Мезоскопическая субструктура и механизм усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина с макроконцентратами напряжений Кибиткин, Владимир Васильевич

Введение к работе

з

Актуальность темы. Подавляющее большинство деталей машин и элементов конструкций в течение срока эксплуатации претерпевает воздействие циклически изменяющихся нагрузок. Это является причиной усталости металла - процесса постепенного накопления повреждений под воздействием переменных напряжений (деформаций), приводящего к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. Примерно 90% повреждений деталей связано с возникновением и развитием в них усталостных трещин. Последние всегда зарождаются и распространяются из зон тех или иных концентраторов напряжений и создают предпосылки для квазихрупкого разрушения материала.

К настоящему времени наиболее систематизированно результаты исследований по проблеме усталости металлов изложены прежде всего в работах И.А. Одинга, B.C. Ивановой, В.Ф. Терентьева, СВ. Серенсена, Л.М. Школьника, В.Т. Трощенко, Л.А. Сосновского, Н.А. Махутова, В.П. Когаеваи др.

В последнее десятилетне проблема продления ресурса сложных технических систем стала объектом пристального внимания специалистов практически всех областей науки и техники. Она осложняется тем, что проектный ресурс основных фондов в России значительно выработан. Резервы повышения ресурса заключаются в переходе к проектированию, созданию и эксплуатации технических систем на основе новых критериев, методов и средств обеспечения их безопасной эксплуатации [1]. Одним из основных факторов, определяющих ресурс промышленных конструкций, является сопротивление материала усталостному разрушению.

Традиционно механизмы усталостного разрушения твёрдых тел исследуются в двух направлениях, связанных с различными масштабными уровнями: микро- (физика пластичности) и макро- (механика сплошной среды и механика разрушения). Однако в последние годы стало очевидным, что непосредственный переход от микро- к макромасштабному уровню принципиально невозможен. Возникновение в деформируемом твёрдом теле динамических диссипативных субструктур обусловливает развитие качественно новых механизмов деформации мезомасштабного уровня [2 - 4]. Усталостные повреждения всегда связаны с концентраторами напряжений, которые генерируют локализованные потоки деформационных дефектов мезомасштабного уровня: дисклинации, мезополосы деформации. Большой вклад в систематические исследования в этом направлении внесён B.C. .Ивановой, В.Ф. Терентьевым, Т.Ф. Елсуковой и их сотрудниками. Данные процессы в условиях циклического нагружения

преимущественно развиваются в приповерхностных слоях материала. Как следствие, на поверхности деформируемого образца возникают эффекты гофрирования [5,6], происходит фрагментация материала на мезоуровне, которую следует рассматривать как стадию предразрушения. Именно этот подход положен в основу настоящей работы: процессы накопления циклических деформаций и нарушения сплошности рассматриваются на промежуточном - мезоскопическом масштабном уровне с позиций физической мезомеханики материалов [3]. Согласно последним, на мезоуровне носителем пластической деформации в твёрдом теле является объёмный структурный элемент (мезообъём), которому присущи как трансляционные, так и ротационные моды деформации. Движение мезообъёмов может быть описано и проанализированно на основе уравнений механики сплошной среды (макроуровень), а аккомодационные процессы внутри мезообъёмов и на их границах могут быть рассмотрены на основе теории дислокаций (микроуровень). В процессе циклического нагружения в материале формируются деформационные мезоскопические субструктуры, анализ динамики которых может являться основой для изучения механизмов деформации и разрушения.

Целью работы является исследование механизмов усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений на основе анализа эволюции динамических мезоскопических субструктур и выявление закономерностей стадийности накопления циклических повреждений на мезомасштабном уровне. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Рассмотреть возможность применения оптико-телевизионного метода измерения полей векторов смещений для изучения формирования динамических диссипативных субструктур в условиях циклического нагружения металлов.

2. Исследовать эволюцию мезосубструктур в процессе циклического нагружения поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами на-пряжений и установить её связь с кинетикой усталостного разрушения. На основе анализа распределений локальных компонент тензора лласіи— ческой дисторсии дать интерпретацию закономерностей образования свободной поверхности при раскрытии усталостной трещины.

