книги / Микропластичность и усталость металлов

RON», «AMSLER», «SCHENCK», «MTS» в научных и заводских ла­ бораториях используют большое количество машин и приборов специального назначения или различные типы динамических вибра­ торов и возбудителей.

Высокочастотный пульсатор «AMSLER HFF-42J4» позволяет оп­ ределять сопротивление усталости пружин и деталей машин с боль­ шой упругой деформацией. Испытательная машина «AMSLER-2000 HFF-423» допускает комбинацию нагружения на изгиб и кручение. Для испытания тел с большими поперечными размерами пригодна установка типа УП-200, разработанная в ЦНИИТмаше (габариты деталей 200X300 мм, длина 150 мм, переменный симметричный изгиб).

Ряд современных испытательных установок позволяет приме­ нять не только периодическое или непериодическое нагружения, но и при помощи управляющей вычислительной машины реализу­ ют сложные случайные стационарные или нестационарные воздейст­ вия. Усталостная машина «SCHENCK PBVN» имеет два источника динамического возбуждения. Нижние уровни нагружения осуществ­ ляются электрической резонансной системой, высшие — гидравличе­ ски. Простое программирующее устройство позволяет выполнить подбор нескольких уровней амплитуд с разным числом нагружаю­ щих циклов.

Для постепенного регулирования уровня нагружения удачным

является использование	для управления перфорированной	ленты,
как это выполнено в резонансном п^лкгятопе «SCHENCK PVQ» и
чехословацкой установке	«INOWA EDYZ» с гидравлическим	при­
водом.

Более сложной группой пульсаторов являются системы, кото­ рые позволяют воспроизводить случайные ходы или статистически обработанный спектр истинных циклов нагружения. Эти системы построены на принципе обратной связи, которая осуществляется электронными и гидравлическими элементами машин. К этой груп­ пе установок относятся машины «INOVA EDYZ», «SCHENCK HYDROPULS PCW» и пульсаторы «MTS», которые имеют встроен­ ную цифровую вычислительную машину для управления электрогидравлической системой в процессе испытаний.

При усталостных испытаниях крупногабаритных деталей и кон­ струкций (например, лопаток роторов водных турбин, конструкций мостов, кранов, крупногабаритных рам и т. д.) используют гидрав­ лические силовые установки. Такой системой гидравлических на­ гружающих элементов оснащены пульсатор «AMSLER РА31» и ма­ шина «ZDM». Энергетически и конструкционно весьма выгодно ис­ пользование вибраторов, которые работают на принципе неравно­ весных поворачивающихся масс. Их применяют при усталостных испытаниях осей железнодорожных вагонов, роторов и лопаток вентиляторов, частей стальных конструкций зданий, обрабатываю­ щих установок и т. д.

При определении стойкости сложных детален против усталостного разрушения часто используют механические и электромагнитные воз­ будители колебаний.

При гармонических циклах нагружения на обыкновенных ис­ пытательных установках имеет важное значение возможность из­ менять частоту нагружения, например от 0,5 Гц до 1Q0 кГц. Для

высоких частот нагружения эффективно применение ультразвуко­ вых испытательных устройств [51].

Необходимость накопления знаний о реакции материалов на воздействие переменного нагружения требует выполнения усталост­ ных испытаний в различных условиях. Электрические печи и крио­ генные аппараты с заданной стабильностью поддержания темпера­ туры в месте закрепления образца позволяют выполнять экспери­ ментальные исследования при температурах от —180° до 1100°С.

К комплектующим устройствам испытательных установок при­ надлежат также вакуумные камеры, установки для испытаний в жидких средах и газах с разной температурой и агрессивностью. Коррозионно-усталостные измерения выполняют в разных жидко­ стях, например в маслах, в морской воде, в различных коррозион­ ных средах. Некоторые вспомогательные устройства позволяют осу­ ществлять нейтронное облучение и применять электронный или ла­ зерный пучок.

