Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

пластической деформации. Экспериментальные исследования микроструктуры полос адиабатического сдвига, проведенные в ряде работ, указывают на то, что одним из механизмов формирования полос пластического сдвига являются множественные многомасштабные неустойчивости в системе микродефектов (имеющих следствием пластические ротации и изменение ориентации зерен в узких полосах сдвига.

Для теоретического анализа в данной работе использовалась ранее разработанная теория, в которой с помощью метода статистической физики и термодинамики необратимых процессов изучается влияние микросдвигов на пластические свойства твердых тел [1].

Исследовалось поведение образцов в режиме, близком к чистому сдвигу при динамическом нагружении на стержне Гопкисона – Кольского. Для этого были разработаны образцы специальной формы и оснастка, обеспечивающие реализацию плоского деформированного состояния. Кроме того, исследовались образцы типа «сдвиг – сжатие» [2]. В режиме реального времени боковая поверхность образцов исследовалась с помощью высокоскоростной инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M (чувствительность не менее 25 мК при 300 °С, спектральный диапазон 3–5 мкм, максимальный размер кадра 320×240 точек). Полученное распределение температурного поля в различные моменты времени позволило судить о развитии процесса локализации пластической деформации.

Исследования процесса деформирования на стержне Гопкинсона – Кольского с помощью инфракрасной камеры в режиме реального времени указывают на то, что значения температур в областях локализации пластической деформации не пре-

вышают ~250 °С [3].

При высокоскоростном взаимодействии ударника с мишенью реализуется разрушение в виде формирования и выноса пробки. Ударник, пробитый образец и выбитая пробка показаны на рис. 1, a. Материал мишени – сталь 25ХН3МФС. Скорость соударения 378 м/с.

231

Для исследования распределения пластических деформаций в процессе формирования и выноса пробки использовалась инфракрасная камера CEDIP Silver 450M. Схема эксперимента приведена на рис. 1, б.

На рис. 1, в представлены инфракрасный образ тыльной поверхности образца и распределение температуры на тыльной поверхности образца в процессе внедрения ударника в образец. Методика исследования предложена в [3].

Рис. 1. Ударник, пробитый образец и выбитая пробка (a); схема эксперимента (б): 1 – образец, 2 – зеркало, 3 – инфракрасная камера, инфракрасный образ отверстия после пробивания и летящей пробки и поле температур в этих областях (в)

Исследования процесса с помощью инфракрасной камеры в режиме реального времени указывают на то, что значения температур в областях локализации пластической деформации не превышают 190 °C, что позволяет сделать вывод о возможности реализации механизмов формирования и выноса пробки, не связанных с термопластической неустойчивостью.

После экспериментов по динамическому сдвигу и пробиванию сохраненные образцы подвергались микроструктурному анализу с помощью оптического интерферометра-профилометра NewView-5010 и сканирующего электронного микроскопа.

Обнаружено, что имеет место локализация пластической деформации в узкой области по образующей пробки. Изучение поверхности разрушения с помощью сканирующего электронного микроскопа показало, что в областях локализации дефор-

232

мации субзерна вытягиваются в полосы и фрагментируются, образуя ультрамикрокристаллическую структуру с размером зерен ~300 нм. За счет ротационных мод деформации возникают высокоугловые разориентировки зерен [4].

В данном исследовании проведено численное моделирование механизмов неустойчивости пластического сдвига и локализации пластической деформации в трехмерной постановке с учетом особенностей кинетики накопления микродефектов

вматериале.

Впроцессе высокоскоростного деформирования в материале происходит структурно-кинетический переход по параметру плотности микросдвигов в локальной области, характеризующийся быстрым ростом параметра плотности микродефектов, что приводит к резкому скачкообразному изменению эффективных характеристик среды и, как следствие, к резкому росту скоростей пластических деформаций и релаксации напряжений, падению сопротивления сдвига в этой области, формированию и выносу пробки.

На рис. 2 изображены поля распределений интенсивностей напряжений, интенсивностей деформаций, температуры соответственно на тыльной поверхности преграды в различные моменты времени вплоть до вылета «пробки».

Рис. 2. Эволюциявовременираспределенияинтенсивностейнапряжений, деформацийитемпературынатыльнойповерхностиобразца

Поля температур на тыльной поверхности образца при формировании и выносе пробки близки к определенным экспериментально.

