книги / Структура и усталостное разрушение металлов

ТЫх чашек (см. рис. 8, б). Более того неправомерно От­ носить, как это сделано в работе [37], микромеханизм разрушения по типу расслоения к хрупкому разруше­ нию. Наблюдаемое авторами [37] преимущественное (до 50%) разрушение стали в зоне зарождения уста­ лостных трещин путем расслоения по плоскостям сколь­ жения не согласуется с классификацией этого типа раз­ рушения как хрупкого. Следует проявлять большую осторожность при классификации относительно плоских, без отчетливо выраженного рельефа, участков излома.

Представления о природе расслоения разноречивы [38]. Наряду со структурной анизотропией, обусловлен­ ной ориентацией структурных составляющих вдоль нап­ равления прокатки, и кристаллографической анизотро­ пией в качестве причины расслоения считают также по­ ниженную продольную прочность на срез по сравнению с поперечной, отрицательное влияние дефектов метал­ лургического производства, остаточные напряжения и т. д. В работе [35] расслоение наблюдали в конструк­ ционных сталях 20Х, 40Х и 9ХС в интервале синелом­ кости.

Заслуживает внимания представление [36] о решаю­ щей роли микротрещин и анизотропии структуры как условии развития расслоения. В ряде исследований ука­ зывается на связь расслоения с неоднородным распре­ делением неметаллических включений. По-видимому, большие по размеру и плоские по форме, располагаю­ щиеся в плоскости прокатки, частицы неметаллических включений создают в плоскостях скольжения концен­ трацию напряжений. Поскольку в плоскостях скольже­ ния при деформации и так повышенная плотность дис­ локаций, то это несомненно облегчит появление трещи­ ны. Возможно, что образование протяженных трещин (полостей) происходит вследствие сваливания дис­ локаций полос скольжения в трещину под действием ло­ кальных напряжений от вытянутых включений. Связь протяженных изогнутых поверхностей разрушения с плоскими включениями наблюдается экспериментально (см. стрелки на рис. 8, б).

К р и с т а л л о г р а ф и ч е с к и й сдвиг. Этот микромехАнизм разрушения соответствует распространению усталостных трещин вдоль плоскостей сдвига. Он об­ наружен в г. ц. к., г. п. у и о. ц. к. металлах, в частнос­

ти в железе, меди и сплавах	ЦМ-10, Си + 30%	Zn,	А1+
+ 7,5% Zn + 2,5% Mg, А1 +	5% Zn +Mg, Ti +	6%	A1+

+ 4% V и др. Микромеханизм кристаллографического сдвига изучен относительно слабо.

Исследуя особенности разрушения поликристаллического железа (0,02% С) при — 196°С, авторы работ [26—28] обнаружили в зоне стабильного роста трещи­ ны кристаллографические фасетки разрушения, внеш­ не похожие на фасетки скола, но без характерного для скола ручьистого узора (см. рис. 9,- б—г, область А). В пределах фасетки видны замкнутые по контуру плос­ кие террасы, которые вытянуты в одном из направлений. Террасы расположены на различных уровнях. Образо­ вание подобного рельефа нельзя связать с влиянием исходной структуры (границами и субграницами зерен). Как правило, полиэдрические зерна феррита размером 70—80 мкм с плотностью дислокаций порядка 108 см-2 не содержали субграниц. Вероятно, возникновение по­ добных террас на поверхности изломов происходит при слиянии множества отдельных микротр'ещин, располо­ женных на разных уровнях, с магистральной трещиной разрушения.

С целью определения кристаллографии плоскостей разрушения был использован метод ямок травления. Анализ формы и расположения вытянутых треугольных ямок травления указывает, что поверхность фасеток кристаллографического сдвига приближается к плос­ кости типа {ПО}, которая в о. ц. к. металлах является плоскостью сдвига. Следовательно, в отдельных участ­ ках зоны стабильного роста трещины ее распростране­ ние происходит в пределах полос скольжения. Анало­ гичный вид кристаллографических фасеток разрушения обнаружен в железе при — 196° С и в зоне зарождения усталостных трещин (см. рис. 9,6). Известно, что за­ рождение трещин в усталостных полосах скольжения происходит по сдвиговому механизму.