Весьма важными элементами испытательных машин или стан­ ций являются регистрирующие и измерительные приборы. Сюда вхо­ дят устройства для определения величины нагружающей силы с необходимой точностью, приборы для регистрации стабильности нагружения и выполнения заданной программы, аппаратура для точной дозировки нагружения с большим числом параметров и по­ вторяемостью деформаций и напряжений в нагруженном объекте. Необходимы также измерения числа выполненных циклов с заданной амплитудой и изменений суммарной деформации в зависимости от чис­ ла циклов нагружения. Некоторые испытательные установки («INSTRON», «SCHENCK», «MTS») позволяют прямую регистра­ цию петель гистерезиса при повторном нагружении. Отдельные ма­ шины комплектуют оптическим микроскопом для изучения поверх­ ностных явлений при нагружении образца или образец помещают прямо в сканирующий электронный микроскоп [52]. Для измере­ ния температуры разогрева образцов в ходе усталостного нагру­ жения используют термопары, покрытия жидкими кристаллами и цветные фотографии. Некоторые конструкции датчиков позволяют регистрировать скорость распространения усталостной трещины. Высокоскоростная киносъемка дает информацию о динамике по­ верхностных явлений и распространения усталостных трещин.

Обыкновенное (многообразцовое) определение характеристик усталости. Результаты усталостных испытаний зависят от точно­ сти испытательных установок и регистрирующей аппаратуры, а так­ же от многих других факторов. Например, существенную роль иг­ рают способ вырезки образца из крупногабаритного изделия, чис­ ло, форма и размеры испытуемых образцов, качество их поверх­ ностной обработки, принцип закрепления образцов в установке, характер усталостных испытаний, принятая база циклов для опре­ деления предела усталости, наличие перерывов в нагружении и т. д.

Для сравнения результатов усталостных испытаний материа­ лов необходим учет всех этих факторов, которые регламентируются соответствующими стандартами. В СССР ГОСТ 2860—45 и ЧССР ЧСН 420363 предусматривают основные условия усталостных ис­ пытаний материалов и способы определения предела усталости. Когда условия измерений не соответствуют стандарту, разрабаты­ ваются специальные положения, учитывающие согласованность эк­ сперимента и натурных испытаний.

Для приближенного определения формы кривой Велера необ­ ходимы испытания 8—12 образцов (минимально). Вследствие боль­ шого рассеяния величин долговечности (рис. 18) при определенной амплитуде напряжения для надежного определения кривой уста­ лости минимально необходимо 25 образцов, а при статистической

6а, МПа

Рис. 18. Полная кривая Велера алюминиевого сплава, полученная по результатам испытаний 321 об­ разца (длина отрезка — рассеяние

величин	долговечности; цифры —
число	испытанных	образцов при
разных	амплитудах	напряжений)
[87]

обработке результатов при определении распределения долговечно­ сти требуется несколько сотен образцов [53]. В области усталост­ ной долговечности образцы нагружают определенным числом цик­ лов N при принятых стабильных уровнях амплитуды напряжения оа до разрушения. Статистическая обработка результатов испыта­ ний, полученных при выбранных уровнях нагружения, определяет ход кривой долговечности.

Обработка результатов в области предела усталости ступенча­ тым методом значительно отличается от описанных ранее испыта­ ний и обработки результатов при определении усталостной долго­ вечности. В результате использования ступенчатого метода образ­ цы испытывают при определенных уровнях нагружения с постоян­ ным интервалом между двумя соседними уровнями последователь­ но один за другим. Если первый образец разрушится до отработки базового числа циклов, то следующий испытывают при более низ­ ком напряжении. Поэтому для каждого следующего образца напря­ жение увеличивают или уменьшают на величину принятого интер­ вала в зависимости от результата испытания предыдущего образца. Обработка результатов таких испытаний позволяет определить среднюю величину предела усталости, границу надежности этой величины и коэффициент вариации [88]. Для статистической обра­ ботки результатов усталостных испытаний используют и другие методы [63].

Ускоренные методы усталостных испытаний. Целью таких ис­ пытаний является сокращение времени и объема испытуемых образ­ цов при определении предела усталости и ограниченной долговеч­ ности. Метод Лера основан на том положении, что при напряже­ ниях, близких пределу усталости, всегда возрастает температура разогрева образцов, величина деформации и внутреннее рассеяние энергии в материале [91]- Метод дает хорошие результаты для структурно однородных материалов и низкоуглеродистых сталей. Однако для цветных металлов и многих сплавов возможности при­ менения этой методики ограничены.

