книги / Микропластичность и усталость металлов

крепления и началом последующей генерации новых дис­ локаций при . Колебания дислокационных петель

в поле действующих напряжений в железе и стали сопро­ вождаются заметными гистерезисными эффектами и про­

(D) проявляется также в виде образования тонких пе­ реходных линий скольжения в некотором малом коли­ честве зерен (Е) и возникновения характерных участков поверхностного рельефа (F). Число активных зерен, ох­ ваченных микродеформацией, увеличивается (G), что оказывает влияние, строго говоря, на форму и размер петель гистерезиса и параметры АЗВТ (К, В). При ам­ плитудах напряжений ott<jWc (илисткр,) циклическое

воздействие приводит к накоплению остаточной дефор­ мации в микрообъемах, т. е. к усталостной повреждае­ мости. Эти же эффекты приводят к появлению дефекта модуля упругости (В) и нелинейного участка на ди­ аграмме циклического деформирования (С). При цикли­ ческом нагружении металлов и амплитуде напряжения, отвечающей aw, повышается плотность дислокации и происходит их перераспределение. Это, однако, не при­ водит к усталостному разрушению.

Циклическое воздействие при a>aw вызывает замет­ ные структурные изменения, протекание микропластической деформации в отдельных зернах и активизацию генерации дислокаций в смежных объемах (Д Е). Уве­ личивается доля общего объема металла, охваченного пластической деформацией (Я). Возрастает плотность дислокаций и изменяется характер их расположения от статистически случайного к образованию типичных сгу­ щений или скоплений, несовершенной и совершенной ячеистой структуры с постепенным уменьшением разме­ ра ячеек при увеличении амплитуды напряжения (G). Микропластические процессы в основном реализуются в поверхностных участках образцов или деталей, где мож­ но наблюдать увеличивающееся число зерен с линиями и полосами скольжения (Е). Нагружение в этих услови­ ях уже вызывает образование характерного поверхност­ ного рельефа в результате выхода экструзий и углубле­ ния интрузий на поверхность, что приводит к возникно­ вению усталостных трещин в вершине интрузий (F). Пет­ ли гистерезиса увеличиваются, изменяют свою форму и при высоких значениях а становятся незамкнутыми за

цикл колебаний (/С); внутреннее 'рассеяние энергии и дефект модуля интенсивно возрастают (В). Показатель п' циклической кривой деформирования в области многоцикловои усталости существенно не изменяется.

Кинетика усталостного процесса в большей мере оп­ ределяется числом циклов нагружения при фиксирован­ ном значении рабочей амплитуды напряжения (см. рис. 86). При амплитудах, соответствующих точке а на диаграмме усталости А, заметных изменений структуры и свойств не происходит. Для a> aWl (случай Ь) наблю­

дается некоторое перераспределение и перестройка дис­ локационной структуры, что проявляется в слабом при­ ращении внутреннего трения при переменном нагруже­ нии. Трансформация дислокационной структуры и свойств материала изделия при многократном воздейст­ вии нагрузки имеет закономерный характер при ампли­ тудах напряжений G^ OW(: (случай с). На участке до

кривой 1 протекают процессы, присущие инкубационному этапу развития усталости — повышение плотности дис­ локации в отдельных микрообъемах и их частичное пе­ рераспределение. Увеличение числа циклов нагружения способствует вовлечению в работу новых источников ге­ нерации дислокаций, которые накапливаются перед пре­ пятствиями или выходят на свободную поверхность об­ разца в виде тонких переходных линий скольжения. По­ сле определенного числа циклов эти превращения стаби­ лизируются, не достигая критических значений1для уста­ лостного разрушения. Изменения структурночувстви­ тельных свойств после достижения стабилизированных значений прекращаются.

Амплитуды напряжения выше предела усталости <yw (случай d) на участке до линии 1 также вызывают эф­ фекты протекания локальной микродеформации. В от­ дельных зернах, прежде всего на поверхности образцов или деталей, активизируется работа дислокационных источников. Образующиеся дислокации при увеличении числа циклов нагружения взаимодействуют друг с дру­ гом и другими структурными несовершенствами. В по­ верхностных слоях они могут выходить на свободную по­ верхность (D), образуя характерный усталостный микро­ рельеф (Е, F). С ростом числа циклов увеличивается количество зерен, вовлеченных в процесс микродефор­ мации (Я), что оказывает влияние на изменение неуп­ ругих свойств металлов (В, С и К). Циклическое воздей­

ствие, способствующее на ранних стадиях формированию тонких линий скольжения, устраняемых электрохимиче­ ским полированием, по мере увеличения числа циклов приводит к образованию устойчивых полос скольжения

(Е). После достижения линии 5 в местах возникновения интрузий могут зарождаться усталостные трещины (F)t которые распространяются в образце или изделии, рас­ смотренным ранее способом.

