книги / Синергетика и усталостное разрушение металлов

к значениям пороговых напряжений, определенных по выражению(1). Указанное свойство пороговых напряжений позволяет значительно сокра­ тить объем испытаний при построении вероятностной кривой усталости.

Спозиций понятия сильно возбужденного состояния можно рассмотреть совместное влияние на процесс усталостного разрушения и других факто­ ров, например температуры.Повышение температурыиспытаний,очевидно, должно повышать степень сильного возбуждения материала, обеспечивая более интенсивную ’’накачку” энергии в материал. Это, в своюочередь, должно уменьшать по сравнениюс испытаниями при нормальной темпе­ ратуре уровень порогового напряжения, отвечающего границе реализации соответствующего макромеханизма разрушения. Построение кривой усталости сплава АМгб при Т= 105 °С подтвердило данное предположение:

ношение между ними практически не изменилось (рис.1,6).

Проявление различных макромеханизмов разрушения, границы реали­

зации которых контролируются пороговыми напряжениями усталости (точками бифуркаций), оказывает влияние и на кинетику развития усталостного разрушения в каждой из этихобластей.

Вобласти многоцикловой усталости наиболее полно представлены зоны усталостного излома со всеми своими характерными макро- и микро­ признаками. Не останавливаясь подробно на периодах и стадиях накопле­ ния повреждений, отвечающих стадии зарождения магистральной трещины (это подробно изложено в ряде монографий [2]), необходимо подчерк» нуть, что все виды и типы дислокационных структур с различной плот­ ностьюдислокаций —отражение различныхтипов диссипативныхструктур, самоорганизующихся в материале для эффективного отвода энергии, ’’накачиваемой” в материал в процессе циклического нагружения и повы­ шающей степень возбужденного состояния материала. Когдаотводэнергии с помощью этих структур становится неэффективным, происходит обра­ зование микроскопических актов разрушения (возникновение микронесплошностей типа микротрещин), позволяющих более эффективно отво­ дить поступающую энергию.

Рассмотрим подробнее кинетику роста образовавшихся усталостных трещин в каждой из областей кривой усталости. Анализ будем проводить на основе построения диаграмм усталостного разрушения в координатах lgАК —\gVn микрофрактографического анализа поверхности разрушения.

Вобласти многоцикловой усталости можно выделить три характерных участка,на диаграмме усталостного разрушения (рис.2,а) . Первый участок соответствует развитию усталостной трещины в зоне очага зарождения трещины. Видно, что с увеличением размера трещины скорость ее роста интенсивно падает. Такое изменение значений характерно для малых тре­ щин, развивающихся вблизи поверхности образца. На рост трещиныв этой зоне сильное влияние оказывают внешние факторы (состояние поверх­ ности, история нагружения и др.), а также факторы, обусловливающие эффект закрытия трещины, который оказывает значительное влияние на кинетикуроста трещин размером 0,5 мми выше.

Второй участок отвечает стадии 1роста усталостной трещины, реализуе-

181

мой при стандартных испытаниях на циклическую трещиностойкость над­ резанных образцов при обеспечении условий автомодельного роста трещи*

ны [12]. Третий участок характеризует стадию 2 (стадию стабильного роста трещины).

Анализ изломов образцов показал, что микрорельеф на первых двух участках не имеет принципиального различия: на первом участке хорошо виден сдвиговый рельеф (рис. 3, а), навтором участке наблюдается посте­ пенный переход от строчечного к псевдобороздчатому (рис. 3,б). Из этого можно сделать вывод, что распространение трещины на этих двух участках контролируется одним механизмом.

При переходе к стадии 2 (третий участок) появляются вязкиеусталост­ ные бороздки, свидетельствующие, что трещина здесь развивается по ме­ ханизму микроотрыва (рис. 3, в)'. Изменение шага бороздок S показало, что вначале расстояние между бороздками изменяется слабо,но при дости­ жении ДАТ=Af|J —13 МПа • м1^2 резко возрастает и в дальнейшем с ростом длины трещины продолжает увеличиваться, при этом скорости роста уста­ лостной трещины, определенные по шагу бороздок и макроскопическим путем, близки между собой. Достижение ДАТ= Kls сопровождается значи­

тельными колебаниями значений V, появлением на фоне усталостных бо­ роздок элементов неразвитого ямочного рельефа (рис. 3,г).

Корректно построить зависимость lg K-lgАК на стадии ускоренного роста трещины не удается из-за трудностей,возникающих при определении значений коэффициента интенсивности напряжений. Микрорельеф поверх­ ности разрушения на этой стадии характеризуется наличием наряду с уста-

182

цикловой усталости,,является сдвиговым. Вслед за этим участком сразу наступает стадия 2 роста трещины. Увеличение амплитуды напряжения приводит к смещению графика зависимости IgK-lgM на стадии 2 в сторо­ ну больших скоростей, а с приближением значения оа к величине afcmax про­ исходит изменение угла наклона (параметра п в уравнении Пэриса V= = С(АК)п).

Нестабильность процесса усталостного разрушения в этой области связа­ на с наличием малых усталостных трещин, которые слабо развиваются в процессе роста магистральной трещины, но количество их при этомуве­ личивается.