В практике эксперимента используют также метод Прота. Он основан на постепенном увеличении амплитуды напряжения при

нагружении каждого образца с постоянной скоростью [56]. Испы­ тания отдельных образцов различаются скоростью увеличения ам­ плитуды нагружения. В области усталостной долговечности точки кривой Прота лежат выше соответствующих точек кривой Велера. Построение диаграммы в координатах <та—а 0’5 и экстраполяция полученной прямой на ось ординат позволяют получить предел ус­ талости материала1. Недостатком метода является невозможность получения информации в области ограниченной долговечности, меньшая надежность результатов измерений и необходимость испы­ тания большого числа образцов.

Некоторые авторы стремятся определить предел усталости по результатам испытаний материалов при статическом растяжении [57]. Например, Хейвуд для сталей с пределом прочности прибли­

зительно 1100 МПа		получил эмпирическую зависимость в виде [58]
aw — 0>5 сгв ±		70,		(9)
где ‘СГш— предел усталости;			сгп — предел прочности. Для сталей с
прочностью от 500 до 1500 МПа в работе [59]				было получено сле­
дующее выражение:
ow = 0,35	сгв .			(9а)
Различная	физическая		природа накопления	повреждаемости

при переменной и статической нагрузках делают эти соотношения только ориентировочными.

Ускоренные методы испытаний при определении усталостных характеристик, развиваемые В. С. Ивановой и Л. В. Муратовым, базируются на представлениях о так называемых номинальных на­ пряжениях, трактовка которых с физической точки зрения недостаточно ясна. Для этих методов необходимо определение не­ скольких экспериментальных постоянных при долговременных ис­ пытаниях образцов. По их значениям в результате экстраполяции определяют предел усталости. Данные получают по диаграммам, связывающим ц логарифмических координатах значения разности амплитуд деформаций и число циклов до разрушения при выбран­

ных	уровнях	амплитуды	деформации.	Анализ, выполненный
В. Т.	Трощенко [37], показал, что описанная ранее методика мо­
жет	быть использована при		определении	предела усталости глад­

ких образцов и образцов с надрезом при растяжении, изгибе и кру­ чении.

На основе гипотезы о линейном накоплении усталостной по­ вреждаемости Локати [60] предложил метод испытаний, при ко­ тором проводится нагружение образцов с постепенно возрастаю­ щей амплитудой нагружения. Для использования этого метода не­ обходимы три исходные кривые с различными значениями предела усталости и хода кривых долговечности (рис. 19). Кривые /, 2 на рис. 19 ограничивают область, в которой расположена истинная кривая долговечности оа—Nf (кривая 3). Излом соответствует условиям, когда

Показатель а в соотношении	= orw+i4<x0,5 определяют экспс
римситально.

		( 10)
где rii— число циклов нагружения при амплитуде	напряжения	a ai;
Nfi — суммарное число циклов до разрушения при	достижении	ам­

плитуды icr(и. Программа испытания образца или детали осуществ­ ляется так, чтобы график ступенчатого увеличения нагрузки совпа­ дал с принятыми ранее условными кривыми усталости. Метод Локати применяют главным образом для образцов и деталей из мате­ риалов, имеющих физический предел выносливости (усталости).

/У— -

Рис. 19. Схема ускоренного способа определения предела усталости по Локатн [С>0]

Ступепчатое нагружение осуществляют в диапазоне напряже­ ний, определенном условными кривыми долговечности с заданным числом циклов п для каждого уровня амплитуды напряжения. Пос­ ле достижения разрушения (см. рис. 19,а) результаты оценивают с использованием соотношения (10) для каждой кривой долговечно­ сти отдельно и обобщают в виде диаграммы, показанной на рис.

19,6. Величина		предела усталости aw получается в		результате ин-
		к
терполяцни	соответствующих значений ^		(n l ^ / ) i ~	1. Неточности
метода связаны		£ = \	кривых	долговечности,
		с приближенностью выбора
а также с тем,		что соотношение Минера (10) дает при			увеличении
амплитуды	напряжения значение 2 (n/iV/), = а, где а > 1 .				Это озна­

чает, что определенная величина предела усталости выше, чем его истинное значение. Величина а имеет различные значения для. раз­ ных типов нагружения и материалов, что также искажает получен­ ные результаты.

