Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

стойком материале (Pb-Sb-Cu-Te) при одинаковом числе циклов испы­ тания мелких трещин возникает не меньше, чем в свинце, но крупные отсутствуют до 50%от его долговечности, когда свинец уже давно разру­ шился. Максимальное количество мелких трещин в сплаве Pb-Sb-Cu-Te на порядок больше, чем в свинце. Это означает, что легирование не влияет на зарождение трещин, а лишь на их распространение и слияние.Детальная картина распределения трещин по размерам, их влияния на величину ав и время до разрушения представлена в работе [7].

Совокупность полученных закономерностей свидетельствует о том, что поведение поликристалла при знакопеременном нагружении при повышен­ ных температурах определяется в основном его способностьюк движению зерен как целого, т.е. для понимания природы усталостного разрушения поликристалла необходимо учитывать в общей картине его деформации

движение зерен как целого и иерархиюструктурных уровней деформации. Наиболее простой и доступный путь повышения усталостной прочности поликристаллов - это целенаправленное легирование, затрудняющее лока­ лизацию деформации, зернограничное проскальзывание и возникновение зон стесненной деформации. Это наглядно иллюстрируется сопоставле­ нием влияния на механизмы усталостного разрушения легирования свинца оловом, понижающим его циклическую долговечность,и теллуром,макси­

мально повышающим ее.

Влияние легирования необходимо рассматривать через его воздействие на состояние границ зерен и их объемов.

Изменение состояния ГЗ в результате легирования может быть обуслов­ лено следующим. Эвтектические горофильные добавки, в частности Sn, образуют сегрегации на ГЗ,снижая поверхностнуюэнергиюГЗ итем самым понижая их подвижность. Сдругой стороны, с эвтектическими добавками связана высокая концентрация вакансий легирования [13],что усиливает все диффузионные процессы в зоне сегрегации таких добавок. Всплавах Pb—Sn преобладает, очевидно, второй фактор, т.е. в них ГЗ как бы ’’подо­ греты”, что приводит к облегчению ЗГС, непрерывно подпитываются опасные концентраторы напряжений и, как следствие,возникают крупные трещины в самом начале циклирования с быстрым образованием магист­ ральной трещины.

Горофобные добавки не склонны к сегрегации на ГЗ. Накапливаясь на фронте их движения за счет сил отталкивания и, кроме того, образуя в решетке кластеры с прочными ковалентными связями (Те),они подав­

ляют деформацию,связанную с ГЗ.

Состояние объемов зерен в значительной мере определяется сдвиговой устойчивостью решетки, которая может существенно изменяться в резуль­ тате легирования. Известно [24], что для твердых растворов, близких к пределу растворимости, наблюдается снижение устойчивости решетки на сдвиг. Поскольку этот эффект является объемным, его степень должна быть значительно больше для Pb—Sn, чем для РЬ—Те (в первом концент­ рация твердого раствора на 2 порядка выше).

Кроме того, в сплавах, содержащих Те,имеет место химическое взаимо­ действие компонентов, проявляющееся в образовании интерметаллическо­ го соединения РЬТе, что также должно повышать сдвиговую устойчивость решетки.

13S

Отсюда понятны высокая склонность концентрированных сплавов Pb-Sn кЗГП,локализации деформации, экструзии и расслоению.Врезуль­ тате в приграничных зонах, особенно в стыках зерен,возникают мощные концентраторы напряжений, быстрое распространение и слияние микро­

трещин на ослабленных ГЗ.

Наоборот, теллур в свинце затрудняет ЗГС и локализацию деформации,

формирует в сплаве мелкозернистую,термостабильную структуру.

На основании всего сказанного можно сделать вывод,что принципиально важной особенностью знакопеременного нагружения поликристалла являет­ ся преимущественное развитие скольжения по двум системам плоскостей, в большинстве случаев разнесенных в смежных зернах. При этом наряду с сильнодеформированными зернами в сечении образца сохраняется боль­ шое число слабодеформированных зерен.Первичное скольжение обусловле­ но нагружением одного знака, вторичное —нагружением обратного знака. Последнее обеспечивает релаксацию деформационного упрочнения в пер­

вичной системе скольжения и локализацию в ней при циклическом нагружении аномально высоких деформаций одного знака.

