Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. состояние вопросам
1.1. Усталость металлов 14
1.1.1 Явление усталости 14
1.1.2 Параметры усталости 15
1.1.4 Факторы, влияющие па сопротивление усталости металлов 22
1.1.5 Структурные изменения при усталости 24
1.1.6 Роль поверхности в развитии циклической деформации 28
1.1.7 Закономерности и микромеханизмы зарождения и распространения \ciajjociHMx і ретин 31
1.2. Современные проблемы пластичности и прочности твердых тел 33
1.2.1 Синергетика. Основные положения и синергетические принципы физической мезомеханики 33
1.2.2 Сірукілрньїе vровни деформации твердых тел 37
1.2.3 Вихревое механическое поле в деформируемом кристалле 41
1.2 5 Механизмы циклической деформации и усталостного разрушения в представлениях физической мезомеханики 44
II Задачи, материалы и мы оды исследования 50
2.1. Поаановка задачи 50
2.2. Ма сериалы исследования 56
2.3. Методы исследования 57
3.1. Каналировапие потоков локальных структурных превращении в поверхностных слоях поликристаллов при знакопеременном изгибе 63
3.1.1 Введение 63
3.1.2 Характеристика складчатых егрукіур 67
3.1.3 Ламельная фрагмснтированная структура крупных складок 71
3.1.4 Множественное регулярное растрескивание поверхностной окисной пленки алюминиевых фольг 75
3 2 Образование аномально высокой кривизны кристаллической структуры и расслоение їйіана при циклическом наїружении 79
3.3. Структурно-фазовый распад в зонах сильной кривизны поликристалла 92
3.3.1 Введение 92
3.3.2 Образование микропор. развитие расслоения и shear bands 93
3 4 Заключение по 3 разделу 102
IV Роль локальной кривизны повкрхнос1ных слоив поликристаллов в развитии усталостных трещин при знакопеременном изгибе 105
4 1 Механизмы развития усталостных трещин в поверхностных слоях поликристаллов при знакопеременном іпгибе 105
4.1.1 Введение 105
4 2 Мезомеханика зигзагообразного распространения усталостной трещины в двухслойном композите 125
4 2.1 Введение 125
4.2.2 Зиїзаюооразиое распространение УС і алое т пых ірещші 126
4.2.3 Заключение 133
4.1.3. Влияние ультразвуковой обработки поверхностных слоев на усталостную
долговечность поликристаллов 135
4 3 1 Введение 135
4.3.3 Заключение 142
Выводы 146
Литература
- Факторы, влияющие па сопротивление усталости металлов
- Каналировапие потоков локальных структурных превращении в поверхностных слоях поликристаллов при знакопеременном изгибе
- Образование аномально высокой кривизны кристаллической структуры и расслоение їйіана при циклическом наїружении
- Мезомеханика зигзагообразного распространения усталостной трещины в двухслойном композите
Факторы, влияющие па сопротивление усталости металлов
Стадия циклического упрочнения (разупрочнения), которая іавершается ДОСІ чжением линии необраїиммх повреждений. Стадия циклическої О упрочнения наблюдается у пластичных металлов и сплавов, а стадия циклического разупрочнения - у высокопрочных металлических материалов. К тому же на этой сталий наблюдается развитие повреждаемости в виде образования cv б микротрещин (пунктирная линия С ДЕ на рис 1.5). появление устойчивых полос скольжения (УПС). Ешс в ранних работах 36] отмечалось, что после примерно 5% от долговечности появляются полосы, имеющие глубину доЮ мкм и не удаляющиеся элсктрополировкой\ названные устойчивыми полосами скольжения По прошествии 25% от долговечности УПС досішаюі Шубины 30 мкм. В расе м а фи наем ых рабо і ах іреишньї появдяюіся в УПС, и их можно считать зародышами трещин. Отсюда ясно, что распространение трещин имеет место в течение почти всего периода испытания на усталость Так же как и при образовании ячеистой структуры, развитие УПС происходит при достижении в некоторых їернах определенной плотное і и дислокаций и интенсивном протекании процессов поперечного скольжения дислокаций. Структура меіадда иод УПС до і дубины 2(H) мкм сосюиі щ удлиненных ячеек, ны тянутых ндоль направления УПС, Максимальная раїориентировка между ячейками в пределах УПС достигает 1 [14]. Строение границ ячеек предполагает участие в их формировании дислокаций, перемещающихся в дь\ч и более направлениях первичной плоское і и скольжения.
