книги / Структура и усталостное разрушение металлов

равномерно расположенные сплетения дислокаций, а также высокая плотность дислокационных петель и гели­ коидов.

Исследователи неоднократно обращали внимание на сходство циклической деформации монокристаллов и по­ ликристаллов в малоцикловой области усталости и пове­ дение монокристаллов на II и III стадиях статического деформирования. Прежде всего совпадает тип дислока­ ционной структуры. В условиях циклического и статиче­ ского нагружения скорость деформационного упрочнения одинаково зависит от температуры и ЭДУ.

В многоцикловой области усталости характер цикли­ ческого упрочнения для некоторых материалов аналоги­ чен I стадии статического деформирования монокристал­ лов. Однако в одних и тех же материалах в зависимости от типа нагружения (растяжение — сжатие, повторное растяжение, изгиб и т. д.) наблюдается различная дис­ локационная структура.

В работе [74] установлено, что в поликристаллическом железе Ferrovac Е средний размер ячейки dnч тесно связан с амплитудой пластической деформации Дер. На стадии насыщения dn4= 1,25±0,09 мкм при Дер = 0,048 и увеличивается до 2,38±0,26 мкм при ДеР = 0,003. При этом уровень напряжения насыщения (as) связан с dn4

зависимостью типа os=M d7J. Авторы [74] считают, что для каждого уровня насыщения есть равновесный раз­ мер ячейки, который не изменяется при дальнейшем цик­ лическом нагружении.

Таким образом, при определенной температуре и скорости пластической деформации уровень насыщения и, следовательно, размер ячейки являются функцией ам­ плитуды пластической деформации.

таллах. Исследуя железо в условиях повторного растя­ жения, авторы работы [75] установили, что ячейки обра­ зуются при достижении в зернах критической плотности дислокаций (6±1) Ю9 см-2. Образование ячеек проис­ ходит путем формирования у вытянутых сплетений дис­ локаций поперечных дислокационных стенок (сплете­ ний). При этом по данным корреляционно-регрессионно­ го анализа между средней по образцу плотностью дисло­

каций р и dm существует зависимость вида dfl4=Kp~~ll2i

где К — коэффициент пропорциональности. Отсюда сле­ дует, что для ячеистой структуры с учетом зависимости

типа G = Go+aGb У р получаем сг=ао+ (aGK)/dn4t т. е.

O' Л / | я ч •

По данным работы [77], формирование ячеек в мо­ либдене, хроме и вольфраме происходит при цикличес­ ком нагружении (плоский изгиб) с амплитудами нагру­ жения и временем экспозиции, при которых появляются трещины усталостного происхождения. Ряд исследовате­ лей [78, 79] отмечают тесную связь развитой субструк­ туры с процессами деформационного старения. Сегрега­ ция атомов углерода и азота вдоль дислокаций и части­ цы дисперсной фазы задерживают формирование суб­ структуры и развитие усталостной повреждаемости.

Влияние поверхностного слоя

Повышенную плотность дислокаций в поверхностном слое при испытании на усталость в условиях повторного растяжения наблюдали в пластичном железе при темпе­ ратурах 20 и —196° С [80, 81], молибдене [61, с. 590; 82]

истали 14Х2ГМР со структурой мартенсита отпуска

[83]при комнатной температуре испытания.

Субструктура поверхностного слоя чаще всего похо­ жа на структуру внутренних слоев, которая образуется при существенно больших амплитудах напряжения (де­ формации). Например, в поликристаллическом железе при —196° С в поверхностном слое толщиной до 10 мкм формируются плотные сгущения типа мелкоячеистой структуры, характерной для комнатной температуры ис­ пытания [80]. В остальном объеме образца видны-пря­ молинейные отрезки дислокаций преимущественно вин­ товой ориентации, т. е. видна структура, свойственная низкотемпературной деформации. Плотность дислокаций на 1—2 порядка меньше, чем в поверхностном слое.

Не останавливаясь на природе аномального поведе­ ния поверхностного слоя при деформации, отметим, что это явление приводит к далеко идущим последствиям. Во-первых, большая степень пластической деформации обусловливает в поверхностном слое повышенную плот­ ность дислокаций, которые при достижении критической плотности стремятся перестроиться с образованием яче­ истой структуры. В свою очередь наличие в поверхност­ ном слое развитой ячеистой структуры обусловливает

возможность ее дальнейшего изменения в сторону появ­ ления устойчивых полос скольжения. Во-вторых, среда испытания заметно влияет на относительно тонкий пла­ стически деформируемый слой образца [84, 85]. По дан­ ным Крамера, при одинаковых амплитудах деформации циклическое упрочнение поверхностного слоя меньше в вакууме, чем на воздухе. Усталостная долговечность алюминия и титана сильно зависит от напряжений по­ верхностного слоя. Увеличение напряжений в нем вызы­ вает уменьшение усталостной долговечности. Исследуя влияние глубины вакуума до 10-6 мм рт. ст на многоцик­ ловую усталость технического железа, авторы работы [84] установили, что при улучшении вакуума происхо­ дит снижение интенсивности следов скольжения на по­ верхности образцов, их концентрации и соответственно увеличение долговечности образцов.

Влияние температуры испытания на субструктуру и характеристики усталости

Образование развитой субструктуры предполагает поперечное скольжение дислокаций, которое в большой степени зависит от температуры испытания. В поликристаллическом молибдене в условиях консольного изгиба (/= 50 Гц) и числе циклов нагружения N =103-T- 104 об­ разование ячеек происходит в широком диапазоне темпе­ ратур: от 200 до 800° С [77]. Средний размер ячеек со­ ставляет 1,5—5 мкм, а разориентация между ячейками до 3—5 град. Наиболее четкие субграницы возникали при циклическом нагружении в интервале 400—500° С; выше этих температур четкая ячеистая структура обна­ руживалась не всегда. При данной амплитуде деформа­ ции образования ячеек вследствие интенсивного разуп­ рочнения молибдена не происходит.