Для металлов и сплавов при циклическом нагруже­ нии на ранних стадиях часто наблюдаются процессы уп­ рочнения или разупрочнения, которые по мере роста чис­ ла циклов стабилизируются. Мы уже отмечали, что меха­ низмы этих явлений могут быть весьма разнообразны. Например* для металлов с легким поперечным скольже­ нием при циклическом упрочнении может происходить поворот (или опрокидывание) дислокационных диполей за цикл нагружения. При этом перемещения дислокаций при o ~ e w в одной системе скольжения приводят к обра­ зованию дислокационных скоплений или плоскостных ря­ дов. При больших амплитудах напряжений реализуется множественное скольжение и формируется ячеистая суб­ структура (G). Большое значение для механизма цикли­ ческого упрочнения имеет характер и дальнодействие структурных барьеров для движения дислокаций. Цик­ лическое разупрочнение часто связано именно с разру­ шением таких препятствий (дислокационных скоплений, выделений и т. п.). Для металлов с о.ц.к. решеткой и, прежде всего для железа и стали, существенное влияние на развитие усталостной повреждаемости оказывает взаимодействие между дислокациями и атомами внедре­ ния (углерод, азот). Особенности такого взаимодействия в условиях неоднородного протекания деформации по ло­ кальным микрообъемам, различных амплитуд и длитель­ ности циклов нагружения изучены весьма ограничено.

Повышение амплитуды напряжения в области мало­ цикловой усталости (случай е) принципиально не изме­ няет последовательности этапов усталостного процесса. Однако интенсивность их протекания возрастает, и от­ дельные ранние этапы процесса практически реализуют­ ся в первые циклы нагружения. Для достаточно высоких уровней напряжений (с, d, е) внутреннее рассеяние энер­ гии за цикл колебаний в низкоуглеродистой стали после

мент возникновения и развития усталостных трещин (d, е). Значения стабилизированных величин декремента

тия усталостного процесса предполагает наличие общих закономерностей в изменении указанных параметров при циклическом нагружении конструкционных материалов. Приведем некоторые экспериментально установленные соотношения величин относительного рассеяния энергии за цикл колебаний ф, дефекта модуля ДЕ/Е и характе­ ристик петель гистерезиса в координатах оа— е* илиаа— 8Р при различных значениях общей амплитуды дефор­ мации (рис. 87). Данные^ получены А. Пушкаром на ком-

Рнс. 87. Зависимость параметров, характеризующих усталостную повреждае­ мость, от общей амплитуды циклической деформации

плексном испытательном стенде после растяжения — сжатия образцов низкоуглеродистой стали при комнат­

Экспериментальные зависимости удается представить в виде достаточно простых уравнений, характеризующих

риала, зависящие от условий нагружения образцов.

Аналогичная связь обнаружена и для числа возни­ кающих при циклическом нагружении зерен на поверх­ ности образцов с развитыми линиями или полосами скольжения ns:

нагружении. Учитывая известные теоретические соотно­ шения измеренных величин, можно обнаружить и их об­ щую связь в виде:

дают при принятых условиях опыта правильность полу­ ченных соотношений и при определенных допущениях корреляцию параметра п критериям Мэнсона и Кофина [например, п в выражении С= 1/(1+5/г')]. Авторы дан­ ной монографии считают, что такой подход для описа­ ния столь сложного явления, как усталостное разруше­ ние в конструкционных материалах, может использо­ ваться весьма ограничено. Достаточно формальным яв­ ляется и разделение процесса усталости на определен­ ные стадии, которые могут перекрываться или вообще отсутствовать для некоторых чистых монокристаллов, сплавов или композиционных материалов.

Все существующие теории развития усталости в ме­ таллах и сплавах можно условно разделить на гипотезы упрочнения, а также дислокационного, энергетического и статистического зарождения трещин [260]. Практиче­ ски для всех направлений описания процесса усталости в основу приняты предположения о локальном и неод­ нородном накапливании повреждаемости в микрообъ­ емах.