Спецификой циклической деформации являю і Ся эффекч ы и-ин фузии. Металлографически 37 наблюдший образование очень тонких ленточек металла на поверхности образцов из алюминиевых сплавов. Показано, что ленточки экструлированы из четких полос скольжения. На поверхности образцов наряд\ с же фузией обнаруживали обрашый эффект образование ин і рупій (і дубоких узких расселин) как при комнатной, так и при низких температурах вплоть до 2,4К; таким образом, механизм лого явления не основывается на термически активируемых процессах II период усталостного процесса период зарождения субмикротрещин.
Для нее чаракіерно, чю на криком занисимосіи «нлоіносіь дислокаций - число циклов выявляется стадия насыщения. На поверхности металлов появляются устойчивые полосы скольжения, экструзии, интрузии Усталостные полосы скольжения имеют собственную дислокационную структуру, отличающуюся от Сфукчуры окружающей маїрицьі Они СОСЮяі из чередующихся ЗОН С высокой и пижой плотностью дислокаций. Дислокации, располагающиеся между устойчивыми полосами, образуют не ярко выраженную ячеистую структуру. Так же может формироваться полосовая структура, представляющая собой протяженные, в пределах одного зерна, плотные дислокационные стенки, выбывающие раюриентировку до нескольких десятков минут, заключенных между ними об і ЄмОи С низкой плотностью дислокаций. ПОЛОСОтш структура образуется н участках наибольшей искаженное ти кристаллической решетки То есть, JTO период рыхления, связанный с появлением и развитием субмикротрещин в полосах скольжения На зтой стадии полосы скольжения развиваются внутри отдельных зерен. Идет массовое образование вакансий вследствие движения и пересечения дислокаций. Вакансии сканлинаюіся у НЛОСКОСЕЄЙ скольжения, егтособсі ну я разрыхлению этих областей и образованию субмикротрещин. ее раснросі ранении v вершины і ретины но зникає і юна пласі и чес кой деформации. Исследования сірукіурм зі ой юны показали, чю вне занисимосіи от исходной структуры металлов и сплавов в пластической шюис впереди трещины чаще всего образуется мелкоячеистая структура Уменьшение размера субзерен в пластической зоне сопровождается увеличением относительной разориентации соседних зерен и общей раїориеніации решеїки в пределах юны. Іо есіь, эю период пред разрушения 11олосы скольжения выходя! іа пределы зерна, пересекая границы зерен. Скорость роста микротрещин повышается, гак как увеличивается скорость осаждения вакансий из-за действия концентраторов напряжений у вершины микротрещин Часть тонких лишний скольжения, появившиеся на второй стадии, постепенно прекращаю]ся is грубые полосы, не исчезающие при переполировке, так называемые, устойчивые полосы сдвига, нередко распространяющиеся за пределы одного или нескольких зерен. «Устойчивость» этих полос обусловлена развитием в них несплошностей. раскрывающихся в трещину при статическом растяжении.
Сложность прогнозирования поведения металлических материалов при циклическом нагружении связана с факторами, по-разному влияющими на циклическую прочность Кратко остановимся на основных [1, 15]
Усталостная долговечность образцов определяется в первую очередь максимальным напряжением цикла и ею амплитудой. Вмнослнтюсіь записні от среднего напряжения цикла. Установлено, что чем больше среднее напряжение цикла, тем меньшая амплитуда напряжений требуется для разрушения материала при одной базе испытания. В области малоцикловой усталости, где материал подвергается заметной пластической деформации, ее амплитуда становится нажнєишей харакіерисгикой никла [36.
