объемах с критической плотностью дислокаций интен­ сивно протекают процессы выхода дислокаций на поверх­ ность, их разрушение с образованием субмикротрещин. Период развития микротрещин до размеров макротрещин и их развитие до разрушения образца или детали явля­ ется заключительным этапом процесса. Эти характерные области усталостного разрушения вуалируются и ослож­ няются при протекании циклического деформационного старения, окислительными и другими явлениями.

мости при статическом и переменном нагружении. В этом случае необходим комплексный подход при изуче­ нии развития усталости конструкционных металличе­ ских материалов традиционными методами в сочетании с рассмотрением элементарных актов микропластично­ сти в локальных объемах. Такой подход -в настоящее время имеет достаточно полно разработанную теорети­ ческую (теория дислокаций) и экспериментальную ба­ зу. Разнообразие используемых на практике металли­ ческих материалов не позволяет дать общих рекомен­ даций. Поэтому в большей мере внимание было уделе­

Г Л А В А I

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ, ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ И УСТАЛОСТИ

1. МИКРОПЛАСТИЧНОСТЬ

Поведение дефектов решетки под воздействием соответствующих локальных полей напряжений (в том числе и внутренних, вызванных самими дефектами) определяет микромеханику любого деформиро­ вания и разрушения металлов. Описание этого явления и выбор обоснованных критериев разрушения на основе обобщения элемен­ тарных механизмов деформации и разрушения возможно при поста­ новке эксперимента на соответствующем уровне. Попытки рассмотре­ ния механического явления на основе изучения возникновения и раз­ вития очагов деформации в микрообъемах возможны с помощью современной экспериментальной техники, позволяющей изучать мик­ роскопические поля напряжений, локальные концентрации дефектов и их подвижность, релаксацию локальных «пиковых» напряжений, возникновение и развитие трещин и т. д. Протекание микропластической деформации связано со специфическими дислокационными механизмами. Характер ее накопления и переход к макродеформа­ ции неоднозначен для металлов и сплавов с различной структурой [1]. Неоднородность распределения деформации в микрообъемах сохраняется при значительном пластическом деформировании изде­ лия в целом, что предопределяет его эксплуатационные свойства и характер разрушения.

Методы изучения напряженно-деформированного состояния в микрообластях металлов. Структурная неоднородность реальных поликристаллических тел, имеющая, как правило, неупорядоченный, стохастический характер, обусловливает то обстоятельство, что при деформировании компоненты тензоров напряжений и деформаций в каждой точке тела являются случайными величинами, подчиняю­ щимися определенному закону распределения. Неоднородность на­ пряженно-деформированного состояния определяется упругой ани­ зотропией кристаллитов с хаотично ориентированными кристалло­ графическими плоскостями или пластической анизотропией, связан­ ной с различной ориентировкой плоскостей скольжения кристалли­ тов. В то же время такие структурные элементы, как межфазные и межзерепные границы, двойники, неметаллические включения, мик­ роскопические поры и трещины, являясь микроконцентраторами на­ пряжений и деформаций, искажают макроскопическое поле напря­ жений и деформаций, создаваемое внешними силами, и тем са­ мым увеличивают неоднородность напряженно-деформированного состояния в пределах микроскопически малых объемов металла.

Существующие в настоящее время методы непосредственного изучения напряженно-деформированного состояния, к которым сле­ дует отнести методы малобазных тензометрических датчиков соп­

ротивления, делительных сеток, муаровых полос, поляризационно-

оптические методы прозрачных моделей и оптически-активных покры­ тий и др., обладают различной точностью, чувствительностью и ло­ кальностью. В определенной степени перспективным в данной обла­ сти является метод голографической интерферометрии [2], позволя­ ющий регистрировать смещение порядка 0,1 мкм, однако пока он до­ статочно технически сложен и трудоемок. В практике изучения на­ пряженно-деформированного состояния в микроскопически малых областях материалов большое распространение получили метод оп­ ределения деформаций по искажению базы, образованной репер­ ными точками, нанесенными с достаточно малым шагом и поляри­ зационно-оптический метод тонких фотоупругих покрытий. Рассмот­ рим некоторые возможности этих методов в исследованиях дефор­ маций в микрообъемах металла.

Метод тонких оптически-активных покрытий позволяет измерять деформации в широком диапазоне — от упругих до развитых пла­ стических при практически нулевой базе измерений [3]. Метод ос­ нован на свойстве некоторых прозрачных материалов приобретать под действием деформации способность к двойному лучепреломле­ нию. При наблюдении деформированного объекта (модели или по­ крытия на исследуемом образце) в поляризованном свете может быть зафиксирована интерференционна^ картина, интенсивность све­

где 0 — угол между плоскостью поляризации света и одной из глав­

маций в данной точке.

