Локальна пластична деформація і втома металів при різних швидкостях навантажування та асиметрії циклів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України

УДК 669.539.43

01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Локальна пластична деформація і втома металів при різних швидкостях навантажування та асиметрії циклів

Яковлєва Тамара Юліївна

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі високочастотних методів дослідження міцності і дефектності матеріалів Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (ІПМіцн. НАНУ).

Науковий консультант: доктор технічних наук Писаренко Георгій Георгійович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, завідувач відділу високочастотних методів дослідження міцності і дефектності матеріалів.

Офіційні опоненти:

- НАН України, доктор фіз.-мат. Наук Фірстов Сергій Олексійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича, заступник директора член-кор. НАН України,

- доктор технічних наук Кір'ян Валерій Іванович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділу міцності зварних конструкцій;

- доктор технічних наук Прокопенко Георгій Іванович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, завідувач відділу акустики твердого тіла.

Провідна установа: Національний технічний університет України "КПІ".

Захист відбудеться "19" жовтня 2006 р. о 10 годині 00 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01 при ІПМіцн. НАНУ у приміщенні конференц-залу Інституту за адресою: 01014, Київ, вул. Тимірязєвська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ІПМіцн. НАНУ.

Автореферат розісланий "18" вересня 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01 доктор технічних наук, професор Карпінос Б.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Щоб оцінити міцність та ресурс елементів конструкцій, що циклічно деформуються, необхідно відповісти щонайменше на три питання:

1) чи здатен матеріал опиратися накопиченню втомних пошкоджень та появі тріщини заданої довжини;

2) чи здатен даний матеріал опиратися поширенню тріщини, тобто які його характеристики циклічної тріщинотривкості;

3) яке співвідношення характеристик міцності та тріщинотривкості матеріалу при циклічному навантажуванні за заданого структурного стану та режимів експлуатації.

Прямі відповіді на ці питання дають випробування на втому та циклічну тріщинотривкість. В той же час, щоб інтерпретувати отримані дані, проаналізувати причини руйнування та спрогнозувати поведінку матеріалу, необхідно провести структурні дослідження і розробити теоретичні моделі.

Основна причина відмінності механічних властивостей матеріалу за умов втомного та статичного руйнування полягає в періодичному характері фізичних процесів, що реалізуються при циклічному навантажуванні. Одна з найважливіших особливостей еволюції структурних характеристик за такого навантажування - це локалізація пластичної деформації. Вказані чинники (циклічний характер фізичних процесів та локалізація зон максимальних структурних змін) є визначальними як під час інкубаційного (накопичування втомних пошкоджень), так і активного (поширення тріщини) періодів втомного руйнування. З огляду на це криві втоми та кінетичні діаграми втомного руйнування відображають дві взаємопов'язані стадії єдиного процесу - втомного руйнування. Тому використання єдиного підходу щодо аналізу поведінки матеріалу за умов циклічного навантажування дозволяє найповніше описати явище втоми. З іншого боку, оцінення і забезпечення надійності реальних конструкцій безпосередньо пов'язано з обґрунтованістю вибраних критеріїв, що враховують структурну неоднорідність матеріалу та умови навантажування. Такі критерії у більшості випадків пов'язують закономірності втомного руйнування з циклічними деформаціями та незворотнім розсіянням енергії у локальних об'ємах металу, а також із характеристиками структури за інкубаційного періоду, критичною локальною деформацією, критичною відстанню між структурними елементами на стадії поширення тріщини.

Таким чином, встановлення зв'язку закономірностей локального пластичного деформування із втомним руйнуванням та розроблення моделей втомного руйнування, які основані на аналізі фізичних процесів, що відбуваються в матеріалі, та враховують швидкість навантажування, мають достатньо просту, прийнятну для практики математичну форму, - є актуальною науковою темою.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації знайшла своє відображення в координаційному плані Міністерства освіти і науки України, зокрема в держбюджетних науково-дослідних темах, що виконувались в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України за участі автора як виконавця та відповідального виконавця: "Розробка методів прискореного визначення опору втомі нових металічних і керамічних матеріалів та обґрунтування рекомендацій по підвищенню міцності і довговічності матеріалів нової техніки машинобудування" (№ д.р. 0187.00.14550, 1986-1988 рр.); "Встановлення взаємозв'язку характеристик і механізмів циклічного деформування та руйнування жароміцних сталей і сплавів на основі нікелю, алюмінію, титану" (№ д.р. 01910010876, 1991-1993 рр.); "Дослідження закономірностей зміни фізико-механічних властивостей конструкційних матеріалів за дії циклічного навантажування" (№ д.р. 0299U00552 1996-1998 рр.); "Дослідження характеристик пошкоджуваності конструкційних матеріалів при високочастотному навантажуванні та термовтомі за дії лазерного випромінювання в газовому середовищі" (№ д.р. 0101U000525, 1999-2001 рр.); "Дослідження закономірностей зародження та розвитку втомних тріщин в сталях і сплавах при високочастотному навантажуванні" (№ д.р. 0102U003375, 2002-2004 рр.); в цільовий програмі НАН України "Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природничих, суспільних і гуманітарних наук" програма "Розробка сучасних проблем механіки матеріалів і машин" проект "Розробка наукових основ оцінки працездатності та залишкового ресурсу елементів конструкцій енергетичних та транспортних машин" тема "Розробка методів визначення залишкового ресурсу металоконструкцій, які піддаються циклічним навантаженням" (№ д.р. 0102U002149 за планом з 2002 до 2006 рр.), "Розробка методів визначення залишкового ресурсу металоконструкцій, які піддаються циклічним навантаженням" (№ д.р. PK0102U003375 за планом з 2002 до 2006 рр.), "Дослідження особливостей пошкоджуваності та руйнування металів при високих частотах навантаження" (№ д.р. PK0105U001368 за планом з 2005 до 2008 рр.), а також ряду господарчих договорів і договорів про науково-технічне співробітництво.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є виявлення і узагальнення закономірностей процесів локального пластичного деформування в структурно-неоднорідному пружно-пластичному матеріалі, які обумовлені амплітудно-часовими параметрами циклічного навантажування, для встановлення їх зв'язку із характеристиками опору втомі.

