Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ. 5
1.1. Усталость металлов 12
1.1.1. Явление усталости. Основные характеристики и теории усталости 12
1.1.2. Стадийность и структурные изменения при усталостном разрушении. 19
1.1.2. Механизмы циклической деформации на микро уровне 31
1.13. Рель поверхности в развитии циклической деформации 35
1.1.5. Закономерности и микро механизмы зарождения и распространения усталостных трещин 39
1.1.5.1. Микро механизмы зарождения усталостных трещин 39
1.1.5.2. Закономерности распространения усталостных трещин 42
1,1.6.1. Влияние температуры испытания 52
1.1.6.3. Влияние структурного состояния материала 54
1.1.6.4. Влияние концентрации напряжений 55
1.2. Пластическая деформация и разрушение твердых тел в представлениях физической мезомеханики 56
1.2.2. Вихревое механическое поле в деформируемом кристалле 61
1.2.3. Синергетические принципы физической мезомеханики. 63
1.2.4. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический уровень деформации 68
1.2.5. Механизмы циклической деформации поликристаллов на мезоуровне. 69
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ, МАТЕРИАЛИ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. 74
2.1. Постановка задачи 74
2.2. Материал исследования 78
2.3. Методы исследования 79
2.3.1. Механические испытания на знакопеременный изгиб 79
2.3.2. Расчет максимальных нормальных напряжений, максимальных относительных деформаций в поперечных сечениях и максимальных касательных напряжений на поверхности плоского образца при изгибе 80
2.3.3. Метод электролитического полирования. 86
2.3.4. Оптико-телевизионный метод исследования на комплексе TOMSC 86
2.3.5. Определение шероховатости R,, деформированной поверхности. 88
2.3.6. Металлографическое исследование поверхности деформируемых образцов с помощью световой и растровой электронной микроскопии 88
3 ХАРАКТЕР И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА МЕЗОМАСШТАЕНОМ УРОВНЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ 50
Введение 90
3.1. Общая характеристика циклической деформации поликристаллического алюминия 91
3.2. Механизмы деформации поликристаллического алюминия на пезо масштабном уровне 98
3.2.1. Эстафетный характер распространения встречных полос локализованного сдвига 100
3.2.2. Механизмы деформации, связанные с множественным скольжением 111
3.2.2.1. Первый тип множественного скольжения 112
3.2.2.2, Второй тип множественного скольжения. 115
3.2.2.3. Эффект образования поверхностного гофра 123
3.2.3. Механизм образования локального мезовихря 127
3.3. Связь шероховатости поверхностного рельефа с характеристиками усталости 135
3.4. Специфика фрактальной мезоструктуры при циклическом нагружении алюминия 140
Заключение 147
4. ЗАРОЖДЕНИЕИРАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ 150
Введение .150
4.1. Механизм зарождения поверхностных усталостных трещин на мезоуровне 150
4.2. Общая характеристика трещин в крупнозернистом алюминии 158
4.3. Волновой характер распространения поверхностных усталостных трещин 181
4.4. Эволюция полей векторов смещений в вершине усталостной трещины 188
Заключение 193
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 194
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Усталость металлов является одной из важнейших проблем физики прочности и пластичности, так как преобладающее большинство поломок и катастрофических разрушений деталей машин и конструкций происходят вследствие усталости. Частые случаи усталостного разрушения свидетельствуют о недостаточности знаний о природе явления; усталости, которое характеризуется исключительной сложностью и разнообразием процессов, происходящих: в материалах в условиях действия переменных нагрузок, большой чувствительностью этих процессов к влиянию различных технологических, эксплуатационных и конструкционных факторов.
При решении вопроса о физической природе циклической деформации и усталостного разрушения известны несколько подходов [1]. Первый — изучение макроскопических закономерностей процесса усталости. Созданные на основании макроскопических данных теории, циклической деформации и усталостного разрушения, как правило, базируются на моделях твердого тела, удовлетворяющих представлениям теории упругости и не учитывающих реальных особенностей структуры материалов. Второй — феноменологическое описание картины усталостного разрушения и поиски связи между характером разрушения, фазовым составом и микроструктурой материала. Естественной возможностью построения фундаментальной теории на основании результатов таких исследований считали применение статистических методов. Третий, основанный на теории несовершенств кристаллического строения металлов, связан с изучением микро механизма усталостного разрушения. В результате таких работ на базе дислокационных моделей были разработаны физически обоснованные микро механизмы пластической деформации твердых тел и установлены специфические особенности в поведении дислокаций в зависимости от природы материала и условий нагружения.
