книги / Синергетика и усталостное разрушение металлов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одобренные XXVII съездом КПСС основные направления развития на­ родного хозяйства страны предусматривают ускоренное развитие машино­ строения на базе эффективного использования возможностей научно-техни­ ческой революции. Вэтой связи важное значение приобретает разработка новых конструкционных материалов и повышение надежности и долговеч­ ности конструкций и деталей машин. Известно, что основной причиной

выхода из строя машин является усталостное разрушение.

Задача повышения работоспособности конструкционных материалов в изделиях непосредственно связана с использованием оптимальных для данной конструкции условий нагружения материалов, структурное состоя­ ние которых оптимизировано на эти условия службы,для чего необходимо знание механизма и эволюции накопления повреждений материала в процес­ се его службы. Решение задачи требует междисциплинарного подхода на основе физики прочности,механики разрушения,материаловедения.

Впоследние годы получило развитие новое научное направление —си­ нергетика, изучающая закономерности самоорганизации упорядоченных структур различной природы, отвечающие появлению порядка из хаоса. Вотличие от традиционных подходов синергетика фокусирует внимание на необратимых процессах, протекающих в открытых системах вдали от термодинамического равновесия. Законы их протекания оказались общи­ ми для живой и неживой природы, что открывает перспективы установле­ ния более общих закономерностей,чем те, которые удается устанавливать при рассмотрении равновесных обратимых процессов.Синергетика объеди­ няет подходы в различных областях знаний к физике, химии, биологии, социологии,космологии и др.

Это направление зародилось в начале 70-х годов,и его название происхо­ дит от греческого слова ’’synergeticos”, что означает согласованно действую­ щий, совместный. При самоорганизации упорядоченных структур основная роль принадлежит коллективному взаимосвязанному поведению элементов сложной системы. Это обусловило название научного направления, введен­ ного Хакеном.

Самоорганизацией структур занимается и кибернетика, но синергетика в отличие от кибернетики учитывает физические основы спонтанного фор­ мирования их. Общей теорией структур в неравновесных средах является теория нелинейных колебаний и волн. Всвязи с этим положения и методы, используемые при изучении нелинейных колебаний, являются основой для самоорганизующихся процессов.

Новые подходы возникли в результате развития неравновесной термо­ динамики и теории информации. Классическая термодинамика,как извест­

3

но, исследует необратимые процессы, приводящие к увеличению энергии, означающие увеличение хаоса и разрушение внутренних структурных связей. Напротив, неравновесная термодинамика изучает необратимые процессы, приводящие к уменьшению энтропии путем самоорганизации упорядоченных или диссипативных структур, протекающей в открытых системах, обменивающихся энергией и веществом с окружающей средой. Синергетика рассматривает кинетику энтропии, а функция диссипации выражается произведением потока и силы,ее вызывающей.

Выводы неравновесной термодинамики не противоречат классической термодинамике, так как утверждение об уменьшении энтропии относится к локальной системе, которая компенсируется возрастанием энтропии внешней среды, взаимодействующей с данной системой. Неравновесным

системам присущ бифуркации (раздвоения).

Согласно И.Пригожину, разработавшему математический аппарат, описывающий поведение системы вблизи точек бифуркации, система за счет случайных флуктуаций выбирает одно из нескольких вариантов будущего, так как вблизиэтихточекфлуктуации■становятся сильными. Достигая стадии бифуркации, система теряет устойчивость. Чередование устойчивости и неустойчивости —общий феномен в эволюции любой от­ крытой системы, причем процесс является необратимым. Это означает, что систему после прохождения бифуркации нельзя вернуть в исходное состояние. Для выделения ситуации, возникающей после воздействия флуктуации на систему, И. Пригожин ввел специальный термин ’’поря­ док через флуктуации”. Несомненно, что синергетика окажет большое влияние на развитие различных отраслей знаний, и в частности на мате­ риаловедение и новые технологии структурообразования. Здесь уместно

Л.И.Бершадским для управления-трением и износом в трибосистемах. Цельюнастоящего сборника является объединение усилий исследова­

телей (материаловедов, механиков и физиков), занимающихся разработ­ кой теории пластической деформации и разрушения материалов. Выход этого сборника будет способствовать привлечению внимания исследова­ телей к открывающимся перспективам установления новых закономер­ ностей процессов пластической деформации и разрушения при исполь­ зовании подходов синергетики. Обобщение накопленных эксперименталь­ ных данных на новом уровне будет способствовать созданию новых тех­ нологий управления структурой материалов и получения комплекса на­ перед заданных свойств.