Важнейшим струк]\рпым парамеїром меіаллическич материалов ннляеіся размер зерна, субзерен или одной из структурных составляющих [9]. Чаще всего с уменьшением размера зерна предел выносливости возрастает, хотя в ряде работ показано, что измельчение структуры металла Как правило, усталостное разрушение начинается с поверхности материалов. Это связано с тем. что наиболее интенсивная пластическая деформация при усталости протекает в приповерхностных слоях глубиной порядка размера зерна.
Каналировапие потоков локальных структурных превращении в поверхностных слоях поликристаллов при знакопеременном изгибе
Мної оуровневын подход физической меючехпники рассмаїриваеі деформируемое твердое тело как нелинейную иерархически организованную систему, в которой поверхностные слои являются важной самостоятельной функциональной подсистемой В условиях знакопеременного изгиба ниже предела текучести материала основная пластическая деформация сосредоточена в
Пластические сдвиги в поверхностном слое развиваются по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Упруго нагруженный объем материала создаст моментные напряжения на зоны пластических сдвигов поверхностного слоя. Возникающие при этом поворотные моды деформации и формирование в поверхностном слое зон сильной кривизны обусловливают зарождение и развитие поверхностных усталостных ірещип.
В процессе на гружений необходимости совместное! и пластически деформируемого поверхностного слоя и упруго нагруженной кристаллической подложки обусловливает возникновение на границе их раздела квазипериодического распределения напряжений и деформаций Теоретически и жеперимешалыю было показано 185-871, чю на интерфейсе разнородных сред н диу черном измерении распределение напряжений и деформаций имееі El ид "шахматной доски". Указанный эффект заключается в "шахматном" распределении растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на границе раздела "поверхностный слой - подложка" Это обусловливает развитие иоюка локальных сірукгурньїх превращений, i.e. пластических сдвигов, только по клеткам с растягивающими нормальными напряжениями по направлениям и с обеих сторон блокированных клетками сжимающих нормальных напряжений. м что следует классифицировать как каналированные. Эффект "шахматной доски" подробно рассмотрен в [И8.
Его прямое экспериментальное подтверждение было получено в [89] при знакопеременном изгибе плоских образцов пол и кристаллического титана ВТ1-0 с наводороженным поверхностным слоем При этом показано, что развитие скольжения по границам сопряжения конгломератов зерен в наводороженном мезосубструктуры, которая связывается С "шахматным" распределением напряжений и деформаций па внутренних границах раздела поверхностного слоя. В наводорожснном поверхностном слое развивается широкий спектр мезоскопических механизмов деформации. которые удовлетворительно опиеынакнея на основе ііредсіавления о "шахмаїном" харакіере распределения напряжений на интерфейсе "паводороженпый поверхностный слой кристаллическая подложка" титана.
Последнее обстоятельство обусловливает эффект канал ирования пластического течения на интерфейсе и возникновение моменгных напряжений и формирование кривизны в юне сдвига. Этот эффект выражается в распространении потоков локальных струк"і\р гыч превращений "голіїко вдолв клеток С расгяі икающими норм а. ївшими напряжениями по сопряжении ч направлениям т]ШЧ и с обеих сторон блокированных клетками сжимающих норм ал ви віх напряжений. Для его нвіявлеиия необходимо іакже блокирояаі в іенерацию потоками локальных сір\кі\рнв]\ превращений дислокаций в объеме материала и создать условия для экструзии материала потоков локальных структурных превращений нормально к плоскости нагружаемого образца. Использование сканирующего профиломстра высокого разрешения позволяет экспериментальных образцов использовали двухслойные КОМГЮІИ и»[, полученные наклеиванием юнкич фольг иысокочиа ыч поликристаллов алюминия и свинца, на высокопрочные образцы технического алюминия Л7 или титана ВТ1-0, имеющих высокий предел прочности. Фольпі готовили прокаткой до толщины 30 - % мкм с последующим отжигом. При механических испытаниях двухслойных композитов образцы - подложки нагружали упруго, а мягкие фольги пластически
Материалы композитов существенно отличаются величиной опергии дефекта упаковки, свидетельствующей о степени сдвиговой УСТОЙЧИВОСТИ ИХ кристаллической решетки; у А1 она очень высокая, у Ті очень низкая, у РЬ промежуточная. Также пел и ко ич различие и по температуре ттланления; комнатная температура испытания составляет для Ті - 0,2 T,m JUTH ЛІ 0.3 TIIL а для РЬ - 0.5 Т,и. Всё это позволяет при одних и тех же условиях нагружения варьировать в широких пределах механизмы деформации диффузионной и недиффузионной. глубокая прокатка и др. Но они не 1ЮЗІЮЛЯЮ1 и зучаїь міюіо\роїіііевіїсй характер пластическою сечения материала н ходе его интенсивной пластической деформации, именно поэтому в настоящей работе применяли метод ИПД путем использования двухслойных композитов. При циклическом нагружении таких образцов удается получить запредельно высокие степени деформации в фольгах алюминия А999 и свинца С000 при упру і Ом каї ружении ноя Южки. І ІОСкОлькл гофрироканная поверчносі ь фолы и при этом сохраняется, использование сканирующих приборов высокого разрешения позволяет исследовать механизмы её нелинейной деформации на мечом ас штабном уровне в условиях сверх неравновесного состояния материала.
При знакопеременном изгибе двухслойных образцов v часто к с фольгой находи їси в юне максимальної о и зі иба. І Іри іаком способе наї ру женин плошадь сопряжения "фольга подложка" остается неизменной и в пластической деформации фольги значительно выражена нормальная к плоскости образца составляющая пластического течения. Это позволяет получить хорошо выраженное трехмерное представление нелинейных механизмов пластической деформации фольги.
Образование аномально высокой кривизны кристаллической структуры и расслоение а при циклическом наїружении
В условиях знакопеременного изгиба ниже предела текучести материала основная пластическая деформация сосредоточена в его поверхностных слоях. Пластические сдвиги в поверхностном слое развиваются в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений Упр\то нагруженный обьем маїериала соїдаеі моменшые напряжения на зоны нласшческих сдвигов поверхностного слоя. Возникающие при JTOM поворотные моды деформации и формирование в поверхностном слое зон сильной кривизны обусловливают зарождение и развитие поверхностных усталостных трещин. Микроскопия высокого разрешения позволяет исследовать кинетику этого процесса как сірукіурно-фаювоюраснааа маїериала [98]
Для экспериментального исследования кинетики структурно-фазового распада материала па стадии его предразрушепия очень информативны исследования механизма усталостного разрушения при знакопеременном изгибе техническою гитана с наводороженным поверхностным слоем При знакопеременном изгибе сильно выражены стесненность поворотных мод деформации її поверхностных слоях маїериала и возникновение і них зон локальной кривизны. Cvшествование в пттане полиморфных превращений способствует возникновению в зонах кривизны бифуркационных структурных состояний в межатомном взаимодействии [90]. Наводороживание поверхностного слоя увеличивает в нем молярный объем и приближает к нулю іермодинамический іюіеіщиал Гиббеа. Псе ли факпоры должны способспютшіь выявлению при знакопеременном изгибе юн предразрушепия на интерфейсах в иерархии поворотных мод деформации. Проведенное в настоящей работе исследование полностью это подтвердило. представлена кар і una сильной мноі о\ровпевой кривизны фрагмента поверхностного слоя вблизи магистральной усталостной трещины АКВС в образце титана, наводороженного в течение 3 ч. Раскрытие трещины происходило зигзагообразно с периодическим изменением знака поворотов в соответствии с законом сохранения момента импульса. На \частке АКВС происходил iiotsopoi і ретины прошв часошй сірелки (рис. 3.19, а), коюрый обусловил такой же поворот конгломерата зерен О.
