ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 136
Скачиваний: 1
говыми напряжениями о_хN/о™т = 0,683, |
= 0,82,что близко |
к значениям пороговых напряжений, определенных по выражению(1). Указанное свойство пороговых напряжений позволяет значительно сокра тить объем испытаний при построении вероятностной кривой усталости.
Спозиций понятия сильно возбужденного состояния можно рассмотреть совместное влияние на процесс усталостного разрушения и других факто ров, например температуры.Повышение температурыиспытаний,очевидно, должно повышать степень сильного возбуждения материала, обеспечивая более интенсивную ’’накачку” энергии в материал. Это, в своюочередь, должно уменьшать по сравнениюс испытаниями при нормальной темпе ратуре уровень порогового напряжения, отвечающего границе реализации соответствующего макромеханизма разрушения. Построение кривой усталости сплава АМгб при Т= 105 °С подтвердило данное предположение:
действительно, значения о , |
, о™1пи о/”®*уменьшились,при этом соот- |
|
rN |
к |
к |
ношение между ними практически не изменилось (рис.1,6).
Проявление различных макромеханизмов разрушения, границы реали
зации которых контролируются пороговыми напряжениями усталости (точками бифуркаций), оказывает влияние и на кинетику развития усталостного разрушения в каждой из этихобластей.
Вобласти многоцикловой усталости наиболее полно представлены зоны усталостного излома со всеми своими характерными макро- и микро признаками. Не останавливаясь подробно на периодах и стадиях накопле ния повреждений, отвечающих стадии зарождения магистральной трещины (это подробно изложено в ряде монографий [2]), необходимо подчерк» нуть, что все виды и типы дислокационных структур с различной плот ностьюдислокаций —отражение различныхтипов диссипативныхструктур, самоорганизующихся в материале для эффективного отвода энергии, ’’накачиваемой” в материал в процессе циклического нагружения и повы шающей степень возбужденного состояния материала. Когдаотводэнергии с помощью этих структур становится неэффективным, происходит обра зование микроскопических актов разрушения (возникновение микронесплошностей типа микротрещин), позволяющих более эффективно отво дить поступающую энергию.
Рассмотрим подробнее кинетику роста образовавшихся усталостных трещин в каждой из областей кривой усталости. Анализ будем проводить на основе построения диаграмм усталостного разрушения в координатах lgАК —\gVn микрофрактографического анализа поверхности разрушения.
Вобласти многоцикловой усталости можно выделить три характерных участка,на диаграмме усталостного разрушения (рис.2,а) . Первый участок соответствует развитию усталостной трещины в зоне очага зарождения трещины. Видно, что с увеличением размера трещины скорость ее роста интенсивно падает. Такое изменение значений характерно для малых тре щин, развивающихся вблизи поверхности образца. На рост трещиныв этой зоне сильное влияние оказывают внешние факторы (состояние поверх ности, история нагружения и др.), а также факторы, обусловливающие эффект закрытия трещины, который оказывает значительное влияние на кинетикуроста трещин размером 0,5 мми выше.
