книги / Микропластичность и усталость металлов

соответствующего числа циклов при переходе от ста­

для условий конечного разрушения (N=Nj\ 1=1)) вы­ ражение (53а) может быть упрощено:

туд пластической деформации ДеР, согласно Мэнсону,

щсй стали).

Накопление повреждаемости при зарождении трещин связано с возникновением пластической деформации при переменном нагружении >в локальных микрообъе­ мах, в которых и возникают трещины критической длины. Условия граничного состояния предполагают, что степень повреждаемости для стадии зарождения трещины и стадии ее роста необходимо учитывать раз­

2.УСТАЛОСТНАЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ

ИРАЗРУШЕНИЕ

Кинетические особенности и динамика процесса ус­ талостного разрушения при механическом переменном нагружении -металлов определяется уровнем амплиту­

менно и идентично во всем объеме образца или дета­ ли. Для поликристаллических материалов это являет­ ся прежде всего следствием различной кристаллогра­

ет благоприятную ориентировку для активизации скольжения при относительно низких циклических на­ пряжениях. «Мягкие» зерна, в которых произошла циклическая деформация за счет перемещения свобод­ ных дислокаций, обладают пониженным сопротивле­ нием пластической деформации по сравнению с объе­ мами, где движение дислокаций затруднено.

Повышение числа циклов нагружения первона­ чально вызывает упрочнение «мягких» зерен. Неодно­ родность протекания микродеформации усиливается химической неоднородностью состава, внутренними напряжениями в микрообъемах, наличием пор, вклю­ чений, преципитатов и т. д. Распространение пласти­ ческой деформации в отдельных зернах и активизация актов микропластичности в новых зернах при цикли­

Накопление усталостной повреждаемости происхо­ дит в несколько стадий, которые контролируются раз­ личными механизмами усталостного процесса. Отдель­ ные этапы и механизмы процесса частично налагают­ ся или не проявляются, что зависит от влияния внеш­ них и внутренних условий на развитие усталости в ме­ таллах и сплавах.

Изменение свойств и структуры металлов. Пере­ менное механическое нагружение при определенном числе циклов вызывает изменение субструктуры и

«-*. е — циклически разупрочняющиеся). а Л5н eQp S^- обозначения соответствую­ щих насыщающих величин; С — статическое нагружение

структуры металлов, что оказывает влияние на их ме­ ханические, электрические, магнитные и другие физи­ ческие свойства. Наиболее интересным является изме­ нение механических характеристик, которое определя­ ется условиями статических испытаний на растяжение, характером и площадью петель гистерезиса три цик­ лической нагрузке, величиной внутреннего трения, твердостью материала и т. д.

Сопротивление металлов и сплавов воздействию циклической деформации с ростом числа циклов на­ гружения увеличивается (рис. 56, а, в, д) или пони­ жается (б, г, е), что зависит от исходной структуры, условий нагружения и температуры. После определен­ ного числа циклов нагружения сопротивление метал­ лов малым пластическим деформациям достигает на­ сыщения при заданных величинах oOSi eaj>s

Электронные устройства современных испытатель­ ных установок позволяют поддерживать в течение на­

когда e0=const, в результате нагружения может из­ меняться только амплитуда напряжения оа. Если оа с

няться амплитуда деформации еа (еас или еар). Цик­

с ненагруженными образцами. Циклическое разупроч­ нение в аналогичных условиях проявляется понижени­ ем предела текучести (рис. 56,е).

С увеличением циклов нагружения на ранних ста­ диях воздействия нагрузки изменяется характер пе­ тель гистерезиса, что регистрируется на диаграммах в

а

Рис. 57. Скемы петель гистерезиса при статическом (а) и циклическом (б) нагружении

нением или разупрочнением, на участке насыщения образуется стабильная петля гистерезиса при задан­ ной амплитуде напряжения (или деформации). Реги­ страция стабильных петель гистерезиса для разных значений оа (или еа) дает возможность построить ди­ аграмму циклического деформирования путем прове­ дения кривой через вершины петель гистерезиса. Эту наиболее важную характеристику возможно экспери­ ментально получить при испытаниях на серии образ­ цов или при испытании одного образца [194]. Вид пе­ тель гистерезиса зависит от отношения величины при­