3. Выявить особенности формирования динамических диссипативных мезосубструктур на поверхностях трения в условиях циклического нагружения, когда усталостное разрушение резко ускоряется (трибофатика).

4. Разработать мезомасштабный критерий диагностики стадии предразрушения циклически нагруженных поликристаллов с макроконцентраторами напряжений.

Научная новизна. В работе впервые: -,:-,

применена оптико-телевизионная измерительная система для изучения -_: процессов накопления усталостных повреждений на мезоуровне путём измерения полей векторов смещений и их анализа с позиций физической мезомеханики материалов;

исследованы механизмы и установлены закономерности усталостного разрушения на мезомасштабном уровне поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений в условиях повторно-статической, мало- и многоцикловой усталости;

показано, что формирование новой свободной поверхности в области вершины усталостной трещины происходит по механизму "сдвиг-поворот-отрыв";

обнаружен эффект образования в циклически нагруженном поликристалле доменных мезосубструктур, определяющих траекторию развития усталостной трещины, установлена их связь с состоянием предразруше-ния материала;

показано, что на поверхностях трения при циклическом нагружении формируется мелкодоменная мезосубструктура с дискретными разори-ентировками, которая способствует развитию поворотных мод деформации, образованию свободной поверхности при распространении усталостной трещины и ускорению усталостного разрушения.

Практическая ценность:

знание механизмов усталостного разрушения поликристаллов на мезоуровне позволяет глубже понять физические процессы, происходящие в материале при циклическом нагружении, что может быть использовано для построения адекватной математической модели разрушения;

показана принципиальная возможность экспериментальной оценки степени исчерпания ресурса (стадии накопления циклических повреждений) элементов конструкций на основе измерения и анализа полей векторов смещений, что может быть положено в основу нового метода неразрушающего контроля металлоконструкций при усталости;

-обоснованы критерии диагностики состояния предразрушения поликристаллического дуралюмина при циклическом нагружении с позиций физической мезомеханики материалов;

- указана перспектива измерения параметров и оценки некоторых физи
ческих констант, характеризующих трещиностойкость материала (рас
крытия вершины трещины, коэффициента интенсивности напряжений и
их критических значений).

На защиту выносятся следующие положения: 1. Возможность использования оптико-телевизионных измерительных

систем для исследования процессов усталостного разрушения материалов на мезоуровне путём построения и анализа полей векторов смещений.

2. Механизмы и закономерности усталостного разрушения на мезоуровне поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений: формирование на поверхности циклически нагруженных поликристаллов в поле векторов смещений деформационных некристаллографических мезоскопических субструктур; влияние эволюции мезосубструктур на кинетику усталостного разрушения; стадийность накопления циклических повреждений на мезоуровне и однозначная связь стадий с типами мезосубструктур и количественными характеристиками разрушения.

3. Образование новой свободной поверхности в области вершины усталостной трещины по механизму "сдвиг-поворот-отрыв".

4. Формирование на стадии предразрушения материала доменных мезосубструктур, определяющих траекторию развития усталостной трещины; возможность диагностики состояния предразрушения циклически нагруженных металлоконструкций по анализу дискретных разориенти-ровок деформационных доменов в динамической мезосубструктуре.

Использование результатов. Работа выполнялась в рамках государственных научных программ (программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1994 -1997 гг., проект РФФИ № 96-01-00902) и международного контракта.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 9 конференциях, семинарах, симпозиумах: Международный семинар "Materials Instability under Mechanical Loading" (С.-Петербург, 1996 г.); Международная конференция "Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mesomechanics of Fracture" (Томск, 1996 г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" (Барнаул,

1996. г.); II Международный симпозиум по трибофатике (Москва, 1996 г.); 4Н-сцмдтиум "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" (Москва, ~1УУ6 г.); Международная—научно-техническая конференция "Высокие технологии в современном материаловедении" (С.-Петербург, 1997 г.); V Международная конференция "Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (Байкал,

1997. г.); I Международный семинар "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997 г.); Международная конференция "Physical Mesomechanics and Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (Тель-Авив, Израиль, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 148 страницах, содержит 61 рисунок, 4 таблицы. Библиографический список включает 169 наименований.