В монохроматическом свете интерференционная картина пред­ ставляет набор темных полос, в белом — набор цветных изохром, каждая из которых соответствует определенному значению Е\—ег. Кроме того, в интерференционных картинах присутствуют интер­ ференционные минимумы, соответствующие точкам, в которых глав­ ные оси деформаций совпадают с плоскостью поляризации света (оптические изоклины»).

Основные особенности методики исследования деформаций в микрообластях связаны с необходимостью применения весьма тон­ ких оптически активных покрытий. Для измерения оптической раз­ ности хода приходится использовать компенсационные методы, обеспечивающие достаточно высокую точность. С этой целью в по­ лярископ, предназначенный для наблюдения картины полос, вводят оптико-механический компенсатор, создающий дополнительную, од­ нородную по всему исследуемому полю оптическую разность хода. Порядок получаемых полос интерференции будет зависеть от вели­ чины разностей хода в покрытии и компенсаторе, а также от вза­

Для регистрации интерференционных картин используют обыч­ ные серийные микроскопы, снабженные поляризующими и компен­ сирующими приспособлениями. Исследуемый образец с нанесенным на него покрытием вместе с устройством для нагружения и ком-

пенсатором устанавливают на стол микроскопа в специальном пово­ ротном устройстве, которое позволяет вращать компенсатор с об­ разцом синхронно или независимо друг от друга (рис. 1 ).

ш^т ЗЕЕЭ-

Рис. 1. Схема для измерения деформации в мнкрообластя.\ поляризационнооптическим методом:

Присутствие изоклин затрудняет расшифровку интерференци­ онных картин, искажая истинные поля распределения деформаций. Для устранения изоклин в оптическую систему полярископа вво­ дят дополнительные элементы (четвертьволновые пластины), со­ здающие круговую поляризацию света, в результате чего интенсив­ ность света в любой точке исследуемого поля определяется раз­ ностью главных деформаций:2

( 2)

К аналогичным результатам приводит использование метода двукратной регистрации интенсивности света. Вариантом этого ме­ тода является способ двойной экспозиции [4], который заключает­ ся в фотографировании интерференционной картины на один и тот же кадр дважды в положениях образца относительно плоскости по­ ляризации, отличающихся на угол 45°. В этом случае суммарная зафиксированная на фотопленке интенсивность света в точке поля также зависит только от оптической разности хода.

Для изготовления оптически активных покрытий обычно ис­ пользуют эпоксидные смолы. Покрытие, как правило, приготавли-

вают (полимеризуют) непосредственно на образце для исследова­ ний. Покрытия наносят на обычный металлографический шлиф. В ряде случаен для выявления структуры шлиф подвергают травле­

ных систем обработки информации, полученной от стандартных по­ лярископов. В первом случае иногда применяют автоматизирован­ ные полярископы с управлением от мини-ЭВМ, которая также про­ водит окончательную обработку результатов экспериментов и раз­ деление главных напряжений. Для проведения оптических измере­ ний создано много автоматизированных полярископов, различаю­ щихся по конструкции и по точности измерений. В автоматизиро­ ванных системах обработки данных картины изохром и изоклин для введения в ЭВМ преобразуют в численный вид. Для этого ис­ пользуют либо автоматическую чертежную машину, связанную с ЭВМ, либо микроденситометр с последующей обработкой на ЭВМ. В этих системах применяют стандартную аппаратуру и их легче реализовать в практике лабораторных исследований.

При использовании серийного металлографического оборудо­ вания (микроскопы типа МИМ-7, МИМ-8) деформирование образ­ ца проводят в специальном приспособлении, устанавливаемом на предметный столик микроскопа. Максимальные нагрузки в подоб­ ных устройствах не превышают 102—104 Н. При использовании схе­ мы одноосного растяжения или сжатия это накладывает сущест­

венные ограничения на размеры поперечного сечения образца, хотя само определение микроскопических напряжений и деформаций зна­ чительно упрощается. Малые значения интенсивности поляризован­ ного света замеряют на усталостных микромашинах фотоумножи­ телем.