Наиболее систематизированными; и всесторонними исследованиями по проблеме природы усталости металлов являются прежде всего работы И.А. Одинга, B.C. Ивановой, С. Коцаньды, СВ. Серенсена, Л.М. Школьника, В.Ф.
Терентьева, B.ML Горицкого, В.Т. Трощенко, А.А. Шанявского [1-15]. Из них значительное число работ посвящено влиянию различных факторов на усталостные свойства металлов и сплавов с применением критериев линейной механики разрушения (Дж. Нолу Л.М. Качанов, B.C. Иванова, В.В. Панасюк и др.) [16-18].
Однако, несмотря на большое количество исследований усталости, до настоящего времени остается много открытых вопросов в плане природы явления. Традиционное изучение закономерностей пластической деформации и разрушения твердых тел проводится на основе подходов теории дислокаций, описывающей микроуровень, и механики сплошной среды, изучающей макроуровень. Попытки связать теорию дислокаций и механику сплошной среды столкнулись с принципиальными трудностями.
В последние два десятилетия в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН развивается новое научное направление — физическая мезомеханика деформируемого твердого тела, которая вводит в рассмотрение промежуточный между микро- и макро уровнями мезо-масштабный уровень [19,20].
В основу физической мезомеханики положена концепция структурных уровней деформации [21-24]. В соответствии с этой концепцией деформируемое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой пластическое течение развивается самосогласованно как последовательная эволюция потери сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях (микро» мезо и макро). Элементарными носителями деформации на мезоуровне являются трехмерные структурные элементы (субзерна, зерна, конгломераты зерен), движение которых характеризуется схемой «сдвиг + поворот». В мезомеханике основные закономерности пластического течения на мезоуровне связаны с образованием диссипативных мезоструктур (и фрагментацией деформируемого твердого тела), а разрушение является завершающей стадией фрагментации, когда на макромасштабном уровне образуются два фрагмента.."
К настоящему времени систематические исследования по природе усталости на мезо-масштабном уровне проведены на свинце, имеющем низкую сдвиговую устойчивость, и его сплавах Елсуковой Т.Ф., Паниным В.Е. с сотрудниками [25-29]. Было показано, что в основе усталостного разрушения свинца лежит формирование крупноблочной мезоструктуры П.. Целенаправленным легированием свинца установлено, - что повышение сдвиговой устойчивости и подавление граничного проскальзывания препятствуют формированию указанной мезоструктуры и увеличивают долговечность материала. В связи с этим представлялось важным провести аналогичные исследования на материале с высокой сдвиговой устойчивостью. В этой связи настоящая работа проведена с целью исследования закономерностей и механизма циклической деформации и усталостного разрушения на мезомасштабном уровне поликристаллов алюминия, имеющего высокую сдвиговую устойчивость.
Диссертация состоит из четырех глав. Первая глава посвящена обзору литературных данных по экспериментальному и теоретическому исследованию явления усталости на микро-, макро- и мезо-масштабных уровнях. В первом параграфе дано определение явления усталости, характеризующих его параметров. Дается представление об обобщенной полной кривой усталости. Анализируются возможности построения кривых циклического деформирования для испытаний с контролируемой деформацией или напряжением. Подчеркивается особая роль поверхности при усталостных испытаниях на изгиб. Исходя из периодичности и стадийности процесса накопления усталостных повреждений, обсуждаются структурные изменения, механизмы деформации и образования усталостных трещин на микроуровне, а также их распространения. Во втором параграфе даются представления об основных положениях физической мезомеханики. Основополагающими понятиями здесь являются структурные уровни деформации и вихревое механическое поле. Рассмотрены синергетические принципы физической мезомеханики. Приводятся результаты первых систематических исследований механизмов пластической деформации и разрушения на мезоуровне при усталостных испытаниях сдвигонеустойчивого свинца и его сплавов.
