Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.02.2024

Просмотров: 189

Скачиваний: 1

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

УДК669:539.385

АНАЛИЗ ТОЧЕК БИФУРКАЦИЙ ПРОЦЕССА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХСПЛАВОВ

С.А.Кунавин

Отличительные черты процесса разрушения —многофакторность (обу­ словливающая стохастический характер процесса разрушения), эволюционность (прогрессирующее накопление повреждения) и стадийность (смена пространственно-временных структур, формирующихся в процессе накоп­ ления повреждений и разрушений) наиболее ярко проявляются при уста­ лостном разрушении.

Основными макроскопическими факторами, определяющими процесс усталости материалов, являются приложенное напряжение оа(атах), число циклов нагружения N, условия нагружения, условия испытания (среда, температура, давление). При одинаковых условиях нагружения и испыта­ ния остаются два внешних фактора —параметры оа и N. Вэтом случае существенная информация о закономерностях накопления повреждений в материале и характере его усталостного разрушения может быть получена на основе построения обобщенных диаграмм усталости в координатах Oa~N[l].

Анализ этих диаграмм [2] указывает на наличие пороговых напряже­ ний Од*,определяющих границы областей,в пределах которых реализуются подобные закономерности накопления повреждений и разрушения материала. Одним из важнейших пороговых напряжений усталости является ак —

критическое пороговое напряжение, контролирующее нижнюю границу перехода от области малоцикловой к области многоцикловой усталости. Несмотря на определенную условность такого деления, оно удобно и необ­ ходимо, поскольку каждая из этих областей отличается свойственными ей закономерностями накопления повреждений и характером разрушения. Вто же время в каждой из этих областей степень реализации таких законо­ мерностей неодинакова и зависит от величины приложенного напряжения. Это обусловливает наличие дополнительных пороговых напряжений.

Всвою очередь,процесс накопления повреждений не является однородно монотонным и подразделяется на ряд характерных, связанных с числом циклов нагружения периодов [2, 3], определяющих стадийность процесса усталости.

Всвязи с тем что процесс усталостного разрушения не удалось описать в рамках единого кинетического подхода, это привело к необходимости

разделения его на стадиюзарождения и стадиюраспространения усталост­ ных трещин.

Таким образом, наличие пороговых напряжений усталости и периодов развития процесса усталостиуказывает на стадийный характер усталостного разрушения как по числу циклов нагружения,так и по величине приложен­ ного напряжения. Такая двухуровневая стадийность в значительной степени

обусловливает сложность построения единой модели и прогнозирования усталостного разрушения.

176


Внастоящей работе предпринята попытка на основе единого методи­ ческого подхода показать на примере алюминиевых сплавов возможность установления взаимосвязи между пороговыми параметрами, определяю­ щими процесс усталостного разрушения.

Сложность процесса усталости требует привлечения комплексного подхода —совместного использования подходов физики прочности,меха­ ники разрушения и металловедения - для описания процесса усталости и прогнозирования усталостного разрушения.

Из проведенных в последнее время работ [4-6] следует, что основой для данного комплексного исследования могут служить подходы синерге­ тики, которые позволяют путем введения обобщенных понятий о диссипа­ тивных структурах,точках бифуркаций,введения представления о парамет­ ре порядка обосновать наличие пороговых величин, характеризующих процесс усталостного разрушения, и упростить нахождение связи между макро-и микропараметрами.

Суть использования подходов синергетики заключается в том,что в от­ личие от традиционных подходов, рассматривавших процессы деформиро­ вания и разрушения как равновесные (характерные для закрытых систем - систем, не обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией), исследования кинетики данных процессов проводятся на основе более об­ щего подхода, т.е. представления системы образец-нагружающее устройст­ во как открытой системы. Вэтом случае однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное ста­ ционарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. Такие стационарные неоднородности получили общее название диссипативных структур [7].

