Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

Рис.4.Зависимость сдвига по границам индивидуальных зерен от числа циклов в Pb + l,0%Sn

Другими словами, движение зерен как целого является важным элемен­ том иерархии структурных уровней деформации поликристаллов при знакопеременном нагружении. Всвязи с этим методом реперных сеток проведены систематические исследования величины и направления ЗГскольжения (ЗГС) для отдельных случайных ГЗ при наблюдении за одним и тем же местом пересечения риски с ГЗ [8].

Действительно, наблюдаются большие эффекты движения зерен как целого. На рис. 4 приведена кинетика изменения сдвига по ГЗ при уста­

лости. Отдельные кривые относятся к различным случайным ГЗ одного и того же образца. Видно, что ЗГС в этомслучаепротекаетнемонотонно, часто изменяя знак, что отражает стохастический характер движения отдельных зерен.

Знакопеременный характер ЗГС продемонстрирован на рис. 5, где показано одно и то же место после разного числа циклов нагружения.

Видно, что по мере циклирования величина смещения риски в месте ее пересечения с ГЗ то увеличивается, то уменьшается. Такая специфика приводит ктому, что видимый сдвиг по ГЗ, какправило,мал.Однако его интегральная величинадостигает больших значений.

Иллюстрацией сказанного являются рис. 6, 7, где представлены зависи­ мости от числа циклов нагружения величины среднего сдвига по ГЗ, изме-

120

Рис. 6. Завнамость интегрального сдвига по границам их индивидуальных зерен 1 —РЬ+ 0,03%Те,2- РЬ+ 1,0%Sn

Рис. 7.Зависимость среднего сдвига по границам зеренотчисла циклов 1—РЬ+ 0,03%Те,2—РЬ,5 —РЬ+ 1,0%Sn

ренного интерференционным методом, а также его интегральной величины. Видно, что сдвиг по ГЗ при усталости развивается практически с самого начала нагружения. Влияние легирования на величину ЗГС и циклическую долговечность находится в обратной зависимости: Те, подавляющий ЗГС

в свинце, приводит к значительному повышению его долговечности, а Sn,облегчающий ЗГС,понижает число циклов до разрушения.

Естественно, что ЗГС приводит к сильной концентрации напряжений в стыкахзерен инаизгибах ГЗ,квозникновению областей стесненной дефор­ мации, развитию ряда аккомодационных процессов поворотного типа. Наиболее важными из них являются фрагментация, миграция границ, экструзия и интрузия.Рассмотрим каждый из этихпроцессов.

Зоны стесненной деформации и аккомодационные процессы при движе­ нии зерен как целого. Взонах стесненной деформации (ЗСД) накаплива­

ются большие степени деформации, возникают сильно возбужденные состояния [3] и, как следствие, необычные механизмы деформации, свя­ занные в основном с появлением квазивязкого характера течения и фраг­

ментации. Типичным проявлением такого течения является выдавливание материала в приграничных областях, особенно вблизи стыков зерен (рис. 8). Интерференционная картина рис. 8,6 свидетельствует о весьма грубом рельефе материала в ЗСД. Изогнутая форма выдавленных полос свидетельствует о значительных эффектах поворота зерен как целого в данныхусловиях знакопеременного нагружения.

Убедительной иллюстрацией поворота зерен как целого является также картина разрушения приграничной зоны на рис. 9. Вовлеченное в поворот активное зерно с преимущественным одиночным скольжением создает

приграничную аккомодационную зону с локализацией больших дефор­ маций.

122

циклирования и одинаково зависят от типа легирования. Так, в сплаве РЬ + 1,0%Sn,отличающемся минимальной долговечностьюи максимальным ЗГС, после сравнительно небольшого числа циклов наблюдается разбиение целых зерен на фрагменты, которое сопровождается быстрым разрушением по границам зерен и фрагментов (см. рис. 10,а). Всплаве РЬ + 0,03%Те, имеющем наименьшую степень ЗГС и наибольшуюдолговечность,фрагмен­ тация также имеет место, но степень ее значительно меньш.Она протекает лишь в приграничных областях и не сопровождается разрушением по границам фрагментов (см.рис. 10,6).

Хорошее соответствие степени фрагментации и ЗГС подтверждает пред­ сказание теории структурных уровней деформации о том,что пластическое течение с самого начала является суперпозицией трансляционных и пово­ ротных мод деформации, протекающих на разных структурных уровнях. Фрагментация является аккомодационной деформацией поворотного типа

по отношению к трансляционному скольжениюпо ГЗ.

