книги / Структура и усталостное разрушение металлов

обнаружены экструзии и интрузий в условиях ИОвТорного растяжения. Экструзии образуют пикообразные вы­ ступы высотой до нескольких десятков микрон (рис. 30). Видно, что направление устойчивых полос скольжения совпадает с одним из направлений первичной системы скольжения, возникшей еще на стадии циклического де­ формационного упрочнения.

В литературе (например, в работе [99]) иногда встречаются утверждения об отсутствии различия дисло­ кационной структуры в пределах устойчивых полос скольжения и матрицы. В связи с этим необходимо отме­ тить, что к данным некоторых исследователей следует относиться осторожно. Это обусловлено рядом обстоя­ тельств. Во-первых, структурные изменения при устало­ сти часто ограничены небольшими объемами образца. Вовторых, наиболее интенсивно развивается усталостная повреждаемость в поверхностных слоях материала. В-третьих, неоднородность протекания повреждаемости по толщине образца усугубляется применением для ус­ талостных испытаний машин, в которых образцы рабо­ тают на изгиб или кручение; в результате поверхностные слои образца испытывают более высокий уровень прило­ женных напряжений, чем внутренние. Не исследуя спе­ циально поверхностные слои, иногда трудно сделать обоснованное заключение о развитии процессов устало­ стной повреждаемости.

С точки зрения особенностей строения дислокацион­ ной структуры можно выделить два типа устойчивых по­ лос скольжения. Первый тип характеризуется наличием в пределах устойчивых полос скольжения поперечных субграниц (стенок) и отсутствием непрерывной дислока­ ционной границы, разделяющих внутренние объемы по­ лос скольжения от матрицы или смежной устойчивой по­ лосы скольжения (рис. 29). Иногда граница устойчи­ вой полосы скольжения и матрицы оконтуривается пре­ рывистыми стенками дислокаций, которые связаны (сое­ динены) с поперечными стенками дислокаций усталост­ ной полосы скольжения, но повернуты относительно ее на угол ~90°. Подобную особенность строения устойчи­ вых полос скольжения отмечали в г. ц. к., г. п. у. и о. ц. к. металлах: в меди, сплаве Си+5% (ат.) А1 [95, 96], алю­ минии [99], магнии [95], дисперсноупрочняемых моно­ кристаллах Си+0,6% (объемн.) Si02 [95] и многих дру­ гих материалах. Так, в материалах с большой объемной

дий (ориентированные перпендикулярно направлению первичного скольжения) имели зигзагообразное, парал­ лельное друг другу смещение (практически одинако­ вое для всех параллельных стенок) дислокационных стенок. Зигзагообразные по форме стенки дислокаций, располагаясь параллельными рядами, занимают значи­ тельный объем металла. Другими словами, стенки как бы «разбиваются» каналами, границы которых ориенти­ рованы вдоль следа кристаллографического направле­

ния [101] в плоскости фольги (12Т), и как бы составлены из стенок дислокаций, располагающихся вдоль направ­

ления [101] и [121]. Дислокации границ этих стенок на­ ходятся в плоскости первичного скольжения (111). Ка­

налы в направлении [101] имеют длину порядка 100 мкм [96, 104] (см. рис. 29).

Как правило, каналы примыкают друг к другу, обра­ зуя пакет (до 20 в пакете); протяженность стенок в на­ правлении [ m i изменяется от 1 до 5 мкм (в среднем 2 мкм). Во внутренних объемах каналов обнаружена по­ вышенная плотность винтовых дислокаций первичной и вторичной систем скольжения. Подобный тип структуры получил название «лестницеподобной» (ladder — like) структуры. Такую структуру устойчивых полос скольже­ ния авторы работы [99] представляют состоящей из на­ бора ячеек. Необходимо отметить, что кооперативно-изо­ гнутые стенки дислокаций в плоскости первичного сколь­ жения, обнаруженные авторами работ [95, 96], совпада­ ют со структурой лестницеподобного типа. Поскольку в пределах устойчивых полос скольжения отдельные объ­ емы материала почти со всех сторон ограничены стенка­ ми дислокаций, то применение к этим объемам понятия ячейка вполне правомерно.

