книги / Микропластичность и усталость металлов

Ют 'Последовательно этапы развития плоских Скоплениii дислокаций, взаимодействия в пластической зоне скоплений дислокаций противоположного знака с об­ разованием зародышевых субмикротрещин, а также слияния их с магистральной трещиной и продвижени­ ем ее в глубь материала. Затрудненность пластиче­ ской деформации у вершины трещины и зарождение по сдвиговому механизму субмикротрещин обусловли­ вает развитие вязких кристаллографических участков разрушения.

Количественный стереофрактографический анализ профиля бороздок усталости свидетельствует о неидентичности рельефа противоположных сторон изло­ мов, что соответствует представлениям о развитии трещины по линии .максимальных интенсивностей де­ формации в комбинации с механизмом пластического затупления вершины трещины [130].

Последовательное описание накопления повреж­ дений требует рассмотрения всего ансамбля трещин в

дислокационную структуру металлических и полупро­

дислокаций в германии и кремнии при комнатной температуре [131]. Эти результаты привлекают осо­ бое внимание, так как существует мнение, что в неко­ торых случаях физический предел усталости соответ­ ствует критическому напряжению движения и размно­ жения дислокаций.

Понижение критических напряжений движения ди­ слокаций при многократном изгибе образцов фтори­

гружении с частотой примерно i Гц критическое На­ пряжение размножения дислокаций уменьшается на порядок, если воздействие 'повторяется несколько сот раз:

пряжений фигуры травления и расположение лучей дислокационных розеток, авторы обнаружили, что скопившийся у границы блоков ряд дислокаций про­ рывается через нее, если приложить малые напряже­ ния большое число раз. Описанные эффекты измене­ ния критических напряжений правомерны, если про­ должительность паузы между нагружениями недоста­ точна для протекания возврата. Выдержка в ненагру-

изменения внутреннего трения и дислокационной струк­ туры кристаллов показывает, что возрастание дисло­ кационного затухания на ранних стадиях нагружения соответствует интенсивному размножению дислокаций |[131]. Эффект при малых напряжениях бывает не­ большим и 'при длительном циклировании стабилизи­

сталлической решетки. При промежуточных уровнях напряжения скорость образования дислокационных петель может уравновешиваться скоростью их закреп­

реннего трения металлов в результате низкочастотно­ го циклического деформирования при различных ам­ плитудах кручения. На кривых Q-1 (т) обнаружен макси­ мум, который соответствует пределу усталости иссле­ дованных металлов. Вывод о таком способе определе­ ния предела усталости несколько преждевременный и полученные данные требуют более глубокого изуче­ ния. Поскольку закрепление дислокаций возможно, в частности точечными дефектами, дислокационное за­ тухание металлов и оплавов является функцией ча­ стоты нагружения и температуры. Кроме того, 'кине­ тика накопления неупругих деформаций по ходу уста­ лостного нагружения реальных машиностроительных материалов значительно отличается от таковой для технически чистых кристаллов.

Проведенные В. Т Трощенко и др. систематические исследования показали [37], что изменение неупру­ гой деформации за цикл нагружения Ае (использо-

риала. К 'разупрочняющимся на этой стадии матери­ алам относятся, например, сталь марок 20, 45 и 40Х, алюминиевый сплав Д16Т и др.; к циклически упроч­

ших напряжениях. Для некоторых сплавов (цикличе­ ски стабильных) Де не зависит от числа циклов.

Результаты экспериментальных исследований по­ зволяют считать, что инкубационный период не всегда связан с упрочнением. Возможно уменьшение сопро­ тивления циклическим неупругим деформациям вслед­ ствие возникновения системы ориентированных оста­ точных напряжений в зернах поликристалла, влияние которых может быть весьма существенным. Проявле­ ние эффекта Баушингера наиболее существенно в вы­ сокоуглеродистых сталях и дюралюминии.

чительному увеличению). Третий период наблюдается при напряжениях выше предела усталости и сопро­ вождается интенсивным ростом рассеяния энергии или неупругой деформации. В зависимости от свойств ма­ териала, величины напряжений, температуры и вида напряженного состояния продолжительность указан­ ных стадий может быть различной. Анализ данных измерений показал, что при оценке усталостного по­ вреждения металлов целесообразно использовать численные значения неупругой деформации, соответ­ ствующие началу второго периода, получившие назва­ ние стабилизированных значений неупругой дефор­ мации.

По результатам испытаний Де—/(JV) одного или нескольких образцов для различных напряжений возможно построение диаграмм циклического дефор-

Миро&ания—зависимостей между амплитудами на­ пряжений и деформации. Для разупрочняющнхся ме­ таллов эти диаграммы расположены «иже, для уп­ рочняющихся — выше диаграмм статического растя­ жения. Обычно используют стабилизированные значе­

ний [37]. При одинаковых действующих напряжениях значения рассеяния энергии для однородного (растя­ жение-сжатие) и неоднородного (изгиб) напряжен­

ние) рост необратимо рассеянной энергии с увеличе­ нием напряжений выражен наиболее полно. Чувстви­ тельными к режиму нагружения оказываются цик­ лически разупрочняющиеся стали, в которых повреж­ дение материала происходит в вершине трещины. Сте­ пень повреждения и размеры области, охваченной им, увеличиваются с продвижением фронта трещины и ро­ стом .коэффициента интенсивности напряжений [136]. Для материалов, у которых зоны пластичности очень 1малы (например, сталь 45 после закалки и низкого от­ пуска) или происходит затухание пластических дефор­ маций при циклическом упрочнении (армко-железо), отличия в характеристиках вязкости разрушения при различных режимах нагружения не наблюдается.

