книги / Синергетика и усталостное разрушение металлов

Таким образом, концепция раздвоения доминирующего микромеханиз­ ма разрушения при достижении пороговых ситуаций объясняет соответст­ вие пороговых значений ДIf, АК*точкам бифуркаций.

Взаключение следует указать,что начиная с 30-х годов процесс распрост­ ранения усталостной трещины перестали рассматривать как мгновенный акт разрушения. До начала 60-х годов процесс усталостного разрушения тщательно изучался с точки зрения накопления в материале предельной энергии разрушения или предельной плотности дислокаций,ответственных за элементарный акт разрыва межатомных связей. Развитие усталостной трещины исследовалось без применения подходов и критериев линейной механики разрушения. Лишь с опубликованием работ Пэриса-Эрдогана внимание многих исследователей привлекла заманчивая возможность использовать критерий механики разрушения (коэффициент интенсивности напряжений) и связать его со скоростьюраспространения усталостной трещины. Начиная с 1963 г. появилось большое число экспериментальных данных, посвященных связи амплитудных значений ДК со скоростью роста трещины, а позже появились опытные данные для области цикличес­ кого доломаДЦТ,а также и для припороговой области,которая и в настоя­ щее время интенсивно изучается.

Дальнейшие исследования позволили уточнить ДЦТ на всем протяжении от ДKih до KfC.На рис. 1отмечены точки, соответствующие пороговым АК*

В.В. Панасюк [23] указывает, что основная идея подхода механики разрушения твердого тела (имея в виду развитие трещины в деформируе­ мом теле) сводится к переходу элемента деформируемого тела из сплош­ ного (С) состояния в разрушенное (Р). Этот переход сопровождается не­ которым промежуточным (П) состоянием деформируемого тела,которое необходимо (обязательно!) учитывать прирешении задачио прочности тела

с дефектами типа трещины [23].

Вобласти (П) материал деформирован всегда за предел упругости, и, как указывается в работе [23], здесь совершаются наиболее интенсивные процессы пластического течения, взаимодействия с окружающей средой, диффузионные процессы, повреждаемость материала и другие явления, предопределяющие в конечномсчете локальное разрушение материала [23], т.е.происходит переходот Ск Пи затем от Пк Р.

Вработе [23] отмечается также,что учет П-состояний материала в рам­ ках механики сплошных сред требует введения новых (по сравнениюс классическим) расчетных концепций и моделей.

На основании изложенного становится ясно,что концепция амплитуды циклического /-интеграла AJf дает возможность учесть это П-состояние материала в случае наличия нагрузки циклического характера. Сдругой стороны, рассматривая процесс разрушения с синергетических позиций, можно считать, что деформируемое твердое тело является открытой систе­ мой и отвечает требуемому синергетикой условиюобмена энергией с внеш­ ней средой (’’накачка” энергии и ее диссипация). Этот обмен наиболее интенсивно происходит в активной зоне у вершины усталостной трещины (в промежуточной зоне П),результатом являетсялокальное разрушение.

Если достижение сильно возбужденного состояния в зоне предраэрушения считать порогом локальной неустойчивости [24], то усталостное раз­

111

рушение явится следствием самоорганизующегося неравновесного фазо­ вого (кинетического) перехода на различных структурных уровнях при достижении точек бифуркации.Хакен [1] отметил, что общая особенность рассматриваемых явлений перехода —это внезапные изменения на макро­ скопических масштабах, т.е. изменение свойств. Параметры свойств мате­ риала, выявляемые в точках бифуркаций, имеют фундаментальное зна­

чение.

Следовательно, пороговые значения Д//, отвечающие дискретным изменениям ДJfс ростом длины усталостной трещины и связанные с дости­ жением точек бифуркаций, являются важнейшими характеристиками циклической трещиностойкости, имеющими вполне определенный фи­

зический смысл (рис.9).

ЛИТЕРАТУРА

1.Хакен Г. Синергетика.Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся систе­ махи устройствах.М.:Мир,1985.423 с.

2.Гуревич С.Е.Некоторыеаспектыусталостноймеханикиразрушения //Цикличес­ кая вязкостьразрушения металлов исплавов! М.:Наука,1981.С 19-38.

3.Новожилов В.В.Онеобходимом и достаточном критерии хрупкой прочности // ПММ.1962.Т.33,№2.С.212-222.