В соответствии с законом сохранения момента импульса па границе К1_ конгломерата зерен О (рис. 3.19, б) формируется аккомодационная трещина обратного знака поворота (по часовой стрелке). В зоне сильной кривизны на границе KL стала развиваться микроіЮриСЮСі ь (рис 3.19, б), ко (Оран че-іко выявляйся меЮ. Юч интерференционной профилометрии. Сложный профиль поверхностного рельефа в тгой зоне границы обусловил прерывистый характер распространения аккомодационной трещины KL. сохранив на участке MN локально экспедированного материала большое количество микропор. Учаслеж K.N формировался как фрагмент магистральной трещины 11а рис. 3.20 представлен Друї Ой пример развития ми крої Юри С J ОСти в условиях поворотных мод деформации в крупном зерне С наводороженного поверхностного слоя образца титана при его знакопеременном изгибе Зерно С испытывает поворот против часовой стрелки, инициированный раскрытием магистральной трещины (она расположена справа и показана на рис. 3.9. aj. IЫжележащие верна Г), Г. вызывают is обьеме поверхностного слоя СИЛЬНУЮ сіесиеіііюсгь ііовороіа зерна С. О і о обуслоіи шнает различие в нем кривизны кристаллической структуры и его послойное расслоение (оно ярко выражено в левой части зерна С). Процесс расслоения развивается step by step, формируя последовательность полос сдвига-поворота М, N. О. Р и др В каждой полосе при покоро і є зерна С формир еіся ламельная сірукі\ра. в ко і срой оїд&іьнме ламели смещаются относительно друг друга. Л па границах ab. cd. ef смежных полос сдвига-поворота формируется строчечная пористая структура и грубые shear bands, которые испытывают сильную интрузию. Это свидетельствует о том, что полосы М, N, О, Р дискретно разориентированы относительно друг друга [97]. При небольших взаимных смещениях полос чередование на их границах микропор сохраняет периодичность. Она связана с «шахматным» распределением растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе смежных полос [89]. При больших смещениях полос микропоры формируют протяженные трещины или сминаются.
Мезомеханика зигзагообразного распространения усталостной трещины в двухслойном композите
Однако наиболее важным результатом исследований зон пластической деформации в вершинах усталостных трещин, является экспериментальное доказательство возникновения в вершине трещины локальной зоны гидростатического растяжения, полученное методом лазерной ирофилометрии и представленное на рис. 4.8, 4.9. На рис. 4.8, а представлена объемная картина замкнутой системы криволинейных мезополос локализованной пластической деформации в вершине трещины на обратной стороне фольги композита А999/А7 (см. рис. 4.5). Она убедительно демонстрирует, что материал в зоне мезовихря в вершине трещины отрывается от подложки и экструдируется над ней. Сильное заглубление материала в зоне вершины трещины отражает профидограмма (рис. 4.8, б) - глубина вдавливания 1т=10-12мкм. Естественно, что в процессе объемной вихревой пластической экструзии материала в вершине трешины возникает составляющая гидростатического растяжения. Этот эффект является необходимым условием фрагментации материала на мезомасштабном уровне [113]. Здесь же (рис. 4.8, а) ярко выраженные вихревые полосы локализованной пластической деформации, которые пронизывают фольгу по всей её толщине (см. берег трещины, указанный стрелкой), фрагментируя весь объем материала на пути трещины. Через эту зону «разрыхленного» фрагментированного материала затем распространяется усталостная трещина, как поворотная мода деформации, релаксируя вихревое упругое поле в подложке, созданное мезовихрем в наклеенной фольге.
Лазерная профилометрия позволила выявить целый ряд дополнительных подробности механизма пласі и ческой деформации к нершине распространяющейся трещины. Так, на рисунке -1.9, а видно, что замкнутый эллипсоид мезовихря при повороте разворачивает трешину по КМ. что. в свою очередь, приводит к дроблению эллипсоида на две части трещиной KMN. Механика разрушения эллипсоида разработана в [119]: когда сдвиговая деформация разки кас існ по іамкну і ому коні_\ру, кнуїри меюобьема формируется трешииа. как аккомодационная поворотная мода. В точках К и N на полуциклах сжатия возникает пара сил; концентратор напряжений в голове трещины К генерирует встречный КН и инициирует формирование зигзага КМ до границы зерен NN Пара сил КМ релаксируст встречное поле напряжений, коюрое інерир\ЄіСя при раскрьмии [ретины LK, и формируеі локальный мезовихрь, декорированный в виде эллипсоида отслоением хрупкой поверхностной пленки.
