книги / Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур

ний и долговечностей (стрелкой отмечена пауза для структурных исследований). Переход от квазистатического разрушения к уста­ лостному, так же как и для конструкционных сплавов, происходит при скоростях установившей­ ся ползучести порядка 5 х

1(Г. «■/«» (см. рис. 5з

сталлов для различных значений максимальных напряжений цикла от ах приведены на рис. 55. В исходном состоянии (см. рис. 55, а) субзерна вытянуты вдоль оси кристалла и характе­ ризуются однородным почернением. При соответствующих уста­ лостному характеру разрушения напряжениях атах = 0,4сгв (20,6 кгс/мм2) по мере развития деформации в пределах хорошо вид­ ных исходных субзерен намечается неоднородное почернение (см. рис. 55, б), отражающее формирование в субзернах разной сте­ пени почернения полосчатой субструктуры. Известно [36], что сте­ пень почернения фотоэмульсии на топограммах является функцией ориентации облучаемого участка кристалла по отношению к парал­ лельному в брегговском направлении монохроматическому пучку рентгеновского излучения. Значит, видимые на топограмме полосы могут быть связаны с появлением в монокристалле молибдена

усталости монокристалла молибдена при различных максимальных напряжениях цикла и долговечностях, соответствующих различному характеру макроразрушения материала.

При относительно низких напряжениях атах < 0,5ав, обуслов­ ливающих усталостное разрушение, в процессе циклической ползу­ чести образуется полосчатая структура. Подобная структура наблю­ далась и при осевом знакопеременном нагружении монокристалла молибдена с частотой 36 гц при напряжениях, не превышающих предел усталости. В некоторых случаях методом электронномикроскопии она наблюдалась при усталости поликристаллических мате­ риалов [20, 53, 54]. Однако в отличие от полученных на поликри­ сталлах результатов фиксируемая нами полосчатая структура имеет явно выраженный кристаллографический характер и образуется не в связи с развитием ранее сформировавшейся ячеистой структуры при дальнейшей деформации, а как самостоятельный тип структуры, характерный для определенных условий направленного и знакопе­ ременного деформирования монокристалла.

Следует иметь в виду, что симметричное знакопеременное нагру­ жение с частотой 36 гц и пульсирующее нагружение с частотой 2 цикл/мин существенно отличаются по макрокартине процесса деформирования: если при циклической ползучести (2 цикл/мин) на стадии развития полосчатой структуры суммарная деформация образца доходит до 5% (см. табл. 4), то при знакопеременном нагру­ жении ниже предела усталости (36 гц) пластическое деформирование материала не наблюдается. Сходство субструктуры, развивающейся при обоих процессах, позволяет предположить тождественность механизмов формирования и развития очагов разрушения.

Действительно, разрушение монокристаллов при пульсирующем растяжении с атах = 0,4ав имеет усталостный характер и, повидимому, обусловлено, как и при усталости, локализацией струк­ турной поврежденности в малых объемах поверхностного слоя об­ разца. Локализация структурных изменений в поверхностном слое в условиях циклической ползучести присттах = 0,4сгв подтверждает­ ся увеличением взаимной разориентировки субзерен (приближение к исходному состоянию) и по мере сполировывания поверхностного слоя (рис. 58, а). При атах > 0,5сгв разрушение монокристаллов в условиях циклической ползучести имеет квазистатический характер. В этом случае субструктура аналогична той, которая раз­ вивается в монокристаллах при активном растяжении и больших остаточных деформациях.

Заметим, что локализация структурных дефектов и связанных с ними упругих напряжений не всегда позволяет достаточно надежно определять характер дислокационной структуры при трансмисси­ онном электронномикроскопическом исследовании монокристаллов, подвергнутых знакопеременному или направленному деформиро­ ванию. Это дает определенные преимущества микрорентгенографической методике, которая позволяет изучать структуру поверх­ ностного слоя без разрушения испытанного образца. Однако разре-

субструктуры (рис. 59). Размытие лауэвских пятен показывает, что в процессе испытаний максимальные разориентировки в моно­ кристалле молибдена растут. Об этом говорит также увеличение об­

Т а б л и ц а 5 Характеристики малоцикловой усталости бикристаллов никеля при пульсирующем

напряжений и долговечности являются прямолинейными, а зави­ симость предельных деформаций и относительных сужений от дол­

участок ускоренной ползучести (см. рис. 61, а), характерный для квазистатического разрушения.