4.Журков С.Н.,Нарзуллаев Б.Н.Временная зависимость прочности твердых тел // ЖТФ.1953.Т.23,вып.10.С 1677-1690.

5.Гуревич С.Е., Едидович Л.Д.Пороговые значения коэффициента интенсивности напряжений на стадии докритического роста усталостной трещины// Крат. докл. VI Всесоюэ. совещ.по усталости металлов. М.: ИМЕТим. А.А. Байкова АНСССР. 1971.С 178.

6.Гуревич С.Е.,Едидович ЛД, Оскорости распространениятрещиныи пороговых значениях коэффициента интенсивности напряжений в процессе усталостного разру­ шения ЦУсталость и вязкость разрушения металлов. М.: Наука, 1974. С 36-78.

7.Гуревич С.Е.,Едидович Л.Д.Определение деформации в пластическойзоне око­ ло вершиныусталостнойтрещины//Тамже.М.:Наука,1974.С 210-214.

8.Кишкина С.И., Старова Е.Н.Некоторы особенности роста трещины усталости

втонких пластинах алюминиевых сплавов // Проблемыметалловедения цветных сплавов.М.:Наука,1978.С 166-180.

9.Шур ЕЛ. Некоторы практические аспектыизучения живучести металлических материалов//Физ.-хим.механикаматериалов.1978.Т.14,№6.С 53-58.

10.Георгиев М.Н., Рощин С.Н., Тябликов Ю.Е. и др. Влияние температуры на сопротивление развитиюусталостных трещин в сталях Ст.Зсп, 18Гпс и 09Г2С // Пробл.прочности.1978.№5.С 45-50.

11.Сосновский ЛА., Марченко В.ТФрактографическое исследование закономер­ ностей усталостногоповреждения стали45//Физикаметалловиметалловедение.1976. Т.42,№2.С.377-284.

12.Иванова В.С. Концепция циклической вязкости разрушения // Циклическая вязкостьразрушенияметаллов и сплавов.М.:Наука,1981.С 5-19.

13.Иванова В.С. К определениюциклической вязкости разрушения в условиях подобия предельного состояния // Физ.-хим.механика разрушения. 1982. Т.18,№4. С 77-86.

14.Иванова В.С.Одискретности и автомодельности зоныразрушения при стабиль­ номростеусталостнойтрещины//Пробл.прочности.1982.№5.С 91-98.

15.Методические указания. Расчетыи испытания на прочность. Методымеханичес­ ких испытаний металлов.Определениехарактеристик сопротивленияразвитиютрещи­ ны(трещиностойкости) при циклическом нагружении. РД50-345-82. М.: Изд-во стандартов,1983.96 с.

16.ИвановаВ.С.,Гуревич С.Е„БурбаВ.И,Определениестадийностироста усталост­ ной трещиныпо изменениюпараметров петли локального гистерезиса//Изв.АНСССР. Металлы.1987.№2.С.116-122.

112

В общем случае деформируемый кристалл комбинирует различные схемы деформации, аккомодируя смежные структурные элементы. Кон­ кретный спектр механизмов деформации зависит от типа и состояния кристалла, характера и условий его нагружения. Учитывая, что зарождение пластического сдвига,характер пластического течения и разрушение связа­ ны с сильно возбужденными состояниями (СВС) в кристалле [2,3],необхо­ димо особое внимание уделять анализу состояния кристаллической решет­ ки в заданных условиях деформации. По мере повышения степени воз­ буждения кристалла возрастает роль некристаллографического течения и конвективного характера пластической деформации.

Стремление системы включить конвективное течение как наиболее эффективный канал релаксации приводит к формированию в кристалле в ходе деформации функциональных диссипативных структур: ячеистые дислокационные структуры, фрагментированные структуры, движение как целого зерен и их конгломератов в поликристаллахи др.