На рисунке 4 9п б представлено тго же место под другим углом съемки. где показан выход трещины NNh на боковую поверхность фольги Видно, что она имеет значительную глубину проникновения в объем материала Здесь же показан выход на боковую поиерхность фольги множества аккомодационных поверхностных микрої ретин ЗОН Л и С\ і луби на которых Зиачи іельтю меньше по сравнению с магистральной трещиной LKMNN Перегиб КМ трещины иллюстрирует хорошо известный скачкообразный характер распространения усталостных трещин, который в литературе определяется как эффект мезоіуіінелироііании 11, К). 42]. І Іа ІІСЄМ пу і и с коего движении іреіцина расттросіраняеіся зш заюобразно: продольные участки е траектории чередуются є поперечными ступенями, которые в [I, 10. 12] называют перемычками исследования механизмов деформации на мезомасштабном уровне высокочистого алюминия при знакопеременном изгибе композитов А999/А7 и А999/ВТІ-0 в условиях ИПД установлены следующие основные закономерности:
Разработан и использован метод условного «разделения» пластически деформир\ЮіцЄі ОСИ ионерхносгної О СЛОЯ и \ируі О наї рч женной пО.ЧЛОжки жесткое закрепление мягкой фольги па значительно более прочном массивном образце - для исследования в чистом виде (в контролируемых условиях) роли поверхностного слоя в деформации твердых тел. Этот метод также является эффективным способом ИПД фольги - в режиме многоцикловой усталости в ней \даеіся реалюоваї ь сверхвысокие сі сиен и илас і и ческой деформации
Знакопеременный изгиб, как новый способ ИПД фольги, создает очень высокую кривизну кристаллической структуры. В УТИХ условиях концентрация межузельных бифуркационных вакансий возрастает на -10 порядков. Они играют принципиально валеную роль в зарождении всех известных деформационных дефектов:
1) па начальном лапе знакопеременного изгиба (КГ-10 циклов), когда состояние фольги близко к равновесному, наблюдается обычная для данных условий структурная картина: одиночное скольжение в зернах, сопровождаемое аккомодационным самосогласованием скольжения в смежных їернах путем их подстраивания в деформационные конгломераты.
2) на разни гмх стадиях знакопеременной ИПД фолы и выявлены новые эффект lit и механизм hi пласі и чес кої О течения НЫСОКОЧИСЕОГО алюминия; - развитие поворотов зерен как целого, сопровождающихся образованием новых границ, связанных с декорированием границ нижележащих зерен; - квазипериодическая экструзия в приграничных зонах мезообъемов в форме ірехі рамных пирамид, в вершинах которых зарождаю і ся и и кро [ретины: - образование мелкозернистой (- 2мкм) структуры в мезополосах локализованной деформации;
3) выявлены принципиальные различия картины ИНД фолы на их лицевой (свободной) и обра і ной поверхносіяч. - развитие пористости и аномальных эффектов чассо пере носа происходит только на лицевой поверхности фольп - спецификой пластической деформации обратной поверхности отклеенных фольг является зигзагообразное распространение мезополос локализованной иласіической деформации но сопряженным направлениям т:Ч. чю указьтаеі на определяющую роль полей максимальных касательных напряжений в локализации пластической деформации и ее самоорганизации на чезомасштабпом уровне.
3 Подробно исследованы характерные особенности вихревого ііласіическою іечения в вершинах усіалосіны\ іреіцин Показано, чю ірешина развивается как поворотная мода деформации при повороте-изпюе-кручепии прилежаших к ней участков материала. Впервые экспериментально доказано формирование перед вершиной трещины локальной зоны гидростатического растяжения в виде трансляционно-роіационного чеїовихря углубленного материала Распространение трещины аккомодируется в окружающем материале вихревыми сдвигами и міюшуроїчіевой фрагментацией. Через Угу іону «разрыхленного» фрагчептировашюго меіоооі ема распространяем си ірещима, как поворотная мода деформации, релакеируя вихревое упругое поле в подложке