энергии в течение одного цикла нагружения. Для рас­

где фактор К зависит от вида аппроксимации формы 'петли гистерезиса. Для эллиптической формы /(=1,57,

ности металлов при испытаниях на статическое растяже­ ние (рис. 58). Циклическое нагружение вызывает посте­ пенное уменьшение деформации Чернова — Людерса ![ 179]. Изменение амплитуды пластической деформации в зависимости от числа циклов нагружения для различ­ ных металлов и сплавов неоднозначно. Для стали вслед­ ствие взаимодействия дислокаций с атомами внедрения эта зависимость имеет вид, показанный на рис. 59. Ам­ плитуда пластической деформации с увеличением числа циклов вначале возрастает, достигает максимума и затем

£ар• Ю**

Рис. 59. Изменение амплитуды пластической деформации в зависимости от числа циклов при нагружении разными амплитудами напряжений для стали 12010 (ЧССР) [64]:

/ — а п =250 МПа; 2 — 246.7; 5 — 242,8; 4 — 240; 5 — 237,4; 5 - 232,9; 7 — 228,6

асимптотически понижается до стабильной величины. Та­ ким образом проявляются процессы циклического раз­ упрочнения и последующего упрочнения. Число циклов нагружения, необходимое для достижения максимума, уменьшается с увеличением амплитуды напряжения. Пло­ щадка на диаграмме растяжения (деформация Черно­ ва — Людерса) исчезает после достижения числа циклов, соответствующего' максимуму на кривой гар — N.

Из экспериментальных данных следует, что цикличе­ ское нагружение металлов вызывает значительное изме­ нение структуры и субструктуры и оказывает влияние на все структурно чувствительные характеристики. Увели­ чение числа циклов нагружения циклически упрочняю­

щихся (или разупрочняющихся) материалов способству­ ет повышению (или понижению) твердости, прежде все­ го на поверхности образцов [195, 196]. Интенсивность изменения твердости при циклировании тем выше, чем больше уровень амплитуд напряжений. Со временем из­ менения этой характеристики достигают насыщения. Ци­ клическое воздействие влияет также на хрупкую проч­ ность о* некоторых металлов и сплавов. Например, как

показали испытания на стали ЗОХГСА при температу­ ре— 196°С это влияние существенно (рис. 60). Характе­ ристики хрупкой прочности также зависят от уровня ра­ бочих амплитуд напряжений.

6g,МПа

Рнс. 60. Влияние пульсирующего растягивающего нагружения с раз­

личным уровнем верхнего напряже-

k

ния (У/tна хрупкую прочность ов =

стали ЗОХГСА при —196°С; / — стл =680 МПа. 2 - 840; 3-1180;

стрелками обозначены места нача­ ла роста трещин [197]

Предварительное циклическое нагружение может из­ менить энергию распространения трещины при статиче­ ском нагружении aic, причем величина ее зависит от условий нагружения. Аналогично изменение вязкости разрушения материалов при циклическом воздействии. В большинстве опытов обнаружено понижение значений К|Сили <7ic с повышением числа циклов нагружения и ро­ стом амплитуды напряжения. Однако имеются и проти­ воположные сведения об изменении этих свойств.

Естественно, что циклическое нагружение при опре­ деленной амплитуде напряжения или деформации ока­ зывает влияние на физические свойства металлов. В ли­ тературе имеются сведения об изменении удельного элек­ тросопротивления, например для меди и латуни, внутрен­ него трения, магнитных характеристик, модуля упругости и т. д. При циклическом нагружении существенно повы­ шается температура нагрева металлических образцов. Специалистам хорошо известны результаты испытаний сталей разных марок при двустороннем изгибе с часто­ той 16,6 Гц. Заметное повышение температуры образца

обнаружено после 10нциклов нагружения и затем; (приб­ лизительно 105 циклов) наблюдали ее понижение. Объяс­ нение этого явления основано на представлениях о том, что приложенная механическая энергия переходит в теп­ ловую, т. е. связано с шириной петли гистерезиса. Посте­ пенное понижение температуры образца объясняется окончанием процесса упрочнения металлов. Для значе­ ний амплитуд напряжений выше значений предела уста­ лости происходит непрерывное возрастание температуры образца при увеличении числа циклов до конечного раз­ рушения.

