книги / Синергетика и усталостное разрушение металлов

ды деформации на более низком структурном уровне. Сростом числа циклов нагружения разориентация полос увеличивается, и естественным завершением этого процесса является зарождение и развитие магистраль­

ной трещины.

Вся картина структурных изменений в зоне разрушения свидетельст­ вует о том, что металл при разрушении находится в особом состоянии, которому свойствен квазивязкий характер деформации. Это наглядно видно на рис. 14,в, где представлено расслоение материала на ламели при движении магистральной трещины через зону сильно локализованной деформации. Сам процесс распространения трещины определяется, очевид­ но, как характером напряженного состояния в материале, так и степенью его возбуждения в различных зонах, поскольку трещина проходит не всегда по ГЗ, а иногда отклоняется от нее, проходя по зоне стесненной

деформации.

Если в сильно возбужденное состояние переведен весь объем зерна, из зон концентраторов напряжений по зерну могут распространяться пред­

вестники трещин, которые во вторичных электронах проявляются как

светящиеся треки. На рис. 14,г приведена типичная картина возникновения подобных треков в зернеА от вершины поворачивающегося зерна В. Входе последующего циклирования вдоль указанных треков распространяются

трещины.

Полученные результаты показывают, что знакопеременное нагружение, приводящее к сильной локализации деформации, движению зерен как целого, возникновению'зон сильно стесненной деформации,создает исклю­

чительно благоприятные условия для формирования зон сильно возбуж­

денного состояния и распространения в них усталостного разрушения. Рассмотрим кратко статистическую картину развития усталостного разрушения, полученнуюв результате изучения статистики числа и рас­ пределения трещин по размерам и их влияния на механическую прочность

(рв) на разных стадиях усталости.

Как в свинце, так и в сплавах на его основе трещины возникают на ГЗ на самых начальных этапах знакопеременного нагружения. Последнее характерно и для внутризеренного усталостного разрушения.

Всвинце и твердых растворах Pb—Sn, имеющих наиболее низкую долго­ вечность, количество мелких трещин (< 0,5 мм) в процессе нагружения сначала возрастает, а затем уменьшается в результате их объединения в крупные (> 0,5 мм). Крупные трещины в этих материалах появляются также на начальных стадиях испытания, но их количество относительно невелико, а с увеличением числа циклов оно монотонно возрастает. Однако суммарная протяженность мелких трещин мала, она составляет 3-11% об­ щей длины всех трещин. Это означает, что определяющую роль в усталост­ ном разрушении играют крупные трещины. Именно с образованием круп­ ных (0,5 мм и выше) трещин связано понижение ов при последующем растяжении образца. При дальнейшем увеличении числа циклов нагружения наблюдается определенная стадия монотонного снижения ав. Резкое паде­

ние ов, заканчивающееся разрушением, происходит в результате развития магистральной трещины.

Всвинце и сплавах Pb—Sn наличие крупных трещин и снижение с?в наблюдаются практически с самого начала циклирования. В наиболее

134

стойком материале (Pb-Sb-Cu-Te) при одинаковом числе циклов испы­ тания мелких трещин возникает не меньше, чем в свинце, но крупные отсутствуют до 50%от его долговечности, когда свинец уже давно разру­ шился. Максимальное количество мелких трещин в сплаве Pb-Sb-Cu-Te на порядок больше, чем в свинце. Это означает, что легирование не влияет на зарождение трещин, а лишь на их распространение и слияние.Детальная картина распределения трещин по размерам, их влияния на величину ав и время до разрушения представлена в работе [7].

Совокупность полученных закономерностей свидетельствует о том, что поведение поликристалла при знакопеременном нагружении при повышен­ ных температурах определяется в основном его способностьюк движению зерен как целого, т.е. для понимания природы усталостного разрушения поликристалла необходимо учитывать в общей картине его деформации

движение зерен как целого и иерархиюструктурных уровней деформации. Наиболее простой и доступный путь повышения усталостной прочности поликристаллов - это целенаправленное легирование, затрудняющее лока­ лизацию деформации, зернограничное проскальзывание и возникновение зон стесненной деформации. Это наглядно иллюстрируется сопоставле­ нием влияния на механизмы усталостного разрушения легирования свинца оловом, понижающим его циклическую долговечность,и теллуром,макси­

мально повышающим ее.

