книги / Микропластичность и усталость металлов

руктуры на образцах предварительно деформирован­ ной низкоуглеродистой стали.

На участке CD малоцикловой усталости при испы­ тании образцов меди и технического железа с .посто­ янной амплитудой деформации Б. М. Ровинский и др. выявили три периода усталостного разрушения. На первом этапе, составляющим несколько процентов от

зан с соединением .микротрещин, образованием макро­ трещин и конечным разрушением.

Изучение поведения различных дислокационных структур материалов при нагружении в области мало­ цикловой усталости показало, что оно зависит от типа и особенностей дислокационного скольжения в поле действующих сил. Для материалов с характерным ка­ рандашным (волнистым) и легким поперечным сколь­ жением таких, как медь, чистое железо, низкоуглеро­ дистая сталь и некоторые алюминиевые сплавы, обра­ зуется ячеистая субструктура независимо от того, как был обработан материал перед повторным нагружени­ ем [165]. Материалы с типичным плоским характером скольжения (например, сплав Cu+7,5% А1) форми­ руют специфическую «жилистую» структуру [166]. Плотность дислокаций сильно зависит от исходной об-, работки материала. Вид формирующейся дислокаци­ онной структуры определяется уровнем амплитуды циклической деформации, местом, в котором под по­ верхностью тела оценивали субструктуру, а для моно­ кристаллов она зависит и от способа ориентации вы-: резки фольги.

На образование и характеристики описанных участков малоцикловой усталости, по-видимому, ока­ зывает влияние частота нагружения. Сокращение вре­ мени приложения переменных напряжений, хорошо выраженный эффект разогрева образцов при высокой частоте нагружения и интенсивное циклическое упроч­ нение так же, как и наличие повышенной концентра­

де перегибов на кривой оа—N. Наличие этого факта ■подтверждено многими авторами на разных типах ма­ териалов и образцах различной формы. В. С. Ивано­

ба, МПа

рис. 48, кривая 2)\ для циклически неупрочняющихся

определить предел усталости по известному значению

Однако некоторые эксперименты не согласуются с выдвинутой предпосылкой.

стижению «истинного предела усталости». Из данных, приведенных на рис. 49, видно, что предел усталости цементованных образцов равен амплитуде напряже­ ния, при которой на кривой Велера для образцов в исходном состоянии имеется разрыв. Такие же резуль­ таты были получены на углеродистой стали, низкоуг­

размещением долома. Для гладких образцов Вильямс

с добавками титана, меди и латуни составило 1,5—1,6

годным. В сплавах титана разрывы на диаграмме ус­ талости были обнаружены при повышенных темпера­

лостной диаграмме обнаружил для некоторых спла­ вов повышение напряжения оп интервала долговечно­ сти и снижение предела усталости при высоких часто­ тах нагружения. Однако испытания образцов сплава титана 2024-Т4 [283] показали, что повышение часто­ ты от 1,6 до 1200 Гц вызывает возникновение разры­ вов при более низких значениях амплитуд напряже­ ний. По-видимому, при обсуждении влияния частоты на возникновение разрывов на диаграмме необходимо учитывать динамику процесса нагружения при повы­ шении частоты и амплитуды напряжения и значитель­ ный разогрев образцов. Эти факторы влияют не толь­ ко на положение разрывов, но и способствуют сниже­ нию предела усталости.

ются границей между квазистатической механической усталостью и усталостью, связанной с развитием мак-

рина разрыва зависит от типа материала и асиммет­ ричности нагружающего цикла. Второй тип превраще­ ний обнаруживается при напряжениях, близких к зна­ чениям динамического предела текучести. Положение разрыва зависит от исходных свойств материалов, скорости нагружения, формы образцов и от темпера­ туры разогрева их в течение испытания. Этот тип раз­ рывов определяет границу между малоцикловой и вы­ сокоцикловой усталостью. Превращения третьего типа

вы второго и третьего типов могут возникать одновре­

Среди факторов, обусловливающих появление раз­ рывов или влияющих на их параметры, следует отме­ тить структурное состояние материалов< способ нц-

гружения, свойства и качество поверхности, темпера­ туру образцов в течение испытания, форму испытуе­ мых образцов, частоту нагружения и многие другие внешние и внутренние факторы, влияющие на возник­ новение и распространение усталостных трещин. Всеэто вызывает неоднозначность и сложность описания разрывов в отдельных случаях. Например, В. И. Ша­ балин [176] объясняет наличие разрывов различными концентрациями вакансий при нагружении выше и ни­ же критического напряжения GD; он отмечает разный

лости). Уровень напряжения, соответствующий обра­ зованию разрыва, отвечает «истинному пределу уста­ лости», выше которых в металлах формируются субзерна и образуются микротрещины по границам зерен. Возникновению разрывов способствует также диспер­ сионное твердение стали [177]. В настоящее время пока нет единых модельных представлений о природе-

•в диапазоне напряжений между динамическим преде­ лом текучести (или критическим напряжением ак) и пределом усталости а™. Для определенного уровня на­ пряжений в этом диапазоне, например а*, для низко­

низмы накопления усталостной повреждаемости и: разрушения. Во многих случаях эти механизмы реа­ лизуется совместно при воздействии переменной на­ грузки.