Для досягнення мети було вирішено наступні основні задачі:

– проаналізовано механізми локального пластичного деформування металевих матеріалів, які мають різні пружно-пластичні характеристики, на стадії накопичення втомних пошкоджень та в період поширення тріщини;

– досліджено залежність еволюції структурних та фрактографічних характеристик матеріалів від параметрів механічного навантажування і технологічних чинників;

– встановлено закономірності, що є однаковими для еволюції структурних та фрактографічних характеристик матеріалу за умов циклічного навантажування;

– визначено умову нестабільності щодо локального руйнування на стадії, яка передує появі тріщини;

– встановлено правомірність застосування отриманої умови нестабільності щодо локального руйнування матеріалу у вершині втомної тріщини.

Об'єкт дослідження: пружно-пластичне структурно-неоднорідне тверде тіло.

Предмет дослідження: закономірності процесів деформування, пошкоджування і руйнування, а також пружно-деформований стан зон локального пластичного деформування за дії циклічного навантажування.

Методи дослідження. При розробленні моделі поведінки матеріалу застосовано комплексний підхід, що містив положення механіки суцільного середовища, теорії непружних явищ та теорії дислокацій.

Поставлені задачі розв'язано із позицій порівняльного аналізу еволюції структури і властивостей матеріалу для інкубаційного періоду і фрактографічних характеристик та структурних параметрів зони зруйнування на стадії поширення магістральної тріщини.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

– розроблено новий підхід щодо отримання критеріїв граничних станів металевих матеріалів, що настають у зонах локалізації пластичного деформування під час інкубаційного і активного періодів втомного руйнування, з єдиної позиції, яка розглядає зони локальної пластичної деформації як області із структурою та властивостями, що відрізняються від основного металу; питома поверхнева енергія цих областей залежить від тривалості навантажування та координат;

– вказаний підхід є базою нової моделі локального деформування і руйнування металевого матеріалу за дії циклічного навантажування;

– отримано нові, фізично обґрунтовані рівняння кривої втоми та кінетичної діаграми втомного руйнування металевого матеріалу, що враховують швидкість циклічного навантажування і величину коефіцієнта асиметрії;

– запропонована математична форма рівнянь відображає фізичну сутність експериментально відомого факту протилежного впливу розміру структурного елемента на величини границі витривалості та порогового коефіцієнта інтенсивності напружень, який раніше не мав математичного і водночас фізично обґрунтованого пояснення;

– запропоноване рівняння кінетичної діаграми втомного руйнування описує закономірності поширення втомної тріщини для всього діапазону довжин: стадії розвивання короткої тріщини, стабільного та нестабільного зростання, а також її гальмування аж до повного зупинення, що раніше вимагало двох або більше рівнянь.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень та висновків. Обґрунтованість висновків, які зроблено за результатами експериментальних досліджень, базується на точному дотриманні методологічної схеми, а також на різноманітності використаних методик і матеріалів, що забезпечило різнобічний характер досліджень. На основі висновків, які було отримано з аналізу експериментальних даних та літературних джерел, розроблено модель поведінки пружно-пластичного структурно-неоднорідного матеріалу за умов циклічного навантажування.

Достовірність моделі доведено аналітичними та експериментальними методами.

Аналітичним методом на базі вихідних положень моделі отримано рівняння кривої втоми та кінетичних діаграм втомного руйнування матеріалу (як функції від розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень К та довжини тріщини). Результати формального математичного аналізу рівнянь відповідають явищам, що були виявлені експериментально. Зокрема результатом аналізу цих рівнянь є створення рівнянь частотних залежностей границі витривалості, циклічної довговічності, порогового коефіцієнта інтенсивності напружень, швидкості поширення втомної тріщини; залежності границі витривалості та порогового коефіцієнта інтенсивності напружень від розміру структурного елемента і коефіцієнта асиметрії циклу.

Експериментальна перевірка рівнянь полягала у порівнянні 309 кривих (теоретичних, апроксимувальних та прогнозувальних) із результатами експерименту, отриманими в рамках роботи та із літературних джерел. Величина коефіцієнта кореляції цих залежностей та експериментальних даних у 92% випадків перебуває в діапазоні 0,9-0,999 та у 8% випадків - в діапазоні 0,724-0,9.

Наукове значення роботи полягає у розвиненні фізично обґрунтованого аналітичного підходу щодо розв'язання проблеми втоми металевих матеріалів, що базується на запропонованій моделі деформування і руйнування зон локалізації пластичної деформації. Вказаний підхід дозволяє пов'язати в єдиний комплекс явища, які традиційно розглядають як окремі фрагменти загальної проблеми втоми металевих матеріалів.

Подальший розвиток моделі відкриває можливість врахувати температурні умови навантажування, показати взаємозв'язок характеристик міцності та тріщинотривкості за циклічного та статичного навантажування.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що вони дозволяють:

- розраховувати криві втоми та кінетичні діаграми втомного руйнування в заданому інтервалі частот навантажування, використовуючи одну експериментальну криву у межах цього інтервалу;

– прогнозувати залежності границі витривалості на заданій базі та порогового значення К для заданої швидкості поширення тріщини від частоти навантажування;

– враховувати вплив частоти і асиметрії циклу навантажування, розміру структурного елементу на характеристики втоми та циклічної тріщинотривкості металевого матеріалу;