Влияние легирования необходимо рассматривать через его воздействие на состояние границ зерен и их объемов.

Изменение состояния ГЗ в результате легирования может быть обуслов­ лено следующим. Эвтектические горофильные добавки, в частности Sn, образуют сегрегации на ГЗ,снижая поверхностнуюэнергиюГЗ итем самым понижая их подвижность. Сдругой стороны, с эвтектическими добавками связана высокая концентрация вакансий легирования [13],что усиливает все диффузионные процессы в зоне сегрегации таких добавок. Всплавах Pb—Sn преобладает, очевидно, второй фактор, т.е. в них ГЗ как бы ’’подо­ греты”, что приводит к облегчению ЗГС, непрерывно подпитываются опасные концентраторы напряжений и, как следствие,возникают крупные трещины в самом начале циклирования с быстрым образованием магист­ ральной трещины.

Горофобные добавки не склонны к сегрегации на ГЗ. Накапливаясь на фронте их движения за счет сил отталкивания и, кроме того, образуя в решетке кластеры с прочными ковалентными связями (Те),они подав­

ляют деформацию,связанную с ГЗ.

Состояние объемов зерен в значительной мере определяется сдвиговой устойчивостью решетки, которая может существенно изменяться в резуль­ тате легирования. Известно [24], что для твердых растворов, близких к пределу растворимости, наблюдается снижение устойчивости решетки на сдвиг. Поскольку этот эффект является объемным, его степень должна быть значительно больше для Pb—Sn, чем для РЬ—Те (в первом концент­ рация твердого раствора на 2 порядка выше).

Кроме того, в сплавах, содержащих Те,имеет место химическое взаимо­ действие компонентов, проявляющееся в образовании интерметаллическо­ го соединения РЬТе, что также должно повышать сдвиговую устойчивость решетки.

13S

Отсюда понятны высокая склонность концентрированных сплавов Pb-Sn кЗГП,локализации деформации, экструзии и расслоению.Врезуль­ тате в приграничных зонах, особенно в стыках зерен,возникают мощные концентраторы напряжений, быстрое распространение и слияние микро­

трещин на ослабленных ГЗ.

Наоборот, теллур в свинце затрудняет ЗГС и локализацию деформации,

формирует в сплаве мелкозернистую,термостабильную структуру.

На основании всего сказанного можно сделать вывод,что принципиально важной особенностью знакопеременного нагружения поликристалла являет­ ся преимущественное развитие скольжения по двум системам плоскостей, в большинстве случаев разнесенных в смежных зернах. При этом наряду с сильнодеформированными зернами в сечении образца сохраняется боль­ шое число слабодеформированных зерен.Первичное скольжение обусловле­ но нагружением одного знака, вторичное —нагружением обратного знака. Последнее обеспечивает релаксацию деформационного упрочнения в пер­

вичной системе скольжения и локализацию в ней при циклическом нагружении аномально высоких деформаций одного знака.

Как следствие, деформирующиеся зерна порождают в поликристалле большие локальные поворотные моменты и вызывают поворотные моды деформации на высоком структурном уровне. Неравноосность зерен обус­ ловливает при их повороте целый спектр аккомодационных механизмов деформации по границам зерен и в приграничных областях. На слабоискривленных границах возникает зернограничное проскальзывание. В стыках зерен и на изгибах границ возникают области стесненной деформа­ ции, в которых развиваются аккомодационные процессы поворотного типа: двойникование, фрагментация, полосы сброса, миграции ГЗ, вязкое искривление расслаивающихся полос скольжения, вихревое течение не­ диффузионной природы. Влияние ЗСД на смежные зерна обусловливает ускорение их поворотов и замедление поворотов первичных зерен. Вре­ зультате эффекты зернограничного проскальзывания носят знакоперемен­ ный осциллирующий характер.