Инкубационный этап усталостного процесса со­ ставляет его первую стадию (см. рис. 46, до кри­ вой /). На этом этапе ощутимых изменений механи­

включений [178]. Для этого этапа характерна гетеро­ генность протекания микропластической деформации отдельных зерен в поверхностном слое. На некоторых

материалов циклическое деформирование на этом эта­ не способствует протеканию в отдельных микрообъе­ мах деформационного старения. Протяженность такой стадии зависит от многих факторов.

К указанному этапу относится также стадия раз­ вития циклической микропластичности (см. рис. 46, кривые 7, 2). Разупрочнение материала при воздейст­ вии циклической нагрузки хорошо фиксируется обра­ зованием открытых петель гистерезиса [179, 180] особенно для металлов с выраженным пределом теку­ чести. На поверхности образцов обнаруживаются ус­

зернах поверхностного слоя. В этих же локальных участках возникают зародыши субмикроскопических трещин, размер которых меньше критического. Воз­ никновение этих трещин объясняется разными и прежде всего дислокационными моделями. На стадии

паюс скольжения. В отдельном ограниченном количе­ стве зерен скольжение вызывает образование экстру­ зий и интрузий и зарождение в них субмикросколических усталостных трещин. Процесс изменения физнче-

ских и механических свойств материала продолжает­ ся. Все описанные явления локализуются в поверхно­ стном слое образца. Поэтому воздействие циклической нагрузки на этом этапе усталостного процесса воз­ можно устранить отжигом или полировкой поверхно­ стного слоя.

Этап зарождения субмикроскопических трещин и их распространения (b) характеризуется диапазоном числа циклов, отвечающим линиям 3 и 4 на рис. 46. Этот пери­ од нагружения сопровождается увеличением числа ста­ бильных поверхностных полос скольжения, интенсивным зарождением и ростом субмикроскопических трещин. Об­ ласть микропластической деформации охватывает значи­ тельное число зерен} на поверхности формируется углуб­ ленный рельеф. Вследствие локального упрочнения мик­ рообъемов, которые были подвергнуты микропластиче­ ской деформации, в процесс пластической деформации вовлекаются менее благоприятно расположенные зерна. Концентрация напряжений в вершинах образовавшихся трещин способствует их росту, соединению и образова­ нию микротрещин в отдельных участках поверхностного слоя образца. В конце этапа на линии Френча в мате­ риале накапливается повреждаемость от этого и предыду­ щих периодов, создаются устойчивые полосы скольжения, происходят значительные изменения свойств и качества поверхностного, а также приповерхностного слоев. Наря­ ду с этим повышается плотность дислокаций и образуют­ ся субмикроскопические и микроскопические трещины, размер которых не превышает размера зерна. Физиче­ ские и механические свойства на этом этапе изменяются плавно. Структурные изменения, а также накопленную повреждаемость уже невозможно устранить отжигом или полировкой.

Период распространения усталостной трещины (с) соответствует диапазону рабочих циклов между линиями 4 и 5\ на рис. 46. Характерным является движение микро­ трещин через границы зерен в плоскостях, перпендику­ лярных направлению действующей нагрузки в условиях плоского напряженного состояния в вершине трещины. На поверхности излома на этом этапе образуются типич­ ные бороздки, а распространение трещины характеризу­ ется низкими значениями коэффициента интенсивности напряжений.

Для низкоуглеродистой стали обнаружено [181], что

плоская напряженность в вершине трещины сохраняется, когда угол между плоскостью разрушения и направле­ нием приложенного напряжения составляет 70—90°. Это соответствует интенсивному образованию бороздок на усталостном изломе. При углах 55—70° обнаруживается смешанный вид рельефа излома и при 45—55° сохраняет­ ся только ямочный рельеф. Изменение характера релье­ фа поверхности излома вызвано различным состоянием пластически деформированной зоны перед трещиной. Соответствие поверхности излома направлению распро­ странения усталостной трещины и уровню приложенных амплитуд напряжений изучено только в общих чертах. На обсуждаемом этапе происходит интенсивное снижение характеристик прочности и пластичности материала об­ разца.

Период конечного долома (d) соответствует линиям 5 и 6 на рис. 46 и связан с нестабильным ростом усталост­ ной трещины. При многоцикловой усталости процесс развития трещины не зависит от величины напряжений и начальной концентрации напряжений [182]. Прочность при образовании конечного излома близка величине ис­ тинного напряжения отрыва. Катастрофическое разруше­

ласть 1). В диапазоне длин трещин от /к до If различает­ ся зона повышенной скорости распространения трещины (макропластичсская нестабильность), которая проявля­ ется на поверхности излома в виде характерных бороз­ док и ямок (область 2). Конечное усталостное разруше­