– кількісно оцінювати еволюцію структурного стану матеріалу.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались більше ніж на 20 Міжнародних (Всесо-юзних) наукових конференціях, симпозіумах, колоквіумах, нарадах та семінарах. Серед них: III Наук.-техніч. конф. "Повышение надежности и долговечности машин и сооружений" (Запоріжжя, 1988), ХI Всесоюз. конф. "Конструкционная долговечность двигателей" (Куйбишів, 1988), Всесоюз. конф. "Прочность материалов и элементов конструкций при зву-ковых и ультразвуковых частотах нагружения" (Київ, 1988,1992), Всесоюз. симп. по растровій мікроскопії і аналітичним методам досліджень твердих тіл" (Звенігород, 1989), Всесоюз. нарада "Механизмы внутреннего трения в твердых телах" (Тбілісі, 1989), Міжнар. конф. "Сварные конструкции" (Київ, 1990), ХI міжнар. колок. "Механическая усталость металлов" (Київ, 1991), Респ. конф. "Повышение надежности и долговечности машин и сооружений" (Київ, 1991), IV конф. з питань розсіяння енергії при коли-ваннях механічних систем (Київ, 1992), Всерос. наук.-практич. конф. "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (С.-Петербург, 1998), Міжнар. конф. "Оцінка і обґрунтування продовження ресурсу еле-ментів конструкцій" (Київ, 2000), Міжнар. наук.-техніч. конф. "Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні" (Київ, 2001, 2004), XXVIII Між-нар. наук.-техніч. нарада по проблемам міцності двигунів (Москва, 2002), Міжнар. конф. "Конструкційна міцність матеріалів і ресурс обладнання АЕС" (Київ, 2003), Міжнар. наук.-техніч. конф. "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара, 2003), Наук-техніч. конф. „Динамі-ка, міцність і надійність сільськогосподарських машин" (Тернопіль, 2004), Міжнар. наук.-техніч. конф. "Динаміка, міцність і ре-сурс машин та кон-струкцій" (Київ, 2005), на наукових семінарах відділу акустики твердого тіла Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (наук. керівник д.т.н. Г.І. Прокопенко, 2002), тематичному семінарі "Зварні кон-струкції і технічна діагностика" Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України (наук. керівник академік Л.М. Лобанов, голова д.т.н., проф. О.І. Гуща, 2002), об'єднаному наук. семінарі Інституту проблем мате-ріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України (наук. керівник академік С.А. Фірстов, голова д.ф.-м.н. Ю.Н. Подрєзов, 2004), тематичному семінарі "Втома, термовтома і механіка руйнування" Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (наук. керівник член.-кор. В.О. Стрижало, 1998-2004), наук. семінарі Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України (наук. керівник академік В.Т. Трощенко, 2004, 2006).

Публікації та особистий внесок здобувача. За темою дисертаційної роботи опубліковано 62 друковані праці. Результати, які увійшли до дисертації, викладено в 46 публікаціях. Основні положення дисертації опубліковано в монографії об'ємом 15 др. арк., колективній монографії, 18 статтях у фахових виданнях. До додаткових публікацій входять Держстандарт України, праці, матеріали і тези конференцій.

Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. Монографію, 6 статей у журналах і збірниках надруковано без співавторів. Матеріали, які опубліковано у співавторстві і використано в дисертації, одержано здобувачем особисто. У спільних роботах здобувачеві належать: участь в постановці задачі і узагальненні результатів роботи; здійснення досліджень методами оптичної, трансмісійної та растрової електронної мікроскопії, Фур'є-аналізу, електроопору, внутрішнього тертя; аналіз і узагальнення отриманих результатів, а також модельні положення і методика прогнозування.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків та додатків. Обсяг основного тексту дисертації становить 350 стор. Вона містить також 132 рисунки, 20 таблиць, із яких відповідно 7 і 11 - на окремих 28 сторінках, перелік літературних джерел із 350 бібліографічних найменувань на 35 стор. та додаток на 1 стор.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито суть і стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність і доцільність проведення досліджень, сформульовано мету та задачі роботи, визначено новизну отриманих результатів, наведено дані про їх апробацію та практичне значення, визначено особистий внесок здобувача у публікаціях, які підготовлено із співавторами.

У першому розділі наведено огляд літератури, що стосується розглянутої проблеми, наявних результатів міждисциплінарних (що містять різні підходи) експериментальних і теоретичних досліджень втоми, показано сучасний стан знань у цій галузі та окреслено коло головних нерозв'язаних проблем для металевих матеріалів. Зокрема відмічено наступне.

1. Процес втомного руйнування можна розглядати як поетапно повторюваний акт зародження первинної тріщини. Однак деякі структурні параметри матеріалу супротивно впливають на характеристики циклічної міцності та тріщинотривкості. Неоднакові закономірності розвивання коротких та довгих тріщин: за умов сталого зовнішнього навантажування швидкість поширення коротких тріщин може знижуватись аж до їх повного зупинення в момент досягнення критичної довжини; після досягнення мінімуму швидкість поширення тріщини починає зростати і її подальший розвиток підпорядковується закономірностям, що властиві макротріщині.

2. Характеристики міцності і тріщинотривкості за циклічного навантажування частотно залежні. Пластичне деформування як фізичний процес на дислокаційному рівні також залежить від швидкості навантажування. Тобто очевидним є зв'язок між швидкістю дислокаційного перебудування і механічними властивостями матеріалу, однак у наявних моделях цей факт не знаходить належного відображення. Іншим важливим неврахованим моментом є вплив циклічності навантажування на розвивання локальної пластичної деформації.

3. Критерії оцінювання надійності елементів конструкцій за умов циклічного навантажування в більшості випадків пов'язують закономірності втомного руйнування з циклічними деформаціями і незворотнім розсіянням енергії в локальних об'ємах металу, а також із характеристиками структури під час інкубаційного періоду, критичною локальною деформацією, критичною відстанню до вершини тріщини, відстанню між структурними елементами на стадії розвивання тріщини. При цьому частоту і асиметрію циклу або не враховано, або уведено емпірично, що обмежує їх інтерпретацію, або математична форма критерію занадто складна для практичного застосування.

Зроблено висновок про актуальність розроблення моделей втомного руйнування, що базуються на єдиному підході для інкубаційного та активного періодів, основуються на аналізі фізичних процесів, що відбуваються в матеріалі, мають достатньо просту, прийнятну для практики математичну форму.

