Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

В общем случае деформируемый кристалл комбинирует различные схемы деформации, аккомодируя смежные структурные элементы. Кон­ кретный спектр механизмов деформации зависит от типа и состояния кристалла, характера и условий его нагружения. Учитывая, что зарождение пластического сдвига,характер пластического течения и разрушение связа­ ны с сильно возбужденными состояниями (СВС) в кристалле [2,3],необхо­ димо особое внимание уделять анализу состояния кристаллической решет­ ки в заданных условиях деформации. По мере повышения степени воз­ буждения кристалла возрастает роль некристаллографического течения и конвективного характера пластической деформации.

Стремление системы включить конвективное течение как наиболее эффективный канал релаксации приводит к формированию в кристалле в ходе деформации функциональных диссипативных структур: ячеистые дислокационные структуры, фрагментированные структуры, движение как целого зерен и их конгломератов в поликристаллахи др.

Как следствие,, в пластическое течение вовлекается вся иерархия дис­ сипативных структур: исходная зеренная структура (в поликристаллах), возникающие внутри зерен блоки, ячейки дислокационной структуры, вихревые потоки точечных дефектов недиффузионной природы. Разруше­ ние кристалла как поворотная мода деформации —частный случай возник­

новения диссипативной структуры на высоком структурном уровне. Теория структурных уровней деформации твердых тел изложена в

работе [1]. Учет в рамках этого подхода взаимного влияния другна друга всех структурных элементов различного масштаба на основе принципа калибровочной инвариантности привел в работе [2] к обоснованию воз­ никновения в деформируемом кристалле внутреннего механического поля вихревой природы. Компонентами тензора напряженности этого поля являются изменение во времени плотности дислокаций (трансляционная мода) и плотности дисклинаций (ротационная мода).Эти две моды дефор­ мации связаны между собой,одной системой уравнений механического по­ ля, подобных уравнениям Максвелла дня электромагнитного поля. Только в частных случаях можно расцепить эти уравнения и описывать дефор­ мацию либо на основе теории дислокаций,либо на основе теории дисклина­ ций. Вобщем случае трансляционная и ротационная моды деформации

Органически взаимосвязаны в рамках единого механического поля.

Для выяснения специфики вихревого характера пластического течения,

иерархии структурных уровней деформации, зарождения трещин и разру­ шения в условиях знакопеременного нагружения авторами с сотрудниками выполнен большой цикл исследований усталостного разрушения поли­ кристаллов свинца и ряда сплавов на его основе [5—10]. Малорастворимые примеси различного типа (горофильные и горофобные) позволили направ­

ленно изменять степень возбуждения как границ зерен, так и кристалли­ ческой решетки самих зерен и тем самым существенно влиять на характер формирования диссипативной структуры поликристалла на различных структурных уровнях. Исследованные 'материалы являются типичным примером сильно возбужденных систем, в которых при 20°Сисходная зеренная структура уже является диссипативной [11]. Это позволяет многие механизмы деформации и разрушения наблюдать на макроуровне и вскрыть общую картину усталостного разрушения поликристаллов.

114

Настоящая работа является обзором указанных исследований. Материалы и методика исследования. Вкачестве материалов исследова­

ния использовали свинец технической и высокой чистоты (99,95 и 99,999%) и сплавы на его основе. Свинецдля таких исследований является весьма удобным материалом. Будучи очень пластичным под действием статических нагрузок, он при знакопеременном нагружении всегда разру­ шается по границам зерен (ГЗ) без заметной остаточной деформации [7—10]. Низкая температура плавления свинца и его сплавов (комнатная температура составляет ~0,5 Гпл) позволяет наблюдать на этих материалах весь комплекс структурных изменений, характерных для более тугоплав­ ких материалов при высоких температурах.

Свинец не активен к примесям внедрения, что позволяет исключить их неконтролируемое влияние на механизмы деформации и разрушения поликристаллов. Наконец, свинцовые сплавы широко используются в промышленности (аккумуляторной, кабельной и др.) и их сопротивление усталости является одной из важнейших эксплуатационных характеристик.