Гипотезы циклического упрочнения, проявляющегося наиболее отчетливо при малоцикловой усталости, имеют многие общие концепции с теорией деформационного уп­ рочнения при статическом нагружении. Основу дислокационной теории усталостного разрушения составляет последовательность усталостных явлений,

связанных с деформационным упрочнением, его насы­ щением, нарушением связей между включениями и мат­ рицей, концентрацией напряжений у дислокационных скоплений, а также зарождением трещины в области конечных размеров [248]. Такая последовательность событий приемлема для железа и стали. В результате локальной пластической деформации происходит дефор­ мационное упрочнение и при некотором числе циклов на­ ступает его насыщение. Циклическое воздействие на­ грузки может привести к нарушению связей на поверх­ ности раздела включения и матрицы, в результате чего на этих участках накапливаются дислокации и облегча­ ется образование пор. Концентрация напряжений от скопления дислокаций суммируется с концентрацией на­ пряжений, вызванной карбидами или другими включе­ ниями. В процессе дальнейшей циклической деформации такое взаимодействие полей напряжений приводит к за­ рождению разрушающей трещины в локализованной об­ ласти материала. Для железа и стали теоретическая мо­ дель подтверждается микроструктурными исследования­ ми, она не противоречит и макроскопическим данным о характере распространения усталостной трещины.

Широкое распространение для металлов с г.ц.к. ре­ шеткой получает дислокационная модель упрочнения Фельтнера, основой которой являются призматические дислокационные петли, их возникновение и поведение во время циклического нагружения.

Дислокационные гипотезы связаны с развитием дислокационных представлений о концентрации напряже­ ний в микрообъемах и моделей зарождения трещины. В общем виде механизмы зарождения усталостных трещин рассматривают как результат скольжения дислокаций к свободным поверхностям (интрузия) или как заблокиро­ ванные повреждения в циклически упрочненной зоне. К особой группе следует отнести вакансионные модели. Ра­ боты И. А. Одинга, С. Коцаньды и Др. убедительно пока­ зывают возможность образования скоплений вакансий критического размера, соответствующего трещинам Гриф­ фитса.

Энергетическая гипотеза В. С. Ивановой также осно­ вана на дислокационных механизмах зарождения микро­ трещин в микрообъемах с критической плотностью де­ фектов и их развития, а также нЗ аналогии процессов разрушения и плавления материал#.

Статистические гипотезы развиваются в основном в трех направлениях: 1) определение вероятности появле­ ния усталостных микротрещин с учетом неоднородности химического состава, напряженного состояния и механи­ ческих свойств отдельных зерен металла; 2) статисти­ ческое рассмотрение процесса возникновения и развития усталостной повреждаемости в неоднородной поликристаллической среде с учетом нарушения межатомных связей материала; 3) описание объемно-напряженного состояния поликристаллического материала в микро­ объемах.

Внастоящее время статистическое описание усталост­ ных явлений проводят с использованием последних до­ стижений физики металлов и механики разрушения. В связи с этим следует обратить внимание на примени­ мость критериев роста трещин Гриффитса и Ирвина, не использующих понятий о пределе прочности материала, для определения живучести элементов конструкций.

Вработах по механике разрушения до сих пор еще не получено корректного решения задачи Гриффитса, кото­ рый на примере растяжения пластинки с начальной по­ перечной щелью выдвинул две основные' проблемы фено­ менологической теории разрушения [259]: 1) регуляриза­ ции сингулярных задач и 2) поиска адекватных экспе­ рименту критериев роста начальных макротрещин. Ре­ шение линейной задачи теории упругости дает сингуляр­ ные поля напряжений и деформаций; на концах щели имеются особые точки, где напряжения и деформации бесконечны. Эти условия не выполнялись в опытах на

пример, стальных) необходима регуляризация решений краевой задачи теории пластичности.