У другому розділі сформульовано мету, задачі, загальну методику і методи досліджень. Загальна методика досліджень містить наступні етапи:

- розроблення методичної схеми експериментальних досліджень, яка дозволила виявити вплив конкретних умов навантажування та встановити закономірності, що притаманні дослідженим матеріалам, в усьому діапазоні умов навантажування;

- експериментальні дослідження еволюції структурних та фрактографічних характеристик, які дозволили встановити окремі та загальні закономірності;

- формулювання модельних припущень, що ґрунтуються на узагальненні експериментальних даних, і розроблення в аналітичному вигляді моделі еволюції зони локального пластичного деформування;

- математичний аналіз структури отриманих рівнянь;

- експериментальне підтвердження достовірності основних рівнянь та наслідків, що отримані з аналізу їх структури;

- ілюстрацію можливостей практичного застосування отриманих рівнянь.

Вимоги щодо моделі, яку було розроблено:

– головні припущення ґрунтуються на реальних фізичних закономірностях, а параметри, що описують розгляданий процес, мають фізичний зміст;

– опис конкретного стану матеріалу або процесу не суперечить положенням теорії, в рамках якої здійснено розгляд;

– аналітичні вирази отримано шляхом математичних перетворювань;

– наслідки формального математичного аналізу аналітично отриманих рівнянь відповідають явищам, що спостерігаються експериментально;

– остаточні рівняння мають досить просту, придатну до практичного застосування форму.

Наведено характеристики досліджених сплавів: титанових ПТ-7М (наводнений), ПТ-3В, ПТ-5В, ВТ20, ОТ4 (початковий стан, оксидований), ВТ14, ВТ23 (початковий стан, оксидований, азотований); алюмінієвого АМг6Н; нікелевого ЭП202; сталі ВНС25. Описано експериментальне обладнання та методики випробувань на втому і циклічну тріщинотривкість: характеристики міцності та тріщинотривкості в діапазоні частот f від 20 Гц до 10 кГц і значеннях коефіцієнта асиметрії R від -1 до 0,7 було отримано на однакових для конкретного виду випробувань зразках, за одного й того ж ретельно контрольованого температурного режиму осьового розтягу-стиску (R = -1) і розтягу (R 0) з однаковим принципом вимірювання та задання параметрів циклічного навантажування. Наведено методики досліджень внутрішнього тертя, електроопору, Фур'є-аналізу зображень, електронномікроскопічних структурних та фрактографічних досліджень.

Структурні дослідження кожного сплаву здійснювали на зразках, ви-пробування яких (за однакового для даного сплаву рівня напружень) припиняли, коли кількість циклів N досягала 0,1; 0,5; 0,9 від кількості циклів до появи макротріщини Nfr, а також у зруйнованому та початковому стані. Фрактографічні дослідження та визначення глибини зони пластичного деформування у вершині тріщини проводили для фіксованих значень розма-ху коефіцієнта інтенсивності напружень К від швидкостей біляпорогової області до швидкості зростання тріщини dl/dN 510-7 м/цикл.

Для випробуваних зразків визначали наступний комплекс параметрів: відносну інтегральну щільність дефектів (методом електроопору); щільність рухомих дислокацій та ступінь їх закріплення (методом внутрішнього тертя); морфологію дислокаційної структури (за допомогою трансмісійної електронної мікроскопії) і поверхні зруйнування, глибину зони пластичного здеформування у вершині тріщини (за допомогою растрової електронної мікроскопії); ступінь та характер впорядкованості структурних і фрактографічних елементів (методом Фур'є-аналізу).

Для вирішення теоретичних задач використано підходи механіки суцільного середовища, зокрема теорії дислокацій та теорії непружних явищ у металах і сплавах. Основні положення останньої наведено в цьому розділі.

У третьому розділі викладено результати досліджень впливу характеристик циклу і технологічних чинників на структурні механізми пластичного деформування сплавів.

На прикладі сплавів АМг6Н та ЭП202 показано, що для всіх швидкостей симетричного та асиметричного навантажування є характерною наступна послідовність структурних змін: формування на ранніх стадіях навантажування дислокаційних скупчень, утворених головним чином із диполів та петель (сплав АМг6Н), незначне підвищення щільності дислокацій (сплав ЭП202) > трансформування скупчень у смуги, які створено петлями і плетивом дислокацій крайової та гвинтової орієнтації (сплав АМг6Н), розпадання часток міцнильної фази (сплав ЭП202) > перебудування смугової структури в слабко розвинену чарункову (сплав АМг6Н), утворення смуг деформації, які перетворюються у втомні мікротріщини у вільних від виділів знеміцнених зонах (сплав ЭП202). При цьому протягом всього періоду циклічного навантажування присутні всі типи вказаних структур, а також зони, що не зазнали змін (відповідають початковому станові).

Найбільш характерними рисами навантажування з високими швидкостями є зниження рівня накопичення втомних пошкоджень за цикл навантажування (дані електроопору), що відображає зниження рівня пластичної деформації; зменшення розмірів зон, які мають явно виявлені структурні зміни (Фур'є-аналіз, дані електронної мікроскопії), що свідчить про підвищення ступеню локалізації пластичного деформування. При цьому збережено головні тенденції еволюції структури в процесі навантажування.

Підвищення значень коефіцієнта асиметрії циклу призводить до рівномірнішого характеру структурних змін, тобто до зменшення ступеню локалізації пластичного деформування та формування елементів менш енергоємкої дислокаційної структури, яка забезпечує меншу здатність матеріалу опиратися тривалому циклічному деформуванню. Зокрема, спостерігалося зниження ролі та змінення структури меж чарунок (сплав АМг6Н), більш помітне ущільнення дислокацій, поява плоских дислокаційних скупчень і елементів чарункової структури (сплав ЭП202).

При підвищенні швидкості асиметричного навантажування зміни дислокаційної структури підпорядковано тим самим закономірностям, що і для симетричних циклів. Але ступінь виявлення швидкісної чутливості залежить від співвідношення величин статичного та циклічного складників напруження циклу, тобто від значення коефіцієнта асиметрії R, що зумовлено різною чутливістю матеріалів до зміни швидкості однонаправленого і частоти циклічного навантажування.

Показано, що початкова структура матеріалу (наводнений сплав ПТ-7М) та наявність зварного з'єднання (сплав ПТ-3В) різною мірою впливають на конкретний вид дефектів, які виникають у даному матеріалі, їх щільність, особливості взаємодії, однак зберігаються стадійність і локальний характер структурних змін у процесі циклічного навантажування, збільшення розмірів мікрообластей структурних змін із збільшенням кількості циклів навантажування, наявність "структурно заморожених" (тих, що зупинили свій розвиток) мікрообластей.

