ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Циклическое упрочнение (разупрочнение) из "Усталость металлических материалов " Стадии циклической микротекучести и циклической текучести 5 арактерны для металлов и сплавов, имеющих физический предел текучести, и их можно изучать при определенной методике усталостных испытаний. Для металлических материалов, не имеющих физического предела текучести, усталостный процесс начинается с кратковременной стадии циклической микротекучести (которая часто протекает в процессе вывода испытательной машины на заданную амплитуду нагружения), а затем следует стадия циклического деформационного упрочнения (разупрочнения), Эту стадию следует рассматривать как конкуренцию двух кинетических процессов пластической деформации и разрушения (по терминологии И. А. Одинга - упрочнения и разупрочнения). Поэтому в области циклического упрочнения (третья стадия в периоде зарождения усталостных трещин, см. рис. 2.10) пунктирной линией отмечено геометрическое место точек, соответствующих началу появления поверхностных субмикротрещин размером 1-3 мкм. Склонность металлических материалов к циклическому упрочнению или разупрочнению определяется отношением предела прочности к условному пределу текучести. Известно, что все материалы с Ов/ о,2 1Д разупроч-няются при циклическом деформировании, тогда как материалы, для которых ав/сТо 2 = 1 4 и выше, циклически упрочняются. При 1,2 Ов/с о.2 1.4 может происходить либо упрочнение, либо разупрочнение. [c.82] Циклическое деформационное упрочнение обычно наблюдается у пластичных металлических материалов, а разупрочнение - у материалов в высокопрочном состоянии, которое может быть достигнуто в результате предварительного деформационного упрочнения, упрочнения за счет выделений или примесных атомов, а также в результате различных видов химико-термической обработки. Как было показано выше, в случае металлических материалов, имеющих площадку текучести (а в настоящее время доказано, что при определенных условиях площадка текучести может наблюдаться у металлов и сплавов с любым типом кристаллической решетки), деформационное упрочнение в локальных объемах металла уже происходит на стадии циклической текучести из-за длительности прохождения площадки текучести в условиях циклического деформирования. Основные виды кривых циклического упрочнения/разупрочнения в зависимости от вида нагружения представлены на рис. 1.25, гл. 1. [c.82] На стадии циклического деформационного упрочнения происходит интенсивное повышение плотности дислокаций в пластичных металлических материалах (рис. 3.16 и 3.17) [29, 47, 48]. При этом наблюдается большое разнообразие формирующихся дислокационных структур в зависимости от типа кристаллический решетки, структурного состояния и условий нагружения металлических материалов [11, 17, 49-54]. H.A. Конева, Э.В. Козлов и Л,И. Тришкина [55], разделяя типы дислокационных субструктур на два больших класса, - неразориентирован-ных (разориентировки не превышают 0,5°) и разориентирован-ных (дискретные разориентировки на субграницах превышают 0,5°), выделяют следующие условия, определяющие формирование того или иного типа дислокационных субструктур. [c.83] Превращения одной дислокационной субструктуры в другую носят характер фазовых переходов. Для многих из них параметром системы является скалярная плотность дислокаций. При достижении критического значения этой величины начинает развиваться новая субструктура. Это значение соответствует точке бифуркации. Старая субструктура еще некоторое время развивается, но ее объемная доля после точки бифуркации убывает. С критической плотностью дислокаций связано появление новой характеристики распределения дислокаций, которая является параметром перехода [56]. [c.83] Однако, если просто изучать все многообразие дислокационных структур, то очень трудно выявить общие закономерности накопления повреждений в процессе усталости. Важно рассмотреть эволюцию дислокационных структур при характерных (пороговых) условиях пластической деформации и проводить анализ тех пороговых дислокационных структур, которые связаны с бифуркационным состоянием отдельных объемов материала и в которых происходит неравновесный фазовый переход, связанный с образованием новой, более устойчивой фазы - микротрещины [58, 59]. В этом смысле весьма перспективно привлечь к анализу представления синергетики (области научных исследований, целью которых является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы [60]). Подходы синергетики позволяют описывать сложное поведение открытых систем (а образец или конструкция, которые испытываются на усталость, являются открытыми системами), не вступая в противоречие со вторым законом термодинамики [61-69]. Синергетика оперирует с диссипативными структурами, образующимися в неравновесных условиях в результате обмена энергией (или энергии и веществом) с окружающей средой при подводе внешней энергии к материалу. [c.85] И более высокий уровень упорядоченности или организации (например, формирование в металлах при циклической деформации упорядоченных ячеистой или полосовой дислокационных структур). Для формирования и поддержания таких структур требуется большая энергия, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Таким образом, диссипативными структурами называют не все динамические структуры, а лишь те самоорганизуюш,иеся структуры, которые вносят существенный вклад в общую энергию системы. К таким структурам можно отнести также те, которые называют низкоэнергетическими дислокационными структурами (НДС). Для них характерно наличие объемов, практически свободных от дислокаций, с граничными областями, в которых плотность дислокаций очень высока (неоднородное стационарное состояние, устойчивое к малым возмущениям). [c.86] Наши исследования дислокационной структуры ОЦК-металлов и сплавов [4, И, 14, 17, 24, 35, 45, 48, 51], формирующейся в процессе циклического деформирования показали, что при температурах испытания выше критической температуры хрупкости формируются две пороговые самоорганизующиеся дислокационные субструктуры ячеистая и полосовая. В этих дислокационных субструктурах наблюдается критическая плотность дислокаций ркр = lO м-2 и в этих субструктурах происходит неравновес ный фазовый переход, связанный с зарождением субмикротрещин. В металлах и сплавах с другим типом кристаллической решетки пороговыми структурами могут быть лабиринтная или лестницеподобная [34]. На рис. 3.19 и 3.20 представлены примеры ячеистой и полосовой дислокационных структур [17], формирующихся в процессе усталости, а на рис. 3.21 представлены схемы дислокационной венной структуры и структуры, формирующейся в устойчивых полосах скольжения [54]. Венная дислокационная структура с высокой плотностью дислокаций характерна для ГЦК металлов. Вены разделены областями металла, практически свободными от дислокаций, так называемыми каналами. Характерный размер такой структуры 1,5 мкм для меди [73]. [c.87] Следует отметить,что кроме изменения плотности дислокаций в процессе циклического деформирования на стадии циклического деформационного упрочнения могут интенсивно проходить фазовые превращения (например, мартенситные превращения в метастабильных аустенитных сталях или процессы возврата в алюминиевых сплавах) и другие структурные изменения (динамическое деформационное старение в углеродистых сталях и др.). Эти фазовые превращения и структурные изменения могут существенно влиять на долговечность металлических материалов [17, 74-79 и др.]. Более подробно возможные структурные и фазовые изменения в процессе циклического деформирования рассмотрены в гл. 6. [c.87] Механизмы деформационного упрочнения при усталости, в основном, такие же, как и при статическом деформировании [84—87]. Все они связаны с взаимодействием движущихся дислокаций с различного рода препятствиями с другими дислокациями (или дислокационными образованиями) границами зерен растворенными чужеродными атомами и различного рода частицами (когерентными и некогерентными выделениями, упорядоченными фазами и крупными вторыми фазами). На рис. 3.22 дана схема дислокационного механизма деформационного упрочнения частицами второй фазы по Оровану. Специфика циклического деформирования связана с относительно малыми внешними напряжениями, которые повторяют большое число циклов. [c.91] НОЙ деформации приграничных объемов металла. На электропо-лированной поверхности зерен феррита в области границ зерен видны потемнения, свидетельствующие о образовании впадин или выпуклостей (см, рис. 3.8, а). По мере циклирования в зернах феррита низкоуглеродистой стали образуются линии скольжения часто по двум пересекающимся плоскостям (см. рис. 3.8, В зернах, где действует в основном одна из систем скольжения, образуются более грубые полосы скольжения (см. рис. 3.8, б), из которых по мере циклирования образуются глубокие устойчивые полосы скольжения (УПС). Схема образования полос скольжения на начальной стадии деформирования представлена на рис. 3.8, г. Размеры полос скольжения в поликристаллах ограничены размерами зерен, а в монокристаллах они имеют большую протяженность (рис. 3.23). [c.92] На рис. 2.6 (гл. 2) и 3.24 представлены характерные УПС, которые наблюдались на образцах из низкоуглеродистой стали и технического железа [17] на стадии циклического упрочнения. Эти усталостные полосы скольжения называются устойчивыми, так как после удаления электрополировкой поверхностного слоя (глубиной 15 мкм) они обнаруживаются в тех же самых местах. Установлено, что при циклическом деформировании устойчивые полосы скольжения являются главными носителями пластической деформации, в которых после стабилизации механических свойств наблюдается равновесие между генерированием и аннигиляцией дислокаций, т.е. процессы циклического деформирования в области этих полос показывают высокую степень реверсивности [84]. Однако, реверсивность не может быть полной, потому что не могла бы постепенно нарастать интенсивность поверхностного рельефа, а также нельзя было бы наблюдать после удаления поверхностного слоя и нового нагружения образование устойчивых зон в тех же местах. Экспериментально установлено, что локальная амплитуда пластической деформации в УПС постоянна ив 100 раз выше, чем в окружающей матрице [34, 46, 73]. [c.92] Большое влияние на зарождение микротрещин оказывает окружающая среда. При сдвиговых процессах каждая ступенька скольжения покрывается адсорбированными атомами или молекулами из окружающей среды. После обратного сдвига этот адсорбированный слой будет частично препятствовать исчезновению непосредственно перед этим сформированной поверхности ступеньки сдвига. Что ведет к возникновению закрытой трещины или, по крайней мере, поверхности с несовершенным сцеплением. Согласно такой модели трещины должны образовьшаться в местах сильной концентрации скольжения, т.е. в основаниях интрузий [73]. [c.95] Таким образом, достижение пунктирной линии зарождения субмикротрещин на стадии циклического деформационного упрочнения КДЕ (см. ниже рис. 4.3) связано с формированием в наиболее благоприятно ориентированных зернах (в зонах УПС) пороговых дислокационных субструктур с критической плотностью дислокаций (р = 10 4 м-2), например в стенках дислокационных ячеек или полосовых структур. Именно в этих локальных объемах металла возникают уже на стадии циклического деформационного упрочнения субмикротрещины размером порядка 1-5 мкм. [c.96] Существуют также другие механизмы зарождения трещин, учитывающие повторность нагрузки (а также знакоперемен-ность) в условиях усталости и преимущественное течение приповерхностных слоев металла в периоде зарождения трещин. В сталях с гетерогенной структурой (в частности у перлитных сталей) могут существовать два независимых субмикроскопических источника разрушения либо зеренный (зарождение субмикротрещин на границе перлитных зерен), либо цементитный (инициирование субмикротрещин в срезах цементитных пластин). Чаще всего субмикроскопические уста[лостные трещины зарождаются в приповерхностных слоях металла глубиной Порядка размера зерна. [c.100] Вернуться к основной статье