Второй участок отвечает стадии 1роста усталостной трещины, реализуе-
181
|
|
|
|
|
|
У,ш/цикл |
|
|
|
|
|
|
о 1 в 2 |
|
а. |
|
ю-* |
о 19 2 |
• 3 |
|
б |
||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
-® ® |
I |
|
|
|
•• |
О |
| |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
I |
|
|
||||
|
е |
| |
|
У |
|
Л* |
• о |, |
л |
о |
°о®• |
|
|
е е ® |
, |
|
е<£е |
|
|
|
о |
|
о • |
|
|
6 * |
|
|
е® |
|
® ф® 1 |
°о •* |
||||
|
ее |
I |
|
е® |
|
|
® 1 |
°® • |
|
||
|
ее |
|
|
|
о.о4» • |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
10~7 |
|
о |
• |
|
|
|
• ! ; |
|
|
|
|
:| .• |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||
|
____ I----1 |
I |
I I |
L |
____ 1 |
1 1 |
|
1 1 |
|||
Ю~ё |
1 |
|
|||||||||
¥ |
6 |
8 |
Ю 1¥ |
18 |
*1* |
|
|
8 10 |
|
14 18 |
|
<$L% |
|
|
АК,МПамЯ |
|
|
АК,МПа■м1Ь |
|||||
Рис.2.Кинетические диаграммыусталостного разрушения сплава АМгб |
|
|
|||||||||
а —вобласти многоцикловой усталости при значениях а = |
160(1)и 180 МПа(2); |
||||||||||
б —впереходной областипри значениях аа = 235 (I), 220(2) и 210 МПа (3) |
|
|
мой при стандартных испытаниях на циклическую трещиностойкость над резанных образцов при обеспечении условий автомодельного роста трещи*
ны [12]. Третий участок характеризует стадию 2 (стадию стабильного роста трещины).
Анализ изломов образцов показал, что микрорельеф на первых двух участках не имеет принципиального различия: на первом участке хорошо виден сдвиговый рельеф (рис. 3, а), навтором участке наблюдается посте пенный переход от строчечного к псевдобороздчатому (рис. 3,б). Из этого можно сделать вывод, что распространение трещины на этих двух участках контролируется одним механизмом.
При переходе к стадии 2 (третий участок) появляются вязкиеусталост ные бороздки, свидетельствующие, что трещина здесь развивается по ме ханизму микроотрыва (рис. 3, в)'. Изменение шага бороздок S показало, что вначале расстояние между бороздками изменяется слабо,но при дости жении ДАТ=Af|J —13 МПа • м1^2 резко возрастает и в дальнейшем с ростом длины трещины продолжает увеличиваться, при этом скорости роста уста лостной трещины, определенные по шагу бороздок и макроскопическим путем, близки между собой. Достижение ДАТ= Kls сопровождается значи
тельными колебаниями значений V, появлением на фоне усталостных бо роздок элементов неразвитого ямочного рельефа (рис. 3,г).
Корректно построить зависимость lg K-lgАК на стадии ускоренного роста трещины не удается из-за трудностей,возникающих при определении значений коэффициента интенсивности напряжений. Микрорельеф поверх ности разрушения на этой стадии характеризуется наличием наряду с уста-
182
цикловой усталости,,является сдвиговым. Вслед за этим участком сразу наступает стадия 2 роста трещины. Увеличение амплитуды напряжения приводит к смещению графика зависимости IgK-lgM на стадии 2 в сторо ну больших скоростей, а с приближением значения оа к величине afcmax про исходит изменение угла наклона (параметра п в уравнении Пэриса V= = С(АК)п).
Нестабильность процесса усталостного разрушения в этой области связа на с наличием малых усталостных трещин, которые слабо развиваются в процессе роста магистральной трещины, но количество их при этомуве личивается.
Результаты испытаний на усталость гладких образцов были сопоставлены с результатами стандартных испытаний на циклическуютрещиностойкость плоских образцов с центральным надрезом. На рис. 4 представлены диаграммы усталостного разрушения алюминиевых сплавов Д16чТ.Харак тер поведения зависимостей \gV-\gAK близок к традиционной S-образной кривой, при этом для всех сплавов,как и в случае гладкихобразцов в об ласти многоцикловой усталости, наблюдалась подобная смена микрорелье фа поверхности разрушения.
При скоростях V « 10~9 м/цикл микрорельеф представляет собой совокупность строчечного и псевдобороздчатого рельефов (рис. 5, а). Вдиапазоне значений V = 10~9-г6 • 10’9 м/цикл преобладающим является строчечный рельеф (рис. 5, б), при дальнейшем увеличении скорости роста трещины {V> 6 • 1(Г9 м/цикл) наблюдается возрастание доли псевдо бороздчатого рельефа, который при значении V, близком к 10“®м/цикл, становится доминирующим (рис.5,в).