Загалом результати процесів локального структурного перебудування за умов циклічного навантажування настільки суттєві, що відображаються в зміненні таких інтегральних характеристик як анізотропія коефіцієнтів Фур'є-розкладу, внутрішнє тертя, питомий залишковий електроопір. Найбільш інтенсивне накопичування дефектів відбувається під час перших 10% довговічності. Потім їх щільність зростає менш інтенсивно або стабілізується. В окремих випадках перед зруйнуванням (після 90% довговічності) має місце ще одне різке підвищення цієї величини. Конкретні особливості кінетики накопичення дефектів визначаються видом та станом матеріалу і умовами навантажування.

У четвертому розділі розглянено фрактографічні характеристики зруйнування досліджених сплавів залежно від параметрів циклу, температури, довкілля, попереднього технологічного обробляння матеріалу, наявності зварного з'єднання.

На прикладі сплавів АМг6Н та ВНС-25 показано, що за всіх значень R для багатофазних, складнолегованих матеріалів вплив швидкості навантажування має комплексний характер, пов'язаний з різною чутливістю до швидкості навантажування фазових складників, міжфазних прошарків, зон концентраційної неоднорідності щодо легувальних та домішкових елементів.

До спільних закономірностей навантажування з високою швидкістю для всіх значень R слід віднести збільшення енергоємкості процесу руйнування через зменшення розміру фрактографічних елементів, появу додаткових елементів зруйнування. Характерним, але менш універсальним наслідком підвищення швидкості навантажування є інтенсивне розгалуження магістральної тріщини. Поширюючись водночас у декількох площинах, тріщина розпушує метал. Такий характер поширення тріщини призводить до зниження концентрації напружень у зоні руйнування і, як наслідок, до зменшення швидкості зростання тріщини і підвищення значень Кth за всіх значень R.

Показано також, що підвищення швидкості навантажування призводить до зменшення глибини зони пластичного деформування h під поверхнею зруйнування за однакових значень К. Водночас залежність h від швидкості зростання тріщини є інваріантною щодо швидкості навантажування f, що відображається в інваріантності форми кінетичної діаграми втомного руйнування для різних значень f.

До найбільш загальних закономірностей впливу асиметрії циклу навантажування на характер руйнування відносяться зменшення частки борознистого зламу на поверхні зруйнування за більш ранньої появи елементів ямкового, тобто квазістатичного зруйнування за умов асиметричного навантажування порівняно із симетричним. Окрім того, значно знижується ступінь вторинного розтріскування. Окремими проявами ефекту збільшення значень R є додаткові механізми руйнування, які зумовлено зростанням середнього напруження циклу при збільшенні коефіцієнта асиметрії.

За умов спільного впливу швидкості та асиметрії спостерігається взаємне послаблення кожного з чинників.

Одним з найбільш яскраво виражених результатів накладання високочастотної вібрації малої інтенсивності на низькочастотний повторно-статичний розтяг є зменшення на порядок кроку втомних борозенок (сплави ТС, ВТ14), що свідчить про суттєвий вплив зміни частоти навіть малого складника навантаження на характер зруйнування.

Вплив корозійного середовища (морська вода порівняно з випробуваннями в повітрі) на характеристики зруйнування корозійнотривких матеріалів (сплав ПТ-5В) є найбільш суттєвим на стадії зародження субмікротріщин (багатоосередковість), наступного їх об'єднання в магістральну тріщину і в меншій мірі на стадії нестабільного зростання.

За умов високотемпературного навантажування (сплав ПТ-5В) переважним елементом зруйнування є фасетки відриву. Зруйнування за структурними складниками є значно менш вираженим, хоча різного виду межі залишаються осередками вторинного розтріскування.

Локалізація осередків та характер зруйнування зварних з'єднань (сплави ПТ-5В, ВТ20) визначаються головним чином ступенем хімічної та структурної неоднорідності зони термічного впливу та біляшовної зони, видом, кількістю та розподілом домішок на ділянці поверхні металу, яку захищають під час зварювання.

Хіміко-термічне обробляння (сплави ВТ23, ОТ4), за гарної якості підготовки поверхні, зменшує можливість зародження тріщин на поверхні, але призводить до різкої різниці між мікроструктурою і властивостями шару, який містить хімічну сполуку, та шару твердого розчину. Результатом є поява осередків втомних тріщин на межі цих шарів. Обидва шари стають різко окрихченими, тому головна різниця в характері руйнування газонасиченого та початкового матеріалів спостерігається в межах 1/3-1/2 радіусу зразка.

Загалом показано, що початкова структура і умови навантажування суттєво і прогнозовано впливають на фрактографічні характеристики зруйнування. Ступінь впливу тих чи інших параметрів навантажування залежить від виду матеріалу і того, наскільки комплексним є їх дія. Однак зберігаються стадійність процесу розвивання тріщини (еволюція фрактографічної картини і закономірності зміни відстані між характерними елементами зруйнування, наприклад, втомними борозенками) із збільшенням значень К, локальний характер еволюції фрактографічних характеристик матеріалу і вплив швидкості навантажування.

У п'ятому розділі виконано аналіз та узагальнення експериментальних даних, які отримано у роботі, отримано автором раніше за тією ж методологічною схемою, знайдено у літературі. Встановлено взаємозв'язок та загальні закономірності мікроструктурних механізмів пластичного деформування і еволюції фрактографічних характеристик матеріалу за циклічного навантажування, що дало можливість запропонувати певну "фізичну схему" втомного руйнування металів.