Как следствие,, в пластическое течение вовлекается вся иерархия дис­ сипативных структур: исходная зеренная структура (в поликристаллах), возникающие внутри зерен блоки, ячейки дислокационной структуры, вихревые потоки точечных дефектов недиффузионной природы. Разруше­ ние кристалла как поворотная мода деформации —частный случай возник­

новения диссипативной структуры на высоком структурном уровне. Теория структурных уровней деформации твердых тел изложена в

работе [1]. Учет в рамках этого подхода взаимного влияния другна друга всех структурных элементов различного масштаба на основе принципа калибровочной инвариантности привел в работе [2] к обоснованию воз­ никновения в деформируемом кристалле внутреннего механического поля вихревой природы. Компонентами тензора напряженности этого поля являются изменение во времени плотности дислокаций (трансляционная мода) и плотности дисклинаций (ротационная мода).Эти две моды дефор­ мации связаны между собой,одной системой уравнений механического по­ ля, подобных уравнениям Максвелла дня электромагнитного поля. Только в частных случаях можно расцепить эти уравнения и описывать дефор­ мацию либо на основе теории дислокаций,либо на основе теории дисклина­ ций. Вобщем случае трансляционная и ротационная моды деформации

Органически взаимосвязаны в рамках единого механического поля.

Для выяснения специфики вихревого характера пластического течения,

иерархии структурных уровней деформации, зарождения трещин и разру­ шения в условиях знакопеременного нагружения авторами с сотрудниками выполнен большой цикл исследований усталостного разрушения поли­ кристаллов свинца и ряда сплавов на его основе [5—10]. Малорастворимые примеси различного типа (горофильные и горофобные) позволили направ­

ленно изменять степень возбуждения как границ зерен, так и кристалли­ ческой решетки самих зерен и тем самым существенно влиять на характер формирования диссипативной структуры поликристалла на различных структурных уровнях. Исследованные 'материалы являются типичным примером сильно возбужденных систем, в которых при 20°Сисходная зеренная структура уже является диссипативной [11]. Это позволяет многие механизмы деформации и разрушения наблюдать на макроуровне и вскрыть общую картину усталостного разрушения поликристаллов.

114

Настоящая работа является обзором указанных исследований. Материалы и методика исследования. Вкачестве материалов исследова­

ния использовали свинец технической и высокой чистоты (99,95 и 99,999%) и сплавы на его основе. Свинецдля таких исследований является весьма удобным материалом. Будучи очень пластичным под действием статических нагрузок, он при знакопеременном нагружении всегда разру­ шается по границам зерен (ГЗ) без заметной остаточной деформации [7—10]. Низкая температура плавления свинца и его сплавов (комнатная температура составляет ~0,5 Гпл) позволяет наблюдать на этих материалах весь комплекс структурных изменений, характерных для более тугоплав­ ких материалов при высоких температурах.

Свинец не активен к примесям внедрения, что позволяет исключить их неконтролируемое влияние на механизмы деформации и разрушения поликристаллов. Наконец, свинцовые сплавы широко используются в промышленности (аккумуляторной, кабельной и др.) и их сопротивление усталости является одной из важнейших эксплуатационных характеристик.

Для целенаправленного воздействия на состояние объемов и границ зерен использовали малорастворимые легирующие добавки двух типов. Элементы Sn, Sb и As по отношениюк свинцу являются эвтектическими, горофильными, образующими равновесную сегрегацию по ГЗ [12]. С такими добавками связана высокая концентрация вакансий легирования [13], что должно усиливать процессы вязкого течения по ГЗ. Те и Си являются горофобными по отношениюк свинцу [12], не склонными к сегрегации по ГЗ. Накапливаясь на фронте движения ГЗ за счет сил оттал­ кивания и, кроме того, образуя в решетке кластеры с прочными ковалент­ ными связями (Те), они существенно снижают подвижность ГЗ в свинце.

Исследованные бинарные сплавы на основе свинца 99,999%все были в пределах твердого раствора. Сложные промышленные сплавы имели

техническую чистоту.Составы сплавов приведены в таблице.

Чтобы исключить влияние величины зерна, все сплавы,кроме промыш­ ленных, предварительно обрабатывалинаодинаковое (~ 200 мкм) зерно. Впромышленных сплавах размер зерен составлял 40—50 мкм.

Испытания на усталость проводили на плоских образцах размером 1,2 х 8,0 х 37 мм при комнатной температуре путем знакопеременного консольного изгиба с частотой 430 мин-1 и амплитудой ± 0,5 мм.За коли­ чественнуюхарактеристику усталости взято число циклов до разруше­

ния (Л/).