Количественно изучение аккомодационных механизмов деформации поворотного типа показывает, что в полном соответствии со знакопере­ менным проскальзыванием по границам зерен происходит осцилляция фрагментации в ЗСД. Фрагментация распространяется от границ в глубь зерен эстафетно, последовательно захватывая новые полосы. Аналогичный характер эстафетного распространения проявляет миграция ГЗ, которая

имеет не диффузионную природу, а связана с возникновением аккомода­ ционных полос промежуточной ориентации между смежными зернами при их взаимном повороте. Все аккомодационные процессы поворотного типа могут происходить только в решетке с сильной степенью возбуж­ дения.

Повороты зерен как элементов диссипативной структуры обусловлива­ ют возникновение по границам зерен трещин с самого начала циклирования. Вполикристаллах с ослабленными ГЗ наряду с мелкими появляются крупные трещины. Вслучае поликристаллов с упрочненными ГЗ макси­ мальное количество мелких трещин на порядок больше, чем в материалах с ослабленными ГЗ, но крупные трещины появляются лишь при 50%долго-

136

вечности. Начало снижения во всех случаях связано с Образованием круп­ ных трещин, его резкое снижение —сразвитием магистральной трещины.

Аккомодационные поворотные моды в ЗДС также сопровождаются появлением микротрещин. Их развитие обусловливает транскристаллитное разрушение.

ЛИТЕРАТУРА

1.Панин В.Е.,Лихачев ВА.,Гриняев Ю.В.Структурные уровни деформации твер­ дыхтел.Новосибирск:Наука,1985.226 с.

2.Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Егорушкин В.Е.и др.Спектр возбужденных состоя­ ний и вихревое механическое поле в деформируемом кристалле //Изв.вузов.Физи­ ка.1987.№1.С.34-51.

3.Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Савушкин Е.В., Хон ЮА.Сильно возбужденны состояния в кристаллах //Тамже.С.9-33.

4.Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф.,Иванчин А.Г. Структурные уровни деформациитвердых тел //Тамже.1982.№6.С.5-27.

5.Elsukova T.F.,Macogon М.В.,Bolshanina МА.,Eliseeva М.К.Investigationofstreng­ thening mechanismsof lead by alloys to develop improved lead alloys for cables sheaths 11 Trans.Lead Dev.Assoc.L.,1976.P.3-21.

6.Elsukova T.F.,Macogon M.B., Eliseeva M.K.,BratchikovA.D.Comparative characte­ ristics oflead cable sheathing alloys//Ibid.P.23-30.

7.Большанина M.A., Кондратьев ПА., Елсукова Т.Ф.,Макогон МБ. Усталостное разрушение по границам зерен в свинце и свинцовых сплавах // Пробл, прочности. 1982.№9.С.33-39.

8.Елсукова Т.Ф., Афанасьев Н.И., Веселова О.В.Охарактере зернограничного проскальзывания при усталости свинцовых сплавов // Изв. вузов. Физика. 1985. №4.С.122-123.

9.Елсукова Т.Ф., Панин ВЛ., Веселова О.В.Роль движения зерен как целого в усталостном разрушении поликристаллов при повышенных температурах // Физика разрушения: Тез.докл. VРесп.конф.,Черновцы, 1985. Киев: Ин-т пробл.материало­ ведения АНУССР, 1985.С.186-187.

10.Елсукова Т.Ф.,Панин ВЛ..Веселова О.В., Веселов ЮТ. Закономерности и макроскопический механизм циклическойдеформацииполикристаллов при повышен­ ныхтемпературах//Изв.вузов.Физика.1987.№11.С.27-31.

11.Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф.Атом-вакансионные состояния в кристаллах //Тамже.1982.№12.С.5-28.

12.Афанасьев Н.И., Елсукова Т.Ф.Влияние примесей на скорость прерывистого распада сплавов свинец-олово // Физика металлов и металловедение. 1984. Т.57, вып. 1.С.96-101.