В усьому дослідженому діапазоні умов навантажування, незалежно від типу попередньо сформованої структури, еволюція структурних параметрів, тобто розвивна локальна пластична деформація, спостерігається в обмеженій кількості мікрооб'ємів на фоні значно більшої кількості зон зі структурними змінами, що виникли та не зазнали подальшого розвитку. Узагальненою ілюстрацією вказаної закономірності, де градаціями сірого кольору показано ступінь локальних структурних змін в матеріалі, що зазнав циклічного навантажування. Особливістю мікрооб'ємів максимальних структурних змін є підвищена чутливість щодо зовнішнього навантаження, зумовлена впливом таких чинників, як сприятлива кристалографічна орієнтація, локальна концентрація напружень, концентраційна неоднорідність щодо домішок та легувальних елементів, близькість до вільної поверхні матеріалу. Локальний характер мікроструктурних змін, що розвиваються, за практично стабільного стану решти матеріалу, дає змогу розглядати зони локалізації пластичної деформації (ЛПД) як мікрооб'єми, що мають інші властивості ніж решта матеріалу і внаслідок цього більш чи менш виявлену межову поверхню, а також внутрішньою енергію. Із збільшенням тривалості навантажування збільшуються розміри зони ЛПД та зростає ступінь локалізації структурної перебудови матеріалу, тобто змінюються її геометричні та структурні параметри. Локальне зруйнування наступає тоді, коли матеріал зони ЛПД втрачає здатність до подальшого пластичного деформування, чому відповідають критичні значення розмірних, структурних і енергетичних параметрів.

Дислокаційна структура зони пластичного деформування у вершині магістральної тріщини в біляпороговій області значень К є наступним логічним розвитком структури, яку було сформовано на стадії накопичування втомних пошкоджень в основному об'ємі. Матеріал характеризується швидше кількісними, ніж якісними відмінностями дислокаційної структури, що формується в зоні руйнування, від структури локальних, найбільш здеформованих під час інкубаційного періоду, мікрообластей основного об'єму. Принципова схожість структурних характеристик матеріалу у зоні ЛПД і в зоні зруйнування в біляпороговій області зростання тріщини також показує, що одна або декілька із зон ЛПД служать осередками зруйнування. Із збільшенням значень К з'являються елементи структури, що не спостерігались у зонах ЛПД, які відповідають вищим рівням напружень, ніж номінальні. Збільшення значень К із зростанням довжини тріщини, тобто тривалості навантажування, супроводжується одночасним зміненням геометричних та структурних характеристик зони пластичного деформування під поверхнею зруйнування. Звідси випливає, що швидкість зростання тріщини обумовлена головним чином тривалістю періоду структурної підготовки матеріалу в околі вершини тріщини і енергоємкістю процесу руйнування як такого, що пов'язаний із взаємодією фронту тріщини із початковими та сформованими елементами структури і субструктури.

Співставлення наведених закономірностей розвивання зон ЛПД і зони зруйнування (зони пластичної деформації у вершині тріщини) вказує на однаковий "структурно-геометричний" характер їхньої еволюції із збільшенням тривалості навантажування. Однаковим є результат збільшення швидкості (тобто частоти) циклічного навантажування - зростання ступеню локалізації пластичної деформації як під час інкубаційного періоду (зменшення розміру зон ЛПД), так і на стадії розвивання тріщини (зменшення глибини зони пластичного деформування, скорочення кроку втомних борозенок та ширини смуг відповідної смугової дислокаційної структури, розмірів майданчиків їх односпрямованого розташування). Збільшення значень R супроводжується формуванням менш енергоємкої структури під час інкубаційного періоду і активізуванням менш енергоємких механізмів руйнування на стадії розвивання тріщини.

У шостому розділі представлено модель поведінки металевого матеріалу за дії циклічного навантажування з частотою f. Уведено наступні початкові припущення.

1. Матеріал зони ЛПД - суцільне середовище, фізико-механічні властивості якого, зокрема питома поверхнева енергія, є функцією координат і часу.

2. Поточне значення середнього радіусу зони лінійно залежить від середньої швидкості процесів мікропластичного деформування і часу.

3. Конкретний характер і механізми структурної еволюції зони проявляються у зміненні величини питомої поверхневої енергії.

Далі у матеріалі за дії циклічного навантаження довільного значення Р, виділено деякий об'єм, що містить зону ЛПД, яка характеризується деяким фіксованим рівнем деформації і межовою поверхнею, що містить довільну точку В. З подальшим навантажуванням указана зона ЛПД набуває критичних розмірних і структурних характеристик, що відповідають старту тріщини. Розглянуто стан цього об'єму під навантаженням протягом N-го циклу навантажування в довільний момент часу t від початку навантажування з урахуванням впливу поверхневої енергії зони ЛПД на поле напружень поблизу її околу.

Виходячи з умов термодинамічного балансу отримано рівняння рівноваги з узагальненням межових умов для випадку, коли необхідно враховувати розсіяння енергії та поверхневу енергію:

; , , (1)

де ik, ik - компоненти тензора напружень і деформацій відповідно, n - складники вектора нормалі до поверхні зони ЛПД, - вільна енергія одиниці поверхні (питома поверхнева енергія), F0- вільна енергія одиниці об'єму тіла; R1, R2 - головні радіуси кривизни поверхні зони ЛПД. Це означає, що в даному випадку за межових умов необхідно враховувати додаткові зусилля: нормальне 1pimd = (1/R1 + 1/R2), зумовлене кривизною поверхні зони ЛПД, тангенційне 2pimd = /xi, зумовлене залежністю питомої поверхневої енергії від координат, а також "дисипативну силу" (ш - дисипативна функція, яка є квадратичною функцією швидкостей в тілі із заданим у кожній точці вектором зміщення u), зумовлену розсіянням енергії.

Далі показано, що зовнішнє навантаження також може бути представлено у вигляді суми складників e, що забезпечує макропружне деформування, і md, що зумовлене мікроструктурними змінами в найбільш напружених і найбільш сприятливо зорієнтованих для цього мікрооб'ємах:

= e + md,

де md = md1 + md2 + md3. (2)

Складник md,, у свою чергу, є сумою трьох складників, два з яких пов'язані з розміром зони ЛПД і величиною , якими характеризується ця зона після N циклів навантажування, тобто залежать від часу, що пройшов від початку навантажування. Третій, що пов'язаний з незворотньою зміною енергії протягом розгляненого циклу, залежить від характеристик циклу.

