Введение к работе
Актуальность работы Известно, что долговечность и надежность машин и механизмов во многом определяются их сопротивлением усталости, так как в подавляющем большинстве случаев детали машин испытывают воздействие переменных ігагрузок. В связи с этим проблема усталостного разрушения остается исключительно актуальной. Ее сложность связана с рядом факторов. Прежде всего, при циклическом нагружении очень важную роль играет условие совместности деформации поверхностного слоя материала, который нагружается выше предела текучести и упруго нагруженной подложки. Это обусловливает вовлечение в пластическое течение и разрушение всей иерархии масштабов структурных уровней деформации. Знакопеременность нагружения в условиях упру-гонагруженной подложки вызывает сильную локализацию пластической деформации в поверхностных слоях, где зарождаются и развиваются усталостные трещины. На развитие этих многоуровневых процессов сильно влияют условия нагружения: температура, стресс-коррозия, специфика поведения поверхностных слоев в парах трения [1] и др.
За последние полвека усилиями многих научных школ достигнуты большие успехи в области изучения физической природы, закономерностей зарождения усталостных трещин и их распространения. Наиболее систематическими исследованиями природы усталости металлов являются работы И.А. Одинга, B.C. Ивановой, СВ. Серенсена, Л.М. Школьника, В.Ф. Терентьева, А.А.Шанявского, С. Коцаньды, В.М. Горицкого, В.Т.Трощенко. В [2] классифицируются несколько подходов к решению вопроса о механизмах деформации при циклическом нагружении. Первый подход связан с изучением макроскопических закономерностей процесса усталости с помощью математического аппарата механики сплошной среды. В рамках второго подхода развивается феноменологическое описание картины усталостного разрушения и установление связи между характером разрушения, фазовым составом и микроструктурой материала с применением статистических методов. Третий подход основан на исследовании несовершенств кристаллического строения .металлических материалов, и связан с теоретическим и экспериментальным изучением микромеханизмов усталостного разрушения. По данным [2], исследования дислокационной структуры, формирующейся в процессе усталости, выполнены практически на всех однофазных материалах. К сожалению, отсутствие сканирования протяженных областей поверхностных слоев не позволило известным в литературе металлографическим исследованиям вскрыть закономерности усталостного разрушения на мезоско-пическом масштабном уровне. Наконец, отметим очень важные исследования [3], где уделяется особое внимание специфике деформации поверхностных слоев при циклическом нагружении.
В последние годы развивается многоуровневый подход к рассмотрению деформируемого твердого тела как иерархически организованной многоуровневой системы [4]. Её пластическое течение развивается самосогласованно как последовательная эволюция локальной потери сдвиговой устойчивости на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях. Наименьшую сдвиговую устойчивость в нагруженном кристалле имеет его поверхностный слой, который в работах [5, 6] рассматривается как особое состояние вещества, более интенсивно теряющий свою сдвиговую устойчивость по сравнению с объемом и проявляющий специ-
4 фические механизмы пластического течения. Его особая роль в развитии усталостного разрушения при циклическом нагружении общепризнанна [1-4, 7]. При этом особого внимания заслуживает необходимость выполнения условия совместности деформации поверхЕюстного слоя и упруго нагруженной подложки.
Наиболее систематические исследования мезомасштабных механизмов деформации при циклическом нагружении выполнены на свинце и свинцовых сплавах [8]. Показано, что низкие характеристики усталости свинца обусловлены его низкой сдвиговой устойчивостью и интенсивным зернограничным проскальзыванием (ЗГП). Целенаправленное легирование свинца добавками, подавляющими в нем ЗГП, и при этом повышающими либо понижающими его сдвиговую устойчивость, убедительно показало важную роль этого параметра в уровне сопротивления усталости.
В рамках многоуровневого подхода сдвиговая устойчивость пластически деформирующегося поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки определяется различными характеристиками. Так как пластическая деформация связана с локальными структурными превращениями в кристаллической решетке, сдвиговую устойчивость поверхностного слоя следует характеризовать энергией дефекта упаковки (э.д.у.). Сдвиговая устойчивость в упруго нагруженном кристалле определяется его силами связи и характеристиками упругости. При сопряжении пластически деформирующегося поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки могут наблюдаться самые различные сочетания характеристик их сдвиговой устойчивости. Негативная роль ЗГП сильно зависит от гомологической температуры испытания материала. Таким образом, очень актуальным является понимание взаимного влияния указанных характеристик на мезо-масштабные структурные уровни деформации поверхностных слоев материала, механизма зарождения в них поверхностных трещин и последующего усталостного разрушения при циклическом нагружении. Выяснению этих вопросов посвящена настоящая работа.
Цель работы: систематические исследования механизмов и закономерностей развития мезоскопических структурных уровней деформации и усталостного разрушения в поверхностных слоях поликристаллов алюминия и титана, имеющих различные значения сил связи в кристаллической решетке, энергии дефекта упаковки и гомологической температуры испытания при знакопеременном нагружении; установление механизмов влияния указанных параметров на усталостную долговечность материала при циклическом нагружении.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
Методом микротвердости установить стадии много цикловой усталости для исследуемых материалов.
Исследовать характер и кинетику самосогласования поворотных мод деформации при формировании в процессе знакопеременного изгиба поверхностной мезоскопической субструктуры с выявлением ее эволюции на каждой стадии усталости, установить их связь с характеристиками усталости поликристаллов алюминия и титана.