Ячейки образуются также в рекристаллизованных хроме и вольфраме, испытанных при температурах 400 и 600° С соответственно [77]. Упрочнение, достигаемое при циклическом нагружении молибдена, сравнимо с упроч­ нением, которое может быть получено при пластической деформации прокаткой на 90%. Предел текучести цик­

(21)

В выражении (21) величина Сг=0,0002 практически одинакова как при статическом, так и при циклическом нагружениях. Из выражения (18) следует, что уровень насыщения определяется размером ячейки или субзерна. Измельчение элементов субструктуры d приводит к рос­ ту циклической долговечности материала Nf, которая связана с пластической деформацией за цикл Дер степен­ ной зависимостью Мэнсона — Коффина:

где С и z — постоянные материала.

В нержавеющей стали типа 316 при повышении тем­ пературы испытания с 650 до 816° С обнаружено измене­ ние типа связи между величиной d и амплитудой насы­ щения о3 [76] (рис. 26, б). Как отмечено выше, при тем­ пературе испытания 650° С образуются ячейки; в этом

случае as« d _1/2. Однако при 816°С, когда формируется отчетливо выраженная субзеренная структура, наблюда­ ется зависимость типа as« c H . По-видимому, в интерва­ ле исследуемых температур происходит смена механиз­ ма деформации.

УСЛОВИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ

УСТОЙЧИВЫХ п о л о с с к о л ь ж е н и я

Еще в начале XX в. Эвинг и Хэмфри, исследуя разру­ шение шведского железа в условиях усталости, обнару­ жили, что усталостные трещины образуются в результа­ те скольжения. Первоначально возникают линии сколь­ жения, которые с увеличением числа циклов расширяют­ ся в полосы. Плотность полос скольжения повышается с ростом приложенных напряжений. Полировка и трав­ ление образцов после усталости, устраняя следы сколь­ жения, выявляют трещины. Типичные усталостные поло­ сы скольжения в поликристаллическом ардоко-железе представлены на рис. 27.

В работе [87] введено понятие устойчивых полос скольжения. Испытания на усталость проводили на отожженных образцах чистых меди и никеля в условиях

зии достигали ~ 1 0 мкм в высоту и имели ширину от 1 до нескольких десятков микрон, ограничиваясь в ряде случаев размером зерна. Толщина их была менее 0,1 мкм. После электрополировки и травления в образце стано­ вились видимыми трещины.

Форсайт и Стабингтон [89] установили, что не все материалы показывают наличие экструзий на поверхно­ сти циклически нагружаемых сплавов. Характерные осо­ бенности экструзий в значительной степени зависят от режима термической обработки и температуры испыта­ ния металлов. Например, экструзии образуются в поло­ сах скольжения при перестаривании алюминиевых спла­ вов. Концентрация деформации в разупрочненных поло­ сах вызывает образование в них экструзий. С понижением температуры испытания полосы скольжения стано­ вятся уже и, как следствие этого, зоны перестаривания также оказываются более узкими. В результате толщи­ на экструзий соответственно уменьшается и, по мнению авторов работы [89], при пониженных температурах вследствие торможения процесса перестаривания воз­ можно полное прекращение развития экструзий. Разви­ тие экструзий при усталости происходит в зонах разуп­ рочнения материала. Рекристаллизация ряда сильно холоднодеформированных образцов подтверждает идею о разупрочнении металлов при усталости. Однако в целом попытка связать проблему зарождения усталостных тре­ щин с экструзиями не увенчалась успехом. В ряде слу­ чаев в металле при усталости развиваются трещины, не связанные с экструзиями, хотя они образуются при тех же условиях нагружения. Эти факты послужили основой для вывода авторов работы [90] о том, что экструзии в большей степени являются следствием, чем причиной ус­ талости металлов. В дальнейшем при изучении рельефа поверхности металла после усталости нашли также ин­ трузии (провалы). На рис. 28 схематически приведены основные типы экструзий и интрузий, возникающих в процессе усталости в пределах устойчивых полос сколь­ жения.

Так же как и при образовании ячеистой структуры, развитие устойчивых полос скольжения происходит при достижении в некоторых зернах определенной плотности дислокаций и интенсивном протекании процессов попе­ речного скольжения дислокаций. По данным [91], пони­ жение ЭДУ металлов препятствует формированию раз­

витой субструктуры, одновременно задерживая образо­ вание устойчивых полос скольжения. Эвери и Бэкофен [92, с. 76] показали, что снижение Э.ДУ в монокристал­ лах сплавов Си—А1 ниже 20 эрг/см2 полностью подавля­ ет зарождение устойчивых полос скольжения на поверх­ ности образцов и почти в 10 раз увеличивает число циклов, необходимых для возникновения усталостных тре­ щин. В поликристаллах влияние ЭДУ менее заметно. Сравнивая монокристаллы меди и сплавов системы Си—Zn с 15 и 31% Zn, авторы работы [93] установили, что интенсивность развития устойчивых полос скольже­ ния уменьшается с увеличением содержания Zn, т. е. с ростом сопротивления поперечному скольжению дисло­ каций.

По данным [91], образование устойчивых полос скольжения происходит при условии

Т > т0 + 4 (1 — v/2) тс,

где то— напряжение трения решетки, а тс — критическое

Рис. 28. Схематическое представление основных типов экструзий и ин­ трузий, образующих устойчивые полосы скольжения (УПС) [112]: