Деформация и разрушение на мезоуровне поверхностно упрочненных материалов Панин Сергей Викторович

Содержание к диссертации

Введение

1. Представления физической мезомеханики материалов о пластической деформации и разрушении твердых тел

1.1. Синергетические принципы физической мезомеханики структурно неоднородных материалов

1.2. Классификация дислокационных субструктур и стадий кривой течения на микромасштабном уровне

1.3. Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций, основанные на обработке изображений

1.4. Структурные уровни развития пластической деформации и разрушения в условиях приложения циклических нагрузок

1.5. Классификация механизмов, развивающихся в материалах,1 находящихся в условиях трибоконтакта

2 Постановка задач, материал и методика экспериментальных исследований

2.1. Задачи исследований 71

2.2. Выбор материалов и схем нагружения 77

2.3. Оборудование и методика эксперимента 103

3. Разработка и экспериментальное Тестирование аппаратного и программного обеспечения для изучения деформации и разрушения на мезоуровне нагруженных материалов

3.1. Оптико-телевизионный метод высокого разрешения для построения полей векторов перемещений и компонент тензора дисторсии

3.2. Разработка и исследование алгоритмов обработки изображений поверхности для оценки деформации твердых тел

3. Верификация метода оценки деформации твердых тел, основанного на построении полей векторов перемещений участков поверхности

4. Применение вейвлет-анализа изображений поверхности для изучения процессов пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне

5. Применение Фурье спектрального анализа изображений поверхности для изучения процессов усталостного разрушения на мезомасштабном уровне

6. Разработка адаптивного алгоритма оценки информативности динамических признаков для обработки и анализа изображений

7. Выводы к главе 3 210

Исследования закономерностей деформации и разрушения. на мезоуровне при активном растяжении материалов с покрытиями

1. Формирование «встречных вихрей» и зарождение трещин на внутренней границе раздела

2. Роль геометрии границы раздела 228

3. Влияние разупрочненного подслоя и градиентной структуры покрытия

4. Роль пластичности покрытия и адгезионной прочности

5. Выводы к главе 4 288

Исследование закономерностей деформации и разрушения на мезоуровне при сжатии материалов с покрытиями

1. Особенности развития деформации в поверхностных слоях 291 интерметаллического сплаве №бзА137 (Um 3490)

2. Влияние пористости покрытия 305

3. Роль переходного слоя и геометрии границы раздела 321

5.4. Влияние толщины поверхностного упрочненного слоя 338

5.5. Выводы к главе 5 356

6. Исследования закономерностей деформации и разрушения на мезоуровне при циклическом нагружении

6.1. Критерий усталостного предразрушения 358

6.2. Влияние пластичности покрытия на зарождение и рост 372 усталостной трещины

6.3. Диагностика усталостного разрушения методом свободных 384 колебаний

6.4. Выводы к главе 6 399

7. Исследование закономерностей деформации и разрушения на мезоуровне при трении и изнашивании материалов с покрытиями

7.1. Изнашивание ионно-имплантированных образцов 401

7.2. Изнашивание высокопрочных ионно-азотированных образцов 422

7.3. Изнашивание NiCrBSi-покрытий различной толщины 436

7.4. Выводы к главе 7 457

Основные результаты и выводы

• Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций, основанные на обработке изображений
• Выбор материалов и схем нагружения
• Верификация метода оценки деформации твердых тел, основанного на построении полей векторов перемещений участков поверхности
• Влияние разупрочненного подслоя и градиентной структуры покрытия

Введение к работе

Актуальность темы. До недавнего времени исследование процессов пластической деформации проводилось на основе двух традиционных подходов: механики сплошной среды (макроуровень) и теории дислокаций (микроуровень). В рамках обоих подходов были всесторонне изучены носители, механизмы и закономерности деформации, качественно объяснено поведение деформируемого твердого тела в различных условиях нагружения. Однако многочисленные попытки объединить эти два подхода и количественно описать кривую пластического течения не принесли ожидаемых результатов.

Два десятилетия назад было выдвинуто положение о том, что в деформируемом твердом теле необходимо рассматривать иерархию масштабов структурных уровней деформации. На мезомасштабных уровнях носителями деформации являются трехмерные мезообъемы, которые перемещаются по схеме "сдвиг+поворот". Систематическое исследование структурных уровней деформации привело к созданию нового научного направления - физическая мезомеханика материалов. В рамках данного подхода деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой микро-, мезо- и макромасштабные уровни органически взаимосвязаны [1].

Согласно представлениям физической мезомеханики считается, что в кристаллической решетке деформационные дефекты (дислокации) зарождаются на микро-концентраторах напряжений. Наиболее интенсивно этот процесс развивается в поверхностных слоях нагруженного твердого тела. Нанесение упрочняющих покрытий или поверхностное упрочнение материала блокирует микро-концентраторы напряжений и вводит контролируемые мезо— концентраторы напряжений нескольких типов:

квазипериодически пространственно расположенные мезо—

концентраторы напряжений, возникающие на границе раздела между

покрытием и основой вследствие несовместности их упругих

деформаций;

квазипериодически пространственно" расположенные трещины в упрочняющем покрытии, концентрирующие напряжения как надрезы на образце;

стохастически распределенные мезо—концентраторы напряжений в условиях сложного профиля границы раздела, обработки материала ультразвуком при поверхностном упрочнении и др.

Материалы с упрочняющими и защитными покрытиями конструкционного и инструментального назначения работают при различных схемах нагружения, включающих растяжение, сжатие, изгиб, циклическое нагружение, сложнонапряженное состояние в парах трения. Естественно, что мезоконцентраторы напряжений различного типа должны приводить к развитию локализации пластического течения на различных мезомасштабных уровнях, вовлечению поворотных мод деформации, зарождению трещин и, в конечном итоге, разрушению материала. Данные процессы являются по своей природе многоуровневыми. И если микромасштабный уровень развития указанных процессов изучен в литературе достаточно полно, то систематические исследования механизмов и закономерностей локализованного пластического течения в иерархии мезомасштабных уровней только начинаются.

Важность учета локализации пластического течения на мезомасштабных уровнях осознана в механике сплошной среды: в последние годы появилась целая серия работ в этой области [2-4]. Однако для корректного обоснования моделей локализованного пластического течения на мезомасштабных уровнях в различных материалах и при различных схемах нагружения необходимы систематические экспериментальные исследования в контролируемых условиях. Такие условия естественным образом выполняются при деформации материалов с упрочняющими покрытиями или поверхностно упрочненными слоями. Исследование подобных материалов представляют и большой л практический интерес, поскольку подавляющее большинство современных конструкционных и инструментальных материалов производятся с

упрочненными рабочими поверхностями или нанесенными покрытиями (упрочняющими, защитными или функциональными).

Актуальность рассмотрения многоуровневых процессов накопления повреждений подчеркивается и в механике разрушения. В работе [5] указано, что понимание, а, следовательно, и корректное описание проблем разрушения может быть достигнуто только в случае учета процессов накопления повреждений, обеспечиваемых за счет локализованного развития пластической деформации в иерархии масштабных уровней. В работе [6] один из классиков современной механики разрушения проф. Дж.Си, основываясь на энергетическом подходе к описанию разрушения, указывает на необходимость учета деформационных процессов в иерархии масштабных уровней деформации. При этом наиболее актуальными становятся материалы и условия нагружения, для которых время наступления разрушения может изменяться на несколько порядков. Особенную важность многоуровневость развития деформации приобретает в условиях локализованного приложения нагрузок, усталостного разрушения [7] и т. п. При этом корректное описание перехода процесса нарушения сплошности от меньшего масштабного уровня к большему возможно только при рассмотрении иерархической взаимосвязи локализованных пластических сдвигов и вызванного ими разрушения.

Проведение подобных экспериментальных исследований на мезоуровне требовало создания новых аппаратных и программных средств, в качестве которых могут выступать методы и средства технического зрения [8], включающие автоматизированные оптико-телевизионные измерительные комплексы, способные оперативно выполнять обработку больших объемов видеоинформации, производить высокоточные измерения, качественно и наглядно представлять полученные результаты. Значительные перспективы в плане практического приложения оптико-телевизионных систем открывает их комплексирование с существующими методами неразрушающего контроля (дефектоскопии). Анализ характерных стадий формирования усталостных трещин может быть выполнен одновременно методом свободных колебаний и

путем построения карт деформации поверхности. Изучение возможностей методов технического зрения для исследования механизмов деформации и разрушения на мезомасштабном уровне на примере конструкционных и инструментальных сталей с различными типами покрытий и поверхностно-упрочненных слоев представляется важным для обоснования моделей механики структурно-неоднородных сред.

Цель и задачи работы: Целью работы является создание методов, алгоритмов, аппаратных и программных средств для получения качественной и количественной оценки процессов, развивающихся в деформируемом твердом теле на мезоуровне, и последующее проведение таких исследований на образцах конструкционных и инструментальных сталей с разными типами покрытий и поверхностного упрочнения при различных схемах нагружения.

В работе были поставлены следующие задачи:

разработать структурную схему оптико-телевизионной измерительной системы и на ее основе реализовать два варианта исследовательского комплекса: на базе оптического (система TOMSC) и растрового электронного микроскопов;

разработать алгоритмы и программы для построения векторов смещений и вычисления компонент тензора дисторсии, а также алгоритмы и программы для оценки мезоструктуры на поверхности нагруженного материала по значению ее фрактальной размерности, энергии Фурье спектра мощности и энергии вейвлет-спектра изображений и провести их экспериментальное тестирование;

провести экспериментальные исследования процессов деформации и разрушения на мезоуровне образцов конструкционных сталей с разными защитными, упрочняющими и функциональными покрытиями, нанесенными методами: электронно-лучевой наплавки, холодного газодинамического напыления, газотермического напыления с последующим оплавлением при приложении мощных ультразвуковых колебаний, активированной дуговой металлизации, газопламенного напыления;

- провести экспериментальные исследования процессов деформации и разрушения на мезоуровне образцов конструкционных и инструментальных сталей, поверхностно упрочненных методами диффузионного борирования, электроискрового легирования, а также ионного легирования и ионного азотирования поверхности.

Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в соответствие с планами государственных и отраслевых научных программ: "Разработка программного обеспечения автоматизированного компьютерного комплекса аттестации материалов" (проект НИОКР Н2 по ГНЦ ИФПМ СО РАН на 1994-1995 гг.); "Компьютерные программы конструирования новых материалов" (проект "Информационные технологии в высшем образовании" МОПО РФ 1994-1995 гг.); "Разработка методик, алгоритмов и программ, входящих в технологии измерения и восстановления живучести оборудования предприятий атомной, тепловой энергетики и промышленности" (проект НИОКР НІ по ГНЦ ИФПМ СО РАН на 1996 гг.); Федеральная целевая программа "Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" по направлению "Компьютерное конструирование новых материалов" (1996-1998 гг.); Грант РФФИ «Механика движения объемных структурных элементов на мезоуровне при пластическом деформировании твердых тел», проект № 96-01-00902 (1996-1998 гг.); «Физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред» (основные задания к плану НИР ИФПМ СО РАН на 1995-2000 гг.); Интеграционная программа фундаментальных исследований СО РАН: проект №77 "Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий" (1997-1999 гг.); Грант РФФИ «Мезомеханика структурных неустойчивостей и вихревой характер пластического течения в деформируемом твёрдом теле», проект №№ 99-01-00583 (1999-2001 гг.); Молодежный проект СО РАН «Мезомеханика внутренних границ раздела

высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий» (2000-2001 гг.); Грант РФФИ №00-01-81134-Бел2000_а. «Физическая мезомеханика деформирования и разрушения материалов, модифицированных плазменными, электронно-лучевыми, ионно-лучевыми и газотермическими методами» (2000-2001 гг.); ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» по проекту «Компьютерное конструирование градиентных композиционных материалов конструкционного и функционального назначения для объектов техники энергетического и нефтегазового комплексов и разработка технологий их производства» (2000-2002 гг.); Интеграционный проект СО РАН №45 «Разработка принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на ее основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники» (2000-2002 гг.); молодежный проект РАН «Принципы конструирования высокопрочных и износостойких градиентных материалов и покрытий на основе физической мезомеханики» (2001-2003 гг.); «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 гг.); Грант РФФИ №02-01-81003-Бел2002_а «Механика пластической деформации и разрушения поверхностно упрочненных твердых тел» (2002-2004 гг.).

Методы исследования. Работа выполнена в рамках методологии физической мезомеханики материалов. В качестве основных методов исследования в работе использованы методы распознавания, цифрового моделирования на ЭВМ, теории вероятностей, физического моделирования, макетирования. В работе применялись современные экспериментальные методы для изучения структуры и физико-механических свойств материалов: оптико-телевизионный измерительный комплекс на базе испытательной машины ИМАШ-2078 и микроскопов EPIQUANT и NEOPHOT, гидравлическая испытательная машина Schenck-Sinus-100, машина трения СМТ-1, оптическая

11 металлография, структурно-фазовый анализ, растровая электронная микроскопия, измерение микротвердости. Научная новизна. В работе впервые:

обоснована возможность применения методов технического зрения для количественного описания процессов деформации и разрушения на мезоуровне твердых тел, а также разработана структурная схема оптико-телевизионного измерительного комплекса;

созданы алгоритмы и программы для анализа параметров деформации и разрушения на мезомасштабном уровне;

для широкого круга композиций с покрытиями выявлено влияние геометрии границы раздела «покрытие-основа», переходных и промежуточных слоев, соотношения прочностных характеристик покрытия и подложки, величины адгезионной прочности, а также толщины покрытия на характер развития деформации и разрушения на мезоуровне при различных схемах нагружения;

выявлена определяющая роль границы раздела «покрытие-основа» в зарождении и распространении усталостных трещин в композициях с покрытиями, нанесенными методом электронно-лучевой наплавки;

в результате комплексного использования методов технического зрения и свободных колебаний установлена численная связь между усталостным разрушением материалов с покрытиями и изменением собственных частот их свободных колебаний;

установлена связь между интенсивностью изнашивания и характером развития пластической деформации на мезомасштабном уровне в композициях с различными покрытиями и модифицированными поверхностными слоями.

Практическую ценность работы составляет:

1) варианты реализации исследовательских оптико-телевизионных

измерительных систем (в том числе 2 устройства ввода изображения из РЭМ

в персональную ЭВМ);

2. программное обеспечение для построения векторов смещений, вычисления компонент тензора пластической дисторсии, интенсивности деформации, фрактальной размерности, расчета распределений энергии Фурье-спектра мощности, расчета вейвлет-спектров и ряда их численных характеристик;

3. рекомендации по оптимизации режимов формирования различных покрытий и режимов упрочнения поверхности конструкционных и инструментальных материалов, предназначенных для работы в различных условиях нагружения;

4. результаты комплексного исследования усталостного разрушения оптико-телевизионной измерительной системой и методом свободных колебаний могут быть использованы для неразрушающего контроля состояния нагруженных деталей машин и элементов конструкций.

Основные новые результаты работы:

1. обоснование возможности использования методов технического зрения для анализа процессов пластической деформации и разрушения на мезоуровне;

2. структурная схема оптико-телевизионной измерительной системы и варианты ее реализации;

3. программа для построения векторов смещений и расчета компонентов тензора пластической дисторсии и интенсивности деформации;

4. пакет программ оценки мезоструктуры на поверхности по вычислению фрактальной размерности, энергии Фурье-спектра мощности и вейвлет спектра;

5. закономерности деформации и разрушения на мезоуровне при различных схемах нагружения образцов конструкционных и инструментальных сталей с разными типами защитных, функциональных и упрочняющих покрытий;

6. сопоставление результатов оптико-телевизионных исследований и моделирования методом конечных разностей деформирования и разрушения¹ на мезоуровне образцов с защитными покрытиями при растяжении и сжатии.

7. сопоставление характеристик распространения усталостной трещины в образцах с различными типами электронно-лучевых покрытий и изменения частот их свободных колебаний.

Внедрение работы. Созданные программы являются неотъемлемой частью оптико-телевизионного комплекса "TOMSC" и используются для проведения исследований различных материалов и сплавов в ИФПМ СО РАН, ТПУ. На устройство ввода изображения из растрового электронного микроскопа в ПЭВМ получен патент РФ, и оно (устройство) также эксплуатируется в настоящее время в ИФПМ СО РАН совместно с микроскопом "РЭМ-200". На программу вейвлет спектрального анализа изображений получен акт отраслевой регистрации.

Разработанные в диссертации методы и программы прошли апробацию и использованы в рамках прикладных НИОКР и международных соглашений:

1. Международный проект с Кембриджским университетом «Волны локализованной пластической деформации - новый подход к изучению пластической деформации материалов» (поддержан Британским Королевским научным обществом 1997-1999 гг.);

2. Международный проект с Дрезденским Институтом неразрушающего контроля (Германия) "Неразрушающий контроль остаточного срока службы материалов на основе моделей мезомеханики" (1997-1999 гг.);

3. Хоз/договор с РАО "Газпром" №24/97 "Системы диагностики и пожаротушения" (1997-2001 гг.);

4. Проект «Разработка промышленного комплекса для восстановления деталей энергетического оборудования и аттестации защитных и упрочняющих покрытий» (грант Администрации г. Томска посвященный 400-летию г. Томска. (1999-2000 годы)).

Общая сумма средств от внедрения результатов работ, описанных в
данной диссертации составила тыс. рублей. При этом доля автора

составляет тыс. рублей (акты внедрения прилагаются).

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 74 публикациях: в 1 монографии, 2 патентах на изобретение, 5 свидетельствах о регистрации компьютерных программ, 69 статьях в рецензируемых журналах и

сборниках трудов международных конференций. Результаты работы были представлены на следующих конференциях:

IV International conference on Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies "CADAMT'95" (г.Томск, 1995); "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Самара, 1995); 2-й международный симпозиум по трибофатике (г. Москва, 1995); Международный конгресс "Защита-95" (г. Москва, 1995), Third Russian-Chinese Symposium "Advanced Materials and Processes" (г. Калуга, 1995); "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии" (г. Курск, 1995), «Сибконверс'95» (г.Томск, 1995); "MESOFRACTURE-96" (г.Томск, 1996); International Conference on Surface Engineering, (Shanghai, China, 1997); "CADAMT'97" (г. Байкальск, 1997); "Распознавание-97" (г.Курск, 1997), 4-й Китайско-Российский симпозиум "Advanced Materials and Technologies" (Pingu, China, 1997); 15th International Thermal Spray Conference (Nice, France, 1998); "Mesomechanics'98" (Tel-Aviv, Israel); Международный семинар "Функциональные градиентные материалы" (Киев, Украина, 1998); Международный симпозиум «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (Хабаровск, 1998); Международная научно - технической конференция "Энергодиагностика и Condition Monitoring" (Москва, 1998); 3^rd Russian-Korean International Symposium on Science and Technology KORUS'99 (Novosibirsk, Russia, 1999); VI-я всероссийская научно-техническая конференция «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (Томск, 1999); International Conference of Role of Mechanics for Development of Science and Technology (Xi'an, China, 2000); 4 Korea - Russia- International Symposium on Science and Technology KORUS'2000 (Ulsan, Korea, 2000); Третья международная конференция «Энергодиагностика и Condition Monitoring» (Нижний Новгород, 2000); Junior Euromat (Lausanne, Switzerland, 2000); 1^st International Congress on Radiation Physics, High-Current Electronics and Modification of Materials (Tomsk, 2000); 6^th Russian-Chinese Symposium "Advanced Materials and Processes" (Beijing, China, 2001); "MATERIALS WEEK

2001" (Munchen, Germany, 2001); Вторая международная научно-техническая конференция «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред ЭМФ 2001» (Барнаул, 2001); 17-я Межреспубликанская конференция «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (Новосибирск, 2001); International conference on Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies "CADAMT'2001" (г.Томск, 2001); 5 Korea-Russia International Symposium on Science and Technology KORUS'2001 (Tomsk, Russia, 2001); International Conference on New Challenges in Mesomechanics (Aalborg, Denmark, 2002); New Trends in Fatigue and Fracture (Metz, France, 2002); 7 Korean-Russian International Symposium on Science and Technology (Ulsan, Republic of Korea, 2003); New trends in fatigue and fracture II, (Hammamet, Tunisia, 2003); 5^th International Conference for Mesomechanics (Tokyo, Japan, 2003), 6 International Conference for Mesomechanics (Patras, Greece, 2004), Всероссийская конференция «Высокие технологии и обеспечение качества и надежности изделий машиностроения» (Самара, 2004); Fracture Mechanics'2004 "Environment Effects on Fracture and Damage" (Huangshan, China, 2004).

Основными соавторами по опубликованным работам являются академик
В.Е. Панин, профессор В.И. Сырямкин, с.н.с. Р.Р.Балохонов,

м.н.с. Е.В. Легостаева, Ш.А. Байбулатов, П.С. Любутин, м.н.с. А.Ю. Быдзан, А.В. Романенко. У двух последних автор являлся научным руководителем кандидатских диссертаций. Основные положения, выносимые на защиту:

5. Обоснование возможности количественного исследования процессов деформации и разрушения на мезоуровне методами технического зрения; структурная схема оптико-телевизионной измерительной системы, а также варианты ее реализаций.

6. Алгоритмы и результаты экспериментального тестирования программ построения векторов перемещений и расчета компонент тензора дисторсии, а также программ количественного описания мезоструктуры поверхности

16 нагруженных твердых тел по расчету фрактальной размерности, энергии Фурье- и вейвлет-спектров, а также динамических информативных признаков изображений.

3. Фронтальный характер распространения пластического течения материала основы при растяжении образца с упрочняющим покрытием, которое сопровождается периодической остановкой фронта полосы Чернова-Людерса и развитием около границы раздела покрытие-основа «встречных мезовихрей», что определяет зарождение на границах раздела и распространение в покрытии трещин нормального отрыва.

4. Определяющее влияние на пластичность и прочность композиционного материала геометрии профиля границы раздела «покрытие (упрочненный поверхностный слой) - подложка», а также характера растрескивания покрытия (связанного с геометрией границы его раздела с подложкой), которое может приводить как к снижению пластичности поверхностно-упрочненного материала, так и к ее повышению.

5. Фрагментация материала основы, связанная с вихревым характером пластического течения в поверхностно-упрочненном материале. Ее развитие определяет прочностные характеристики материала с покрытием (поверхностным упрочнением), распространение магистральной трещины при усталостном разрушении, изнашивание материала в парах трения.

6. Качественный критерий усталостного предразрушения при знакопеременном циклическом изгибе, учитывающий эволюцию вихревой деформации на мезомасштабном уровне в остаточном сечении образца перед распространением магистральной усталостной трещины.

7. Взаимосвязь изменения частоты свободных колебаний образцов стали 20X13 и ее композиций с наплавленными покрытиями с локализованным развитием пластической деформации и нарушением сплошности в условиях распространения усталостных трещин.

8. Обоснование режимов формирования покрытий и переходных слоев, а также выбора толщины покрытий и величины адгезионной прочности,

обеспечивающих максимальное повышение прочностных свойств и пластичности.

Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов,
выводов и рекомендаций обеспечена корректностью постановки задачи,
стабильной воспроизводимостью результатов, систематическим характером
экспериментальных исследований, соответствием результатов

экспериментальных исследований и компьютерных расчетов, а также
подтверждается результатами испытаний оптико-телевизионных

измерительных систем.

Личный вклад автора. Все изложенные в работе результаты исследований получены при непосредственном участии автора. Автору принадлежат варианты реализации алгоритмов расчета компонент деформации, фрактальной размерности, результаты экспериментального тестирования всех программ, постановка целей и задач работы, выбор и проведение части экспериментальных исследований, ведущая роль в интерпретации результатов, формулирование основных научных положений и выводов. Структура работы

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Она изложена на 507 страницах; содержит 233 рисунка, 12 таблиц, 7 приложений. Список литературы содержит 396 наименований.

В диссертации принята тройная нумерация формул, рисунков и таблиц. Первая цифра указывает номер главы, а вторая - номер подраздела (параграфа), третья - порядковый номер рисунка, таблицы или формулы внутри данного параграфа.

1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МЕЗОМЕХАНИКИ МАТЕРИАЛОВ О

ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

1.1. Синергетические принципы физической мезомеханики структурно

неоднородных материалов

Новое научное направление физическая мезомеханика материалов зародилось около 20 лет назад в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН на стыке между механикой сплошных сред, физикой прочности и пластичности (теорией дислокаций) и физическим материаловедением [1, 9-14]. В рамках физической мезомеханики материалов пластическая деформация нагруженного твёрдого тела рассматривается как потеря его сдвиговой устойчивости и протекает под действие концентраторов напряжений (КН) различных структурных и масштабных уровней как многоуровневый релаксационный процесс [1,9-16].

Первоначально, потеря сдвиговой устойчивости происходит на микроуровне в локальных зонах кристаллической решётки. Микроконцентраторы напряжений, возникающие на структурных неоднородностях, вызывают локальное перестроение кристаллической решётки в определённых кристаллографических направлениях. Такое локальное структурное превращение проявляется как зарождение и движение дислокаций (рис. 1.1.1 я). Поскольку влияние микроконцентраторов напряжений является сугубо близкодействующим, перемещение дислокации происходит на небольшие расстояния в пределах зон микроКН. Дислокации, как трансляционные дефекты, реализуют только трансляционные моды деформации [1,9-16].

Постепенное формирование дислокационных ансамблей приводит к возникновению в рамках исходной внутренней структуры образца диссипативные субструктур (рис. 1.1.16). Такие диссипативные субструктуры обуславливают развитие вихревого характера пластического течения по схеме «сдвиг+поворот» и классифицируются как мезомасштабный уровень I [1, 15-16].

Рис. 1.1.1. Схема масштабных уровней потери сдвиговой устойчивости в деформируемом твердом теле: а) микро; б) мезо I; в) мезо II; г) макро [15, 16]

В ходе деформации плотность дислокаций (и других дефектов) возрастает, и при некотором её критическом значении теряется сдвиговая устойчивость в локальных зонах образца как целого. Становятся возможными структурные перестроения на большие расстояния в произвольных направлениях, не совпадающих с кристаллографическими направлениями решетки. Этот масштабный уровень потери сдвиговой устойчивости классифицируется как мезоуровень II [1, 15, 16]. Здесь возникают новые типы дефектов -мезодефекты: дисклинации, различного рода полосовые структуры, микродвойники, мартенситные ламели и др. (рис. l.l.le). Они зарождаются на мезоКН и распространяются на большие расстояния через многие структурные элементы независимо от их кристаллографической ориентации.

Мезодефекты, содержащие как сдвиговую, так и поворотную компоненты деформации, делают возможным перемещение в деформируемом твёрдом теле объёмных структурных элементов различного масштаба: субзёрен, зёрен, их конгломератов, протяжённых блоков материала. Согласно [1, 15, 16] это есть фрагментация образца как целого, что соответствует состоянию предразрушения.

Когда мезодефекты формируются в достаточном количестве во всем сечении образца, наступает потеря сдвиговой устойчивости на макроуровне. Сдвигонеустойчивым становится весь образец в целом. В определённом сечении образца формируется мощный макроконцентратор напряжений, который генерирует две параллельные или сопряженные макрополосы локализованной пластической деформации, распространяющиеся через все поперечное сечение образца [1, 15-17] (рис. 1.1.1г). Это отражает глобальную потерю сдвиговой устойчивости деформируемого образца и проявляется в развитии на образце локализованной шейки.

Согласно [1, 15-17], формирование на различных масштабных уровнях полосовых структур позволяет осуществлять пластические изгибы, повороты зёрен, их конгломератов, отдельных фрагментов внутри структурных элементов и смещать относительно друг друга целые блоки образца:

Микромасштабный уровень. Хотя однозначной интерпретации таких структур нет, несомненна их роль как механизмов пластического разворота или изгиба-кручения в деформируемом материале. Простейшей иллюстрацией полосовых структур служат дислокационные стенки при полигонизации, полосы сброса, дислокационные диполи.

Мезомасштабный уровень. При пластической деформации структурно-неоднородной среды возникают два мезоскопических подуровня:

а) мезоскопический уровень - I, связанный с поворотными модами внутри отдельных структурных элементов, формирует мезополосы -1 и мезосубструктуру -1;

б) мезоскопический уровень - II, связанный с самосогласованными поворотами целых конгломератов структурных элементов как трансляционно-ротационных вихрей. На этом уровне формируются мезополосы - II и мезосубструктура - II в образце в целом.

Макромасштабный уровень. В образце появляются макроконцентраторы напряжений, порождающие макрополосы, ведущим в образовании которых является локализованный трансляционно-ротационный вихрь.

В результате обобщения многочисленных экспериментальных данных, академиком В.Е.Паниным в [17] были сформулированы и обоснованы принципы синергетики деформируемого твердого тела:

Принцип 1. Сдвиг в нагруженном твердом теле связан с локальной потерей сдвиговой устойчивости среды и может осуществляться на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях как локальное изменение исходной внутренней структуры.

Микроуровень: локальное структурное превращение исходной кристаллической решетки на микромасштабном уровне проявляется как зарождение ядер дислокаций и их движение в поле градиента напряжений.

Мезоуровень: возникает локальная потеря устойчивости внутренней структуры как микро-, так и мезоуровня; это проявляется как зарождение и движение мезополос локализованной деформации, распространяющихся в пределах отдельных конгломератов элементов внутренней структуры; их самоорганизация обусловливает фрагментацию деформируемого образца на мезоуровне.

Макроуровень: происходит глобальная потеря сдвиговой устойчивости нагруженного образца как целого; это проявляется как зарождение одной макрополосы, двух параллельных макрополос в виде диполя или двух сопряженных макрополос локализованной деформации, распространяющихся через все сечение образца; эволюция данного процесса завершается разделением образца на две части.

Принцип 2. Сдвиг на любом масштабном уровне может зарождаться только в локальной зоне концентратора напряжений соответствующего масштаба, поскольку в целом структура нагруженного твердого тела под действием среднего приложенного напряжения сохраняет свою сдвиговую устойчивость.

Принцип 3. Наименьшую сдвиговую устойчивость в нагруженном твердом теле имеет его свободная поверхность. Поэтому первичные упругопластические сдвиги зарождаются на свободной поверхности и распространяются в направлении максимальных касательных напряжений. Базовым концентратором напряжений является захват испытательной машины (или место приложения к деформируемому твердому телу внешней нагрузки). Индуцированные упругопластическими сдвигами в поверхностных слоях вторичные концентраторы напряжений релаксируют генерацией деформационных дефектов различного масштаба, которые распространяются в объем образца, обусловливая его пластическое течение и разрушение.

Принцип 4. Сдвиг в сплошной среде со стесненным материальным поворотом генерирует на своем пути зону изгиба-кручения, которая является новым концентратором напряжений.

Принцип 5. Сдвиг как релаксационный процесс в ограниченной упругопластической среде с заданными граничными условиями генерирует затухающие упругие (акустическая эмиссия) и упругопластические (затухающие знакопеременные осцилляции смежных сдвигов) автоколебания.

Принцип 6. Пластическая деформация твердого тела развивается по схеме: первичный (базовый) концентратор напряжений - релаксационный сдвиг со стесненным поворотом, формирующим локальную зону изгиба-кручения как индуцированный концентратор напряжений - последующий релаксационный сдвиг, сопровождаемый упругими или упругопластическими автоколебаниями среды, и т.д. Такой автоволновой процесс проявляется в явном виде, если он локализован на одном макромасштабном уровне. В общем случае он развивается на нескольких взаимодействующих масштабных уровнях, обусловливая широкий спектр масштабов локализации деформации.

Принцип 7. Самоорганизация сдвигов в деформируемом твердом теле отражает самосогласование связанных со сдвигами упругопластических поворотных мод и зон изгиба-кручения: при заданной оси нагружения суммарный поворот и изгиб-кручение в иерархии сдвигов всех масштабных уровней должны быть равны нулю (условие сохранения сплошности). Нарушение этого условия обусловливает возникновение трещин как аккомодационных поворотных мод деформации.

Принцип 8. Глобальная потеря сдвиговой устойчивости и разрушение возникают в месте локализации макроконцентратора напряжений и определяются механикой развития макрополос локализованной деформации, аккомодированного релаксационными процессами на мезо- и макромасштабном уровнях.

Большую роль в деформировании нагруженных твердых тел играют поверхностные слои и внутренние границы раздела. На свободных поверхностях и начинается процесс пластического течения [18,19]. Это связано с тем, что они имеют специфическую дефектную структуру и ослабленные силы связи. В работе [20] при исследовании поликристаллических образцов алюминия было показано, что зарождение сдвиговой внутризеренной деформации и её локализации начинается на поверхности образца, в зоне базового концентратора напряжений, у захвата. Распространение локализованной деформации при этом осуществлялось путем последовательного формирования и самосогласованного взаимодействия полос локализованного сдвига.

Базовым концентратором напряжений при нагружении является подвижный захват испытательной машины или любое место приложения внешней нагрузки. Он генерирует потоки поверхностных дефектов, которые распространяются в поверхностных слоях как поверхностные волны [21]. Именно эти процессы определяют дальнейшее развитие пластического течения в объеме деформируемого твердого тела и его разрушение.

В [19] были сформулированы основные принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле:

Принцип 1. Поверхностные слои нагруженных твердых тел являются самостоятельным мезомасштабным структурным уровнем деформации, определяющим первичное зарождение всех видов деформационных дефектов.

Принцип 2. Внутренние границы раздела в структурно-неоднородных средах играют важную функциональную роль в формировании концентраторов напряжений, определяющих механизмы распространения пластических сдвигов и зарождение трещин в объеме деформируемого твердого тела.

Принцип 3. Все механизмы массопереноса в твердых телах в полях внешних воздействий можно описать как суперпозицию базовых мод локальных структурных превращений на различных масштабных уровнях. Данные структурно-фазовые переходы зарождаются на концентраторах напряжений как автоволновой релаксационный процесс распространения потоков дефектов кристаллической решетки. Поверхностные слои и внутренние границы раздела контролируют развитие процессов массопереноса в нагруженном твердом теле.

В структурно неоднородных средах к внутренним границам раздела относятся [22]:

границы зерен в поликристаллах;

межфазные границы в гетерофазных материалах;

границы раздела между поверхностно упрочненным слоем или покрытием и подложкой;

границы раздела в сварных соединениях между сварным швом, зоной термического влияния и основным металлом;

границы раздела между материалом матрицы и армирующими элементами в композиционных материалах;

границы раздела в многослойных материалах.

Экспериментально [23-25] и теоретически [26-29] было показано, что при нагружении гетерогенной среды на внутренних границах раздела возникают концентраторы напряжений, которые генерируют в пластичную матрицу — деформационные дефекты, а в хрупкую - трещины.

В частности, в работе [26] с использованием конечно-разностного метода была предложена модель пластического течения как процесса генерации и распространения сдвигов от границ раздела, которая позволяла получать такие экспериментальные эффекты, как наличие зуба текучести, сдвиги и повороты фрагментов материала на мезоуровне в процессе нагружения и пр. В работах [27, 28] был описан новый перспективный метод численного моделирования, основанный на принципах физической мезомеханики - метод подвижных клеточных автоматов. Этот метод позволяет достаточно точно моделировать поведение структурно неоднородных материалов в условиях динамического нагружения. Например, в работе [27] была проведена серия численных экспериментов по исследованию процесса разрушения керамического покрытия на алюминиевой подложке с изменением формы профиля переходного слоя между покрытием и подложкой. В работе [28] с использованием метода подвижных клеточных автоматов был проведен анализ особенностей развития процесса генерации и развития повреждений в хрупких покрытиях на эластичной подложке. Моделирование поведение поверхностно упрочненных композиций со сложными профилями границы раздела между покрытием и подложкой проводилось также в [29]. Авторами было показано, что профили фазовых границ раздела, а также наличие и характеристики переходного слоя оказывают большое влияние на возникновение и релаксацию концентраторов напряжений в упрочненном слое, и, как следствие, на развитие пластической деформации и разрушение упрочненных композиций.

В целом, результаты моделирования подтверждают экспериментальные данные о том, что границы раздела в структурно гетерогенных материалах играют большую роль в развитии деформации и разрушении.

Возникновение концентраторов напряжений на внутренних границах раздела обусловлено тремя факторами [14, 15, 17, 22, 23]:

несовместностью упругих деформаций двух смежных сред;

возникновением стесненного поворота структурного элемента деформации как целого при развитии внутри его объема пластических сдвигов;

возникновением на внутренних границах раздела неравноосных структурных элементов потоков дефектов, обуславливающих специфические механизмы зернограничного проскальзывания, диффузионно-стимулированной ползучести и др.

Структура и свойства поверхностного и приповерхностного слоев материала оказывают большое влияние на многие его эксплуатационные характеристики, в том числе на износостойкость. В [30, 31] показано, что процессы деформирования поверхностных слоев и изнашивания при трении развиваются на мезомасштабном уровне. При этом высокие степени деформации, связанные с массопереносом на поверхности, обусловлены ротационным характером деформирования с относительным разворотом фрагментов структуры преимущественно вокруг оси, перпендикулярной направлению трения и параллельной поверхности скольжения. Такой механизм ротационной пластичности, связанный с возможностью проскальзывания ультрадисперсных фрагментов относительно друг друга, с одной стороны, обеспечивает в поверхностных слоях трущихся тел чрезвычайно большие пластические деформации. С другой стороны, вызывает локализацию напряжений разного знака в нижележащий слоях, масштаб которых совпадает с масштабом мезовихрей в приповерхностном слое. Это, в свою очередь, приводит к развитию вихревой мезоструктуры, имеющей другой масштаб [30].

Таким образом, мезомеханика изнашивания непосредственно связана с характером деформирования материала и для снижения скорости изнашивания нужно блокировать возникновение мезовихрей в приповерхностных слоях трения.

Для повышения износостойкости материалов используются защитные покрытия. Физическая мезомеханика материалов позволяет сформулировать критерии выбора параметров поверхностного упрочнения и характеристик упрочненного слоя или покрытия [31]:

1. Толщина покрытия не должна превышать некоторой оптимальной величины, которая определяется соотношением характеристик покрытия и подложки.

2. Граница раздела между покрытием и подложкой не должна быть геометрически плоской. Последнее приводит к формированию на границе раздела опасных концентраторов напряжений и появлению квазипериодических микротрещин в покрытии.

3. Подложка должна быть способной деформироваться на микромасштабном уровне, чтобы задерживать возникновение мезоконцентраторов напряжений и замедлять образование вихревой мезоструктуры

1.2. Классификация дислокационных субструктур и стадий кривой течения на микромасштабном уровне.

В рамках иерархии масштабных уровней деформации теория дислокаций, как инструментарий описания процессов пластической деформации на основании возникновения и движения основных носителей деформации на микроуровне, занимает одну из ведущих позиций. Физика прочности и пластичности, интенсивно развиваемая последние 50 лет, несомненно, достигла огромных успехов в описании процессов, протекающих в деформируемом твердом теле. К настоящему времени почти все наблюдаемые на микроуровне явления описаны в литературе [32, 33], поэтому представляет большой интерес проследить эволюцию структурных изменений, протекающих в кристаллическом материале при нагружении, и провести аналогию между типами субструктур, возникающих на микро- и мезомасштабных уровнях. С этой точки зрения в данном параграфе акцент будет сделан на особенности возникновения и изменения дислокационной структуры по мере пластического течения, а также на ее связь со стадийностью пластической деформации на микроуровне.

Трехстадийный характер кривой течения ГЦК монокристаллов впервые был обнаружен в 1955 году. При этом были классифицированы: стадия легкого скольжения, стадия линейного упрочнения и стадия параболического упрочнения (рис. 1.2.1). Через год появились сообщения об еще одной -переходной стадии. В дальнейшем аналогичные стадии были обнаружены и в ОЦК монокристаллах, а затем и в поликристаллических материалах. Однако наиболее полная классификация стадий кривых течения для различных видов материалов и их связи с типами дислокационных структур и картинами скольжения впервые была опубликована лишь в [34].

На основании большого числа экспериментальных результатов, полученных при испытаниях на растяжение и сжатие моно- и поликристаллических материалов в общем случае на кривой as было выявлено 4 стадии (рис. 1.2.1). В качестве первой или переходной стадии - (П)

был выделен участок кривой течения, наблюдаемый сразу за пределом текучести. Вторая стадия (II) характеризуется высоким упрочнением, нарастающим с постоянной скоростью, что соответствует стадии линейного упрочнения на кривой as. На стадии III коэффициент упрочнения уменьшается, и кривая течения приобретает параболический вид. Иногда эту стадию разбивают на две составляющие, каждая из которых имеет свой коэффициент параболичности. Завершающей стадией в обобщенной классификации является стадия IV, характеризуемая коэффициентом деформационного упрочнения, убывающим с малой, но постоянной скоростью.

Приведенная десрормация сдвига

Рис. 1.2.1. а) Схематичное изображение кривой напряжение-деформация для

металлического кристалла с ГЦК решеткой; б) Схематичное изображение четырех-стадийной кривой деформации. [34]

Приведенные стадии обобщенной кривой течения определяют общие закономерности ее характера. Однако необходимо отметить некоторые особенности, которые могут проявляться при исследовании различных материалов:

протяженность стадий, а также величины напряжений и деформаций, при которых эти стадии начинаются, отличаются для различных типов материалов;

граница между стадиями на кривой течения может быть как четко выраженной, так и размытой. Подобным образом ведут себя и значения коэффициента деформационного упрочнения на соседних стадиях;

на кривой а—є возможно отсутствие некоторых стадий;

в монокристаллах перед стадией П может наблюдаться стадия легкого скольжения (I);

после стадии IV могут появляться дополнительные стадии V и VI, хотя подобное явление встречается довольно редко.

Еще одной важной характерной чертой обобщенной кривой а-є является осцилляция коэффициента деформационного упрочнения в при увеличении деформации: стадии с возрастающим или убывающим коэффициентом в чередуются со стадиями, на которых коэффициент деформационного упрочнения постоянен.

Подробное исследование закономерностей упрочнения в поликристаллах Ni₃Fe показало [34, 35], что при изменении размеров зерна в пределах 20-г2000 мкм стадийность кривых течения сохраняется, хотя при величине зерна более 1500 мкм вид кривой а-є становится более подобен кривой для монокристаллов. Еще одной специфической особенностью является характер поведения значения коэффициента ?на переходной стадии И: в упорядоченных сплавах в возрастает, а в разупорядоченных убывает. Помимо этого в упорядоченных сплавах стадии кривой течения более четко различаются между собой.

При исследовании поликристаллических материалов была установлена зависимость характера кривых течения от среднего размера зерна d. В упорядоченных сплавах увеличение среднего размера зерна приводит к смещению начал каждой из стадий упрочнения в сторону больших деформаций, а также увеличению длительности каждой из стадий. При этом значения деформирующего напряжения в начале стадии II а_п остается постоянным, а ащ и ajy уменьшаются только при размере зерна d менее 150 мкм, затем их значение от параметра d не зависит. В разупорядоченных сплавах соответствующие напряжения начала стадий кривой а-є уменьшаются при увеличении размера зерна поликристалла.

Важной характеристикой упрочнения является введенный Беллом [36]

коэффициент деформационного упрочнения 0 = —. Помимо этого на стадии III

вводится коэффициент параболичности: в_ш =2в4є. Зависимость коэффициента

в от размера зерна d является весьма показательной. На переходной стадии в

разупорядоченных сплавах в - отрицателен, и увеличение d приводит к

уменьшению скорости убывания коэффициента упрочнения. На стадии II при

уменьшении размера зерна деформационное упрочнение возрастает, причем

при малых d этот рост наиболее значителен. На следующей стадии III

увеличение размера зерна приводит к возрастанию упрочнения. Наконец,

значение в[у, как и значения вц, вщ и #_v в упорядоченных сплавах, от величины

зерна практически не зависят.

Таким образом, в работе [34] был четко показан четырехстадийный

характер кривой деформации, приведены параметры, характеризующие стадии,

а также факторы, на них влияющие. Тот факт, что величина зерна не оказывает

влияния на характер стадии IV, подтверждает, что на данной стадии в

деформацию включаются механизмы более высокого - мезомасштабного

уровня.

Очень важной в рамках методологии пластической деформации на

микроуровне, а также в плане демонстрации закона подобия является

классификация дислокационных субструктур (ДСС), приведенная в [34, 35].

Среди основных типов ДСС выделяются следующие (рис. 1.2.2):

1. отдельные невзаимодействующие дислокации и дислокационные диполи;

2. скопления дислокаций;

3. однородная сетчатая субструктура;

4. клубки дислокаций;

5. ячеистая неразориентированная субструктура;

6. ячеистая раз ориентированная ДСС;

7. ячеисто-сетчатая неразориентированная ДСС;

8. ячеисто-сетчатая ДСС с непрерывными разориентировками;

9) полосовая ДСС;

10. ДСС с многомерными дискретными и плавными разориентировками;

11. фрагментированная ДСС;

12. ДСС с расщепленными дислокациями;

13. ДСС с многослойными дефектами упаковки;

14. двойниковая ДСС (п-мерная);

15. ДСС с деформационным мартенситом.

Рис. 1.2.2. Схематичное изображение дислокационных субструктур [35]

Субструктуры, входящие в предложенную классификацию, могут быть разделены на несколько классов (табл. 1.2.1).

а) дислокационные, однородные, неразориентированные - 1,2,3;

б) дислокационные, неоднородные, неразориентированные - 4, 5, 7;

в) дислокационные, разориентированные - 6, 8;

г) дислокационно - дисклинационные, разориентированные - 9, 10;

д) бездислокационные, разориентированные -11;

е) двойниковые и мартенситные - 12, 13, 14, 15.

Таблица 1.2.1. Классификация субструктур [35]

Формирование того или иного типа ДСС определяется несколькими факторами, среди которых можно выделить следующие:

характер нагруженного состояния, т. е. число систем скольжения, стесненная или нестесненная деформация и т. д.;

температура и скорость деформации, которые определяют условия переползания и поперечного скольжения;

свойства дислокаций и твердого раствора (энергия дефекта упаковки, расщепление дислокаций, торможение вследствие наличия атомов внедрения и т. д.);

плотность дислокаций и механизмы их взаимодействия, определяемые наличием порогов, реакций, диполей, аннигиляцией и упругим взаимодействием дислокаций;

устойчивость кристаллической решетки.

Рассмотрим более подробно некоторые из условий, которые определяют формирование всех 15 типов ДСС.

Хаотическое распределение почти невзаимодействующих дислокаций образуется при множественном симметричном скольжении и невысокой плотности дислокаций. Диполи формируются при средних плотностях и ограниченном действии одной из плоскостей скольжения.

Скопление дислокаций образуется при ограниченном количестве систем скольжения и затрудненном поперечном скольжении.

Однородная сетчатая ДСС формируется в условиях, когда ограничено переползание и поперечное скольжение; при этом число систем скольжение должно быть не менее двух.

Клубковая и ячеистая неразориентированная и разориентированная ДСС формируются при условии возможности переползания дислокаций и поперечного скольжения. В кристалле должно существовать несколько систем скольжения.

Ячеисто-сетчатая ДСС образуется из однородной сетчатой в процессе деформации. В ней встречаются замкнутые участки, внутри которых дислокации практически не наблюдаются, окруженные областями скоплений дислокаций. Появление в ячеисто-сетчатой ДСС плавных разориентировок приводит к формированию ДСС типа 8 (рис. 1.2.2).

Полосовая структура может быть представлена как система параллельных дислокационных субграниц, в областях между которыми вследствие высоких плотностей дислокаций формируется сетчатая или ячеисто-сетчатая ДСС. Образование полосовой субструктуры происходит в условиях переползания и поперечного скольжения дислокаций. При этом необходимо существование асимметрии скольжения. В случае интенсивного мультиплетного скольжения полосовые ДСС имеют двумерный вид.

ДСС с многомерными разориентировками возникает в процессе дальнейшего развития полосовой субструктуры и характеризуется наличием оборванных

субграниц. Условием для ее возникновения служит высокая неоднородность скольжения. При этом наблюдается высокая плотность скопления дислокаций при их однородном распределении.

Фрагментированная ДСС образуется при процессах возврата и полигонизации, вследствие чего дислокации скапливаются 1)у малоугловых границ; 2) у болыпеугловых границ, которые ограничивают небольшие субзерна.

ДСС с расщепленными дислокациями формируется при сепарации дислокаций под действием внешних приложенных напряжений. Условием образования данной ДСС является малое число систем скольжения.

ДСС с многослойными дефектами упаковки возникает в процессе развития субструктуры с расщепленными дислокациями по мере увеличения деформации и возрастания числа систем скольжения.

Двойниковая ДСС, с одной стороны, является во многом схожей с полосовой, а, с другой стороны, является результатом завершения развития субструктуры с многослойными дефектами упаковки. Двойниковые субструктуры характеризуются отсутствием оборванных границ и углом разориентировок, не превышающим определенное значение. Помимо этого в ней наблюдаются одномерные и двумерные системы двойников.

ДСС с деформационным мартенситом формируется при условии, что кристаллическая решетка деформируемого материала является механически неустойчивой.

На основании приведенной классификации в [37] предложена схема возникновения и превращений ДСС при различных степенях деформации. В представленной схеме выделено два типа материалов, для которых приведены последовательности появления и трансформации дислокационных субструктур в процессе пластической деформации: а) сплавы с высокой энергией дефекта упаковки и упорядоченные сплавы; б) сплавы с ближним порядком и низкой энергией дефекта упаковки. Подобная схема охватывает очень широкий круг материалов и позволяет весьма наглядно проследить процесс эволюции ДСС в

зависимости от скалярной плотности дислокаций в деформируемом твердом теле.

Изучение взаимосвязи типа ДСС и параметров деформационного упрочнения изучалось во многих работах [37-41]. Обобщение результатов этих работ приведено в [34, 35], где на основании экспериментального материала, полученного при изучении поликристаллических материалов с различными размерами зерна, было установлено, что каждой стадии пластической деформации соответствует наличие в материале двух типов ДСС. При этом доля одной из ДСС в объеме материала возрастает, а другой - убывает. Изменение (смена) стадии кривой течения происходит в момент, когда одна субструктура полностью исчезает, а другая заполняет весь объем. При этом начинает развиваться очередной, новый тип ДСС и т. д.

В качестве примера можно привести эволюцию субструктур в упорядоченных сплавах. На стадии II в таких материалах присутствует клубковая и ячеистая ДСС, причем объемная доля первой убывает, а второй возрастает. На стадии III, имеющей две подстадии, сначала развивается сетчатая и ячеисто-сетчатая с разориентировками субструктуры, с постепенным возрастанием в объеме деформируемого материала доли последней. Стадия ПГ характеризуется постепенным заполнением объема полосовой субструктурой и убыванием ячеисто-сетчатой. На стадии IV полосовая ДСС постепенно превращается в субструктуру с многомерными и дискретными разориентировками.

Данный подход позволяет объяснить различия в характере переходов между стадиями в упорядоченных и разупорядоченных сплавах. В последних ячеистая субструктура по сравнению с сетчатой обладает большей устойчивостью. Поэтому она накапливается около границ зерен и тройных стыков, а в объеме распространяется лишь по достижении соответствующей стадии кривой а-е.

Эксперименты, проведенные на поликристаллах меди, также подтвердили наличие непосредственной связи между типом ДСС и стадиями кривой течения

[42, 43]. Анализ проведенных работ показал, что возникновение, эволюция и смена ДСС определяет появление, развитие и изменение стадий на кривой деформации. Подтверждение этого можно найти еще в целом ряде работ [44-46].

Исследование картин скольжения в поликристаллических сплавах [47-50] явилось еще одним важным шагом на пути установления однозначной зависимости между стадиями деформационного упрочнения и развитием дислокационной субструктуры в деформируемом материале. Поскольку величина зоны сдвига характеризует структурный уровень, на котором этот сдвиг происходит, исследование связи структурных уровней и систем скольжения с типом и характеристиками ДСС позволяет лучше понять физическую природу упрочнения на микромасштабном уровне.

Из двух типов ДСС, наблюдаемых в деформируемом материале на каждой стадии упрочнения, скольжение реализуется в пределах той субструктуры, доля которой в объеме материала убывает. Новый тип ДСС возникает вследствие того, что в старой субструктуре скольжение протекает более интенсивно, равно как и процессы релаксации. Это приводит к постепенному заполнению объема материала новым типом ДСС, которая оказывает большее сопротивление сдвигу. Таким образом, сдвиги происходят в исчезающей субструктуре, определяя тем самым на каждой стадии упрочнения сопротивление деформированию. На основании этого можно сделать вывод, что картина скольжения на каждой стадии определяется скольжением в той субструктуре, которая занимает весь объем материала в начале этой стадии.

В качестве примера рассмотрим эволюцию картин скольжения на сплавах Ni₃Fe и Cu₃Au [48, 50]. В упорядоченном сплаве переходной стадии соответствует тонкое, однородное скольжение по одной системе, что соответствует переходу от хаотического распределения практически невзаимодействующих дислокаций к клубковой субструктуре. Стадии II соответствуют более грубые следы, хотя скольжение остается по-прежнему однородным и нелокализованным. При этом происходит переход от клубковой

ДСС к ячеистой, неразориентированной. Локализация скольжения, огрубление следов, поперечное скольжение, возрастание числа пересекающихся систем во фрагменте скольжения характерно для стадии III. В свою очередь, при этом происходит замена ячеистой субструктуры на полосовую. Ветвление линий скольжения, появление складок и бугров на поверхности деформируемого материала проявляется на стадии IV, что соответствует перестройке полосовой ДСС в субструктуру с плавными и дискретными разориентировками.

Другая картина наблюдается в разупорядоченных сплавах. Появление пачек грубых, непересекающихся следов на переходной стадии II определяется формированием скоплений дислокаций. На стадии II образуется менее четко выраженные, пересекающиеся пачки следов. При этом из сетчатых ДСС формируется сетчатая субструктура без разориентировок. На стадии III более интенсивно развивается поперечное скольжение и полосы сброса, следы скольжения огрубляются. В то же самое время происходит смена сетчатой ДСС на ячеисто-сетчатую с разориентировками, а в последствии на полосовую. Стадия IV характеризуется грубыми, искривленными следами и появлением складок и бугров на поверхности. Полосовая субструктура превращается в ДСС с многомерными разориентировками.

Анализ эволюции ДСС показывает, что на этапе формирования неразориентированных субструктур изменение линий скольжения происходит на уровне количества систем сдвига и степени их локализации. На этапе образования разориентированных ДСС характерно искривление следов, складчато-бугристый характер поверхности (что, несомненно, связано с формированием фрактальной мезосубструктуры).

Еще одним важным результатом подобного сопоставительного анализа стало выявление факта уменьшения влияния свойств материала на развитие картин скольжения по мере возрастания степени деформации. И если на стадии II картина следов скольжения зависит от процессов, происходящих на низших структурных уровнях, то на стадии III эта зависимость ослабевает и полностью исчезает на стадии IV.

Таким образом, можно считать, что в приведенной классификации [34, 35] стадия IV является началом активного включения в процессы пластической деформации механизмов мезомасштабного уровня. Этим еще раз подтверждается существование, взаимное влияние и органичный переход процессов деформации на различных масштабных уровнях.

1.3. Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций, основанные на обработке изображений

Экспериментальные исследования играют важную роль при проектировании и отработке прочности конструкций. При этом экспериментальные и расчетные методы используются совместно, дополняя друг друга. Рассмотрим основные из них.

Методы рассеянного света

Явление фотоупругости лежит в основе экспериментального метода, позволяющего исследовать поля напряжений и деформаций. Этот метод связан с влиянием напряжений и деформаций на оптические свойства металла. При прохождении света через оптически активные прозрачные материалы возникают картины интерференционных полос, с помощью которых определяют напряжения.

Когда пучок света проходит через прозрачную изотропную среду, свет рассеивается в каждой точке на своем пути. Если просвечивающий пучок света плоско поляризован, интенсивность рассеянного света изменяется в зависимости от направления наблюдения. Если рассеяние вызвано высокодисперсными частицами или молекулами среды, то рассеянный свет является более или менее полностью плоско-поляризованным. Однако происходит некоторая деполяризация, и рассеянный свет включает в себя в значительное количество обычного света. Интенсивность обычного света, рассеянного от любой точки, одинакова во всех направлениях в пределах плоскости, перпендикулярной к оси распространения первичного пучка, в то время как интенсивность поляризованного света в любом направлении пропорциональна квадрату амплитуды первичных колебаний в перпендикулярном направлении. На интенсивность рассеянного света, наблюдаемую или измеряемую в точках вне среды, влияет поглощение, пропорциональное длине светового пути в пределах среды, которая обычно изменяется в соответствии с направлением наблюдения.

РОССИЙСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ
БИБЛИОТЕКА

Фотоупругую модель можно рассматривать как содержащую бесконечное число источников рассеянного света, равномерно распределенных в материале. Падающий свет будет рассеиваться в каждой точке, и будет создавать вторичный источник плоско-поляризованного света, который распространяется в радиальном направлении от источника. Следовательно, такую поляризацию можно использовать в качестве поляризатора, расположенного в произвольной плоскости фотоупругой модели, и тем самым получить информацию о напряжениях без «замораживания» и разрезки модели [51-57].

Теория, достаточная для описания наблюдаемого эффекта рассеянного
света, заключается в следующем [54]. Рассмотрим монохроматический плоско-
поляризованный пучок света, входящий в нагруженную
двулучепреломляющую модель, как показано на рис. 1.3.1. Математически
оптический вектор плоско-поляризованного пучка можно представить в виде
Е=А cos (2m)it/X), где А - амплитуда поляризованного света, Uj - скорость
света в соответствующей среде, Л - длина волны света, t - время.

Вмтср піттвпалпризаіан-
--*- ' тго пучка

Гж&ная set четберяШя-

S ітбой маститі

і {нВазиглаймй ось модели)

Наблюдение.

Нагруженная діуяучг-лреломлто-щая модель

ГлШаяvet 'четіертііод-/*~*Т—\ "'из5 Ьтстаны Сіея с кру^<Х*) .г'мвазиелаЛная Шеи потри- / ва медали) зацией

Рис. 1.3.1. Нагруженная модель, просвечиваемая рассеянным светом. [58]

Интенсивность /результирующего рассеянного света в точке есть:

42
I = //(^)(1 + sin 2a sin 8a), (1.3.1)

где fi - постоянный коэффициент пропорциональности, Sep - относительная разность фаз между компонентами оптического вектора входящими в модель в направлении квазиглавных осей. Уравнение (1.3.1) является основным уравнением рассеянного света.

Фотоупругие покрытия

Метод фотоупругих покрытий расширяет область применения фотоупругости в проходящем свете на измерение деформаций поверхности непрозрачных тел [59-61]. На исследуемую поверхность детали наклеивают тонкий лист фотоупругого материала. При нагружении детали покрытие деформируется вместе с поверхностью. Если покрытие достаточно тонкое, деформации поверхности детали передаются покрытию с минимальными искажениями. В каждой точке покрытия регистрируется относительная разность хода <5двух лучей света, поляризованных вдоль Є\ и е₂\

a = NX = 2tK(s_l-s₂). (1.3.2)

Здесь 5 - относительная разность хода, Л - длина волны света, N - порядок полосы, Є] и 2 - главные деформации в покрытии и в детали. Тогда:

,-s₂=m/2tK = Nf. (1.3.3)

Здесь f = A/2tK - «цена полосы», или оптическая постоянная покрытия по деформациям; t - толщина покрытия (так как свет дважды проходит через покрытие, эффективная длина пути равна 2t), К - оптико-механическая постоянная материала покрытия.

Оптическая постоянная покрытия / в уравнении (1.3.3) представляет

собой разность главных деформаций (или максимальную деформацию сдвига),

необходимую для образования одной полосы. Чем меньше этот параметр, тем

больше чувствительность покрытия. Из (1.3.3) следует, что:

/-_"] - є₂ _ у_шкс _ Ожидаемый уровень деформации

N N Максимальное требуемое число полос v у

Если ожидаемый уровень деформации соответствует в_т (деформации начала текучести материала образца), максимальное число полос, которое можно наблюдать, равно s_mlf, или є_тl{XI2tK).

Определение перемещений в плоскости

Геометрический муар есть оптическая картина чередующихся темных и светлых полос, возникающих при наложении периодических систем линий с постоянным шагом. Картины муаровых полос используются для измерения величин, характеризующих изменение геометрии тела, таких, как перемещения, углы поворота, кривизны и деформации линий сеток и позволяют измерять деформации [62-66].

Наиболее распространено применение муара для определения перемещений и деформаций в плоскости исследуемого образца [67, 68]. Сетки наносят на образцы царапаньем, травлением, гравировкой, печатанием с помощью клише, фотоспособом или проклейкой. Картину муара можно получить путем непосредственного наложения двух сеток или двукратного экспонирования двух изображений сетки на один негатив. Непосредственно процесс формирования полос приводит к количественному соотношению между порядками муаровых полос и перемещениями. Каждая последующая муаровая полоса соответствует увеличению или уменьшению шага сетки по сравнению с предыдущей:

5 = g*N, (1.3.5)

где N— порядок полосы, g - шаг эталонной сетки, 5- компонента перемещения, перпендикулярная линиям эталонной сетки. Перемещение и его компоненты в пределах тела непрерывны и однозначны. Между любыми двумя точками с различными перемещениями могут иметь место промежуточные значения перемещений. Требование однозначности картины муаровых полос аналогично требованию, чтобы искривленная поверхность не имела вертикальных обрывов в пределах поля наблюдения. На картине муара не может существовать бесконечно больших и бесконечно малых величин. Обычно одно из

направлений движения перемещений принимают за положительное и перпендикулярное линиям эталонной сетки, а затем, используя дополнительные признаки, оценивают характер изменения перемещений.

В теории упругости связь между деформациями и перемещениями часто представляют в виде:

є_хх=ди_х/дх, є_уу=ди_уІду,

є_ху=ди_хІду + ди_уІдх, (1.3.6)

со = 1/2(ди_х Іду- ди_у /дх),

где и_х,и_у - перемещения в направлениях х и у, є^,8^ - линейные деформации в

направлениях хну, є_ху - деформация сдвига, оо^ - величина среднего поворота

осей х и у. При использовании муаровых полос чаще пользуются общей формой зависимостей между деформациями и перемещениями:

ди_х .ди_х.₂ ди ₂ ди ди du_xs2

ди_х ди_у ди^ди^ ди^ди^ (1.3.7)

. ду дх дх ду дх ду
є„. = arcsm

(1 + ^)(1 + ^,)

Чтобы получить производные и_х и и_у, уравнение (1.3.5) заменяется на:

u_x = gN_x,u_y=gN_y, (1.3.8)

после чего производные определяются равенствами

ди, dN_x ди dN_v = g-z~, -^ = 8

дх дх дх дх

(1.3.9)

ди_г dN_x ди_у dN = g^~, -r~ = g

ду ду ' ду ду

где N_x и N_y - порядки муаровых полос на муаровых картинах, полученных с помощью сеток, линии которых перпендикулярны направлениям х и у

соответственно.

Определение перемещений, перпендикулярных плоскости

Лигтенберг [69] предложил муаровый метод анализа углов поворота и кривизны поверхности пластин с использованием отраженной сетки. Угол поворота поверхности пластины в плоскости, перпендикулярной линиям сетки, будет определяться соотношением:

e = gNl2d. (1.3.10)

При нагружении деталей кроме перемещений в плоскости происходят перемещения перпендикулярные поверхности. При плоском напряженном состоянии перемещения, перпендикулярные плоскости, можно использовать, чтобы определить по точкам сумму деформаций є „и є^в плоскости.

Рассмотрим эту схему (рис. 1.3.2).

Рис. 1.3.2. Схема установок для исследования перемещений, перпендикулярных плоскости или поверхности, с параллельным (а) и точечным пучком света (б) [58]

Линии сетки, регистрируемые камерой, интерферируют с их тенями на поверхности. Порядок муаровой полосы, который равен разности номеров / и т линий, задается уравнением e=Ng. Расстояние z от поверхности до сетки:

z = gN/tga, (1.3.11)

Интерференционный муар

Интерференционный муар обеспечивает получение линий уровня (контурных карт) полей перемещений и_х и и_у в плоскости детали [70].

Наложение двух когерентных пучков света носит название двухпучковой интерференции. В нашем случае все источники имеют одинаковые длины волн X. На рис. 1.3.3 приведена схема муаровой интерферометрии.

Рис. 1.3.3. Схема интерферометра [58]

Параллельный пучок когерентного света Wo входит в оптический преобразователь, в котором он делится на два отдельных пучка 1 и 2, с волновыми фронтами Wj и W2 Волновые фронты Wj и W2 занимают то же самое положение в их новых пучках, что и W₀ раньше. Фаза Wj всегда совпадает с фазой W2- Когда фронт Wj достигает некоторой точки z₀ он сравнивается с фронтом W2 , который прошел дальше на расстояние S. Интерференцию двух пучков с неодинаковыми напряженностями называют «не чистой», так как ослабляющая интерференция не является полной. В противном случае мы имеем дело с «чистой» интерференцией.

Основы теории преобразования интерференционных картин

Картины лазерных спеклов являются результатом интерференции при освещении когерентным светом оптически шероховатой поверхности. Спеклы подразделяются на объективные и субъективные. Последние образуются при наблюдении освещенной поверхности с помощью объектива или глаза. Размеры спеклов определяются величиной апертуры объектива.

Основная экспериментальная схема для двухэкспозиционной голографической интерферометрии показана на рис. 1.3.4.

лучка Линза. _. ' X Дефврми?й$анно<

\\ тело

Голограмма.

Рис. 1.3.4. Схема для двухэкспозиционной голографической интерферометрии [58]

Процесс восстановления изображения обычно состоит в освещении голограммы исходным опорным пучком и наблюдении мнимого или действительного изображения. Действительное изображение рассматривается на белом экране при просвечивании фотопластинки опорным пучком. Некоторые затруднения могут возникнуть из-за того, что интерференционные полосы не локализованы в той же плоскости, что и модель. Несмотря на то, что в экспериментах используется внеосевой опорный пучок, различные компоненты перемещений могут быть получены при измерении направлений единичных векторов освещения и наблюдения. В двухэкспозиционной динамической голографии используются те же основные компоненты оптической схемы, однако задача осложняется тем, что необходима когерентность луча лазера в пределах короткого импульса.

Теневой оптический метод каустик

Теневой оптический метод каустик - сравнительно новый метод исследования напряжений и деформаций [71,- 72]. Этот метод чувствителен к градиентам напряжений и поэтому пригоден для анализа задач концентрации напряжений.

Рассмотрим пластину, сжимаемую в срединной плоскости линейно увеличивающимися напряжениями. В соответствии с таким изменением напряжений толщина пластины и показатель преломления материала линейно увеличиваются в этом сечении пластины. Распределение интенсивности света в произвольной плоскости за образцом не равномерное. На некоторые зоны лучи

света не попадают и они являются темными, тогда как на другие зоны падает больше света, и яркость этих зон повышается.

Теневые оптические картины можно наблюдать различными способами: в устройствах проходящего света или отраженного света (в виде действительных и мнимых изображений). Распределения напряжений в реальных концентраторах напряжений являются достаточно сложными. В частности, возрастание интенсивности напряжений вблизи их источника (например, кончика трещины) происходит быстрее, чем по линейному закону. На рис. 1.3.5 показана схема распространения света при просвечивании растягиваемого образца с трещиной (нагружение типаї). Чем ближе к кончику трещины проходят просвечивающие лучи, тем больше они отклоняются.

Рис. 1.3.5. Схема распространения лучей света для задачи концентрации напряжений [58]

Следовательно, с уменьшением расстояния от центральной точки в плоскости объекта точки изображения также сначала приближаются к центральной точке плоскости изображения. Затем картина изменяется. Для лучей света, проходящих через образец, при приближении к кончику трещины точки изображения удаляются от центральной точки. Поэтому на теневом оптическом изображении образуется резкая граница между затемненной зоной и окружающей ее зоной повышенной освещенности. Эта пограничная линия между двумя зонами называется каустикой. Каустика в плоскости изображения - непосредственное изображение начальной линии. В математическом смысле, согласно теории изображений, такой процесс отражения начальной кривой в

каустику в общем случае необратим и не представляет взаимнооднозначного

соответствия.

Обработка оптических изображений [73-86]

Подавляющее число работ в данной области выполнено в группе профессора М.А. Sutton [77-86]. Так в работе [82] с использованием метода обработки оптических изображений на основе расчета корреляционной функции строили карты векторов смещений участков поверхности с последующей интерпретацией полученных результатов в терминах деформации. В статье других авторов [76] по оцифрованным фотографиям усталостной трещины, полученным с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ), строили поля векторов смещений при распространении усталостной трещины в плоском металлическом образце. Однако подавляющее большинство работу выполненных в данном направлении, носило инструментальный характер, т.е. было в большей степени посвящено описанию аппаратных и программных решений. Кроме того, большинство результатов, полученных в работах [73-86], были трактованы в рамках механики разрушения, поскольку в них решались задачи связанные с распространением усталостных трещин. Таким образом, необходимость трактовки получаемых результатов в рамках концепции физической мезомеханики, представляется весьма очевидной.

1.4. Структурные уровни развития пластической деформации и разрушения в условиях приложения циклических нагрузок.

Материалы без покрытия Микромасштабный уровень

Усталостные явления и их механизмы [87, 88] принято разделять на процессы пластической деформации материала и процессы собственно разрушения (нарушение сплошности материала, образование поверхности трещины).

Первичными при усталостном разрушении металлических материалов являются процессы пластической деформации [89-91]. В результате экспериментальных исследований пластической деформации при усталостном разрушении на микроуровне было установлено, что при тех или иных условиях переменного нагружения формируются различные типы дислокационной структуры (полосовые, ячеистые и др.), которые характеризуются определенными пространственными параметрами (периодичность полос, размер ячеек и т.д.) [88, 92, 93]. При исследованиях процессов пластической деформации при усталостном разрушении изучают движение дислокаций в условиях искажений кристаллической решетки за счет присутствия примесных атомов, вакансий, а также высокой плотности самих дислокаций. Большое внимание уделяется изучению взаимодействия дислокаций с другими неоднородностями структуры материала, какими являются границы ?ерен и субзерен, границы фазовых составляющих, границы раздела сред, поверхности внутренних несплошностей. Данные закономерности эволюции дислокационных структур при усталостном разрушении подробно изучены на примере различных металлов в [94-102].

Вторичными при усталостном разрушении металлических материалов являются процессы разрушения, т.е. нарушение сплошности материала и образование поверхности трещины [103]. Закономерности зарождения усталостных трещин в различных металлах в процессе экспериментального исследования процессов разрушения на микроуровне, их взаимосвязь со

структурными особенностями материала и процессами пластической деформации исследованы в работах [10-12, 38, 39]. Результаты исследований процессов разрушения при взаимодействии распространяющейся трещины с различными элементами внутренней структуры - границами зерен, фаз, включений, внутренними поверхностями раздела, внутренними несплошностями, а также характер нарушения сплошности материала в пределах пластической зоны в вершине усталостной трещины, процессы слияния и ветвления трещин в металлических материалах детально изучены в работах [87, 88, 92, 93, 104].

С использованием методов металлографии (анализ усталостного излома) на примере различных металлических материалов экспериментально установлено, что каждая из стадий роста усталостной трещины характеризуется определенным механизмом разрушения, который определяется тем или иным типом фрактографических элементов, а величина и степень развития данных элементов дают представление о кинетике роста трещины и вязкости усталостного разрушения металла [87, 88, 92,103, 105].

На базе экспериментально изученных усталостных явлений разработаны различные модели механизмов пластической деформации и разрушения, которые положены в основу ряда теорий усталостного разрушения. Среди них наибольшее распространение получили дислокационные теории, предложенные Зинером, Стро, Моттом, Коттреллом, Гилманом, Орованом, Фудзитой, И.А. Одингом, статистические - Н.Н. Афанасьевым, A.M. Фрейденталем, а также энергетические, разработанные B.C. Ивановой, Дж. Си и др. Мезомасштабный уровень

В экспериментальных работах [20, 106-110] на примере сплавов алюминия и свинца изучены некоторые аспекты процессов пластической деформации в условиях переменного нагружения на мезоуровне. На примере большого объема экспериментальных данных, показано, что развитие пластических деформаций при переменном нагружении происходит по схеме «сдвиг+поворот», при котором в трансляционно-ротационное движение

вовлекаются как локальные объемы внутри отдельных кристаллитов материала, так и конгломераты зерен. При этом некомпенсированная поворотная мода пластической деформации обусловливает формирование усталостной трещины, а характер фрагментации материала в значительной степени определяет траекторию развития трещины.

В [111, 112] на алюминиевых сплавах и сплавах свинца проведены исследования эволюции пластической деформации в поверхностном слое материала при переменном нагружении. Показано, что пластические деформации инициируются базовым концентратором напряжений и распространяются вдоль поверхности образца путем последовательного формирования и взаимодействия полос локализованной пластической деформации. При этом установлено, что в материалах с различным уровнем усталостной долговечности реализуются различные механизмы пластической деформации.

В [113] на примере усталостного разрушения образцов алюминиевого сплава показано, что эволюция усталостной трещины, также как и эволюция локализованной пластической деформации, имеют признаки волновых явлений и характеризуются квазипериодическим чередованием цикла «сдвиг+поворот». В работе экспериментально показано, что траектория распространения усталостной трещины в значительной степени определяется эволюцией поворотной моды пластической деформации, и ступенчатое изменение направления усталостной трещины связано, прежде всего, с закономерностями поворотного движения локальных объемов материала в области вершины трещины.

В работах [114-121] изучены механизмы пластической деформации и разрушения ряда конструкционных- материалов (алюминиевые сплавы, низколегированные стали) на мезоуровне, определена стадийность их усталостного разрушения. Данные исследования были проведены в различных условиях нагружения (повторно-статическая, малоцикловая и многоцикловая усталость), что позволило установить особенности эволюции пластической

деформации при различных уровнях переменного нагружения. Также изучены закономерности развития пластической деформации в образцах с наличием конструкционного соединения (в частности, болтового и сварного).

В работах [122-124] изучены возможности количественной оценки локальных пластических деформаций в области вершины усталостной трещины в отношении диагностики усталостного разрушения. Так, с применением методики измерения смещений в поверхностном слое материала изучена эволюция локальных пластических деформаций, оценена их интенсивность на различных стадиях роста усталостной трещины. На основе полученных результатов разработана методика экспериментального определения типа раскрытия усталостной трещины и оценки характеристик трещиностойкости материала в процессе усталостного разрушения. Для целей неразрушающего контроля и технической диагностики конструкционных изделий, работающих в условиях переменного нагружения, предложены критерии локального разрушения и предразрушения материала.

Положение о структурных и масштабных уровнях пластической деформации и разрушения получило применение в исследованиях усталости металлов В.С.Ивановой. В [125] автором отмечено, что для адекватного анализа процессов усталостного разрушения требуется описание иерархической совокупности структурных уровней пластической деформации и разрушения как минимум на трех масштабных уровнях. Предложена масштабная шкала структурных уровней пластической деформации и разрушения при развитии усталостной трещины и сформулированы структурные критерии разрушения на микро-, мезо- и макроуровне. Вместе с тем, автором поддерживается положение о необходимости учета ротационной моды пластической деформации при развитии усталостной трещины.

На основе методологии физической мезомеханики детальный анализ процессов усталостного разрушения металлов проведен А.А. Шанявским. В [89, 103] подробно рассматриваются различные аспекты усталостных явлений с точки зрения масштабной иерархии процессов пластической деформации и

разрушения. На примере экспериментальных данных показано, что формирование свободной поверхности при усталостном разрушении связано с предварительным созданием в материале определенной фрагментированной мезоструктуры, локализованной в пределах возникающей при нагружении зоны пластической деформации. При этом зона пластической деформации, которая формируется при каждом цикле приложения внешней нагрузки, рассматривается как открытая система, эволюция которой происходит самоорганизованно и упорядоченно путем формирования некоторой последовательности деформационных структур. Увеличение размеров области материала, в которой реализуется процесс пластической деформации, приводит к объективной возможности формирования деформационных структур все большего масштабного уровня. Достижение пластической зоной критического размера вызывает дискретный переход к новому механизму пластической деформации, доминирующему в определенном интервале масштабов деформационных структур. Фактически после достижения критической плотности дефектов одноименного типа происходит самоорганизованное изменение способа поглощения энергии путем создания новых деформационных структур более высокого структурного и масштабного уровня.

В [89] проведены исследования ротационных процессов пластической деформации при усталостном разрушении, что является объективным подтверждением концептуального положения физической мезомеханики о трансляционно-ротационной природе пластической деформации. На основании экспериментальных данных показана взаимосвязь трансляционной и ротационной составляющих пластической деформации в области вершины усталостной трещины при ее распространении и дано обоснование самоорганизованных переходов от трансляций к ротациям. Там же рассмотрены модели ротационных механизмов пластической деформации при распространении усталостной трещины. В работе подчеркивается, что процессы ротационной неустойчивости развиваются таким образом, чтобы

ротации не приводили к нарушению сплошности материала, что выполняется, когда сумма поворотов локальных объемов материала равна нулю. При нарушении этого условия происходит образование свободной поверхности -усталостной трещины.

В [103] приводится анализ механизмов разрушения металлов при переменном нагружении. На примере большого объема экспериментальных данных, полученных различными исследователями, прежде всего, фрактографических исследований усталостных изломов показана эволюция процесса разрушения с точки зрения иерархии масштабных уровней. Приведены свидетельства того, что различные механизмы процессов пластической деформации в пластической зоне обусловливают соответственно различные механизмы нарушения сплошности материала при формировании поверхности трещины. Вследствие этого развитие усталостной трещины сопровождается определенной последовательностью дискретных переходов в результате смены ведущего механизма разрушения материала в пластической зоне. Показано, что каждой из стадий усталостного разрушения присущ определенный механизм разрушения, характеризуемый соответственно микро-, мезо- и макроуровнем.

В [103] в качестве обобщения экспериментальных данных приведена классификация механизмов усталостного разрушения в соответствии с иерархией масштабных уровней. Данная классификация разработана по аналогии с классификацией структурных и масштабных уровней пластической деформации и разрушения при квазистатическом нагружении металлических материалов, разработанной академиком В.Е. Паниным. В предложенной классификации отражены механизмы пластической деформации на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях при усталостном разрушении и установлено их соответствие областям кинетической диаграммы усталостного разрушения. Макромасштабный уровень

В основе экспериментального исследования усталостного разрушения металлических материалов на макроуровне лежит изучение интегральных

усталостных характеристик металлических материалов. Наибольший объем экспериментальных работ в данной области связан с изучением характеристик выносливости, живучести, а также величин, характеризующих пластическое деформирование материала при переменном нагружении.

В виду того, что металлические материалы обладают определенной пластичностью, изучение усталостных характеристик требует учета пластических деформаций при развитии усталостной трещины. При исследованиях пластической зоны изучают ее конфигурацию, величину и строение (пластическая зона в целом, циклическая зона, зона предразрушения), исследуют эволюцию пластической зоны в процессе усталостного разрушения, ее взаимосвязь с кинетикой роста усталостной трещины. Так, в ряде экспериментальных работ [88, 105] определена зависимость величины пластической зоны в вершине усталостной трещины от характеристик роста усталостной трещины, таких как скорость роста усталостной трещины и коэффициент интенсивности напряжений. Усталостное разрушение композиций «основа—покрытие»

Микромасштабный уровень

На основании большого объема экспериментальных данных установлено, что в той или иной степени, наличие покрытия играет определяющую роль в процессах зарождения и развития усталостной трещины в композиции «основа-покрытие» [126]. Вместе с тем, влияние различных покрытий на характер усталостного разрушения композиций неодинаково, и механизмы их разрушения могут быть принципиально разными. Анализ микромеханизмов усталостного разрушения различных композиций «основа-покрытие» проведен в работах [127-129]. К настоящему времени разработаны две основные модели (схемы) усталостного разрушения композиций.

Согласно одной схеме зарождение трещины происходит в поверхностном слое покрытия в зоне действия концентраторов напряжений, какими выступают микронеровности, несплошности, границы зерен и фаз и т.д. При накоплении критической плотности дислокаций в поверхностном слое покрытия возникают

микротрещины, некоторые из которых распространяются в объем покрытия и достигают границы раздела «покрытие-основа». Образование сквозной трещины в покрытии инициирует зарождение трещины в материале основы, развитие которой приводит к разрушению композиции. Как правило, данная схема усталостного разрушения композиций реализуется в случае, если материал покрытия имеет более низкий предел текучести по сравнению с материалом основы. При этом дислокации в материале покрытия, прежде всего, в поверхностном слое имеют более высокую подвижность по сравнению с материалом основного металла, что и обусловливает зарождение усталостной трещины в поверхностном слое покрытия. Закономерности усталостного разрушения композиций «основа-покрытие» согласно данной схеме изучены на примере стали с гальваническими покрытиями в [126] и на примере стали с плазменными никелевыми покрытиями в [129].

Согласно другой схеме зарождение трещины происходит на границе раздела «основа-покрытие». Модель зарождения трещины базируется на положении, что покрытие блокирует дислокации в поверхностном слое металла основы и стесняет развитие пластической деформации. Предполагается, что при нагружении вблизи границы раздела в основном металле формируются источники дислокаций. Дислокации устремляются от источников к границе раздела «основа-покрытие» и скапливаются в приграничной области, создавая локальное увеличение их плотности. При увеличении плотности дислокаций в приграничной области возникают локальные растягивающие напряжения, что приводит к зарождению трещин в области границы раздела. В случае, если источник генерирует дислокации одного знака, то напряжения растяжения возникают в приграничном слое материала покрытия. Если генерируются дислокации обратного знака, то растягивающие напряжения возникают в приграничном слое основного металла. Такая схема усталостного разрушения в большей степени характерна для композиций с высокопрочными покрытиями, в которых материал покрытия имеет более высокий предел текучести по сравнению с материалом основы, а градиент механических свойств материалов

покрытия и основы в области границы раздела достаточно высок. Закономерности усталостного разрушения композиций «основа-покрытие» согласно этой схеме исследованы на примере композиций различных сталей с диффузионными (азотированными, цементированными и др.) покрытиями в [130-134], гальваническими хромовыми, железными и никелевыми покрытиями в [126]. Макромасштабный уровень

Как свидетельствуют результаты исследований различных авторов, влияние покрытий на выносливость металлических материалов проявляется по-разному. Чаще всего отмечается, что нанесение покрытия снижает выносливость образцов. Так, повышение износостойкости и улучшение защитных свойств за счет нанесенного покрытия обычно сопровождается снижением усталостной прочности [126, 135]. На основе изучения композиций с электролитическими износостойкими покрытиями, а также с жаропрочными покрытиями [136, 137] показано, что наиболее значительное снижение выносливости имеет место при высоком уровне напряжений, т.е. прежде всего, в малоцикловой области. Существенное уменьшение выносливости имеет место при асимметричном цикле нагружения [137]. В качестве основных причин снижения выносливости авторы указывают, прежде всего, хрупкий характер растрескивания высокопрочных покрытий, наличие высоких остаточных растягивающих напряжения, как на границе раздела «основа-покрытие», так и в объеме покрытия. В качестве практических рекомендаций в отношении повышения выносливости композиций «основа-покрытие» в данных работах указывается на необходимость повышения пластичности защитных покрытий и уменьшение остаточных напряжений.

В ряде случаев нанесение покрытия не оказывает заметного влияния на выносливость изделия. Так, например, тонкие плазменные покрытия на никелевой основе при нагружении отслаиваются [126], что связано с низкой адгезионной прочностью, и разрушение покрытия не приводит к уменьшению выносливости образцов. В этом случае, напряжения, возникающие на границе

Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций, основанные на обработке изображений

Мезодефекты, содержащие как сдвиговую, так и поворотную компоненты деформации, делают возможным перемещение в деформируемом твёрдом теле объёмных структурных элементов различного масштаба: субзёрен, зёрен, их конгломератов, протяжённых блоков материала. Согласно [1, 15, 16] это есть фрагментация образца как целого, что соответствует состоянию предразрушения.

Когда мезодефекты формируются в достаточном количестве во всем сечении образца, наступает потеря сдвиговой устойчивости на макроуровне. Сдвигонеустойчивым становится весь образец в целом. В определённом сечении образца формируется мощный макроконцентратор напряжений, который генерирует две параллельные или сопряженные макрополосы локализованной пластической деформации, распространяющиеся через все поперечное сечение образца [1, 15-17] (рис. 1.1.1г). Это отражает глобальную потерю сдвиговой устойчивости деформируемого образца и проявляется в развитии на образце локализованной шейки.

Согласно [1, 15-17], формирование на различных масштабных уровнях полосовых структур позволяет осуществлять пластические изгибы, повороты зёрен, их конгломератов, отдельных фрагментов внутри структурных элементов и смещать относительно друг друга целые блоки образца:

Микромасштабный уровень. Хотя однозначной интерпретации таких структур нет, несомненна их роль как механизмов пластического разворота или изгиба-кручения в деформируемом материале. Простейшей иллюстрацией полосовых структур служат дислокационные стенки при полигонизации, полосы сброса, дислокационные диполи.

Мезомасштабный уровень. При пластической деформации структурно-неоднородной среды возникают два мезоскопических подуровня:

а) мезоскопический уровень - I, связанный с поворотными модами внутри отдельных структурных элементов, формирует мезополосы -1 и мезосубструктуру -1; б) мезоскопический уровень - II, связанный с самосогласованными поворотами целых конгломератов структурных элементов как трансляционно-ротационных вихрей. На этом уровне формируются мезополосы - II и мезосубструктура - II в образце в целом.

Макромасштабный уровень. В образце появляются макроконцентраторы напряжений, порождающие макрополосы, ведущим в образовании которых является локализованный трансляционно-ротационный вихрь.

В результате обобщения многочисленных экспериментальных данных, академиком В.Е.Паниным в [17] были сформулированы и обоснованы принципы синергетики деформируемого твердого тела:

Принцип 1. Сдвиг в нагруженном твердом теле связан с локальной потерей сдвиговой устойчивости среды и может осуществляться на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях как локальное изменение исходной внутренней структуры.

Микроуровень: локальное структурное превращение исходной кристаллической решетки на микромасштабном уровне проявляется как зарождение ядер дислокаций и их движение в поле градиента напряжений.

Мезоуровень: возникает локальная потеря устойчивости внутренней структуры как микро-, так и мезоуровня; это проявляется как зарождение и движение мезополос локализованной деформации, распространяющихся в пределах отдельных конгломератов элементов внутренней структуры; их самоорганизация обусловливает фрагментацию деформируемого образца на мезоуровне.

Макроуровень: происходит глобальная потеря сдвиговой устойчивости нагруженного образца как целого; это проявляется как зарождение одной макрополосы, двух параллельных макрополос в виде диполя или двух сопряженных макрополос локализованной деформации, распространяющихся через все сечение образца; эволюция данного процесса завершается разделением образца на две части. Принцип 2. Сдвиг на любом масштабном уровне может зарождаться только в локальной зоне концентратора напряжений соответствующего масштаба, поскольку в целом структура нагруженного твердого тела под действием среднего приложенного напряжения сохраняет свою сдвиговую устойчивость.

Принцип 3. Наименьшую сдвиговую устойчивость в нагруженном твердом теле имеет его свободная поверхность. Поэтому первичные упругопластические сдвиги зарождаются на свободной поверхности и распространяются в направлении максимальных касательных напряжений. Базовым концентратором напряжений является захват испытательной машины (или место приложения к деформируемому твердому телу внешней нагрузки). Индуцированные упругопластическими сдвигами в поверхностных слоях вторичные концентраторы напряжений релаксируют генерацией деформационных дефектов различного масштаба, которые распространяются в объем образца, обусловливая его пластическое течение и разрушение.

Принцип 4. Сдвиг в сплошной среде со стесненным материальным поворотом генерирует на своем пути зону изгиба-кручения, которая является новым концентратором напряжений.

Принцип 5. Сдвиг как релаксационный процесс в ограниченной упругопластической среде с заданными граничными условиями генерирует затухающие упругие (акустическая эмиссия) и упругопластические (затухающие знакопеременные осцилляции смежных сдвигов) автоколебания.

Принцип 6. Пластическая деформация твердого тела развивается по схеме: первичный (базовый) концентратор напряжений - релаксационный сдвиг со стесненным поворотом, формирующим локальную зону изгиба-кручения как индуцированный концентратор напряжений - последующий релаксационный сдвиг, сопровождаемый упругими или упругопластическими автоколебаниями среды, и т.д. Такой автоволновой процесс проявляется в явном виде, если он локализован на одном макромасштабном уровне.

Выбор материалов и схем нагружения

Как уже отмечалось выше, в основе методологии физической мезомеханики материалов лежит положение о том, что деформируемое твердое тело является многоуровневой иерархически самосогласованной системой, где микро-, мезо-, и макроуровни органически взаимосвязаны. На мезоуровне движутся трехмерные структурные элементы (мезообъемы), характер которых зависит от природы материала, его внутренней структуры и условий нагружения. Ряд данных свидетельствовал о том, что закономерности деформации на различных масштабных уровнях подчиняются принципу подобия [162]. Это означало, что для расчета интегральных механических характеристик нет необходимости описывать сложную самоорганизацию дислокационных ансамблей на микроуровне. Достаточно описать на мезоуровне движение трехмерных структурных элементов, число которых лежит в пределах одного-двух десятков. Это может быть сделано, при использовании классических подходов механики сплошной среды. Самосогласование мезо- и микромасштабных уровней можно провести, используя континуальную теорию дислокаций.

