Введение к работе
Актуальность работы Изучение закономерностей пластического течения на заключительной стадии деформации, определяющих последующий процесс разрушения металлических материалов, является одной из важнейших задач современного материаловедения Решение этой задачи, однако, осложняется в связи с много-масштабностью явлений, лежащих в основе этих процессов, их многостадийностью, а также органической взаимосвязанностью процессов деформации и разрушения Кроме того, при изучении этих процессов необходим учет влияния внешних (темпе-ратурно-скоростные условия, механическая схема нагружения, геометрические размеры образца и др ) и внутренних факторов (структурно-фазовое состояние чистота, размер зерна, тип структуры, созданной той или иной термической или термомеханической обработкой, количество, форма и распределение структурных фаз и тд)
Обзор исследований процесса разрушения металлических материалов в условиях статического растяжения, выполненных за последние годы на основе подходов механики разрушения, физики прочности, физического материаловедения свидетельствует о сильной разобщенности результатов, полученных при решении данной сложной многоуровневой проблемы
Наиболее подробно механизмы пластической деформации в шейке и развитие в ней разрушения при растяжении исследованы на микроуровне Основное внимание уделяли эволюции в шейке дислокационных субструктур Обобщение этих работ представлено в монографиях [1,2] Особый интерес в этих работах заслуживает механизм фрагментации материала в шейке, подробно изученный в школе В В Рыбина [2] Много работ посвящено теоретическому анализу дислокационных микромеханизмов зарождения, слияния и роста трещин Процесс разрушения на микроуровне изучается в зависимости от уровня накопления повреждаемости в материале
В рамках механики сплошной среды решение проблемы разрушения связано с исследованием напряжений и деформаций в шейке растягиваемого образца Аналитические решения этой задачи были получены П Бриджменом, Н Н Давиденко-вым, Ю Г Важенцевым, Д М Норрисом Экспериментально деформации и напряжения в металлических пластинах исследовали методами муаровых полос, фотоупругих покрытий, голографической интерферометрии, спекл-интерферометрии и тен-зометрическим методом Наиболее полная картина распределений напряжений и деформаций в шейке однородных образцов была получена Г Н. Албаут [3] с соавторами методом фотоупругих покрытий
В рамках физической мезомеханики материалов, развиваемой в ИФПМ СО РАН, пластическая деформация и разрушение являются взаимосвязанными процессами во всей иерархии масштабных уровней структуры от микро- до макроуровня Этот подход используется и при изучении закономерностей пластического течения в шейке на мезо- и макромасштабном уровнях [4-6] Так, в работе [4] с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC высокого разрешения в шейке деформируемых поликристаллов были обнаружены две макрополосы локализованного пластического течения, самосогласованные по схеме креста в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений Была сформулирована концепция согласно которой, необходимым условием пластической деформации в шейке образца при растяжении является самосогласованное развитие сдвигов
в макрополосах локализованной деформации АВ и CD (рис I), фрагментации материала на мезомасштабном уровне в прилегающих областях AOD и СОВ и дислокационной деформации на микромасштабном уровне Нарушение самосогласования многоуровневого пластического течения в шейке должно приводить к развитию трещины и разрушению
! Е ft I !
Рис 1 Схема самосогласования сдвигов при взаимодействии макрополос локализованной деформации с конфигурацией в виде креста [4]
Однако вопрос о конкретных причинах и факторах, вызывающих нарушение самосогласования пластического течения и определяющих момент, когда и как оно произойдет, остается в литературе не выясненным Для его решения требуется количественные исследования распределения деформаций в шейке на разных масштабных уровнях, понимание их самосогласования, выяснение механизма зарождения трещин Естественно, что решить столь сложную задачу в рамках одной работы невозможно Особенно сложно количественно оценить роль дислокационной деформации на микромасштабном уровне в общей иерархии самосогласованных масштабов Поэтому в настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраны высокопрочные материалы, в которых активизируются специфические механизмы мезо- и макромасштабного уровня [7]
Цель работы Для высокопрочных металлических материалов разного класса, отличающихся стабильностью их структуры при последующем механическом на-гружении, провести комплексное экспериментально-расчетное исследование закономерностей развития пластического течения с количественной оценкой характеристик деформации, измеренных с высокой степенью локальности, и последующего разрушения в шейке, формирующейся при растяжении плоских образцов
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи
Исследовать закономерности развития деформации на мезо- и макромас-штабном уровнях при формировании шейки в условиях статического растяжения плоских образцов высокопрочных металлических материалов разного класса Для этого в области шейки с использованием высоколокального метода измерить линейные и сдвиговые компоненты деформации, интенсивность деформации и построить картины их распределения,
Провести металлографические и фрактографические исследования структурных микромеханизмов разрушения,