Результаты испытаний на усталость гладких образцов были сопоставлены с результатами стандартных испытаний на циклическуютрещиностойкость плоских образцов с центральным надрезом. На рис. 4 представлены диаграммы усталостного разрушения алюминиевых сплавов Д16чТ.Харак­ тер поведения зависимостей \gV-\gAK близок к традиционной S-образной кривой, при этом для всех сплавов,как и в случае гладкихобразцов в об­ ласти многоцикловой усталости, наблюдалась подобная смена микрорелье­ фа поверхности разрушения.

При скоростях V « 10~9 м/цикл микрорельеф представляет собой совокупность строчечного и псевдобороздчатого рельефов (рис. 5, а). Вдиапазоне значений V = 10~9-г6 • 10’9 м/цикл преобладающим является строчечный рельеф (рис. 5, б), при дальнейшем увеличении скорости роста трещины {V> 6 • 1(Г9 м/цикл) наблюдается возрастание доли псевдо­ бороздчатого рельефа, который при значении V, близком к 10“®м/цикл, становится доминирующим (рис.5,в).

При возрастании скорости роста трещины с 10“®до 6 • 10"8м/цикл происходит переход от псевдобороздчатого рельефа к усталостным бо­ роздкам. Так же как и для гладких образцов,достижение значения АК= = Kls вызывает резкое увеличение шага бороздок, появление неразвитого

ямочного рельефа на фоне усталостных бороздок, резкие колебания ско­ рости роста трещины. На стадии ускоренного роста трещины реализуется ямочно-бороздчатый рельеф, переходящий в ямочный в зоне долома. Возрастание уровня приложенного напряжения выше определенного значе­ ния также оказывает влияние на диаграмму усталостного разрушения, смещая зависимость в сторону больших скоростей и изменяя значение параметра п.Сравнение диаграмм усталостного разрушения, построенных для гладких образцов в области многоцикловой усталости,и надрезанных образцов показывает их хорошее совпадение (рис.6).

Таким образом, реализация процесса усталостного разрушения в опре­ деленных условиях обеспечения автомодельности процесса разрушения позволяет установить определенную последовательность смены фрактографических признаков в изломе независимо от химического состава сплавов, их строения, формы и размера образца и вида нагружения. Она связана с наличием иерархии структурных уровней деформации, опреде­

ляющей следующую последовательность смены микрорельефа: строчеч- ный-псевдобороздчатый-бороздчатый рельеф, отвечающий квазиупругому и упругопластическому росту трещины - смешанный ямочно-бороздча- тый-ямочный рельеф (в зоне долома).

Границы перехода от одного вида рельефа к другому характеризуются

185

Рис.4. Кинетические диаграммыусталостного разрушения сплава Д16чТ,построенны по результатамиспытаний плоскихобразцов сцентральным надрезом

а,МПа: 1- 20,2,2 - 30,4,3 - 37,0,4 - 44,8,5 - 69,S

пороговыми величинами АК = Klq, являющимися точками бифуркаций, отвечающими смене соответствующих диссипативных структур, реализуе­ мыхв процессе роста усталостной трещины.

Взаимосвязь между пороговыми коэффициентами интенсивности на­ пряжений, характеризующими границы реализации автомодельного роста усталостной трещины по механизму микроотрыва, может быть представле­ на в виде соотношения [12]

Klq,т = 2 ,4 ,8 ,«о, Д - постоянная разрушения для сплавов на данной основе (для сплавов алюминия Д = 0,22).

186

Рис.6. Кинетические диаграммы усталостного разрушения сплава АМгб, построен­ ныепорезультатамиспытаний плоских (7) н круглых (2) образцов

Рис. 7.Обобщенная п-К/*диаграмма приKj*= Kjq

трещины к макропластической нестабильности (/Г1Я).Взависимости, от степени стеснения пластической деформации их значения могутизменяться

Еще одним важным пороговым коэффициентом интенсивности напря­ жений является Кус, характеризующее наступление глобальной нестабиль­ ности разрушения. Величина К^с также зависит от степени стеснения плас­ тической деформации и реализуемого микромеханизма разрушения.Можно выделить три значения К^с:К^с - отвечающее квазиупругому разруше­

нию, К^с —упругопластическому отрыву с максимальным стеснением и

К^с —при минимальном стеснении. Здесь символы Р,Ф,Яхарактеризую

три состояния рельефа, отражающие контролирующие скорость роста тре­ щины микромеханизмы разрушения до наступления глобальной нестабиль­ ности разрушения: Р - ручьистый рельеф, Ф- микрофасеточный, Я- ямочный.

Вусловиях реализации автомодельного роста усталостной трещины чис­

ло определяющих параметров сводится к минимуму. Одним из важней­ ших является структурно-чувствительный параметр л, определяемый из уравнения [13]

где В и А —размерные постоянные длд сплавов на данной основе,контро­ лирующие границы автомодельного роста трещины на стадии 2. Между па­ раметром п и пороговыми значениями^ можетбыть установлена зависи­

мость в виде n-Klq-диаграммы, каждый луч которой отвечает смене

микромеханизма разрушения или достижениюпредельного состояния при различной степени стеснения пластической деформации,

Если связать диаграмму с реализуемыми в процессе автомодельного роста трещины микромеханизмами разрушения, получим карту микроме­

189