В соответствии с мнением Клеснила и Лукаша [184] циклическое упрочнение проявляется для отожженных металлов, а циклическое разупрочнение — для предвари­ тельно упрочненных материалов, разными способами (деформационное упрочнение, старение, фазовый наклеп, дисперсионное твердение и т. д.). С практической точки зрения циклическое разупрочнение является нежелатель­ ным явлением. В предварительно упрочненных материа­ лах оно зависит от стабильности начального упрочнения и условий нагружения.

Для области малоцикловой усталости возможно эм­ пирически предсказать по результатам статических испы­ таний образцов на растяжение поведение материала при последующем циклическом нагружении [198]. Когда от­ ношение предела прочности ав к пределу текучести ат (или а0,2) больше чем 1,4, материал в обычных условиях нагружения циклически упрочняется; когда отношение меньше 1,2, то циклически разупрочняется. Для отноше­ ний в интервале от 1,2 до 1,4 располагаются циклически стабильные материалы. В( некоторых сплавах при цикли­ ческой деформации одновременно реализуются процессы упрочнения и разупрочнения. Это наиболее типично для металлов и сплавов с выраженным физическим пределом текучести и соответствующей протяженностью деформа­ ции Чернова — Людерса.

Характер скольжения в металлах при статическом нагружениц позволяет предсказать способность материа­ ла к циклическому упрочнению или разупрочнению и скорость протекания этого процесса. Металлы со слож­ ным скольжением (медь, железо, алюминий, никель, уг­ леродистая сталь) имеют стадию изменения свойств при циклироваиии короче, чем металлы с выраженным харак­ терным плоским скольжением (Fe—Si, аустенитные ста­

ли, а-латунь) [199]. Например, циклическое упрочнение меди с легким поперечным скольжением дислокаций в области многоцикловой усталости заканчивается после нагружения 1—3% от общего числа циклов нагружения до излома, в то время как упрочнение сплава Cu+30% Zn со сложным поперечным скольжением дислокаций при сравнительных условиях испытаний занимает 30—40% циклов от общей долговечности [187].

Изменение физико-механических свойств при цикли­ ческом нагружении обусловлено прежде всего перерас­ пределением и повышением плотности дислокаций, а так­ же характером их закрепления другими дефектами кри­ сталлической решетки. Дислокационная структура ме­ таллов, которые циклически упрочняются при воздейст­ вии относительно низкой амплитуды напряжения, сохра­ няет неравномерно расположенные отрезки дислокаций малой плотности (например, в отожженном железе при­ мерно 1012 м“2). Согласно данным работы [200], для чи­ стого железа уже после 1Q циклов нагружения наблюда­ ется заметное повышение плотности неравномерно упоря­ доченных дислокаций. После —100 циклов дислока­ ции начинают группироваться в полосы и образуют от­ дельные дислокационные петли. После 1 • 103 циклов плот­ ность дислокаций в полосах скольжения становится мак­ симальной в то время, как их плотность в прослойках между полосами понижается. Полосы или их скопления длиной от 1до 3 мкм и дислокационная структур г! между ними при дальнейшем циклическом нагружении изменя­ ются незначительно. Для высоких амплитуд напряжений уже в первой половине цикла формируются скопления дислокаций. После 102 циклов нагружения в структуре железа и низкоуглеродистой стали видны четкие зароды­ ши ячеистой структуры, формирование которой заканчи­ вается после циклирования в течение (1—2) -103 циклов. На рис. 61,а показано изменение плотности дислокаций чистого железа при нагружении растяжением — сжатием. После примерно 100 циклов нагружения плотность дис­ локаций достигает насыщения. Эти эксперименты были продолжены нами на отожженных образцах низкоугле­ родистой стали (0,07% С) в области малоцикловой уста­ лости при кручении (релаксатор РКМ—ТПИ с деформа­ ционной головкой). Наряду с измерениями плотности дислокаций электронномикроскопическими методами ана­ лиза тонких фольг на просвет определяли изменения