Как следствие, деформирующиеся зерна порождают в поликристалле большие локальные поворотные моменты и вызывают поворотные моды деформации на высоком структурном уровне. Неравноосность зерен обус­ ловливает при их повороте целый спектр аккомодационных механизмов деформации по границам зерен и в приграничных областях. На слабоискривленных границах возникает зернограничное проскальзывание. В стыках зерен и на изгибах границ возникают области стесненной деформа­ ции, в которых развиваются аккомодационные процессы поворотного типа: двойникование, фрагментация, полосы сброса, миграции ГЗ, вязкое искривление расслаивающихся полос скольжения, вихревое течение не­ диффузионной природы. Влияние ЗСД на смежные зерна обусловливает ускорение их поворотов и замедление поворотов первичных зерен. Вре­ зультате эффекты зернограничного проскальзывания носят знакоперемен­ ный осциллирующий характер.

Количественно изучение аккомодационных механизмов деформации поворотного типа показывает, что в полном соответствии со знакопере­ менным проскальзыванием по границам зерен происходит осцилляция фрагментации в ЗСД. Фрагментация распространяется от границ в глубь зерен эстафетно, последовательно захватывая новые полосы. Аналогичный характер эстафетного распространения проявляет миграция ГЗ, которая

имеет не диффузионную природу, а связана с возникновением аккомода­ ционных полос промежуточной ориентации между смежными зернами при их взаимном повороте. Все аккомодационные процессы поворотного типа могут происходить только в решетке с сильной степенью возбуж­ дения.

Повороты зерен как элементов диссипативной структуры обусловлива­ ют возникновение по границам зерен трещин с самого начала циклирования. Вполикристаллах с ослабленными ГЗ наряду с мелкими появляются крупные трещины. Вслучае поликристаллов с упрочненными ГЗ макси­ мальное количество мелких трещин на порядок больше, чем в материалах с ослабленными ГЗ, но крупные трещины появляются лишь при 50%долго-

136

вечности. Начало снижения во всех случаях связано с Образованием круп­ ных трещин, его резкое снижение —сразвитием магистральной трещины.

Аккомодационные поворотные моды в ЗДС также сопровождаются появлением микротрещин. Их развитие обусловливает транскристаллитное разрушение.

ЛИТЕРАТУРА

1.Панин В.Е.,Лихачев ВА.,Гриняев Ю.В.Структурные уровни деформации твер­ дыхтел.Новосибирск:Наука,1985.226 с.

2.Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Егорушкин В.Е.и др.Спектр возбужденных состоя­ ний и вихревое механическое поле в деформируемом кристалле //Изв.вузов.Физи­ ка.1987.№1.С.34-51.

3.Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Савушкин Е.В., Хон ЮА.Сильно возбужденны состояния в кристаллах //Тамже.С.9-33.

4.Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф.,Иванчин А.Г. Структурные уровни деформациитвердых тел //Тамже.1982.№6.С.5-27.

5.Elsukova T.F.,Macogon М.В.,Bolshanina МА.,Eliseeva М.К.Investigationofstreng­ thening mechanismsof lead by alloys to develop improved lead alloys for cables sheaths 11 Trans.Lead Dev.Assoc.L.,1976.P.3-21.

6.Elsukova T.F.,Macogon M.B., Eliseeva M.K.,BratchikovA.D.Comparative characte­ ristics oflead cable sheathing alloys//Ibid.P.23-30.

7.Большанина M.A., Кондратьев ПА., Елсукова Т.Ф.,Макогон МБ. Усталостное разрушение по границам зерен в свинце и свинцовых сплавах // Пробл, прочности. 1982.№9.С.33-39.

8.Елсукова Т.Ф., Афанасьев Н.И., Веселова О.В.Охарактере зернограничного проскальзывания при усталости свинцовых сплавов // Изв. вузов. Физика. 1985. №4.С.122-123.

9.Елсукова Т.Ф., Панин ВЛ., Веселова О.В.Роль движения зерен как целого в усталостном разрушении поликристаллов при повышенных температурах // Физика разрушения: Тез.докл. VРесп.конф.,Черновцы, 1985. Киев: Ин-т пробл.материало­ ведения АНУССР, 1985.С.186-187.

10.Елсукова Т.Ф.,Панин ВЛ..Веселова О.В., Веселов ЮТ. Закономерности и макроскопический механизм циклическойдеформацииполикристаллов при повышен­ ныхтемпературах//Изв.вузов.Физика.1987.№11.С.27-31.