13.Панин В.Е., Жоровков М.Ф.,Наумов И.И.и др. Физические основыфазовых равновесий в сплавах // Диаграммысостояния в материаловедении: Материалы1 Всесоюз. шк. по диаграммам состояния в металловедении, Кацивели, 1978. Киев: Ин-тпробл.материаловедения АНУССР, 1979.С.144-169.

14.Рогалина Н.А.,Шалимова А.В.Экспериментальныметодыисследованиязерно­ граничного проскальзывания // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. №5.

С17-29.

15.Финкель В.М., Зрайченко ВА.,.Деяшина Т.К. Исследование роста трещин в трансформаторных и некоторых углеродистых сталях //Физика металлов и металло­ ведение.1963.Т.16,вып.3.С.448-455.

16.Иванова В.С., Ботвина Л.Р., Маслов Л.И.Прогнозирование вязкости разруше­ ния и других механических свойств с использованиемкритериев подобия //Усталость ивязкостьразрушения металлов.М.:Наука,1974.С.3-35.

17.Кацанъда С.Усталостное разрушение металлов. М.:Металлургия, 1976.456 с.

18.Головин СА„ ПушкарА.Микропластичность и усталость металлов.М.:Метал­ лургия,1980.239 с.

19.Иванова В.С., Терентьев В.Ф.Природа усталости металлов. М.:Металлургия, 1975.455 с.

137

сти, теплопередачи, тепловое расширение, а такие важные характеристики, как диффузия, прочность и пластичность,вообще определяются дефектной структурой материала. Поэтому ее изучение имеет основополагающее зна­ чение не только с точки зрения исследования явление при разрушении, но и для прогнозирования свойств материала в тех или иных условиях, определяющих его внутреннее строение.

Внастоящей работе исследована картина стадийности процесса разруше­ ния, динамика которого характеризуется на каждом этапе (стадии), по мере изменения состояния твердого тела, вовлечением новых, все более высоких уровней дефектности материала, связывая этим процесс разру­ шения с характером накопления дефектов в материале.На основе обобщен­ ных нелинейных уравнений эволюции для элементов разрушения, состав­ ленных на базе представлений об активных кинетических системах [4], изучена возможность последовательного нарастания концентраций этих элементов, приводящего к установлениюквазистационарных состояний, каждое из которых, вообще говоря, существенно отличается от пред­ шествующего как по характерному времени релаксации,так и по масштабу

пространственной неоднородности возмущений плотностей дефектов. Такое отличие связано с различным набором элементов разрушения,

образующих данное состояние, при этом для каждого из них можно выде­ лить специфические механизмы диссипации энергии< Последовательной (иерархической) смене уровней дефектности можно поставить в соответ­ ствие вполне определенный спектр квазистационарных состояний.Развитие неустойчивости возникает при достижении материалом критического состояния, мерой которого служит деформация твердого тела. Соответ­ ствующие пороговые значения этой характеристики могут быть использо­ ваны для определения критических величин других параметров, которые

выражаются через деформацию известными соотношениями [5].

Смена квазистационарных состояний в рамкаходного уровня дефектной структуры возможна также и в том случае,если фиксированному набору параметров отвечаю несколько различных значений концентраций дефек­ тов. При -этом переход от одного набора квазистационарных значений концентраций к другому обусловливается требованием энергетического минимума текущего состояния системы. Этот эффект рассмотрен на при­ мере микротрещин. Решение уравнений динамики позволяет связать осо­ бенности эволюции дефектной структуры с изменением внутренней де­ формации и определить закон релаксации плотности микротрещин к ста­

чальным условиям, т.е. с точки зрения установления квазистационарных состояний и перехода между ними характер разрушения определяется начальным уровнем дефектности и соответствующим ему состоянием (типом структуры дефектов). Поэтому,стабилизируя тот или иной уровень структуры,можно управлять и направлять процесс разрушения.

Основные положения теории многостадийного и многоуровнего разви­ тия процесса разрушения. Количественной характеристикой дефектности структуры материала может служить плотность различного рода дефек­

139