По данным [91], дислокационными границами с ма­ лой энергией, где дислокации имеют одну и ту же плос­ кость скольжения, являются границы кручения. Они дол­ жны состоять из винтовых дислокаций трех систем сколь­ жения. Такие границы кручения стремятся расположиться

сталлическая решетка, ограниченная такими границами, слабо скручена вокруг оси нормальной плоскости сколь­ жения относительно окружающей матрицы. Напряжения от границ ячеек существенно понижаются, когда ячейки

Можно рассматривать как суперпозицию вертикальны* стенок и плоских скоплений краевых дислокаций [75]. В образцах кремнистого железа, испытанных на уста­ лость в условиях повторного растяжения, горизонтальная

иазимутальная разориентировка полос достигает 2—3°

[100].В результате развития в некоторых зернах поло­ совой структуры возникает характерное знакопеременное чередование дифракционного контраста. Хотя соседние полосовые объемы разориентированы относительно друг друга на небольшую величину, все же в целом участки образца, занятые этой структурой, аккумулируют значи­ тельную общую деформацию решетки.

Можно предположить, что некоторые особенности строения устойчивых полос скольжения обусловлены та­ кими факторами, как схема нагружения, свойства мате­ риала, температура испытания и т. д. В частности, неко­ торая доля обратимости пластической деформации в состоянии изменить тонкое строение дислокационной структуры. В поликристаллическом алюминии, испытан­ ном в интервале температур от комнатной до 450° С, при перемене знака деформирования отмечено заметное из­ менение плотности дислокаций и «рассыпание» некото­ рых границ субзерен [106]. Независимо от температуры испытания (в пределах исследованного интервала) плот­ ность дислокаций уменьшается на 16%. Не исключено,

что применительно к длительным усталостным испыта­ ниям обратимость пластической деформации как-то вли­ яет на строение устойчивых полос скольжения.

В литературе известны две оценки времени появления устойчивых полос скольжения. Авторы работы [96] счи­ тают, что образование устойчивых полос скольжения происходит еще на стадии циклического деформацион­ ного упрочнения. При растяжении-сжатии монокристал­ лов меди на стадии циклического деформирования фор­ мируются вытянутые скопления дислокаций высокой плотности. При Дер= ±0,1% на стадии насыщения плот­ ность дислокаций в участках с устойчивыми полосами скольжения составляет ~ 10й см-2, тогда как плотность дислокаций в остальном объеме равна 108—109 см-2. На стадии насыщения субграницы устойчивых полос сколь­ жения становятся более четкими. С ростом Дер объем материала, занимаемый устойчивыми полосами скольже­ ния, увеличивается. Аналогичного мнения о времени за­ рождения устойчивых полос скольжения придерживаются

мадии от стенки к стенке. На поверхности монокристал­ лов алюминия отдельные следы скольжения в пределах матрицы распространяются на расстояние от 1 до 5 мкм [99]. Однако в пределах устойчивых полос скольжения следы скольжения заметны даже на расстоянии, превы­ шающем 50 мкм. Это предполагает возможность больше­ амплитудного перемещения дислокаций в пределах устойчивых полос скольжения. Бэссим и Кульман-Вильс- дорф (1973 г.) с помощью ЭВМ на модели дислокацион­ ной ячейки, образуемой шестью плоскими границами кручения и двумя границами наклона, исследовали близ­ кодействующие напряжения границ кручения, прямых и зигзагообразных границ наклона. Расчет полей напря­ жения от стенок ячейки выполнен для ячейки, окружен­ ной 37 и 19 подобными ячейками. Для всех систем сколь­ жения г. ц. к. решетки напряжения, необходимые для пе­ ресечения стенок ячеек единичной дислокацией, несколь­ ко выше напряжений, требуемых для выгибания дисло­ кации (в первичной плоскости скольжения) между ще­ лями в стенке дислокаций. Зигзагообразная стенка на­ клона по сравнению с прямой показывает более высокий уровень напряжения, однако она более легко пронизыва­ ется скользящими дислокациями.

ЗАРОЖДЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Многообразие схем и условий нагружения, а также структурного состояния материалов допускает существо­ вание нескольких механизмов зарождения усталостных трещин. В процессе усталости, особенно в условиях зна­ копеременного нагружения, в металле образуется значи­ тельное число вакансий, возникающих при пересечении дислокаций, а также при скольжении дислокаций с по-

[16, 108]. Объединение единичных вакансий с образова­ нием поры происходит в плоскости скольжения [108]. Под действием нормальных напряжений на поверхности микропор оседают вакансии. В результате пора постепен­ но трансформируется в микротрещину. По расчетам Коцаньды [16], концентрация вакансий, образующихся при усталости в зернах феррита армко-железа, достаточна для образования микропор в области ограниченной дол­ говечности. М. П. Старолат при исследовании никеля

по параллельным плоскостям скольжения. Суммарное растягивающее напряжение между головными дислока­ циями в состоянии вызвать появление полости, непрерыв­ но расширяющейся при дальнейшем поступлении дисло­ каций. Отдельные винтовые дислокации, соединяющие полость со свободной поверхностью кристалла, под дейст­ вием знакопеременного напряжения и с помощью попе­ речного скольжения будут вызывать прогрессирующее поднятие участков поверхности. В соответствии с этим механизмом для образования экструзий, которые наб­ людаются в действительности, требуется огромное число циклов, что противоречит эксперименту. По данным Н. Томпсона [34, с. 354], развитие экструзий происходит при локализации пластического скольжения в отдельных плоскостях скольжения, пересекаемых лесом винтовых дислокаций, участвующих в образовании экструзий. Как показано выше, структура устойчивых полос скольжения имеет довольно сложный характер, что ограничивает применимость механизма Томпсона. Вуд также исходит из представлений об аномально высокой суммарной пла­ стической деформации по ограниченным участкам полос скольжения. Эти участки (полосы скольжения) характе­ ризуются высокой степенью искажения кристаллической решетки [111].

Дальнейшее развитие механизм зарождения экстру­ зий и интрузий получил в работе [112]. В отличие от ра­ нее предложенных механизмов, основанных на постули­ ровании обратимого скольжения дислокаций вдоль неко­ торых плоскостей скольжения, в качестве основного тре­ бования выдвигается наличие в материале тонкого слоя, менее прочного, чем окружающая матрица. Когда такие слои присутствуют в материале, то зарождение экстру­ зий и интрузий может происходить как в устойчивых по­ лосах скольжения, возникших при усталости, так и в свободных от выделений зонах, располагающихся, как правило, вдоль границ зерен. Схематически образование экструзий представлено на рис. 33. В рамках предложен­ ного механизма возможно объяснение высокой скорости роста экструзий, появление на поверхности экструзий периодических полосок (ступенек скольжения), перпен­ дикулярных направлению роста экструзии.

Появление на поверхности экструзий окисного слоя предотвращает втягивание выдавленного слоя в металл в цикле сжатия. По аналогичной схеме происходит также

зарождение интрузий. Для проверки предложенного ме­ ханизма, Линч поставил серию остроумных эксперимен­ тов. Наличие относительно мягких слоев металла, таких, как устойчивые полосы скольжения, моделировали с помощью слоистого материала, изготовленного из мягких пластичных и твердых прочных слоев металла. В роли мягкой прослойки использовали слои свинца, а в качест­ ве прочной матрицы выбрали сплав системы РЬ — Sn — Sb. В зависимости от схемы приложения нагрузки (рас­ тяжение или сжатие) в слоистом материале имеет место выдавливание или втягивание мягкого слоя по типу экструзий или интрузий, возникающих в пределах устой­ чивых полос скольжения при усталости.

Механизм Линча предполагает преимущественную пластическую деформацию по границам (субграницам) между пластической прослойкой и матрицей по типу зер­ нограничного скольжения. Считается, что сдвиг в преде­ лах субграницы охватывает несколько плоскостей сколь­ жения, расположенных одна от другой на расстоянии нескольких атомных промежутков. Допускается, что субграничное скольжение происходит в пределах субгра­ ницы по механизму квазивязкого сдвига и при движении дислокаций вблизи субграницы. Этот механизм включает динамический возврат дислокационной структуры в про­ цессе усталости.

ной прочности; 2—деформация пре­