Сопоставить полученные в работе экстремальные локальные величины характеристик деформации на мезоуровне со структурными микромеханизмами и стадийностью процесса разрушения Выяснить ведущий механизм локализованной пластической деформации в шейке
Научная новизна. Впервые для разных высокопрочных материалов в шейке плоских образцов проведена полная количественная аттестация деформированного состояния с высокой степенью локальности, то есть с малым размером измеритель-
ной базы (от 50 до 300 мкм) Благодаря высокой скорости использованного в работе автоматизированного оптико-телевизионного метода измерения деформации, исследована кинетика деформированного состояния в шейке от момента ее зарождения до разрушения совместно с металлографическим и фрактографическим анализом микроструктурных механизмов и стадийности процесса разрушения Это позволило связать воедино картину развития деформации и разрушения в исследованных материалах на заключительной стадии деформации и установить ведущую роль сдвигов в сопряженных макрополосах локализованной деформации в шейке в процессе ее зарождения и развития
Практическая значимость работы. Выполненные в диссертационной работе исследования обобщают современные представления о закономерностях развития пластического течения и последующего разрушения в шейке, сформированной при растяжении плоских образцов металлических материалов Это дает возможность глубже понять природу самосогласования пластического течения на мезо- и макро-масштабных уровнях, вскрыть механизм разрушения металлических материалов в шейке как следствие нарушения самосогласования механизмов деформации на различных масштабных уровнях
Предложенный подход позволяет сформулировать практические рекомендации по предотвращению ранней стадии предразрушения в нагруженных высокопрочных материалах, особенно в области геометрических концентраторов напряжений, часто имеющихся в конструкциях Полученные результаты предполагается в дальнейшем использовать в теоретических методах расчета макроконцентраторов напряжений и зарождения трещин в нагруженных конструкциях сложной геометрии
На защиту выносятся следующие положения
Ведущим механизмом пластического течения в шейке исследованных материалов являются самосогласованные пластические сдвиги в макрополосах локализованной деформации с конфигурацией креста вдоль сопряженных направлений максимальных касательных напряжений Характер изменения величин пластических сдвигов в макрополосах зависит от способности материала сохранять или утрачивать высокую степень упрочнения с ростом деформации
В симметричной шейке стали ВКС-12, характеризующейся высоким деформационным упрочнением, максимальная величина интенсивности деформации наблюдается в центральном объеме шейки В этом месте происходит интенсивное порообразование и зарождение магистральной трещины Развитие магистральной трещины в условиях трехосного напряженного состояния при плоской деформации происходит по схеме нормального отрыва Вторая стадия разрушения связана с развитием трещины в условиях плосконапряженного состояния срезом
Для субмикрокристаллических армко-железа и титана характерен двухста-дийный процесс формирования и разрушения в шейке На первой стадии формируется симметричная шейка Ее переход к наклонной шейке на второй стадии связан с разупрочнением материала в макрополосах локализованной деформации Накопленная в центральной области шейки за полный период ее формирования величина интенсивной деформации определяет первую стадию распространения магистральной трещины отрывом Вторая стадия декогезии в наклонной шейке осуществляется поперечным или продольным сдвигом вдоль ослабленной полосы локализованной деформации
IV Слабая взаимосвязь частиц хрома с медной матрицей определяет эволюцию пластического течения и разрушение композиционного материала Cu-25%Cr
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всероссийских и Региональных конференциях и школах-семинарах V Региональной школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», г Томск, 2004г, Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", г Томск, 2004 г, 2005г, IV-V Всероссийских школах-семинарах «Новые материалы Создание, структура, свойства», г Томск, 2004г, 2005г, Международных конференциях по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г Томск, 2004г, 2006г, XVI Международной конференции "Физика прочности и пластичности материалов", г Самара, 2006г, IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, г Нижний Новгород, 2006г , International congress on fracture «Fracture Mechanics in Design of Fracture Resistant Materials and Structures», Moscow, Russia, 2007r
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ 4 статьи в журналах центральной печати, 6 статей в сборниках трудов и тезисы 2 докладов конференций
Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается использованием современных экспериментальных методик, многочисленными экспериментальными исследованиями и устойчивой воспроизводимостью результатов, сопоставлением полученных результатов с опубликованными данными, полученными другими авторами и другими методами
Структура и объем диссертации Текст диссертации состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка цитируемой литературы Работа содержит 91 рисунок, 5 таблиц Библиографический список включает 156 наименования Общий объем диссертации 137 страниц