Во второй главе приведена постановка задачи, обосновывается выбор материала, представлены методы исследования. Задача исследования механизмов деформации и разрушения на мезоуровне определяет применяемые методы исследования. В соответствии с концепцией физической мезомеханики повышенная степень дефектности поверхностных слоев обусловливает в них более раннее и интенсивное, чем в объеме, развитие деформации. Циклическое нагружение в условиях изгиба еще более способствует локализации деформации в поверхностных слоях. Как следствие, при циклическом нагружении возникает возможность наблюдать динамику локализации деформации в поверхностном слое образца. Для получения одинакового начального состояния поверхности образцов использовали метод электролитического- полирования, выгодно отличающийся от механического тем, что не создает наклепа поверхности. Исходя из того, что объектами физической мезомеханики являются структурные элементы деформации (СЭД), в работе исследовали кинетику структурных изменений большого участка образца с помощью световой, используя метод фотомонтажей, и растровой микроскопии по всей его ширине. При исследовании деформации на мезомасштабном уровне с помощью полей векторов смещений использовали оптико-телевизионный комплекс TOMSC-1. Для характеристики усталостных испытаний в условиях нагружения. при постоянной общей деформации еа =const проведен расчет максимальных нормальных напряжений в поперечных сечениях, максимальных касательных напряжений на поверхности плоского образца и максимальной относительной деформации при растяжении.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования характера и закономерностей циклической деформации на мезоуровне поликристаллов алюминия. Изучена с новых позиций общая картина развития деформации Выявлены принципиальные особенности механизма деформации на мезоуровне материала с высокой сдвиговой устойчивостью. Развиты представления об определяющей роли виутризеренного скольжения в таком материале. Выявлены три механизма деформации на мезоуровне: встречного распространения локализованых полос одиночного скольжения; механизмы, связанные с развитием множественного скольжения; возникновения локального мезовихря. Рассмотрено влияние соотношения шггенсивностей сдвига в соряженных системах скольжения на характер поверхностного рельефа и характеристики усталости. Исследованы закономерности формирования трансляциовно-ротационных мезовихрей,
В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования зарождения и распространения трещины на мезоуровне. Выявлена принципиально важная: роль эффекта Баушингера и сопряжения пластически деформированного поверхностного слоя с упруго деформированной подложкой при зарождении усталостной: трещины. Исследованы закономерности распространения усталостной трещины в поверхностном слое алюминия.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты восполняют пробел в знаниях о механизмах деформации и разрушения поликристаллического алюминия, вводя в рассмотрение мезомасштабный уровень. Показано, что усталостное разрушение алюминия развивается как многоуровневый процесс поворотного типа и удовлетворительно описывается положениями физической мезомеханики. Полученные качественные различия фрактальной мезоструктуры материалов с различным соотношением интенсивностей сдвигов в сопряженных системах скольжения и показатели шероховатости могут быть использованы для оценки стадии предразрушения. Показана возможность определения механизма деформации, образования трещины и ее распространения по поверхности образца путем совместного анализа структурных изменений на мезоуровне и идентификации векторов на полях векторов смещений. Оценка максимальной относительной деформации позволяет характеризовать усталостные испытания при нагружении в условиях постоянной деформации.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Механизм распространения встречных мезополос одиночного скольжения в ориентированных для одиночною скольжения поверхностных зернах, который обеспечивает распространение поверхностной волны переключения в направлении продольной оси образца. Сопряжение такого зерна с упруго наїруженной подложкой обусловливаег появление поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин в поверхностном слое.
2. Возникновение двух типов множественного скольжения в поверхностных зернах:
а) развитие сопряженных мезополос, векторная сумма которых совпадает с продольной осью образца, в таких зернах усталое inые трещины не возникают;
б) развитие множественного скольжения, в котором поперечные сдвиги суммируются и формируют мощную полосу сброса, в таких зернах возникают моментные напряжения, приводящие к развитию магистральной трещины.
3. Волновой характер распространения в поверхностных слоях алюминия усталостных трещин и механизм образования на них ступенек.
4. Существенная положительная роль высокой сдвиговой устойчивости внутренней структуры алюминия в характере и кинетике развития механизмов деформации па мезоуровне и высоком уровне его циклической долговечности.
Связь работы с научными программами и темами Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами государственных и отраслевых научных программ: «Физические основы мезомеханики пластической деформации и разрушения и новые критерии оценки ресурса: работы материалов и конструкций» (проект НИР программы ПІЦ ИФІІМ СО РАН 1994-1995 гг.); «Мезодефекты и модели в физической мезомеханикс как методологическая основа компьютерного конструирования материалов» (проект НИР программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1996 г.); ГНТП «Новые материалы» (приоритетное направление «Компьютерное конструирование материалов и технологий») 1996-1998 гг.; ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Новые материалы», направление «Дизайн (компьютерное конструирование ) материалов и композиционные материалы» 1999-2001 і г.; «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 гг.).
