомодельности зоныразрушения при стабиль­ номростеусталостнойтрещины//Пробл.прочности.1982.№5.С 91-98.

15.Методические указания. Расчетыи испытания на прочность. Методымеханичес­ ких испытаний металлов.Определениехарактеристик сопротивленияразвитиютрещи­ ны(трещиностойкости) при циклическом нагружении. РД50-345-82. М.: Изд-во стандартов,1983.96 с.

16.ИвановаВ.С.,Гуревич С.Е„БурбаВ.И,Определениестадийностироста усталост­ ной трещиныпо изменениюпараметров петли локального гистерезиса//Изв.АНСССР. Металлы.1987.№2.С.116-122.

112