При возрастании скорости роста трещины с 10“®до 6 • 10"8м/цикл происходит переход от псевдобороздчатого рельефа к усталостным бо роздкам. Так же как и для гладких образцов,достижение значения АК= = Kls вызывает резкое увеличение шага бороздок, появление неразвитого
ямочного рельефа на фоне усталостных бороздок, резкие колебания ско рости роста трещины. На стадии ускоренного роста трещины реализуется ямочно-бороздчатый рельеф, переходящий в ямочный в зоне долома. Возрастание уровня приложенного напряжения выше определенного значе ния также оказывает влияние на диаграмму усталостного разрушения, смещая зависимость в сторону больших скоростей и изменяя значение параметра п.Сравнение диаграмм усталостного разрушения, построенных для гладких образцов в области многоцикловой усталости,и надрезанных образцов показывает их хорошее совпадение (рис.6).
Таким образом, реализация процесса усталостного разрушения в опре деленных условиях обеспечения автомодельности процесса разрушения позволяет установить определенную последовательность смены фрактографических признаков в изломе независимо от химического состава сплавов, их строения, формы и размера образца и вида нагружения. Она связана с наличием иерархии структурных уровней деформации, опреде
ляющей следующую последовательность смены микрорельефа: строчеч- ный-псевдобороздчатый-бороздчатый рельеф, отвечающий квазиупругому и упругопластическому росту трещины - смешанный ямочно-бороздча- тый-ямочный рельеф (в зоне долома).
Границы перехода от одного вида рельефа к другому характеризуются
185
Рис.4. Кинетические диаграммыусталостного разрушения сплава Д16чТ,построенны по результатамиспытаний плоскихобразцов сцентральным надрезом
а,МПа: 1- 20,2,2 - 30,4,3 - 37,0,4 - 44,8,5 - 69,S
пороговыми величинами АК = Klq, являющимися точками бифуркаций, отвечающими смене соответствующих диссипативных структур, реализуе мыхв процессе роста усталостной трещины.
Взаимосвязь между пороговыми коэффициентами интенсивности на пряжений, характеризующими границы реализации автомодельного роста усталостной трещины по механизму микроотрыва, может быть представле на в виде соотношения [12]
Kiq~l!K*lq |
(2) |
|
где |
и К ^ —соответственно предыдущее и последующее значения |
Klq,т = 2 ,4 ,8 ,«о, Д - постоянная разрушения для сплавов на данной основе (для сплавов алюминия Д = 0,22).
186
Рис.6. Кинетические диаграммы усталостного разрушения сплава АМгб, построен ныепорезультатамиспытаний плоских (7) н круглых (2) образцов
Рис. 7.Обобщенная п-К/*диаграмма приKj*= Kjq
трещины к макропластической нестабильности (/Г1Я).Взависимости, от степени стеснения пластической деформации их значения могутизменяться
в диапазонеКjq ^ Кjq ^ и Кщ ^ |
[12]. |
Еще одним важным пороговым коэффициентом интенсивности напря жений является Кус, характеризующее наступление глобальной нестабиль ности разрушения. Величина К^с также зависит от степени стеснения плас тической деформации и реализуемого микромеханизма разрушения.Можно выделить три значения К^с:К^с - отвечающее квазиупругому разруше
нию, К^с —упругопластическому отрыву с максимальным стеснением и
К^с —при минимальном стеснении. Здесь символы Р,Ф,Яхарактеризую
три состояния рельефа, отражающие контролирующие скорость роста тре щины микромеханизмы разрушения до наступления глобальной нестабиль ности разрушения: Р - ручьистый рельеф, Ф- микрофасеточный, Я- ямочный.