Для ускоренного определения предела усталости эффективно использование высокочастотного нагружения при симметричном растяжении—сжатии [61]. Если определено взаимное соотношение

между	величинами предела усталости при обыкновенной				частоте
нагружения		(10—300 Гц) a w и при	высокой	частоте нагружения
а,г, то	при	постоянной температуре	испытаний	(например,	комнат­
ной) выполняется соотношение
		сУц>= т			(П )

55

где т — экспериментальная постоянная (для низкоуглеродйстой стали m=0,71 ,[61,]). При изменении размера зерна, величины пред­ шествующей пластической деформации материала и шероховатости поверхности фактор т не изменяется. Экономия времени при ис­ пользовании этого подхода очень велика. Для построения полной

кривой усталости необходимо примерно 8—10 ч работы	установ­
ки. Рассеяние величины предела усталости составляет ~7% .
Диаграмма циклического деформирования. Методика определе­
ния долговечности образца без его разрушения основана	на уче­

те неупругих деформаций. При стационарном циклическом нагру­ жении величина неупругой деформации за цикл зависит от уровня действующих напряжений и числа циклов нагружения. При напря­ жениях, близких к пределу выносливости, величина неупругой де­ формации за цикл изменяется только в первоначальный момент на­ гружения, оставаясь практически неизменной почти до разрушения. Эти значения неупругой деформации названы стабилизированными. Долговечность образцов, испытанных при различных уровнях на­ пряжений, можно оценить по стабилизированному значению неуп­ ругой деформации за цикл. С достаточно высокой точностью пре­ дел усталости может быть найден как циклический предел пропор­ циональности по диаграмме деформирования, построенной для ста­ дии стабилизации процесса неупругого деформирования [37].

При сокращенных испытаниях в области малоцикловой уста­ лости используют один образец [62], который ступенчато нагружа­ ют в течение такого числа циклов, при котором внутреннее рассе­ яние энергии в материале стабилизируется.

Диаграмма циклического деформирования \оа—еар описыва­ ет пластическую реакцию материала на переменное нагружение в большой области усталостной долговечности. Проведенное в рабо­ те [37] сравнение пределов циклической пропорциональности и ус­ талости показало их хорошее соответствие. По нашему мнению цик­ лический предел пропорциональности в первом приближении соот­ ветствует пределу неупругости, т. е. моменту перехода от необра­ тимых процессов деформации к обратимым. Более подробно эти вопросы рассмотрены в гл. II.

Рис.	20. Сравнение пределов уста­
лости,		определенных		из цикличес­
ких	кривых		напряжение — дефор­
мация		и из	кривых	Велера для

разных материалов [64]. Цифры у кривы*— марки стали по стандар­ ту ЧССР

Физическая обоснованность такого подхода при изучении уста­ лостных процессов была подтверждена в работах Лукаша, Клеснила и Полака [64]. Из циклических кривых напряжение—деформа­ ция ими были получены величины пределов усталости разных ста­ лей в,го которые сопоставляли с их значениями при обычных ис-

пытаннях (рис. 20). Для материалов с разной металлографической структурой и механическими характеристиками между значениями Owe и Ow найдено весьма хорошее соответствие. Этот метод испы­ таний перспективен в теоретическом и техническом направлениях.

Условия затормаживания усталостных трещин. Когда в теле имеются микроили макротрещины, они распространяются в поле действующих напряжений. За счет снижения уровня рабочих на­ пряжений этот процесс можно остановить. Таким способом находят граничные условия, при которых распространение трещин заторма­ живается.

Использование параметров и методов механики разрушения позволило сделать заключение, что скорость распространения уста­ лостной трещины есть однозначная функция фактора интенсивности напряжения. Для условий повторяющегося нагружения для обозна­ чения этого фактора используют Ка. Этот подход позволяет исклю­ чить такие факторы, влияющие на усталостный процесс, как форма тела, его размеры и схема нагружения. Зависимость скорости рас­ пространения усталостной трещины от фактора интенсивности на­ пряжения материалов одинакова для разных форм образцов.

