ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Циклическая деформация и усталость из "Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией " Возможности промышленного применения наноструктурных материалов в качестве конструкционных во многом определяются их усталостным поведением. Усталость — характеристика циклического поведения материалов и повышение прочности металлов и сплавов в наноструктурном состоянии позволяет ожидать увеличения также их усталостной прочности. Однако пока довольно мало известно об усталостном поведении наноструктурных материалов [365-367], хотя тенденция значительного повышения усталостной прочности и долговечности при создании наноструктур методами ИПД наблюдается достаточно отчетливо. [c.213] Первые исследования усталостного поведения нанокристалли-ческой Си, полученной компактированием, были недавно осуществлены в работе [365]. Эти эксперименты проводились с целью исследования стабильности внутренней структуры при повторяющихся сжимающих нагружениях. Как известно, эволюция микроструктуры при усталостных испытаниях происходит в первую очередь благодаря движению дислокаций в прямом и обратном направлениях. В этом смысле циклические испытания на растяжение и сжатие представляются подходящими для исследования таких основных усталостных свойств, какими являются циклическое упрочнение и эффект Баушингера. Исследования этих явлений имеют целью установить механизмы деформации в наноструктурных материалах. [c.213] Подробное исследование усталостного поведения Си после РКУ-прессования было выполнено в работе [367]. Циклические испытания на растяжение-сжатие были проведены при амплитудах деформации в интервале 10 -10 при комнатной температуре. [c.213] Циклические кривые для нескольких образцов после РКУ-прес-сования и отжига приведены на рис. 5.18. Видно, что для всех образцов наблюдается стадия насыщения. Однако значение напряжения насыщения Тн значительно различаются в зависимости от характера термообработки. [c.213] Образцы, отожженные при 773 К, проявляют циклическое поведение, характерное для обычной поликристаллической Си. При этом значение а , равное 110МПа, обычно наблюдается в Си поликристаллах [368-370]. [c.213] В крупнокристаллических образцах параметр достигает максимального значения во время стадии быстрого упрочнения, обычно ассоциирующейся с формированием развитой дислокационной структуры в Си [372, 373]. Максимальное значение Ре обычно совпадает с завершением стадии быстрого упрочнения, и это можно интерпретировать, как начало стадии зарождения устойчивых полос скольжения [372-374]. Затем /Зе постепенно уменьшается с увеличением деформации. Такое поведение отличается от характерного для наноструктурных материалов, где Ре остается примерно постоянным во время стадии насыщения вплоть до стадии зарождения трещин. [c.215] Общепринято, что эффект Баушингера связан с наличием обратных напряжений, создаваемых дислокационными скоплениями. По этой причине увеличение Ре в начале деформации крупнокристаллических материалов можно отнести к увеличению плотности дислокаций во время циклического упрочнения. Уменьшение величины Ре (рис. 5.186, нижняя кривая) объясняется появлением низкоэнергетических дислокационных конфигураций в форме устойчивых полос скольжения. [c.215] В случае наноструктурных материалов исследования с помощью оптической микроскопии не позволили обнаружить локализацию деформации вплоть до очень поздних стадий циклической деформации. Более того, значение Ре остается постоянным с самого начала циклической деформации. Это означает, что обратные напряжения в этих материалах не изменяются при циклической деформации, что само по себе необычно для усталостного поведения материалов. Тем не менее, как видно из рис. 5.18а, некоторое циклическое упрочнение в наноструктурных материалах наблюдается, что свидетельствует об увеличении внутренних напряжений. [c.215] Величина усредненного энергетического параметра в наноструктурном образце после кратковременного отжига больше, чем в крупнокристаллическом образце и неотожженном наноструктурном образце, который обладает большей запасенной энергией. Следует отметить, что усредненное значение /Зд в наноструктурном образце, подвергнутом кратковременному отжигу, увеличивается с накоплением деформации на стадии быстрого упрочнения. Такое поведение подобно поведению крупнокристаллической Си. В то же время оно довольно отличается от соответствующего поведения нео гожженных наноструктурных образцов. Для него характерны ясно различимые флуктуации от начала до окончания циклической деформации. Причина этого до настоящего времени не ясна. [c.216] К настоящему времени выполнен ряд экспериментов, указывающих на то, что материалы, предварительно сильно деформированные растяжением или сжатием, при последующем циклическом деформировании разупрочняются [369, 375, 376]. Обобщение этих