11.Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф.Атом-вакансионные состояния в кристаллах //Тамже.1982.№12.С.5-28.

12.Афанасьев Н.И., Елсукова Т.Ф.Влияние примесей на скорость прерывистого распада сплавов свинец-олово // Физика металлов и металловедение. 1984. Т.57, вып. 1.С.96-101.

13.Панин В.Е., Жоровков М.Ф.,Наумов И.И.и др. Физические основыфазовых равновесий в сплавах // Диаграммысостояния в материаловедении: Материалы1 Всесоюз. шк. по диаграммам состояния в металловедении, Кацивели, 1978. Киев: Ин-тпробл.материаловедения АНУССР, 1979.С.144-169.

14.Рогалина Н.А.,Шалимова А.В.Экспериментальныметодыисследованиязерно­ граничного проскальзывания // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. №5.

С17-29.

15.Финкель В.М., Зрайченко ВА.,.Деяшина Т.К. Исследование роста трещин в трансформаторных и некоторых углеродистых сталях //Физика металлов и металло­ ведение.1963.Т.16,вып.3.С.448-455.

16.Иванова В.С., Ботвина Л.Р., Маслов Л.И.Прогнозирование вязкости разруше­ ния и других механических свойств с использованиемкритериев подобия //Усталость ивязкостьразрушения металлов.М.:Наука,1974.С.3-35.

17.Кацанъда С.Усталостное разрушение металлов. М.:Металлургия, 1976.456 с.

18.Головин СА„ ПушкарА.Микропластичность и усталость металлов.М.:Метал­ лургия,1980.239 с.

19.Иванова В.С., Терентьев В.Ф.Природа усталости металлов. М.:Металлургия, 1975.455 с.

137

сти, теплопередачи, тепловое расширение, а такие важные характеристики, как диффузия, прочность и пластичность,вообще определяются дефектной структурой материала. Поэтому ее изучение имеет основополагающее зна­ чение не только с точки зрения исследования явление при разрушении, но и для прогнозирования свойств материала в тех или иных условиях, определяющих его внутреннее строение.

Внастоящей работе исследована картина стадийности процесса разруше­ ния, динамика которого характеризуется на каждом этапе (стадии), по мере изменения состояния твердого тела, вовлечением новых, все более высоких уровней дефектности материала, связывая этим процесс разру­ шения с характером накопления дефектов в материале.На основе обобщен­ ных нелинейных уравнений эволюции для элементов разрушения, состав­ ленных на базе представлений об активных кинетических системах [4], изучена возможность последовательного нарастания концентраций этих элементов, приводящего к установлениюквазистационарных состояний, каждое из которых, вообще говоря, существенно отличается от пред­ шествующего как по характерному времени релаксации,так и по масштабу

пространственной неоднородности возмущений плотностей дефектов. Такое отличие связано с различным набором элементов разрушения,

образующих данное состояние, при этом для каждого из них можно выде­ лить специфические механизмы диссипации энергии< Последовательной (иерархической) смене уровней дефектности можно поставить в соответ­ ствие вполне определенный спектр квазистационарных состояний.Развитие неустойчивости возникает при достижении материалом критического состояния, мерой которого служит деформация твердого тела. Соответ­ ствующие пороговые значения этой характеристики могут быть использо­ ваны для определения критических величин других параметров, которые

выражаются через деформацию известными соотношениями [5].

Смена квазистационарных состояний в рамкаходного уровня дефектной структуры возможна также и в том случае,если фиксированному набору параметров отвечаю несколько различных значений концентраций дефек­ тов. При -этом переход от одного набора квазистационарных значений концентраций к другому обусловливается требованием энергетического минимума текущего состояния системы. Этот эффект рассмотрен на при­ мере микротрещин. Решение уравнений динамики позволяет связать осо­ бенности эволюции дефектной структуры с изменением внутренней де­ формации и определить закон релаксации плотности микротрещин к ста­

чальным условиям, т.е. с точки зрения установления квазистационарных состояний и перехода между ними характер разрушения определяется начальным уровнем дефектности и соответствующим ему состоянием (типом структуры дефектов). Поэтому,стабилизируя тот или иной уровень структуры,можно управлять и направлять процесс разрушения.

Основные положения теории многостадийного и многоуровнего разви­ тия процесса разрушения. Количественной характеристикой дефектности структуры материала может служить плотность различного рода дефек­

139