Как следствие, с учетом в сечении образца слабодеформированных зерен наблюдаются большие эффекты экструзии—интрузии (ЭИ) в приграничных зонах активных зерен и в полосах усталости, т.е.в областях сильнойлока­ лизации деформации (рис. 12,а-в). Подробное изучение структуры зон ЭИ,проведенное методом растровой электронной микроскопии, показало, что материал в них расслаивается на ламели, которые соскальзывают друг относительно друга. Аномально высокая дефектность этих областей и характер их структуры позволяют наряду с известными предложить гипотезу о механизме ЭИ, основанную на представлении о сильно возбуж­ денных состояних в кристаллах [3,11].

Всоответствии с [11] кристалл в случае сильных искажений решетки может перейти в двухфазное состояние. Внем возникают области с ано­ мально высокой концентрацией дефектов структуры —атом-вакансионные состояния, которые чередуются с областями малоискаженной кристалли­ ческой фазы. Наличие этих состояний обусловливает вязкое течение, рас­ слоение кристалла и т.п. Отом, что материал в областях,охваченных экст­ рузией, находится в сильно возбужденном состоянии, свидетельствует рис. 12,в.

На рис. 13 представлена часто наблюдаемая в стыках нескольких зерен тонкая структура зон стесненной деформации, которая обычно классифи­ цируется в литературе как миграция границ зерен [22]. Общие черты этой

127

ды деформации на более низком структурном уровне. Сростом числа циклов нагружения разориентация полос увеличивается, и естественным завершением этого процесса является зарождение и развитие магистраль­

ной трещины.

Вся картина структурных изменений в зоне разрушения свидетельст­ вует о том, что металл при разрушении находится в особом состоянии, которому свойствен квазивязкий характер деформации. Это наглядно видно на рис. 14,в, где представлено расслоение материала на ламели при движении магистральной трещины через зону сильно локализованной деформации. Сам процесс распространения трещины определяется, очевид­ но, как характером напряженного состояния в материале, так и степенью его возбуждения в различных зонах, поскольку трещина проходит не всегда по ГЗ, а иногда отклоняется от нее, проходя по зоне стесненной

деформации.

Если в сильно возбужденное состояние переведен весь объем зерна, из зон концентраторов напряжений по зерну могут распространяться пред­

вестники трещин, которые во вторичных электронах проявляются как

светящиеся треки. На рис. 14,г приведена типичная картина возникновения подобных треков в зернеА от вершины поворачивающегося зерна В. Входе последующего циклирования вдоль указанных треков распространяются

трещины.

Полученные результаты показывают, что знакопеременное нагружение, приводящее к сильной локализации деформации, движению зерен как целого, возникновению'зон сильно стесненной деформации,создает исклю­

чительно благоприятные условия для формирования зон сильно возбуж­

денного состояния и распространения в них усталостного разрушения. Рассмотрим кратко статистическую картину развития усталостного разрушения, полученнуюв результате изучения статистики числа и рас­ пределения трещин по размерам и их влияния на механическую прочность

(рв) на разных стадиях усталости.

Как в свинце, так и в сплавах на его основе трещины возникают на ГЗ на самых начальных этапах знакопеременного нагружения. Последнее характерно и для внутризеренного усталостного разрушения.

Всвинце и твердых растворах Pb—Sn, имеющих наиболее низкую долго­ вечность, количество мелких трещин (< 0,5 мм) в процессе нагружения сначала возрастает, а затем уменьшается в результате их объединения в крупные (> 0,5 мм). Крупные трещины в этих материалах появляются также на начальных стадиях испытания, но их количество относительно невелико, а с увеличением числа циклов оно монотонно возрастает. Однако суммарная протяженность мелких трещин мала, она составляет 3-11% об­ щей длины всех трещин. Это означает, что определяющую роль в усталост­ ном разрушении играют крупные трещины. Именно с образованием круп­ ных (0,5 мм и выше) трещин связано понижение ов при последующем растяжении образца. При дальнейшем увеличении числа циклов нагружения наблюдается определенная стадия монотонного снижения ав. Резкое паде­

ние ов, заканчивающееся разрушением, происходит в результате развития магистральной трещины.

Всвинце и сплавах Pb—Sn наличие крупных трещин и снижение с?в наблюдаются практически с самого начала циклирования. В наиболее

134