Далі проведено аналіз змінення внутрішньої енергії зони ЛПД в її наближенні до сферичної форми з радіусом r и лінійної залежності поточного значення r від середньої швидкості процесів пластичного деформування 0 і часу t: r = 0t = 0NT, де T = 1/f - період циклу навантажування. Розвиток зони за дії циклічного навантажування відбувається у двох умовних вимірах. Просторовому (об'ємному) - змінення геометричних розмірів і об'ємної енергії, що визначається як 4r32/3Ei з урахуванням циклічності навантаження та використанням виразу для комплексного модуля пружності Ei = Er(1 + i)(1 + i), де Er - прорелаксований модуль, який відповідає умовам повного завершення релаксаційних процесів; = 2f - кругова частота; і - сталі, що відповідно дорівнюють тривалості релаксування деформації за сталого напруження і тривалості релаксування напруження за сталої деформації. Та структурному - еволюція морфології структури зони і відповідно змінення величини та поверхневої енергії, що визначається як 4r2. В обох вимірах змінення відбуваються в фізичному часі, який представлено через період і кількість циклів. Вираз для питомої (на одиницю площі) зміни внутрішньої енергії матеріалу F в околі зони ЛПД через деякий час t після початку навантажування має вигляд:

.(3)

Розвивання зони ЛПД енергетично вигідно до того часу, поки зниження її енергії через релаксування пружних напружень шляхом еволюції структури перевищує збільшення цієї енергії через збільшення геометричних розмірів і питомої поверхневої енергії. Критичним моментом є рівність нулю сумарної зміни енергії, що відповідає критичному розміру зони і величині питомої поверхневої енергії. В подальшому зменшення енергії можливе тільки через зруйнування зони, тобто виникнення первинної мікротріщини. Диференціал функції (3) по радіусу має вигляд , а умовою зруйнування з математичних позицій є рівність нулю часткових похідних

.(4)

Приймаючи, що md3 md2 md1 md/3, в результаті диференціювання отримано співвідношення

, (5)

що є умовою нестабільності (граничного стану) щодо локального руйнування.

Збереження закономірностей еволюції структури за умов навантажування з різною величиною коефіцієнта асиметрії дозволяє для заданого значення довговічності виразити амплітуду напружень а для асиметричного навантаження через відповідне амплітудне значення симетричного циклу а/-1, величину R і коефіцієнт чутливості матеріалу до статичного складника ka/R:

, . (6)

На основі припущення, що після NFr циклів навантажування сформовано зону ЛПД з критичними значеннями r і , що відповідали умові нестабільності, враховуючи (2) і (5), було записано вирази для md1, md2, md3 і md.

Взявши до уваги (6), отримано рівняння, що зв'язує амплітуду навантажування з кількістю циклів до появи мікротріщини, з урахуванням частоти навантажування і величини коефіцієнта асиметрії циклів

, (7)

де ; ; ; e = ke/-1,

E- динамічний модуль пружності, - кут зсуву фаз між напруженням і деформацією.

Діленням усіх членів рівняння (7) на величину відповідного модуля пружності отримано співвідношення для функціональної залежності величини циклічної деформації a від f і NFr

, ; ; (8)

Рівняння (7) зведено до найпростішого вигляду:

а = ue + ; ue = e + a, Cf = b + c.(9)

Вираз (9) є рівнянням кривої втоми з двома коефіцієнтами для заданих умов м'якого навантажування.

Аналогічним способом отримано рівняння кривої втоми з двома коефіцієнтами для заданих умов жорсткого навантажування:

а = ue + ; ue = e + a, Cf = b + c. (10)

Аналіз структури отриманих рівнянь показав наступне.

· Функції а(NFr) і а(NFr) є спадними з асимптотами щодо амплітуди напружень (чи деформацій) за довговічності NFr

; ;.(11)

Фізично це означає, що матеріал витримує циклічне деформування необмежено довго для заданої частоти навантажування. Звідси витікає, що необмежена або фізична границя витривалості - це напруження, що забезпечують зворотнє деформування матеріалу з урахуванням зсуву фаз між напруженням і деформацією при заданій частоті навантажування.

· Якщо в заданому інтервалі довговічностей виконуються умови

; , (12)

то крива а(NFr) розпадається на дві з асимптотами в цьому інтервалі і при NFr .

З позицій фізики це відповідає зміненню механізмів руйнування в даному інтервалі напружень або деформацій (це ж справедливо для кривої а(NFr)) .

· В екстремальних щодо частоти випадках (f 0 и f ) рівняння не втрачає фізичного змісту, оскільки містить вираз для комплексного модуля пружності, що враховує циклічний характер навантажування, зокрема частоту. Тоді а набуває значення e - справжньої межі пружності для ізотермічного (f 0, тобто за умов завершеності релаксаційних та інших, залежних від часу, процесів) і адіабатного (f , коли f 1/, f 1/ і додаткова деформація не встигає виникнути) випадків.

· Задаючи в рівнянні частоту як змінну, отримано рівняння частотної залежності границь витривалості на заданій базі навантажування

, ; . (13)

За фізичним змістом 0 - величина напруження зруйнування матеріалу на заданій базі навантажування при f 0. З (11) випливає, що залежність фізичної границі витривалості від частоти характеризується частотною залежністю відповідних непружних явищ.

· Подібним чином отримано рівняння частотної залежності довговічності

. (14)

· Оскільки середня швидкість процесів пластичного деформування 0 обернено пропорційна кількості дислокаційних утримувачів, із структури рівняння (7) випливає, що залежність границі витривалості від розміру зерна, субзерна або іншого елемента структури, межі якого є дислокаційними зупинниками, має вигляд

а = A + Bd -1/2, (15)

де для а, обмеженого на заданій базі навантажування NFr,

, ;

для фізичної границі витривалості

, ,

ч - коефіцієнт пропорційності.