Появление фасеток сдвигового типа зависит от струк­ турного состояния материала. В табл. 3 приведены дан­ ные по изменению строения усталостных изломов в зо­ не стабильного роста трещины в зависимости от режима предшествующего циклического деформирования при комнатной температуре. Нагружение образцов прекра­ щали в момент окончания стадии циклического дефор­ мационного упрочнения на уровне предела усталости

ТАБЛИЦА 3. СТРОЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАЛОСТНЫХ ИЗЛОМОВ ЖЕЛЕЗА ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Доля структурных составляющих излома

				в зоне стабильного роста трещины, %*
	Амплитуда напряжения				1	участки кристал­
	<rQ при 77К, кгс/мм*			гребенчатый			участки хруп­
					|
				рельеф		лографического	кого скола
						сдвига
				Отожженное железо
		46,5		83		14	3
		46,7		72		21	7
		53,3		68		24	8
		Предварительное циклическое нагружение
	48	(режим	I)	100		0	0
	52	(режим	II)	100		0	0
	56	(режим	III)	80		20	0
	60	(режим	III)	80		20	0

* Оценка по электронным микрофотографиям общего вида усталостного излома, снятым перпендикулярно плоскости разрушения образца.

(стш) (режим I) и стадии			насыщения в момент появле­
ния	устойчивых полос		скольжения	[оа = <JW+ 3
-i-4	кгс/мм2	(режим II)] (рис. 11).		сгущения дисло­
	Развитая	субструктура	(ячейки и

каций), возникшая по обоим режимам нагружения, обес-

Рис.

11. Обобщенные диаграммы

уста­

6а, кгс/мм2*54

лости железа при 293 К

(/ — начало

макроскопического

течения;

2 — окон­

чание

макроскопического

течения; 3 —

окончание

циклического

упрочнения;

4 — появление

полосовой

структуры;

5 — начало

образования

субмикроско­

пических

трещин;

6 — начало образо­

вания

макроскопических

трещин

(ли­

ния Френча); 7 — кривая усталости; Я—

линия стабилизации структурных изме­

нений) и 77 К

[ 1 — окончание цикличе­

ского

упрочнения;

2 — появление

поло­

совой

структуры;

3 — кривая

устало­

сти;

4 — кривая

усталости

образцов,

предварительно

испытанных

на

уста­

лость

при

293

К

(0а —а ог ^=107 цик­

лов)];

<тк — критическое

напряжение

усталости;

o w — предел

усталости;

N K — критическое

число

циклов;

N w—

базовое

число

циклов;

о ? — цикличе-

т

ский

предел текучести;

о® — нижний

предел

текучести

печивает, по крайней мере, в локальных объемах дос­ таточную подвижность дислокаций. Согласно данным работы [24], при этих режимах нагружения происходит

зарождение и развитие устойчивых полос	скольжения.
В этих условиях усталостное разрушение	при—196° С

сопровождается развитием у вершины трещины зоны ин­ тенсивной пластической деформации. В результате из­ лом в зоне стабильного роста трещин характеризуется

развитой	топографией	рельефа		типа представленного
на рис. 9, а.			циклически		нагружаемые
Образцы, предварительно
при ,293 К	на уровне	aw до	(1—2) - 107 циклов (режим
III), при	низкотемпературной			усталости	показывают

склонность к разрушению по механизму кристаллогра­ фического сдвига. Подобный режим тренировки при 293 К приводит к созданию устойчивой субструктуры. После такой тренировки на кривых статического рас­ тяжения имеются отчетливо выраженные зуб и площад­