При напряжениях отах < 0,72ав разрушение происходит в результате зарождения и развития на границе между зернами уста­ лостной трещины. При усталостном разрушении третья стадия пол­ зучести в материале не реализуется (см. рис. 61, б). Интересно отме­ тить, что процесс циклической ползучести монокристаллов молиб-

жения (а) по зернам никелевого образца в процессе циклической ползучес­ ти при атах = 0,76ав = 15,1 кгс/мм2 (1—4 — зерна).

дена и никеля (см. рис. 61, б), так же как и в условиях статической ползучести [161, может характеризоваться прерывистой текучестью материала.

При усталостном разрушении, которое протекает на фоне интен­ сивного пластического деформирования, накопленная до разруше­ ния пластическая деформация имеет весьма большие значения, дости­ гающие 23,5% (см. табл. 5), сопоставимые с величиной остаточного удлинения никеля (59,5%). В то же время процесс циклической пол­ зучести бикрнсталлов характеризуется явно выраженной неравно­ мерностью пластического деформирования отдельных зерен на раз­ личных этапах нагружения. В качестве примера на рис. 62 и в табл. 6 показано изменение величины пластической деформации, относительного сужения и истинных напряжений аи в различных зернах образца в зависимости от числа циклов нагружения.

o’max = 14,35 кгс/мм2 и значениях ттах в двух действующих системах скольжения в одном из зерен 7,12 и 3,38 кгс/мм2 деформация этого зерна до разрушения составила 52,5%, а для другого зерна этого же образца при ттах, равном 6,85 и 6,24 кгс/мм2 — 11%.

Наблюдается разный характер скольжения и разная плотность следов скольжения в зернах различной ориентировки, а также ани­ зотропия деформации в пределах зерна и повышенная плотность сле­ дов скольжения вблизи границ кристаллов. Однако регулирование характера разрушения в исследованных образцах никеля незави­ симо от взаимной ориентировки зерен происходит таким образом, что квазистатическое разрушение локализуется в теле зерен, а усталостное — по их границам.

Обобщая результаты, изложенные в данной главе, можно утверж­ дать, что двум типам макроразрушения в малоцикловой области предшествуют различные механизмы деформирования и разрушения металлов на структурном уровне, которые и обусловливают возмож­ ное появление переломов на предельных кривых прочности, пластич­ ности и скоростей направленного пластического деформирования. Полученные данные позволяют также сделать вывод о тесной взаимо­ связи кинетических процессов направленного пластического дефор­ мирования и разрушения и об определяющем влиянии на кинетику и характер разрушения материала в рассмотренных условиях на­ гружения процессов направленного пластического деформирования.

§ 5. Дискретная ползучесть при повторно-статическом нагружении

В настоящее время физическая картина структурных изменений, происходящих в многокомпонентных металлических сплавах под воздействием переменных во времени нагрузок, изучена еще недо­ статочно. Первая попытка описания деформации ГЦК-металлов в таких условиях в рамках дислокационной теории была предпринята Моттом [104], который рассматривал деформацию в основном в чис­ тых ГЦК-металлах под воздействием знакопеременных нагрузок.

Ряд экспериментов по рентгенографическому исследованию струк­ туры в процессе ползучести при циклически изменяющихся с низ­ кой частотой напряжениях и температурах был проведен авторами работ [270, 271, 272] на углеродистой стали с ОЦК-решеткой, со­ держащей 0,16% С, 0,4—0,47% Мп, 0,26% Si,0,02—0,2% Сг, неболь­ шие добавки Ni и Си. Частота циклов напряжения в этих эксперимен­ тах была очень низкой; кроме того, результаты, полученные на спла­ ве с ОЦК-кристаллической решеткой [271,272], не могут быть расп­ ространены на ГЦК-материалы [104], деформация которых даже при статическом нагружении не идентична деформации ОЦК-металлов.

Наше исследование [173] было проведено на сплаве АМгб с ГЦК-решеткой, содержащей 0,75% Мп, 0,24% Si, 0,01% Си, 0,03%