Відмічено, що параметри, які входять до виразу для коефіцієнтів основних рівнянь (7) і (8), відбивають фізико-кристалографічні особливості процесів деформування, що реалізуються в зоні ЛПД, і тому залежать від основних характеристик навантажування. Отже, коефіцієнти рівняння можна розглядати як константи матеріалу за певних меж умов випробувань: температурного інтервалу; діапазону частоти навантажування; рівня зовнішнього навантаження; параметрів довкілля. Конкретні характеристики діапазону умов випробувань, в якому вказані коефіцієнти вважаються незмінними, залежать від класу матеріалу та допустимої похибки у заданих змінних і визначаних згідно з ними інших величинах.

Межова поверхня сформованої протягом інкубаційного періоду зони ЛПД (рис. 5, а) власне є внутрішнім концентратором напружень, тому, якщо не зупинятися на конкретних мікромеханізмах, що залежать від багатьох чинників, найбільш ймовірний напрямок локального руйнування - від межі зони ЛПД в її внутрішній об'єм під деяким кутом до осі прикладення навантаження на площині максимальних локальних ростягувальних напружень. Якщо 2l - довжина початкової мікротріщини, що відповідає першому одномоментному (в межах кількості циклів допустимої похибки вимірювання) акту локального руйнування, то отримаємо задачу про тріщину, яку можна змоделювати похилою щілиною в полі розтягування. Тоді, згідно з моделлю поширення тріщини, зону зародження вторинної мікротріщини можна розглядати як "вторинну зону ЛПД" і т.д. У цьому випадку довжина вторинної мікротріщини дорівнює діаметру вторинної зони ЛПД.

Окіл точки r, (де r, - локальна система полярних координат у нормальному перерізі вершини тріщини), що належить до "вторинної зони ЛПД" характеризується найбільш активним розвитком структурних змін, максимально високими напруженнями, їх малим градієнтом. Якщо r r*/2 (r* - відстань від вершини тріщини, в межах якої виконується ar/ik(r) = ar/ikmax), локальні напруження ar/ik (також і деформації ar/ik) для розглянутого мікрооб'єму мало залежать від r, і за умов плоскої деформації або плоского напруженого стану в загальному випадку можуть бути представлені у вигляді

, (16)

, , , ,

деформування пружний метал навантажування

де i, k = x, y, z; n = I, II, III, характеризує основні випадки розкриття тріщини:

I- нормальний відрив, II - поперечний і III - поздовжний зсув;

ik і - функції кутів та відповідно;

Y - поправкова функція, що залежить від співвідношення l і ширини зразка;

F - функція, залежна від величини співвідношення r*/, де - радіус скруглення вершини тріщини;

a0/ik - амплітуда номінальних напружень; в подальшому, щоб не нагромаджувати позначення напружень, індекси i, k будемо упускати.

В розглянутому випадку 2r* = 2r2 є приростом тріщини (з обох боків) протягом N циклів навантажування, а величина d4r/dN - швидкість зростання тріщини.

Підставивши (8) в (16), отримано рівняння стану матеріала в околі точки r, у вершині тріщини:

. (17)

Диференціюванням (17) отримано рівняння швидкості зростання втомної тріщини (рівняння кінетичної діаграми втомного руйнування)

; , , (18)

К = kК-1, (19)

Параметри er, ar, br і cr мають тут той же фізичний і математичний зміст, що і в рівнянні (8), але відносяться до зони максимальних структурних змін в околі точки r, у вершині тріщини; ka/-1 має той же зміст, що і у рівнянні (7) і відноситься до амплітуди зовнішнього навантаження; K-1 - розмах коефіцієнта інтенсивності напружень за умов симетричного навантажування при заданій швидкості зростання тріщини.

Рівняння (18) зведено до найпростішого вигляду

; , . (20)

Вираз (20) має структуру модифікованого рівняння Періса для залежності швидкості зростання тріщини від K.

Перетворивши рівняння (18), отримано рівняння залежності швидкості зростання тріщини від її довжини

; , . (21)

Аналіз структури отриманих рівнянь виконано за схемою, що використовувалась для рівнянь кривої втоми.

· У логарифмічних координатах графіки отриманих рівнянь мають вигляд, наведений на рис. 6.

· Фізичний зміст мінімуму функції від К відповідає значенню К, яке при заданій частоті навантажування забезпечує необмежене за кількістю циклів зворотне деформування матеріалу у вершині тріщини з урахуванням зсуву фаз між напруженням та деформацією. Це означає, що при меншій величині К зона ЛПД у вершині тріщини не розвивається. Але присутня перехідна зона (рис. 5), що сформувалась на попередніх стадіях навантажування.

· Фізичний зміст умови мінімуму функції від l

; ; , (22)

відповідає критичній довжині, при якій тріщина припиняє рости. За сталої амплітуди зовнішнього навантажування найбільший вплив на подальшу поведінку початкової мікротріщини виявляє ступінь підготовленості матеріалу до руйнування, що зменшується з віддаленням від зони ЛПД. Одним із супротивних чинників є збільшення локального навантаження у вершині через збільшення довжини. Тому швидкість тріщини знижується аж до можливого повного зупинення при досягненні вказаної критичної довжини (рис. 6, криві 1). Для наступного поширення тріщини необхідно збільшити навантаження. Якщо властивості матеріалу і (або) рівень зовнішнього навантаження обумовлюють таке змінення поправкових функцій Y і Ф, що функції dl/dN від l і dl/dN від К набувають загального вигляду квадратичної функції замість повного квадрата (18), (21), тоді швидкість зростання тріщини знижується до мінімального, але не рівного нулю значення. В цьому випадку мінімум функцій відповідає умовним пороговим значенням швидкості Кth.

У певному діапазоні довжин тріщини l* l 2l* при заданій амплітуді зовнішнього навантаження швидкість зростання довгої тріщини l2 може бути меншою, ніж короткої l1. Пояснюється це більшим ступенем підготовленості матеріала щодо руйнування з наближенням його до первинної зони ЛПД і відповідно меншою кількістю циклів, необхідних для локального руйнування. Після виходу мікротріщини за межі перехідної зони, але всередині розглянутого інтервала, швидкість зростання тріщини починає збільшуватися, досягаючи початкового значення (dl/dN)* при величині локальних напружень, що відповідає початковому старту тріщини. Подальше збільшення локальних напружень призводить до зменшення N і відповідно до перевищення поточної швидкості над початковою.

...