233

Данные теоретических и экспериментальных исследований позволяют предположить, что один из механизмов неустойчивости пластического сдвига и локализации пластической деформации при высокоскоростном деформировании обусловлен структурно-кинетическими переходами в ансамблях микродефектов.

Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ 13-08-96025 р_урал_а, 14-01-00842_а, 14-01-31193.

Библиографический список

1.Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов и некоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физическая мезомеханика. – 2004. – Т. 6. – С. 45–72.

2.Rittel D., Landau P., Venkert A. Dynamic recrystallization as a potential cause for adiabatic shear // Phys. Rev. Lett. – 2008. – Vol. 101.

3.Неравновесные переходы в ансамблях дефектов при динамической локализации пластической деформации / М.А. Соковиков, Д.А. Билалов, В.В. Чудинов, С.В. Уваров, О.А. Плехов, А.И. Терехина, О.Б. Наймарк // Письма в Журнал технической физики. – 2014. – Т. 40, вып. 23. – C. 82–88.

4.Исследование морфологии многомасштабных дефектных структур и локализации пластической деформации при

пробивании мишеней из сплава А6061 / Е.А. Ляпунова, А.Н. Петрова, И.Г. Бродова, О.Б. Наймарк, М.А. Соковиков, В.В. Чудинов, С.В. Уваров // Письма в Журнал технической фи-

зики. – 2012. – Т. 38, вып. 1. – C. 13–20.

234

УДК 538.951-405

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ И ПОСЛЕДУЮЩЕМ ГИГАЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

В.А. Оборин1, В.П. Бачурихин2, М.А. Соковиков1, О.Б. Наймарк1

1Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия e-mail: oborin@icmm.ru

2Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия

Проведено исследование кинетики роста усталостных трещин в сплаве алюминия и магния АМг6 в режиме гигацикловой усталости при предварительном динамическом деформировании. Актуальность постановки определяется важными приложениями – оценкой ресурса материалов и элементов конструкций авиационных газотурбинных двигателей в условиях полетного цикла при случайных динамических воздействиях. Предварительное нагружение образцов осуществлялось динамическим растяжением на разрезном стержне Гопкинсона – Кольского при скоростях деформации до ~103 c–1, последующем гигацикловом нагружением на ультразвуковой испытательной машине Shimadzu USF-2000. Далее проведен количественный анализ фрактографии изломов на основе данных профилометрии и сканирующей электронной микроскопии.

Ключевые слова: разрушение, гигацикловая усталость, скейлинг, морфология поверхности, фрактальный анализ, закон Пэриса.

Предварительное нагружение образцов из сплава алюминия и магния АМг6 осуществлялось динамическим растяжением на разрезном стержне Гопкинсона – Кольского при скоростях деформации до ~103 c–1, после чего образцы подвергались циклической нагрузке при комнатной температуре с последующим изучением фрактографии изломов.

235

Испытания на усталость проводились на испытательной машине резонансного типа (Shimadzu USF-2000), обеспечивающей достижение усталостного ресурса 1010 циклов при уровнях напряжений (105, 120, 130 МПа), оцениваемых для материалов в исходном (недеформированном) состоянии.

Поверхностный рельеф разрушенных образцов регистрировался с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-3400n и интерферометра-профилометра высокого разрешения New-View 5010 (при увеличении ×2000) с последующим вычислением пространственных инвариантов (показателя Херста) для оценки коррелированного поведения многомасштабных дефектных структур, с которыми связывалось распространение трещины.

При усталостных испытаниях наблюдались два типа разрушения образцов: первый – когда образцы разрушались непосредственно во время эксперимента; второй – когда образцы, обладающие явными признаками разрушения (сильное изменение резонансной частоты испытаний, выход усталостной трещины на поверхность), уже были не способны продолжать выдерживать усталостную нагрузку на резонансной частоте. Поверхность разрушения образцов первого и второго типа «вскрывалась» охлаждением образцов жидким азотом и последующим доломом.

При разрушении цилиндрических образцов за число циклов, соответствующих многоцикловой усталости (106–107), трещина росла с поверхности образца (рис. 1, a). При разрушении на базе 108 циклов и более трещина образовывалась внутри образца, и на поверхности разрушения наблюдалась характерная для такого режима усталости область излома – «рыбий глаз» (fish-eye), в центре которой находится очаг разрушения, окруженный областью с фрагментированной (субмикрокристаллической) структурой (светлая область 1), рис. 1, б.