Поиск адекватных критериев также вызывает опре­ деленные возражения. Ирвин предложил «силовой» кри­ терий роста макротрещины, когда коэффициент интен­ сивности напряжений достигает критического для дан­ ного материала значения1вязкости разрушения К\с. Пре­ дельное состояние, по Ирвину, наступает во всех точках пластинки одновременно, а необходимую для сравнения с экспериментом зависимость между критической на­ грузкой и начальной длиной трещины получают из усло­ вия постоянства величины К\с. Строго говоря, критерий роста макротрещины следует рассматривать как усло­

вие устойчивости сопротивления разрушению тех эле­ ментов материала, которые находятся в малой окрест­ ности равновесной точки. Поэтому следует считать, что проверка этого критерия на адекватность эксперименту еще далеко не закончена. При экспериментальном опре­ делении величин K N C (W =l, 2, 3) установлено, что они не являются постоянными для данного материала, как например, для модулей упругости, что создает трудности при сравнении различных материалов по указанному критерию. В работе [259] отмечено, что более перспек­ тивными в отношении выбора материала с повышенной устойчивостью сопротивления разрушению являются полностью равновесные диаграммы деформаций, отли­ чающиеся от стандартных наличием спадающей до нуля ветви на стадии формирования макротрещины.

В настоящее*время нет также единого мнения относи­ тельно определения циклической вязкости разрушения. Одни авторы предлагают в качестве этой характеристики принимать величину максимального коэффициента интен­ сивности напряжений, соответствующую началу первого скачка трещины, другие определяют ее значение по по­ следнему скачку трещины, который приводит к разделе­ нию образца на две части.

В большинстве сообщений эти эффекты вообще не упоминаются и принимается значение циклической вязко­ сти разрушения без указания, относится оно к полному разрушению или же к.первому скачку трещины.

Для используемых в машиностроении конструкцион­ ных материалов понимание закономерностей накопления повреждаемости невозможно без учета условий возникно­ вения и протекания микропластической деформации, в основе которой лежат неупругие явления. Применительно к этим задачам механика структурно-Иеоднородного де­ формируемого тела требуе т разработки Новых критериев и' обобщения существующих характеристик, отражающих статистический характер реальных структур и взаимо­ действия их элементов в поле действующих напряжений.

Современные статистистические модели твердого тела учитывают неоднородность свойств и Деформации мате­ риала. Развиваются подходы феноменологического опи­ сания особенностей деформации структурно-неоднород­ ного твердого тела, обладающего несовершенной упру­ гостью. Так, например, А.1В. Гурьев предлагает в качест­ ве параметра сопротивления материал^ развитию неуп­

ругих деформаций «модуль микропластичности», числен­ но равный максимальному напряжению, при котором весь материал будет охвачен пластическим деформированием (величина «модуля микропластичности» для углероди­ стых сталей составляет 600—1600 МПа).

Имеющиеся данные достаточно убедительно показы­ вают, что оценка распределения локальных деформаций в микрообъемах металла должна основываться на) изуче­ нии статистических параметров распределения.

Выполненная С. А. Головиным с сотрудниками про­ верка соответствия полученных эмпирических распреде­ лений предполагаемому теоретическому закону показала, что микронеоднородность развития деформации в модель­ ных и композиционных металлических материалах о рез­ ко выраженной структурной гетерогенностью является отражением суммарного воздействия нескольких про­ цессов: детерминированного, связанного с проявлением общей закономерности развития микродеформации в поликристаллической матрице, и случайных, обусловлен­ ных характером локализации напряжений у включений второй фазы и их взаимодействия с полями напряжений неоднородно деформированной матрицы.

Авторы использовали статистическую модель микропластической неупругости В. Т. Трощенко для расчета нормированных потерь энергии за цикл колебаний на основе реальных статистических параметров распределе­ ния микродеформации.

В области макроскопических деформаций при напря­ жениях, превышающих макроскопический предел текуче­ сти, предполагается иная картина микронеоднородного состояния при деформировании: изменяется вклад упру­ го- и пластически деформирующихся локальных областей материала.

Принципиальными становятся вопросы изучения при­ роды макроскопической деформации материала и зако­ номерностей развития локальных! пластических деформа­ ций в нем. В настоящее время имеются определенные сближения основных положений механики деформируе­ мого твердого тела для микро-и макроскопических обла­ стей.

Учет закономерностей развития деформаций по эле­ ментам структуры перспективен при рассмотрении микро- и макропроцессов усталостного разрушения.

Несмотря на отсутствие обобщенной гипотезы и мно­

гие другие трудности изучения проблемы усталостного разрушения, можно уверенно утверждать, что достигну­ тые успехи и перспективы решения этой проблемы полу­ чены и могут быть развиты только на основе объедине­ ния различных подходов физики твердого тела и меха­ ники сплошных сред.