Структурные исследования проводили методами световой интерферен­ ционной и электронной (растровой и на репликах) микроскопии. Перед испытанием на полированную поверхность образца наносили координатную сетку с квадратными ячейками размером 0,01 мм. Это позволяло исследо­ вать распределение деформации в целом по кристаллу и в отдельных зернах и проводить количественную оценку отдельных составляющих дефор­ маций.

Измерение зернограничного проскальзывания, миграции границ зерен, фрагментации и механизмов внутриэеренного скольжения проводили по

известным методика*! [14, 15]. Измерения количества трещин проводили в месте наибольшего изгибающего момента в интервалах длин трещин от 0,01—0,04 до 0,50—1,00 и > 1мм на стадиях усталости 0, 10, 25, 50,

115

Состав сплавов ичислоцикловдо разрушения (JV)

75, 90 и 100%от долговечности. После этого все образцы (по три образца на точку) растягивали до разрушения с цельюопределения временного сопротивления (рв). Для каждой серии образцов строили гистограммы распределения трещин по ихдлинам в указанных интервалах.

Структурные уровни деформации поликристаллов при знакопеременном нагружении. В литературе известно большое количество структурных исследовании усталости, но их подавляющее большинство проведено на дислокационном уровне с анализом формирования дислокационной струк­ туры в зернах [16—19]. Это связано главным образом с изучением внутризеренного разрушения, когда трещины зарождаются и распространяются в полосах усталости.

Однако совершенно очевидно,что на развитие усталостного разрушения поликристаллов существенное влияние должна оказывать иерархия струк­ турных уровней деформации и характер поведения при знакопеременном нагружении отдельных зерен как целого. Не случайно на практике часто

наблюдается усталостное разрушение по ГЗ. Этому способствуют повышен­ ные температуры деформации, высокие амплитуды напряжения, всевоз­ можные обработки, сильно упрочняющие объем зерна по сравнению с ГЗ [16-19], и др. Границы зерен служат местами возникновения наиболее мощных концентраторов напряжений, последние же,как известно [16,17], играют определяющую роль в усталостном разрушении материала.

Очень важно понять, как формируются концентраторы напряжений по ГЗ при знакопеременном нагружении поликристалла, от каких факторов зависят,каким образом можно ими управлять.

Втаблице приведены результаты испытаний свинца и различных спла­ вов на его основе. Видно,что выбранные добавки оказывают и по степени, и по характеру существенно разное влияние на циклическую долговеч­ ность свинца. При этом важно,что у всех бинарных сплавов и свинца одина­ ковая величина зерна. Так, олово заметно понижает долговечность свинца во всей области твердого раствора. Все остальные добавки повышают ее, но в разной степени. Особенно большой эффект дает легирование тел­ луром, образующим со свинцом химическое соединение. Промышлен­ ный сплав, содержащий одновременно Sb, Си и Те, имеет наибольшую долговечность,особенно в мелкозернистом состоянии.

Типичные картины структурных изменений на разных стадиях усталости приведены на рис. 1,2.Прежде всего обращает внимание весьманеоднород-

116

Рис.4.Зависимость сдвига по границам индивидуальных зерен от числа циклов в Pb + l,0%Sn

Другими словами, движение зерен как целого является важным элемен­ том иерархии структурных уровней деформации поликристаллов при знакопеременном нагружении. Всвязи с этим методом реперных сеток проведены систематические исследования величины и направления ЗГскольжения (ЗГС) для отдельных случайных ГЗ при наблюдении за одним и тем же местом пересечения риски с ГЗ [8].

Действительно, наблюдаются большие эффекты движения зерен как целого. На рис. 4 приведена кинетика изменения сдвига по ГЗ при уста­

лости. Отдельные кривые относятся к различным случайным ГЗ одного и того же образца. Видно, что ЗГС в этомслучаепротекаетнемонотонно, часто изменяя знак, что отражает стохастический характер движения отдельных зерен.

Знакопеременный характер ЗГС продемонстрирован на рис. 5, где показано одно и то же место после разного числа циклов нагружения.

Видно, что по мере циклирования величина смещения риски в месте ее пересечения с ГЗ то увеличивается, то уменьшается. Такая специфика приводит ктому, что видимый сдвиг по ГЗ, какправило,мал.Однако его интегральная величинадостигает больших значений.

Иллюстрацией сказанного являются рис. 6, 7, где представлены зависи­ мости от числа циклов нагружения величины среднего сдвига по ГЗ, изме-

120