ка	текучести.	Интенсивное деформационное							старение,
			прошедшее в железе при тре­
			нировке		по	режиму III,					обус­
			ловило	повышение					сопротив­
			ления пластическому деформи­
			рованию при 77 К; скольжение
			у вершины			трещины			развива­
			ется в	пределах			благоприятно
			ориентированной полосы сколь­
			жения.
			На	основе проведенных ис­
			следований			одним		из		авторов
			предложена			схема		роста			уста­
			лостных трещин по механизму
			кристаллографического							сдвига
			(рис. 12)		[28]. По			мере			роста
			амплитуды			напряжения у Пер­
			шины	трещины			проходят по­
			следовательные				этапы:			разви­
			тия плоских скоплений дисло­
			каций (позиции /, 2), слияния
			в пластической				зоне		плоских
			скоплений			дислокаций				проти­
			воположного знака					с		образо-
Рйс. 12. Схема роста усталост-			ВаНИеМ	ЗврОДЫ Ш еВЫ Х						С убМ иК -
•ной	трещины по	механизму	л							J	АПЛ
кристаллографического сдвига			рОТреЩ ИН В П ереД И					М аГ И С Т раль­

ной трещины (позиция 5), слияние этих субмикротре­ щин и магистральной трещины с продвижением макро­ трещины в глубь материала (позиции 4, 5).

Зарождение субмикротрещин у фронта трещины про­ исходит по плоскостям сдвига, расположенным на раз­

личных уровнях.	Разрыв	перемычек между субмикро-
и макротрещиной	(см. рис. 12, позиция 4)\		происходя­
щий под действием		растягивающей	компоненты

напряжения, вполне может объяснить возникновение усталостных микрополос на участках со сдвиговым характером разрушения. Таким образом, в формирова­ нии рельефа поверхности разрушения внешнее напря­ жение участвует двояким образом. Сдвиговая компо­ нента напряжения определяет плоскостной характер поверхности разрушения. Нормальная компонента рас­ тяжения обеспечивает разрыв перемычек между субмикро- и макротрещиной, обусловливающих появление на поверхности разрушения усталостных микрополос' (см. стрелки на рис. 9,г). Более высокой подвижности ди­

слокаций в	образцах после тренировки по		режимам I
и II соответствует		более сложная картина разрушения,
по крайней	мере,	не в одной плоскости	скольжения.

Возможно, что при этом размер распространяющейся пластической зоны впереди трещины достигает более значительных размеров.

С этой точки зрения взаимодействие дислокаций по­ вышенной плотности, возникших в образце на пред­ шествующих стадиях нагружения, и вторичных дисло­ каций (образующихся у вершины трещины) сопровож­ дается формированием более развитого гребенчатого рельефа излома.

Склонность к распространению усталостных трещин по механизму кристаллографического сдвига проявля­ ют также алюминиевые сплавы. Как правило, этот мик­ ромеханизм разрушения действует при относительно небольших значениях коэффициентов интенсивности напряжения.

Согласно данным работы [23], зарождение впереди трещины зон (полос скольжения), свободных от дис­ персных выделений, обусловливает преимущественный рост трещин вдоль полосы скольжения. Подробно ана­ лиз влияния структуры алюминиевого сплава на разру­ шение по механизму кристаллографического сдвига рассмотрен в гл. III.

рен повышенной плотности частиц выделений или выде­ лением по границам зерен особо крупных частиц второй фазы. Роль частиц зернограничных выделений двояка. Они могут инициировать дислокации, способствуя тем самым передаче пластической деформации от зерна к зерну, или облегчить зарождение на границе зерна микротрещины. Сегрегация вредных примесей, таких как As, Р, Sb, Sn и некоторых других по границам зерен и на межфазной границе матрица — выделение, ослаб­ ляя сцепление границ зерен, способствует межзеренному разрушению сталей.