наблюдений по отношению к размеру ячеек показало, что циклическое разупрочнение будет наблюдаться в том случае, когда размер ячеек, образовавшихся на стадии насыщения при циклическом деформировании, больше того, который существовал в материале до начала циклической деформации [375]. С другой стороны, если установившийся размер ячеек меньше, чем в исходном материале, наблюдается упрочнение. Также был сделан вывод, что установившийся размер ячеек не зависит от исходного состояния металла. [c.216] Размер зерна в наноструктурной Си, исследованной в работе 367], намного меньше, чем типичный размер ячеек равный 0,5мкм в поликристаллической Си, подвергнутой усталостным испытаниям [369, 370, 375]. Это говорит об ограниченной применимости данной концепции для исследования усталостного поведения наноструктурных материалов. Более того, в работе [377] показано, что в режиме низких амплитуд размер зерна меньше критического значения, равного 85 мкм, не оказывает влияния на напряжение циклической деформации. Напряжение насыщения для наноструктурного образца, отожженного при 773 К, соответствует значению, характерному для Си поликристаллов, испытанных при той же самой амплитуде пластической деформации [377]. В отличие от вышеупомянутых закономерностей в случае, когда размер зерна оказывается значительно меньше критического, наблюдается значительно более высокое напряжение насыщения. [c.216] Сравнивая поведение наноструктурной Си в исходном (после РКУ-прессования) состоянии и после кратковременного отжига, можно отметить, что до тех пор, пока средний размер зерен остается неизменным, различия в усталостных свойствах объясняются различной структурой границ зерен. Крайне неравновесные границы зерен, содержащие хаотичные внесенные зернограничные дислокации, приводят к появлению высоких внутренних напряжений в зернах, что приводит к упругим искажениям кристаллической решетки [12, 208. [c.218] Высокие значения ао, связанные с искажениями кристаллической решетки в исходном наноструктурном образце, определяют высокое значение напряжения насыщения. Тем не менее напряжения от скоплений дислокаций на границах зерен могут не возрастать из-за аккомодационных процессов на неравновесных границах зерен. Можно предположить, что неравновесные аморфноподобные границы зерен эффективно поглощают решеточные дислокации. Таким образом, увеличения полей напряжений не происходит и Ре остается постоянным при циклической деформации. [c.219] Другая ситуация складывается в случае отожженных наноструктурных материалов с обычными, релаксированными границами зерен. В этом случае скопившиеся у релаксированных границ зерен дислокации значительно увеличивают поля напряжений и, следовательно, увеличивают значения Ре- Следовательно, накопление дислокаций на ранних стадиях циклической деформации является ответственным за быстрое упрочнение и постепенное увеличение среднего значения Ре в наноструктурной Си после кратковременного отжига. [c.219] Известно, что усталостные свойства коррелируют с формой петли гистерезиса при циклических испытаниях [373, 378]. Это утверждение становится более очевидным, если учесть, что параметр энергии Баушингера связан с упругой энергией, запасаемой в образце во время циклической деформации. Более наглядным является анализ формы петли гистерезиса за цикл испытаний при сравнимых амплитудах деформации. При этом чем выше среднее значение энергетического параметра, тем лучше усталостные свойства. [c.219] На рис. 5.20 представлены гистерезисные петли для всех трех типов материалов, деформированных циклически до насыщения при пл = 5. [c.220] Образцы, отожженные при 773 К, характеризуются петлями гистерезиса, форма которых типична для обычной поликристалличе-ской Си. В то же время наноструктурные материалы проявляют намного более выраженные петли гистерезиса и, следовательно, лучшие усталостные свойства по сравнению с крупнокристаллическими поликристаллами. [c.220] Количественные различия в форме петель гистерезиса отражаются в величине параметра (рис. 5.18d). Следовательно, поскольку доля упругой энергии, запасенной за 1 цикл, самая маленькая в наноструктурных образцах, подвергнутых кратковременному отжигу при 473 К, можно утверждать, что этот материал обладает самыми лучшими усталостными свойствами среди исследованных состояний. Тем не менее, при анализе усталостного поведения мы должны помнить, что, как только произойдет зарождение трещины, именно она будет определять распределение напряжений. В результате при анализе усталостного поведения следует принимать во внимание процессы зарождения и распространения трещин. [c.220] Таким образом, проведенные в [367] усталостные испытания показали, что наноструктурная Си проявляет необычные усталостные свойства, обусловленные как малым размером зерен, так и специфическим неравновесным состоянием границ зерен. [c.220] Вернуться к основной статье