Вусловиях реализации автомодельного роста усталостной трещины чис
ло определяющих параметров сводится к минимуму. Одним из важней ших является структурно-чувствительный параметр л, определяемый из уравнения [13]
V= В(АК/А)п, |
(3) |
где В и А —размерные постоянные длд сплавов на данной основе,контро лирующие границы автомодельного роста трещины на стадии 2. Между па раметром п и пороговыми значениями^ можетбыть установлена зависи
мость в виде n-Klq-диаграммы, каждый луч которой отвечает смене
микромеханизма разрушения или достижениюпредельного состояния при различной степени стеснения пластической деформации,
Если связать диаграмму с реализуемыми в процессе автомодельного роста трещины микромеханизмами разрушения, получим карту микроме
189
ханизмов разрушения алюминиевых сплавов (рис. 7). Здесь выделены три области, отвечающие трем контролирующим микромеханизмам: 1 - микроскол при 2 <л <4, реализуемый при формировании диссипативной кристаллически-аморфной структуры, 2 —транскристаллитный микро
скол при 4 < п < птах,реализуемый при формировании плоских дислока ционных скоплений, и 3 - межзеренный микроскол, который реализует
ся при формировании контролирующих диссипативных структур по гра
ницам зерен.
Микроотрыв характеризуется бороздчатым строением поверхности раз рушения на фоне сдвигового рельефа.Пороговое значение Klq,отвечающее
формированию преимущественно бороздчатого рельефа, характеризует точку бифуркации, отвечающую достижению условий самоорганизации кристаллически аморфной диссипативной структуры на фронте трещины.
Это пороговое значение Klq может в зависимости от внешних условий
нагружения и размера образца в случае алюминиевых сплавов изменяться в некотором интервале Й|0-А1Л,причемК10/Кт =А1^2. Условию форми рования преимущественно бороздчатого рельефа отвечает достижение
соответствия между макроскопической скоростью роста трещины, изме
ренной по боковой поверхности образца, и микроскопической, рассчитан ной по шагу бороздок. Так что область, ограниченная К ™ах <KIq <
< [Я?]max и2<я <4, отвечает области,в пределах которой может реали зоваться соответствие микро-и макроскорости трещины.
Таким образом, для алюминиевых сплавов выделены два вида само
организации процесса усталостного разрушения: в зависимости от уровня приложенного напряжения и числа циклов нагружения. В первом случае
самоорганизация выражается в переходе от одноочагового к многоочаго вому (рассеянному) усталостному разрушению, при этом реализуется несколько степеней упорядоченности процесса многоочагового разрушения, характеризуемых достижением соответствующих значений пороговых амплитуд напряжения а*, являющихся точками бифуркаций процесса усталостного разрушения.
Во втором случае самоорганизация определяется последовательной сме ной диссипативных структур, возникающих по мере усложнения дефект ной структуры материала, выражаемой на стадии роста трещины в виде
подобной смены микромеханизмов разрушения (микрорельефа поверх ности разрушения).
ЛИТЕРАТУРА
1.ИвановаВ.С.Усталостноеразрушение материалов.М.:Металлургия, 1963.258 с. 2. Иванова В.С., Терентьев В.Ф.Природа усталости металлов. М.: Металлургия,
1975.456 с.
3. Терентьев В.Ф., Билы М.Квопросу о построении полной кривой усталости. Сообщ,1,2 //Пробл.прочности.1972.№6.С.12-22.
4.ХакенГ.Синергетика.М.:Мир,1981.350 с.
5. Панин В.Е.,Лихачев Б.А.,Гриняев Ю.В.Структурные уровни деформации твер дых тел.Новосибирск:Наука,1985.164 с.
6. Иванова В.С. Механика и синергетика усталостного разрушения // Физ.-хим. механика материалов.1986.№1.С.62-68.
7. Николис Г., Пригожий И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир,1979.512 с.
8. Шабалин В.И. Экспериментальное исследование формы кривой усталости //
190