При такой постановке основополагающей задачей физической мезомеханики является идентификация трехмерных структурных элементов деформации (СЭД) для широкого класса материалов и условий их нагружения. Необходимы были принципиально новые методы высокого разрешения, позволяющие количественно измерить распределение пластической деформации на мезоуровне, идентифицировать трехмерные структурные элементы деформации, аттестовать аккомодационные процессы внутри мезообъемов и характер процессов на их границах, вскрыть связь движения мезообъемов и разрушения материала.

В данной работе была выдвинута идея использовать для изучения механизмов деформации и разрушения на мезоуровне, а также идентификации трехмерных структурных элементов деформации методы технического зрения. За основу были взяты два следующих метода.

1. Построение полей векторов перемещений и расчет компонентов тензора дисторсии с помощью оптико-телевизионных измерительных систем. Этот метод позволяет обеспечить очень высокую разрешающую способность, изменять ее в широких пределах и тем самым исследовать любые локальные области и границы раздела. Метод характеризуется высоким быстродействием, простотой и полной автоматизацией измерений, не требует больших материальных затрат. Распределение деформаций в исследуемых материалах может также быть оценено путем расчета распределений главного пластического сдвига, а также интенсивностей скорости деформации. Он может быть использован как базовый метод исследований в физической мезомеханике.

2. Измерение фрактальной размерности, энергии Фурье и вейвлет-спектров мощности, а также меры локальной перемежаемости последних для поверхности нагруженного материала с автоматизированной компьютерной обработкой оптических или по данным вторичной электронной эмиссии изображений поверхности. Механизмы деформации на мезоуровне обуславливают весьма сложный топологический рельеф на поверхности деформируемого твердого тела. Провести его качественный анализ и идентифицировать на его основе механизмы деформации на мезоуровне можно только с помощью мультимасштабных методов оценки. Поэтому интерес к фрактальной размерности, а также спектральному анализу привлекает внимание многих исследователей. Этот метод может быть также очень эффективным при экспрессной аттестации состояния нагруженных материалов. Например, он может быть использован как экспресс-метод при разработке новых материалов, их испытании на активное растяжение, трехточечный изгиб и усталостную прочность, оценки ресурса работы в неразрушающих методах контроля. Для отработки методов технического зрения при аттестации материалов на мезоуровне необходимо выбрать объекты, в которых бы деформацию на мезоуровне можно выделить в чистом виде. В большинстве случаев пластическая деформация на мезоуровне развивается одновременно с интенсивной деформацией на микроуровне. Это затрудняет идентификацию получаемых результатов.

Развитие деформации на микромасштабном уровне можно подавить, если на поверхность материала нанести покрытие или упрочнить его поверхность. Хорошо известно, что движение дислокаций в объеме образца вызывает появление на его поверхности сил изображения [32], которые генерируют встречные упругие поля, затрудняющие движение дислокаций. При выходе дислокаций на поверхность возникают ступеньки и связанный с ними деформационный микрорельеф. Кроме того, исследования последних тел наглядно продемонстрировали, что развитие пластической деформации в нагруженных твердых телах инициируется в поверхностных слоях, имеющих ослабленные силы связи [18]. Естественно, что любое упрочняющее покрытие или упрочняющая обработка поверхности будут приводить к увеличению сил изображения и затруднению формирования микрорельефа на поверхности. Поэтому можно полагать, что в материалах с упрочняющим покрытием или упрочненным поверхностным слоем, при нагружении определяющую роль будет играть мезомасштабный уровень зарождения и развития пластической деформации, связанный, прежде всего, с внутренними границами раздела.

Верификация метода оценки деформации твердых тел, основанного на построении полей векторов перемещений участков поверхности

В экспериментальной механике разработано достаточно большое количество методов и средств для изучения и оценки пластической деформации в области вершины усталостной трещины, основанных на обработке изображений. В частности, весьма распространенным является метод муаровых сеток [58], однако данный подход эффективен для анализа изменений, вызванных большими пластическими деформациями, что, как правило, имеет место лишь на завершающей стадии роста усталостной трещины. В работе [76] подход, основанный на построении векторов смещений фотографий усталостной трещины, полученных с помощью растрового электронного микроскопа, и оцифрованных с помощью сканера. Однако данный метод был лимитирован с точки зрения аппаратурных возможностей. Параллельно с этим в группе проф. М. Sutton развивался подход, основанный на вычислении компонент деформации, производимое путем пересчета карт векторов смещений [85]. В то же время, в результате исследований, проведенных данной группой, был предложен критерий оценки интенсивности деформации при раскрытии трещины, основанный на вычислении параметра COD (crack opening displacement). Подход, основанный на построении карт векторов смещений и последующем вычислении компонент деформации с целью оценки трещиностойкости, был предложен в статье [123]. Однако во всех работах [76, 85, 123] интенсивность развития деформации в области вершины усталостной трещины была невысокой.

Существует, однако, ряд подходов, основанных на установлении соответствия между интенсивностью формирования деформационного рельефа и распространением усталостной трещины. В предыдущем разделе был предложен метод, основанный на оценке энергии спектра мощности оптических изображений деформационного рельефа. В работе [242] сделана попытка оценить интенсивность деформации по анализу картин отражательной способности поверхности металлических образцов поликристаллических материалов. Наконец, в данной работе предложен подход, основанный на выделении элементов деформационного рельефа и нахождении соотношения между площадью, ими занимаемой, и площади фона (не включая область усталостной трещины). Конечно, это лишь первая попытка использования данного подхода к анализу процессов усталостного разрушения, однако выявленное качественное подобие между дифференциальной характеристикой деформации (интегральное значение главного пластического сдвига, нормированное на площадь пластической зоны) и предложенным параметром оценки интегральной картины развития деформации позволяет рассчитывать на успешное развитие данного метода. Кроме того, разработанный подход может быть использован для проведения исследований в смежных областях знаний.

1. Результаты построения векторов перемещений в значительной степени определяются качеством изображения, наличием шумов, помех, малоконтрастных областей, зон засветки. Проведенный анализ различных алгоритмов позволил рекомендовать адаптивный корреляционный метод как наиболее помехоустойчивый, но, в то же время, наиболее время затратный.

2. Наиболее эффективным с точки зрения "помехоустойчивости" при построении поля векторов смещений является корреляционный алгоритм с заданием области расчета коэффициента корреляции, т.к. это он обеспечивает получение наименьшего числа «неправильно» определенных векторов смещений при приемлемых вычислительных затратах. Во всех исследованных в работе алгоритмах, за исключением оптимизированных по времени расчета, при увеличении размера стороны элементарной площадки параметр Qm уменьшается (т.е. увеличивается "помехоустойчивость" построения ПВС). Повышение точности определения векторов смещений до долей пиксела в реализованных алгоритмах не приводит к значительному увеличению временных затрат на построение ПВС. Показано, что проведение предварительной обработки изображений, обсуждение которой в литературе по проблемам построения карт деформации поверхности ранее не проводилось, позволяет избегать ошибок в построении векторов смещений в изображениях с невысоким качеством. Наибольшую эффективность удалось достигнуть при использовании ВЧ-фильтрации. Проведение посткорректировки результатов построения поля векторов смещений в автоматическом и ручном режиме является важным этапом при построении карт деформации поверхности и позволяет избежать ряд ошибок, связанных с низким качеством обрабатываемых изображений.

Влияние разупрочненного подслоя и градиентной структуры покрытия

Изменение характера растрескивания при изменении профиля "действующей" границы раздела с игольчатого (рис. 2.2.1) или зубчатого (рис. 2.2.3) на плоский (рис. 2.2.2 и 2.2.4 соответственно) является наглядным экспериментальным подтверждением того, что характер и место зарождения и последующей релаксации мезоконцентраторов напряжений определяются суперпозицией нескольких факторов [251]: соотношением механических характеристик сопрягаемых слоев, соотношением их толщин, наличием и структурой переходных слоев и, наконец, геометрией и структурой границы раздела. В случае игольчатых боридных слоев с перлитным подслоем (рис. 2.2.2) максимальное изменение механических (прочностных) характеристик имеет место на границе между боридным и перлитным слоями. Соответственно более логичным было бы ожидать, что зарождение трещин начнется именно на границе их раздела. В то же время, возникновение трещин в боридном слое происходит при уровне внешней нагрузки, значительно меньшем предела прочности боридного покрытия. Данный факт свидетельствует о том, что разрушение боридного слоя происходит не вследствие различия прочностных характеристик сопрягаемых слоев, а обусловлено значительным различием пластичности хрупкого боридного слоя, "армирующего" нижележащий тонкий перлитный подслой, и достаточно мягкой матрицы. Таким образом, основной вклад в образование трещин вносит действие мезоконцентратора напряжений на границе раздела между пластичной подложкой, обеспечивающей "основное формоизменение образца", и гораздо менее пластичной перлитной фазой, "армированной" высокопрочным игольчатым боридным слоем. В результате локального изгиба образца на границе раздела "матрица- перлитный подслой" происходит зарождение трещины, распространяющейся по направлению к поверхности слоя.

При формировании на поверхности стали СтЗ толстого боридного слоя, имеющего зубчатую структуру и профиль границы раздела, близкий к плоскому, в матрице тоже присутствует переходный перлитный слой (рис. 2.2.4). Однако соотношение механических характеристик трех сопрягаемых материалов (боридная фаза - слой перлитных зерен - матрица малоуглеродистой стали) и, прежде всего, характеристик пластичности, а также соотношение их толщины (250 мкм - 100 мкм - 550 мкм, учитывая расстояние от поверхности до оси образца) определяют в качестве "действующей" границу раздела между боридным и перлитным слоями. Именно от этой границы раздела при релаксации мезоконцентратора напряжений распространяется к поверхности покрытия поперечная трещина.

Следует отметить, что соотношение пластичности сопрягаемых слоев для случая толстого боридного покрытия на стали СтЗ (рис. 2.2.4) было близко к описанному выше случаю игольчатого покрытия также на подложке стали СтЗ, но имеющего тонкий перлитный подслой, "армированный" иглами борида железа (рис. 2.2.2). Основное различие при этом заключалось в толщине переходного перлитного слоя, что и определило различное местоположение "действующей" границы раздела.

Анализ диаграмм «напряжение-деформация» поверхностно упрочненных образцов стали 15НЗМА показывает, что при испытании на статическое растяжение композиций с боридными покрытиями, имеющими игольчатую границу раздела, по мере увеличения толщины покрытия величина относительного удлинения композиции уменьшается. В литературе описан эффект уменьшения величины относительного удлинения композиций с ионно— азотированными покрытиями, имеющими плоский профиль границы раздела [164]. При этом растрескивание азотированного слоя происходило на всей рабочей части образца, и снижение относительного удлинения в [163] связывали со значительной локализацией пластической деформации в мезополосах, распространяющихся от глубоких трещин в покрытии и действующих в роли структурных надрезов. При нагружении образцов с игольчатой границей раздела (рис. 2.2.1) сквозные трещины, распространяющиеся через все поперечное сечение образца, не возникали. В то же время по мере увеличения толщины боридного покрытия площадь образца, на которой происходило интенсивное растрескивание покрытия, уменьшалась. В результате, в композициях с тонкими боридными покрытиями, однородное растрескивание происходило практически по всей рабочей части образца, в то время как при большой толщине интенсивное растрескивание имело место лишь в небольшой области, где впоследствии и происходило разрушение композиции.

Похожие диссертации на Деформация и разрушение на мезоуровне поверхностно упрочненных материалов

Моделирование деформации и разрушения материалов с явным и неявным учетом их структурыСмолин Игорь Юрьевич

Иерархическое моделирование деформации и разрушения материалов композиционной структурыБалохонов Руслан Ревович

Изучение закономерностей деформации и разрушения интерфейсных материалов и средАстафуров Сергей Владимирович

Развитие подхода клеточных автоматов для описания процессов деформации и разрушения хрупких материалов и сред со сложной структуройШилько Евгений Викторович

Теоретическое исследование деформации и разрушения пористых материалов медицинского назначения и биомеханических конструкцийКоноваленко Игорь Сергеевич

Многоуровневое моделирование деформации и разрушения хрупких пористых материалов методом подвижных клеточных автоматовРоман, Никита Витальевич

Моделирование процессов деформации и разрушения в трехмерных структурно-неоднородных материалахРоманова Варвара Александровна

Структурно-кинетические механизмы деформирования и разрушения материалов в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состоянияхПлехов Олег Анатольевич

Моделирование разрушения материалов с высокой и низкой степенью анизотропии механических свойствТуч, Елена Владимировна

Электротермомеханическая модель деформирования и разрушения материалов с начальной микроповрежденностьюКоломиец, Андрей Валерьевич