В зависимости от величины и характера пластичес­ кой деформации в приграничных объемах, типа микро­ трещин, образующихся у частиц выделений, а также характера разрушения перемычки между микротрещи­ ной, инициированной выделением, и макротрещиной разрушения вид поверхности разрушения будет изме­ няться от межзеренного чашечного до межзеренного хрупкого. Соответственно и работа пластической дефор­ мации материалов также будет изменяться в широком интервале значений. В случае предпочтительного выде­ ления дисперсной фазы не только по границам зерен, но и по границам субзерен — разрушение приобретает смешанный межзеренно-межсубзеренный характер. К такому выводу пришли авторы работы [43], исследуя влияние длительных выдержек при повышенных темпе­ ратурах (340—450° С) на склонность к хрупкому разру­ шению низколегированной термоулучшенной стали 10ХСНД. Межзеренно-межсубзеренное разрушение про­ исходит при условии достижения (в процессе длитель­ ной выдержки) по границам зерен и субзерен критичес­ кой плотности частиц карбидов цементитного типа. При этом размер фасеток межзеренно-межсубзеренного раз­ рушения совпадает с размером крупных субзерен, при­ ближаясь к размеру пакета мартенсита.

Б. А. Мовчан с сотрудниками [44] считают, что межзеренное хрупкое разрушение обусловлено неоднород­ ностью структурного состояния приграничных и внут­ ренних объемов. В случае, когда металл имеет высокую степень чистоты (примеси как в теле зерна, так и вдоль его границ находятся в твердом растворе) или од­ нородную двухфазную структуру (пересыщение твер­ дого раствора по всему объему материала), межзеренная хрупкость, в частности у молибдена, не проявляется.

м усталостные микрополосы, наблюдаемые только с по­ мощью оптического, трансмиссионного и сканирующего электронных микроскопов.

По-видимому, появление макрополос связано со зна­ чительным изменением режима нагружения или даже со снятием нагрузки. Усталостные микрополосы отобра­ жают последовательное положение фронта трещины в образце, детали машины или элементе конструкции. Эксперименты Макмиллана и Пелло [45], Форсайта и Райдера [46], Уонхилла [47] с программируемым изме­ нением уровня нагрузки показали, что в алюминиевых сплавах усталостная микрополоса образуется за один цикл нагружения. Достаточно близкое совпадение числа микрополос в изломе и числа циклов нагружения на­ блюдали также в некоторых других пластичных матери­ алах. Однако надо быть очень осторожным при прогно­ зировании скорости роста усталостной трещины по ши­ рине усталостных микрополос в том случае, когда в зоне стабильного роста трещины наблюдаются участ­ ки излома, которые возникли по другим микромеханиз­ мам разрушения.

В общем случае ширина усталостной микрополосы соответствует скачку трещины за цикл, однако не всег­ да возможно учесть число циклов, в течение которых продвижения трещины не происходило. Ширина уста­ лостных микрополос в сталях с 0,01, 0,11 и 0,4% С при­ мерно в 8 раз превышает среднее значение скорости роста трещины за цикл [48]. Корреляция между уста­ лостными микрополосами на поверхности разрушения и дислокационной структурой под поверхностью разруше­ ния в алюминиевых сплавах 2024-ТЗ и 7075-76 наблюда­

ется лишь	для образцов, испытанных на воздухе [47];
в вакууме	подобной корреляции не обнаружено.

Образование на поверхности разрушения усталост­ ных микрополос наблюдали в Al, Ni, Fe, Be, Zn, ТГ, Mg, Mo, Zr, Та, Cr, Nb и их сплавах. Усталостные микро­ полосы были найдены также в некоторых полимерах. К настоящему времени они не выявлены лишь на по­ верхности усталостных изломов спеченного порошкового алюминия и некоторых высокопрочных сталей. Обшир­ ная библиография по условиям появления и строения усталостных микрополос представлена в монографиях

В.С. Ивановой и В. Ф. Терентьева [6] и С. Коцаньды

[16].Строение усталостных микрополос зависит от со-