Важнейшим свойством открытых систем является то, что в процессе эволюции (с увеличением управляющего параметра) наблюдается чередо­ вание устойчивостей и неустойчивостей, т.е. наличие точек бифуркации, вблизи которых возникают аномально сильные флуктуации, и система сама выбирает один из возможных вариантов дальнейшего развития путем формирования (самоорганизации) соответствующей диссипативной струк­ туры.

Рассмотрим далее возможность использования данных подходов приме­

нительно к усталостному разрушению материалов.

Вкачестве материала для исследования был использован конструкцион­ ный алюминиевый сплав системы Al-Mg марки АМгб. Циклические ис­ пытания проводились на круглых образцах с корсетной рабочей частьюв ус­ ловиях чистого изгиба с вращением с частотой нагружения 50 и 80 Гц.

На рис. 1,а представлена построенная по результатам циклическихиспы­ таний кривая усталости сплава АМгб на базеTV= 2 • 107циклов в диапазоне изменения амплитуды напряжения оа - 140 - 300 МПа. Весь диапазон из­ менения аа был разбит на 12 уровней, на каждом из которых в среднем было испытано по 20 образцов. Для определения характера усталостного разрушения проводился макрофрактографический анализ изломов и по­

верхности рабочей части образцов в области минимального диаметра. Макрофрактографический анализ показал, что можно выделить три пороговых напряжения (амплитуды напряжения), отвечающих смене макромеханиэма разрушения (вызывающих изменение вида излома усталост-

12.3ак.1067

177


Рис.1. Кривая усталости сплава АМгб, построенная с учетом изменения макромеханнзмаразрушения

При Т, °С:в —20,б—10S

ных образцов) —0й, о*1®*и а™*1. Величина оц(оц> а0>2) характеризует напряжение, при котором излом образца имеет множество очагов зарожде­ ния усталостных трещин по периметру поперечного сечения, и их распро­ странение к центру сечения происходит приблизительно с одинаковой

скоростью. Амплитуда напряжения о*1®* отвечает многоочаговости с преи­ мущественным развитием трещины усталости от одного изочагов. Впере­ ходной области от о?®* до а*1"1излом характеризуется распространением одной усталостной трещины при нескольких ^распространяющихся малых трещинах. Напряжение о“т отвечает верхней границе многоцикловой уста­

лости: при оа< а*1” усталостное разрушение происходитза счет развития одноочаговой магистральной трещины.

178

Как видно на рисунке, кривая представлена в виде отрезков линий, проведенных через центры рассеяния долговечностей, отвечающих од­ ному определенному макромеханизму разрушения. Можно видеть, что на кривой усталости существуют области смешанного разрушения,где одно­ временно присутствуют два различных макромеханизма разрушения. Вэтих областях наблюдается повышенный разброс значений долговечности по сравнению с областями,гдереализуется один микромеханизмразрушения.

Объяснению появления разрывов и перегибов на кривых усталости посвящен ряд работ [2, 8], в которых приводятся различные объяснения данного явления, указываются самые различные факторы, вызывающие его (структурное состояние материала, частота и вид нагрузки, формаобразца, температура испытания, состояние поверхности и др.). Вконеч­ ном счете влияние всех этих факторов сводится к соответствующему воздействию на кинетику процессов накопления повреждений и разруше­ ния материала. Во всех случаях в нагружаемом материале происходят про­ цессы самоорганизации соответствующих типов диссипативных структур, позволяющих эффективно противостоять процессу усталостного раз­ рушения.

Очевидно, изменение уровня приложенного напряжения, влияющего на процессы накопления повреждений и разрушения, при прочих равных условиях должно влиять на вид формирующихся диссипативных структур.

Для объяснения поведения материала под нагрузкой, и в частности в процессе циклического нагружения, перспективным представляется подход, предложенный в работах [5, 9-11] применительно к описаниюпо­ ведения кристаллов в/различных поляхвнешнихвоздействий.