В работе [137] показана возможность выделения стадии интенсивного развития микропластических де­ формаций при изучении некоторых физико-механиче­ ских свойств стали 40 в процессе накопления устало­ стной повреждаемости. На рис. 36 представлено изме­ нение некоторых характеристик стали, связанное с развитием локальных сдвиговых деформаций. После числа циклов No, соответствующих подготовительному (инкубационному) периоду, происходит резкое умень­ шение сопротивления микропластическим деформаци­ ям. В достаточно узком интервале цитирования (от­ мечен штриховкой на рис. 36) наблюдается значитель­ ное уменьшение прочностных характеристик стали

структура и рост полос скольжения в зернах металла. При напряжениях, не превышающих предел усталости, образуется стабильная структура из изолированных плотных дислокационных сгущений, обеспечивающих интенсивное сильное упрочнение; в области ограни­ ченной долговечности развивается ячеистая и полосо­ вая структура (данные получены для монокристал­ лов кремнистого железа '[138]) Процесс упрочнения отражается на изменении физико-механических ха­ рактеристик.

В проблеме усталости стали один из важнейших— вопрос о влиянии старения непосредственно в ходе де­ формирования на кинетику и механизм накопления необратимых структурных изменений, приводящих к раз-рушению. Определить вклад динамического дефор­ мационного старения (ДДС) в процессы упрочнения —

Исследования, выполненные на образцах из монокристаллического кремнистого железа и поликристаллических образцах из армко-железа и стали 45 мето­

Велера [139], обнаружили корреляцию между кривы­ ми микротекучести и усталости металла (рис. 37).

б, МПа

Рис. 37. Связь кривых мнкротекучсстн (а) и усталости (б):

3 ~ м о н о к р и стал л ы F c —Si; 4 — с т а л ь 15; 5 — а р м к о -ж е л е зо [I39]

У лоликристаллических материалов первая стадия микротекучести не зафиксирована; ее проявление воз­ можно при более низких напряжениях (рис. 37, а), Наиболее характерной для деформационного упрочне­ ния является смена механизма при напряжении <тКр„

который связывается с различными процессами: с пе­ реходом от независимой деформации отдельных кри­ сталлитов к кооперативной деформации, с развитием поперечного скольжения, со степенью закрепленности

ния смены механизмов микротекучести и проявления физического предела текучести, совпадают в общих чертах. Изучение дислокационных структур монокри­ сталлов Fe—Si показало [139], что на второй стадии микродеформация связана с перемещением краевых дислокаций на большие расстояния, на третьей ста­ дии— с размножением винтовых дислокаций попереч­ ным скольжением. Для поликристаллов на последней

стадии имеются признаки кооперативной деформации зерен.

Величина пластической деформации, соответствую­ щая росту скорости микротекучести, при статическом деформировании (1—1,5) -10~5 хорошо соответствует

ния. При е<е,„ развивается упрочнение локальных

Для стали 50 аналогичные исследования были вы­ полнены в условиях знакопеременного чистого изгиба (частота 2360 цикл/мин) при принудительном тепло­ отводе путем Цодачи на образец охлаждающей эмуль­ сии и без охлаждения [140]. В процессе циклического нагружения При перегрузке a=.l,30o-i изменение прогиба образца при обычной методике испытаний но­

сит экстремальный характер. Кинетику накопления микропластической деформации отражают результа­ ты механических испытаний на растяжение образцов, прошедших различное число циклов нагружения без охлаждения и с охлаждением. Во всех случаях на начальной стадии процесса снижение предела текуче­ сти обусловлено развитием микропластичности в по­ верхностном слое образца, а уменьшение протяженно­

многом определяется условиями испытания. Для оцен­ ки влияния динамического деформационного старения на кинетику накопления необратимых структурных изменений в процессе циклического деформирования делали кратковременные остановки после различного числа циклов и измеряли декремент колебаний б при частотах килогерцевого диапазона.

При испытаниях без охлаждения характерным яв­ ляется наличие максимума на кривой б(N) при 3000 циклах. Рост декремента связывается с процес­ сом размножения свежих дислокаций, а падение — с упрочнением, обусловленным упорядочением дислока­ ционной структуры и протеканием динамического де­ формационного старения. Старение протекает весьма интенсивно в том случае, если циклическое деформи­ рование проводят без охлаждения; причем оно полу­ чает развитие лишь при достижении некоторой крити­ ческой температуры, вполне определенной для данной марки стали и выбранных условий нагружения. При испытании с охлаждением изменение декремента с числом циклов имеет другой характер: -резкое увели­ чение затухания при первых циклах сменяется плав­ ным, почти линейным ростом.

Кинетику ДДС изучали по кривым изменения де­ кремента колебаний во времени, снятым с образцов одной серии после различного числа циклов нагруже­ ния. На начальной стадии циклического деформирова­ ния вследствие активизации старых и зарождения но­ вых источников дислокаций число продуцируемых дислокационных петель быстро растет, приобретая лавинообразный характер, что сопровождается интен­ сивным разогревом образца. При достижении крити­ ческой температуры (для выбранных условий —пере-