Области сканирования распределялись по зоне роста усталостной трещины (рис. 2, a) и анализировались одномерные об-

236

разы-срезы рельефа поверхности в радиальном направлении по отношению к границе раздела между зонами 1 и 3. Около 12 одномерных «срезов» анализировались в пределах каждого «окна», обеспечивая представительность данных о структуре рельефа, индуцированного дефектами, с вертикальным разрешением ~0,1 нм и горизонтальным ~0,1 мкм.

Рис. 1. Увеличенный фрагмент fish-eye (a) и суммарный спектр отраженных электронов в области 2, полученный на электронном сканиружщем микроскопе Hitachi S-3400n (б)

Рис. 2. Характерный рельеф поверхности зоны усталостного разрушения: a – при многоцикловой усталости,

б – при гигацикловой усталости

Для определения минимального (критического) масштаба, соответствующего установлению длинно-корреляционных взаи-

237

модействий в ансамблях дефектов, использовался метод определения показателя Хёрста [1–2].

Сравнение скейлинговых характеристик образцов, нагруженных в условиях много- и гигацикловой усталости, позволило установить существенное уменьшение диапазона пространственных масштабов (0,5–10,9 мкм), на которых показатель Херста остается постоянным для динамически нагруженных образцов в зоне fish-eye.

Химический состав сплава АМг6 определялся с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-3400n по спектру излучения отраженных электронов с помощью модуля INCA (рис. 2, б). По данным сканирующей электронной микроскопии распределение элементов по сплаву не равномерно.

Исследовался спектр излучения в трех областях. Было обнаружено, что в центре fish-eye, в области 2, содержание Al и Mg составляет 49 и 42 % соответственно. В области 1 рядом с fish-eye Al и Mg 91 и 6 %, как и положено для сплава АМг6. В области 3, на дне fish-eye, Al и Mg 72 и 24 %.

Заключение

Сравнительный анализ масштабных инвариантов в зоне fish-eye для образцов, нагруженных в условиях много- и гигацикловой усталости, позволил установить существенное уменьшение диапазона пространственных масштабов, на которых показатель Херста остается постоянным для динамически нагруженных образцов. Этот результат подтверждает наше предположение о связи характеристических масштабов [3], определяющих многомасштабное коррелированное поведение ансамблей дефектов, с механизмами зарождения и распространения усталостных трещин.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

(гранты № 13-08-96025, № 14-01-31193, №15-08-08921).

238

Библиографический список

1.Bouchaud E. Scaling properties of cracks // J. Phys. Condens. Matter. – 1997. – Vol. 9. – P. 4319–4344.

2.Фрактальный анализ поверхности разрушения сплава АМг6 при усталостном и динамическом нагружении / В.А. Оборин, М.В. Банников, Ю.В. Баяндин, М.А. Соковиков, Д.А. Билалов, О.Б. Наймарк // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 2. – С. 116–126.

3.Масштабная инвариантность роста усталостной трещины при гигацикловом режиме нагружения / В.А. Оборин, М.В. Банников, О.Б. Наймарк, T. Palin-Luc // Письма в журнал технической физики. – 2010. – Т. 36, вып. 22. – C. 76–82.

239

УДК 621.789-192

ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

А.С. Шведова, А.Г. Исаев, С.А. Новокрещенов

Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия

e-mail: kazimirovas@mail.ru

Представлены результаты исследований процессов отде- лочно-упрочняющей обработки деталей динамическими методами поверхностным пластическим деформированием (ППД). Установлены зависимости для определения глубины упрочненного слоя, степени упрочнения и шероховатости поверхности, для различных методов обработки динамическими методами ППД. Разработана методика оптимизации технологических процессов по критерию обеспечения долговечности обработанных деталей.

Ключевые слова: динамические методы ППД, глубина упрочнения, степень упрочнения, шероховатость поверхности.

В современном машиностроении предъявляется высокий уровень требований к качеству и долговечности изготавливаемых деталей. Основной задачей технологов является изготовление конкурентоспособного изделия с требуемым набором эксплуатационных свойств, способного долгое время выполнять свое функциональное назначениебезтекущегоикапитальногоремонта.

Для решения этой задачи в настоящее время имеется большое количество современных способов, среди которых особое место занимает поверхностное пластическое деформирование (ППД). Наиболее распространенными методами ППД являются вибрационная отделочно-упрочняющая обработка (ВиОУО) и центробежно-ротационная отделочно-упрочняющая обработка (ЦРОУО).

240