Провести количественные оценки размеров элементов исходной структуры всех исследуемых поликристаллов и элементов динамической мезосубструк-туры, формирующейся в их поверхностных слоях при знакопеременном изгибе.
Методом лазерной профшюметрии исследовать характер распределения деформации в зонах интрузии и экструзии наводорожешюго поверхностного слоя титана на разных этапах знакопеременного изгиба.
Изучить зарождение и характер распространения поверхностных усталостных трещин в исследуемых поликристаллах.
В рамках двухуровневого подхода провести сравнительный анализ влияния сдвиговой устойчивости, сил связи, характеристик упругости и гомологической температуры испытания исследованных поликристаллов на характер формирования в поверхностных слоях мезосубструктуры, зарождения поверхностных трещин и сопротігеление усталости.
Научная постна. В работе впервые:
На целенаправленно подобранных поликристаллах (технический алюминий, алюминий высокой чистоты, титан и наводороженный титан), существенно различающихся сдвиговой устойчивостью кристаллической решетки в упруго и пластически нагруженном состоянии, силами связи в кристаллической решетке, характеристиками упругости, наличием или отсутствием полиморфного превращения, гомологической температурой испытания, при контролируемом изменении состояния поверхностного слоя и границ зерен выполнены в представлениях многоуровневого подхода систематические исследования пластической деформации в поверхностных слоях на мезомасштабном уровне на различных стадиях циклического нагружения и их связи с характеристиками усталости.
Показано, что в поверхностных слоях технического алюминия, титана и наводороженного титана при циклической деформации на мезоуровне происходит формирование мезоскопической субструктуры-П в виде конгломератов самосогласованно деформирующихся зерен, которая существенно влияет на зарождение поверхностных трещин и развитие усталостного разрушения поликристалла. Её морфология, масштаб и кинетика формирования в значительной степени определяются сдвиговой устойчивостью внутренней структуры поверхностных слоев, силами связи и характеристиками упругости подложки, а также гомологической температурой испытания.
Установлено, что в титане при электролитическом наводороживании на его поверхности формируется тонкая пленка, которая вызывает самоорганизацию упругонагруженных зерен в поверхностном слое в крупные конгломераты. При последующем циклическом нагружении конгломераты поверхностных зерен испытывают эффекты экструзии-интрузии в тонкой наводороженной поверхностной пленке, в пределах экструдированных конгломератов развиваются некристаллографические мезополосы локализованной деформации.
Обнаружен клеточный («шахматный») характер пластической деформации в поверхностных слоях наводороженного титана и высокочистого алюминия. В физической мезомеханике он связывается с "шахматным" характером распределения напряжении на интерфейсе "сдвигонеустойчивый поверхностный слой - подложка".
Практическая значимость. Предлагается в качестве критерия предразру-шения при диагностике нагруженных элементов конструкций учитывать эффект формирования в их поверхностных слоях замкнутых конгломератов пластически деформирующихся зерен.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Формирование в поверхностных слоях поликристаллов технического
алюминия и титана при их циклическом нагружении мезоскопической субструк-
туры-II, которая определяет зарождение и развитие усталостных трещин на ме-
зомасштабном уровне; мезосубструктура- II представляет собой конгломератьг
самосогласованно деформирующихся зерен, масштаб и кинетика формирования
которых в значительной степени определяются сдвиговой устойчивостью струк
туры поверхностного слоя, уровнем сил связи и характеристиками упругости
подложки.
Интенсивное проскальзывание зерен как целого, и связанные с ним аккомодационные процессы в зернах поверхностных слоев высокочистого алюминия при низкотемпературном знакопеременном изгибе.
Мезоскопическая самоорганизация поверхностных зерен титана в крупные конгломераты в процессе наводороживания его поверхностных слоев. Развитие экструзии указанных конгломератов зерен и широкого спектра аккомодационных механизмов мезоуровня деформации внутри конгломератов, не связанных с кристаллографией отдельных зерен.
Формирование клеточного («шахматного») деформационного профиля в поверхностных слоях наводороженного титана и высокочистого алюминия при знакопеременном изгибе, связанного с проявлением сопряжения пластически деформированного поверхностного слоя и упруго деформированной подложки в рамках выполнимости условия совместности их деформации.
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены: на Международных конференциях по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов - 2004г., 2006г (г.Томск); XVI Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов" 2006г. (г.Самара); 11-th International Conference on Fracture (Turin, Italy) 2005г.; IV Международном междисциплинарном симпозиуме "Фракталы и прикладная синергетика" 2005г. (г.Москва); 44-ой Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" 2005г. (г.Вологда); Международных научно-практической конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» 2000г., 2001г., 2003г.-2006гг. (г. Томск); IV Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура, свойства-2004» (г.Томск); Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезоме-ханика материалов» 2000г., 2003г. (г.Томск); II Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» 2003г. (г.Томск); I Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения» 2002г. (г.Томск) ;VII Всероссийской научно-технической конференции «Механика летательных аппаратов и современные материалы» 2000г. (г.Томск).
Публикации. По материалам диссертации в рецензируемых научных журналах опубликовано шесть статей. Список основных публикаций приведён в конце автореферата.
Построение и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения; всего 197 стр., в т.ч. 60 рисунков, 8 таблиц и список цитируемой литературы из 190 наименований.