Подготовке этого сборника способствовали: 1) монография В;Е. Пани­ на, В.А.Лихачева,Ю.В.Гриняева,’’Структурные уровни деформации твер­ дых тел” (Наука, 1985), в которой был обоснован новый в теории дефор­ мации твердых тел подход, базирующийся на представлениях о диссипа­ тивных структурах в неравновесных системах, являющийся ключевым при анализе пластической деформации с позиций принципов синергетики;

2) монография В.В.Рыбина’’Большие пластические деформации и раз­ рушение металлов” (Металлургия, 1986), в которой развиты представле­ ния о пластической деформации и разрушении металлов как существенно неравновесном и необратимом процессе;

3) прошедшая в 1986 г. в ИМЕТ АН СССР IX конференция по уста­

4

Как известно, задачу установления закономерностей процессов само­ организации в образовании структур ставила и кибернетика, но синергети­ ка в отличие от нее изучает физические основы спонтанного формирова­ ния структур. Синергетика логически вписывается и в теорию нелиней­ ных колебаний и волн,являющуюся по своей сути общей теорией структур в неравновесных средах, Всвязи с этим методы, используемые при изуче­ нии нелинейных колебаний и волн, являются, в сущности, общей теорией структур в неравновесных средах [11].

Связь нелинейных колебаний с самоорганизующимися процессами проистекает из того, что самоорганизующимися процессами считаются любые автоколебательные процессы, связанные с образованием устой­ чивых незатухающих колебаний, которые, независимо от начальных усло­ вий, вызвавших их появление, остаются в определенном режиме. Влиней­ ной области колебания всегда носят хаотический характер, а в нелиней­ ной возможны автоколебания (упорядоченные колебания). Для возникно­ вения автоколебаний необходима диссипация энергии и система должна бытьнелинейной,т.е.в данномслучаеотклик системына воздействие не про­

порционален воздействующему усилию.Всвязи с этим положения и мето­ ды, используемые при изучении нелинейных колебаний, являются основой для самоорганизующихся процессов.

Синергетика в отличие от классической термодинамики рассматривает кинетику энтропии и придает ей, а не энергии определяющее значение в формировании свойств открытой системы, обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой [10]. Энтропия является функцией состояния вещества, при этом спонтанный отток энтропии из системы порождает явление самоорганизации диссипативных структур при дости­ жении критических условий. Изучение поведения системы в точках, отве­ чающих спонтанной самоорганизации диссипативных структур (точки бифуркаций), важно для теории механических свойств. Поскольку разру-

. шение есть необратимый процесс, его следует рассматривать с учетом по­ ведения системы, находящейся вдали от термодинамического равнове­ сия [6].

Внастоящей статье рассматривается синергетическая модель локаль­ ного разрушения, позволяющая выделить фундаментальные механические свойства материалов и описать кинетику повреждаемости при разрушении различных металлов и сплавов через критические параметры,контролирую­ щие точки бифуркаций. Усталостное разрушение при этомрассматривается как кинетический процесс деградации структуры в локальных областях металла впереди фронта трещины.

Синергетическая модель разрушения. Воснову модели были положены следующие предпосылки.

1. Разрушение при субкритическом росте трещины связано с коопера­ цией двух конкурирующих механизмов разрушения —микросдвига и микроотрыва, причем каждый акт продвижения трещины в зависимости от структурного уровня деформации связан с образованием критическо­ го зародыша по механизму микросдвига или микроотрыва.

2. Зарождение микротрещин по механизму микросдвига связано с

достижением в плоскости скольжения критической плотности дислока­ ций, а по механизму микроотрыва - с достижением в элементе объема,

7

претерпевшего предельную пластическую деформацию, критической плот­

ности дисклинаций.

3. При ’’накачке”в металл энергиив процессе пластической деформации образуются дефекты кристаллической решетки (дислокации, вакансии, дисклинации), а при достижении критической запасенной энергии упругой деформации в результате самоорганизации диссипативных структур проис­ ходят неравновесные фазовые (кинетические) переходы на различных структурных уровнях,отвечающих точками бифуркаций.

4. Если разрушение контролируется микросдвигом, связанным с низко­ энергоемкими (плоскими) скоплениями дислокаций, то реализуется ло­ кальное хрупкое разрушение, инициируемое сдвиговой неустойчивостью. Вэтом случае на поверхности разрушения выявляются фасетки сдвига или скола. Если же контролирующим микромеханизмом разрушения является микроотрыв, связанный с высокоэнергоемкими скоплениями дефектов (дисклйнациями),то реализуется вязкоеразрушение,инициируе­ мое ротационной неустойчивостью. Признаком локального вязкого разру­ шения является наличие на поверхности трещины бороздчатого (цикли­ ческое нагружение) или ямочного (циклическое или статическое нагруже­ ние) микрорельефа.