Поляризационно-оптические методы применяют в исследовани­ ях напряженно-деформированного состояния как при статическом, так и при циклическом нагружениях. Чувствительность метода оп­ ределяется толщиной оптически активного покрытия и разрешаю­ щей способностью техники, регистрирующей интенсивность света. На рис. 2 показан характер деформированного состояния в микрообластях металлического композиционного материала на разных стадиях нагружения при чистом изгибе [4]. Видно, что области по­ вышенных деформаций локализуются около скоплений пор и меж­ фазных границ; по мере увеличения нагрузки происходит рост об­ ластей максимальных деформаций и появляются новые очаги мик­ ропластичности. Микроконцентраторами деформаций являются межфазные и двойниковые границы, неметаллические включения. Коэф­ фициент концентрации напряжений в процессе усталости около от­ дельного неметаллического включения растет с увеличением числа циклов нагружения [5]. В окрестности включения обнаружена об­ ратимая микропластическая деформация.

Результаты поляризационно-оптических исследований позволи­ ли обнаружить некоторые особенности развития микролокальных пластических деформаций чугуна с ферритной матрицей, связанные

свлиянием компактности и упорядоченности графитных включений

[4].В образцах чугуна с шаровидным (рис. 3) и хлопьевидным гра-

Рис. 2. Поля распределения дефор­ маций в металлической композиции на основе железа, рассчитанные по

медный наполнитель)

фитом области высоких локальных деформаций концентрируются 6 перемычках матрицы вблизи скоплений графита и ориентированы в направлении действия максимальных сдвиговых напряжений, т. е. под углом 45° по отношению к оси деформируемого образца. В сером чугуне с высокой степенью неупорядоченности и неравноосности графита области высоких деформаций располагают­ ся вдоль отдельных включений, ориентированных к оси образца под углом 45° Полученные данные были использованы для оценки уров­ ня возмущений, вносимых в макроскопически однородное поле на­ пряжений и деформаций включениями графита. В качестве пара­ метров, характеризующих возмущение, использовали эксперимен­

среднее значение параметров в пределах поля. Величина коэффи­ циентов /(max и Кср существенно зависит от вида графитных вклю­ чений и растет с увеличением степени нсравноосности последних.

Выполненная совместно с И. И. Ренне статистическая обработ­ ка данных по распределению локальных деформаций в микрообъе­ мах чугуна с различной компактностью и степенью упорядоченно­ сти графитных включений показала, что распределение деформаций отличается от нормального и вида распределения в значительной

рядоченности влияет на симметричность распределения. В высоко­ прочном чугуне с глобулярным графитом, характеризующимся вы­ сокой степенью компактности и упорядоченности, функция распре­ деления отличается малой асимметрией и меньшей дисперсией по сравнению с функцией распределения деформаций в матрице серо­ го чугуна с существенно неравновесным и неупорядоченным гра­ фитом. Наличие в матрице серого чугуна большого количества зон с деформацией, существенно превышающей средний уровень, значи­ тельно изменяет асимметрию функции распределения, особенно при высоких значениях степени деформации. Повышение степени упо­ рядоченности при сохранении неравноосностн графитовых включе­ ний уменьшает асимметрию функции распределения при сохране­ нии достаточно высокой дисперсии.

Интересными возможностями в направлении изучения законо­ мерностей развития пластической деформации по локальным объе­ мам металла обладает метод реперных точек с предельно малыммикробазами (порядка 10 мкм). На поверхность образца, подготов ленную как металлографический шлиф, с помощью алмазной пира­ миды наносят более двухсот отпечатков, что позволяет получить достаточно большой объем информации о развитии деформации по элементам структуры сплавов. При среднем размере зерна 40— 80 мкм удается изучить распределение локальных деформаций по

фиксированным микрообъемам в процессе знакосимметричного Цик­ лического нагружения образцов из углеродистых конструкционных сталей марок ЭП335, 20, 40 и У8 установлено крайне неоднородное распределение деформаций по элементам структуры. На рис. 4 приведены кривые частот распределения микродеформаций в образ­

микродеформаций во многом предопределяет микроструктура и преж­ де всего границы зерен. По данным авторов работы [6], распреде­ ление мнкродеформацнп в сплавах, относительно однородных по структуре, достаточно надежно описывается законом нормального распределения.

Специфическими возможностями исследования процессов ло­ кального зарождения и накопления очагов микродеформации в ме­ таллах обладают методы муара, делительных сеток и другие спосо­ бы изуче'.ия напряженно-деформированного состояния в твердых телах.

Механические испытания. Кривые деформации являются основ­ ным методом получения информации о переходе от упругого пове­ дения материалов к пластическому. Классическим направлением по­ становки экспериментов по мнкродеформации является изучение за­ висимостей напряжение—деформация на испытательных машинах с высокочувствительными средствами регистрации деформации.