Авторы данных работ, проводя анализ поведения твердых тел при сла­ бых и сильных возмущениях, приходят к выводу, что в случае сильно возбужденных состояний кристалла его поведение становится сугубо нелинейным, возникают эффекты массолереноса, возможен гидродинами­ ческий характер пластического течения,появляются метастабильные струк­ туры и фазы, обеспечивающие при своем возникновении дополнительные каналы диссипации энергии.

Привлекательность этого подхода —в его общности,так как в нем рас­ сматривается влияние не отдельных факторов (силы, температуры и др.) на поведение материала,а анализируется сампроцесс поведения возбужден­ ного состояния кристалла как результат воздействия одного или группы

факторов.

Использование данного подхода в том виде, в котором он предложен для кристаллов, к проблемам деформирования и разрушения поликристаллических материалов связано с определенными трудностями. Однако ис­ пользование понятия сильно возбужденного состояния материала может оказаться удобным для описания его поведения в процессе нагружения. При этом лучше, видимо, использоватьнепросто термин ’’сильно возбуж­ денное состояние”, а трактовать его шире как состояние материала с раз­ личной энергией возбуждения, что позволяет его использовать в анализе процессов деформирования и разрушения в различных локальных точках

материала.

Изменение степени возбуждения материала может быть привязано к любому параметру, характеризующему вид внешнего воздействия (на-

179


пряжению, температуре, энергии и др.). Важным обстоятельством здесь является то, что это понятие органически связано с величиной энергии, вносимой в материал как в начальный момент, так и в процессе его нагру­

жения.

В рассматриваемом случае усталостного разрушения образцов спла­ ва АМгб наличие пороговых напряжений, характеризующих проявление соответствующих макромеханизмов разрушения, может быть объяснено реализацией различной степени сильно возбужденного состояния материала с изменением амплитуды напряжения. Это,в свою очередь,должно сказы­ ваться на типе формирующихся диссипативных структур, неразрывно связанных с процессами накопления поврежденийиразрушения материала. Можно предположить, что образование многоочагового разрушения при оа >а™3* связано с формированием кристаллически-аморфной диссипа­ тивной структуры с первых циклов нагружения и быстрым переходом от условий разрушения микроотрывом, реализуемых при достижении критической плотности скольжения (трансляционная неустойчивость [6]), к условиям разрушения микроотрывом, реализуемым при достиже­ нии в локальном объеме критической плотности дисклинаций (ротаци­

онная неустойчивость [6]).

Одним из подтверждений этого могут служить микрофрактографические исследования поверхности усталостного разрушения, свидетельствую­ щие о том, что усталостные бороздки, образующиеся в процессе разруше­ ния по механизму микроотрыва,начинаются фазууграницыотагаусталост­ ного разрушения.

Указанным пороговым напряжениям усталости может быть придан смысл точек бифуркации, посколькуих достижение сопровождается ано­ мально сильным разбросом значений долговечности, а также неустойчи­ востью процесса усталостного разрушения. При данных амплитудах напря­ жения может реализоваться один из двух возможных видов разрушения.

Отличие данных точек бифуркации от принятых в математическом их понимании состоит в том, что в силу стохастического характера процесса усталостного разрушения (кривая усталости строится по результатам испытаний многих образцов) невозможно определить однозначно значение пороговых амплитуд напряжений. Поэтому за величину порогового напря­ жения принимали амплитуду напряжения, при которой равновероятно (с вероятностью 50%) проявлялись оба механизма разрушения ащ . Теоре­ тически существенного уменьшения данного разброса возможно добиться в случае использования методов неразрушающего контроля, позволяющих строить кривую усталости по результатам испытания одного образца.

Соотношение между выявленными пороговыми напряжениями прибли­

женно подчиняется соотношению [2]

(1)

°n-\I on = A1/m,

где адг_ 1 и Off —предыдущее и последующее значения порогового напря­ жения,А—универсальная постоянная разрушения [2] (для алюминия и его сплавов А = 0,22), т —параметр, характеризующий степень стеснения пластической деформации при страгивании магистральной трещины

(т = 4,8,16...°° для алюминиевых сплавов).

Для сплава АМгб получены следующие значения отношений между поро-

180