5. Температура плавления Ts является точкой бифуркации, отвечающей сосуществованиюдвух фаз: твердой и жидкой,различающихся плотностью внутренней энергии или уровнем энтальпии.

6. При подводе механической энергии к металлу в результате пласти­ ческой деформации отдельные его области по своему энергетическому состояниюдостигают состояния, аналогичного состоянию фаз, образую­ щихся при температуре плавления Т3, При механическом нагружении аналогом твердой фазы, отвечающей температуре плавления Ts, являются области металла, претерпевшие предельную пластическую деформацию, с плотностьюэнергии упругой деформации Wcv, численно равной изме­ нениюэнтальпии ДЯт^ при нагреве металла от данной температуры Тс до Ts, а аналогом жидкой фазы —этот же элемент после поглощения допол­ нительной энергии Wcd,численно равнойLm.

7. Условия, при которых предельное искажение кристаллической ре­ шетки при механическом нагружении достигает в результате накопле­ ния максимальной энергии упругой деформации Wcv = AHts, необходи­

мой для критического изменения объема, характеризуют условия микро­ отрыва. Эти условия реализуются при достижении в локальном объеме критической плотности дисклинаций при контролирующем влиянии ро­ тационной неустойчивости. Условия, при которых при механическом на­ гружении предельное (максимальное) упругое искажение объема не до­ стигается (т.е. Wcv < &HTs), характеризуют микроразрушениемикро-

сдвигом, реализуемым при достижении критической плотности дисло­ каций в плоскости скольжения (при контролирующем влиянии трансля­ ционной неустойчивости). Точка бифуркации, отвечающая переходу от микроотрыва к микросдвигу, контролируется условием Wcd = Wcv = Lm, где Lm характеризует максимальную энергию деформации,необхо­ димую для критического упругого изменения формы.

8. Трансляционная неустойчивость возникает при достижении крити­ ческого напряжения сдвига тс, связанного с критической плотностью

8

(WCd) энергии упругого формоизменения критической величины соот­ ношением

где G —модуль сдвига.

Ротационная неустойчивость возникает при достижении в локальном объеме критического напряжения микроотрыва ас,связанного с критиче­ ской плотностью энергии (Wcv) упругого изменения объема критической величины соотношением

где Е —модуль упругости.

Покажем, что на основе принятых предпосылок удается ввести безраз­ мерные параметры, контролирующие трансляционную и ротационнуюнеу­ стойчивость при достижении критических условий.Разделим отношение (1) на (2) и выразим отношение критических напряжений на сдвиг и на отрыв в виде

Всоответствии с принятыми допущениями критическим условием для

Реализация разрушения микросдвигом в соответствии с принятыми до­

Обозначив GjEчерез £2,условие реализации трансляционной неустойчи­

Таким образом, для описания энергетического состояния локальных об­ ластей металла, претерпевших предельную пластическую деформацию при микроотрыве, можно использовать безразмерное отношение Дг,введен­ ное ранее [12]. Оно объединяет упругие модули (СиЕ) материала в ис­ ходном состоянии и термодинамические константы (Lmи ДHj. ), контро­ лирующие энергетическое состояние локальных объемов металла вдали от термодинамического равновесия н предопределяющие критические усло-

9

Таблица 1

Значения упругих модулей,постоянной Дпри комнатной температуре и отношения плотности энергии упругой деформации для достижения критической дисторсин Wcdкплотности энергиидлядостижения критической дилатации (Й^) при микро­ отрыведля ряда металлов

вия для спонтанного оттока энтропии. Так как температурная зависи­ мость изменения энтальпии твердой фазы описывается в виде

где Ср(7)—теплоемкость материала, как функция температуры, то соот­ ношения (5) с учетом (8) можно представить как

Как известно, G/E слабо зависит от температуры в широком диапазоне температур и для многих металлов близко к 0,4 (табл 1и рис. 1).Вто же время скрытая теплота плавления не зависит от температуры. Таким обра­ зом, левая часть соотношения (10) содержит параметры, слабо завися­ щие или не зависящие от температуры,тогда и произведение двух парамет­ ров правой части в соотношении (10) должно так же слабо, как и отноше­ ние G/E, зависеть от температуры. Это означает, что при увеличении (или уменьшении) температуры уменьшению (или увеличению) ДНт соответст­ вует пропорциональное уменьшение (или увеличение) Дг.

Таким образом, по своему физическому смыслу безразмерный параметр Д;характеризует отношение критических напряжений на сдвиг и на отрыв в области температур, в которой WCv = ДЯГ^является энергетической ха­ рактеристикой для достижения критической дилатации, a Wcd = Lm—кри­ тической дисторсии. Эта область температур характеризуется слабой темпе­

ратурной зависимостью ДЯ^ отвечающей области I на рис.2.Сучетом это-

10