Для целенаправленного воздействия на состояние объемов и границ зерен использовали малорастворимые легирующие добавки двух типов. Элементы Sn, Sb и As по отношениюк свинцу являются эвтектическими, горофильными, образующими равновесную сегрегацию по ГЗ [12]. С такими добавками связана высокая концентрация вакансий легирования [13], что должно усиливать процессы вязкого течения по ГЗ. Те и Си являются горофобными по отношениюк свинцу [12], не склонными к сегрегации по ГЗ. Накапливаясь на фронте движения ГЗ за счет сил оттал­ кивания и, кроме того, образуя в решетке кластеры с прочными ковалент­ ными связями (Те), они существенно снижают подвижность ГЗ в свинце.

Исследованные бинарные сплавы на основе свинца 99,999%все были в пределах твердого раствора. Сложные промышленные сплавы имели

техническую чистоту.Составы сплавов приведены в таблице.

Чтобы исключить влияние величины зерна, все сплавы,кроме промыш­ ленных, предварительно обрабатывалинаодинаковое (~ 200 мкм) зерно. Впромышленных сплавах размер зерен составлял 40—50 мкм.

Испытания на усталость проводили на плоских образцах размером 1,2 х 8,0 х 37 мм при комнатной температуре путем знакопеременного консольного изгиба с частотой 430 мин-1 и амплитудой ± 0,5 мм.За коли­ чественнуюхарактеристику усталости взято число циклов до разруше­

ния (Л/).

Структурные исследования проводили методами световой интерферен­ ционной и электронной (растровой и на репликах) микроскопии. Перед испытанием на полированную поверхность образца наносили координатную сетку с квадратными ячейками размером 0,01 мм. Это позволяло исследо­ вать распределение деформации в целом по кристаллу и в отдельных зернах и проводить количественную оценку отдельных составляющих дефор­ маций.

Измерение зернограничного проскальзывания, миграции границ зерен, фрагментации и механизмов внутриэеренного скольжения проводили по

известным методика*! [14, 15]. Измерения количества трещин проводили в месте наибольшего изгибающего момента в интервалах длин трещин от 0,01—0,04 до 0,50—1,00 и > 1мм на стадиях усталости 0, 10, 25, 50,

115

Состав сплавов ичислоцикловдо разрушения (JV)

75, 90 и 100%от долговечности. После этого все образцы (по три образца на точку) растягивали до разрушения с цельюопределения временного сопротивления (рв). Для каждой серии образцов строили гистограммы распределения трещин по ихдлинам в указанных интервалах.

Структурные уровни деформации поликристаллов при знакопеременном нагружении. В литературе известно большое количество структурных исследовании усталости, но их подавляющее большинство проведено на дислокационном уровне с анализом формирования дислокационной струк­ туры в зернах [16—19]. Это связано главным образом с изучением внутризеренного разрушения, когда трещины зарождаются и распространяются в полосах усталости.

Однако совершенно очевидно,что на развитие усталостного разрушения поликристаллов существенное влияние должна оказывать иерархия струк­ турных уровней деформации и характер поведения при знакопеременном нагружении отдельных зерен как целого. Не случайно на практике часто

наблюдается усталостное разрушение по ГЗ. Этому способствуют повышен­ ные температуры деформации, высокие амплитуды напряжения, всевоз­ можные обработки, сильно упрочняющие объем зерна по сравнению с ГЗ [16-19], и др. Границы зерен служат местами возникновения наиболее мощных концентраторов напряжений, последние же,как известно [16,17], играют определяющую роль в усталостном разрушении материала.

Очень важно понять, как формируются концентраторы напряжений по ГЗ при знакопеременном нагружении поликристалла, от каких факторов зависят,каким образом можно ими управлять.

Втаблице приведены результаты испытаний свинца и различных спла­ вов на его основе. Видно,что выбранные добавки оказывают и по степени, и по характеру существенно разное влияние на циклическую долговеч­ ность свинца. При этом важно,что у всех бинарных сплавов и свинца одина­ ковая величина зерна. Так, олово заметно понижает долговечность свинца во всей области твердого раствора. Все остальные добавки повышают ее, но в разной степени. Особенно большой эффект дает легирование тел­ луром, образующим со свинцом химическое соединение. Промышлен­ ный сплав, содержащий одновременно Sb, Си и Те, имеет наибольшую долговечность,особенно в мелкозернистом состоянии.

Типичные картины структурных изменений на разных стадиях усталости приведены на рис. 1,2.Прежде всего обращает внимание весьманеоднород-

116