Важным является определение критического значения фактора интенсивности напряжений Кар, который соответствует критической длине усталостной трещины при заданной амплитуде напряжений оа <[641]. Образец с острым радиальным надрезом подвергают сим­ метричному растяжению—сжатию с постоянной амплитудой напря­ жения (KQt), что способствует возникновению усталостной трещи­

ны определенной длины. После этого значение фактора интенсивно­ сти напряжения (К0г ) понижается на величину, при которой рас­

пространение трещины не происходит при нагружении в течение 107 циклов. Затем значение Ка медленно повышают и проводят ис­ пытание на базе 107 циклов. Постепенное увеличение фактора Ка осуществляют до того момента, когда вновь регистрируется изме­ нение длины усталостной трещины (Кар). Экспериментальную об­ работку зависимости Ка—Кар проводят в логарифмических коор­ динатах f[65]. Более низкое граничное значение фактора интенсив-, ности напряжения KaVz принимают за базисное при оценке уста­ лостной прочности.

Величину Карг возможно экспериментально определить следу­ ющими способами:

а) в результате отжига образца или детали с усталостной тре­ щиной снимают остаточное напряжение. После этого при перемен­ ном нагружении с возрастающим значением фактора интенсивно­ сти напряжения Ка определяют момент, когда трещина начинает распространяться (Ka = KaPZ);

б) после возникновения усталостной трещины с длиной, кото­ рая соответствует величине Ка, значение фактора Ка медленно по­

нижают		до полного затормаживания распространения	трещины
(Ка =	Карг)',		их экстра­
в)	с	помощью построений зависимости Ka—KnpZ и

поляций в точке пересечения на ось Кп (Кп= Карт).

Для некоторых марок сталей эти методы оценки усталостных характеристик дали хорошие результаты. Наиболее перспективны методы обработки, указанные в п. «а» и «б». Вследствие необходи­ мой графической экстраполяции метод, указанный в и. «в», дает менее точные результаты.

Г Л А В А II

МЕХАНИЗМ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ В МЕТАЛЛАХ

Одной из особенностей деформации поликристалличеоких материалов является неоднородность ее проте­ кания по микроскопически малым объемам [21, 66—67]. Элементарный акт пластической деформации, вызван­ ный движением дислокации по определенным системам

скольжения,	является локальным по	своей природе.
Локализация	пластической деформации	проявляется и
в том, что движущиеся в определенных		микро- и суб­

микрообъемах дислокации в них же и затормаживают­ ся, образуя скопления у барьеров (или препятствий). Таким образом возникают области с высокой концент­ рацией напряжений, часто превышающих макроскопи­ ческие значения прочности сплава. Релаксация возни­ кающих опасных пиковых напряжений возможна либо в результате «прорыва» барьеров и возникновения но­ вых очагов микропластичности в смежных объемах, либо за счет образования зародышей хрупких трещин в результате ухода дислокаций в полость образующей­ ся трещины. Микроструктурная пластическая неустой­ чивость в кристаллах отражает одно из важнейших кол­ лективных свойств дислокационных ансамблей.

Характер распределения очагов деформации, а так­ же уровень ее неоднородности определяются различной ориентацией смежных объемов (блоков, зерен), их уп­ ругими и прочностными свойствами, направлением и уровнем приложенной нагрузки, видом напряженного состояния и многими другими факторами. В промыш­ ленных деталях машин и конструкциях концентраторы напряжений (надрезы, резкие переходы сечений и др.) также способствуют созданию пиковых напряжений и локализации деформации. Поэтому при определении расчетных параметров, связанных с оценкой предель­ ных напряжений и деформированных состояний, осо­ бенно для таких сложных случаев, как усталость, дол­ жны быть учтены статистические модели и схемы взаи­ модействия структурных составляющих. Последнее воз­ можно на основе изучения физических механизмов пла­ стической деформации в материалах.

Механизмы микропластичности в металлах и спла­

вах прежде всего определяются наличием структурных дефектов разного типа, их перераспределением и взаи­ модействуем под нагрузкой при различных температу­ рах. Наиболее полно э т о отражается при развитии ус­ талости в металлах. В определенных условиях IK уста­ лостному разрушению приводит активизация точечных дефектов в поле действующих напряжений: возникно- 1вение полос скольжений в разрыхленных участках в результате выделения большого числа вакансий, обра­ зование макроскопических концентраторов экструзий и интрузий у мест выхода полос скольжения на поверх­ ность образца (у л и детали). Не меньшее влияние на развитие усталости оказывают дислокационные меха­ низмы зарождения и роста трещин: у концов затормо­ женных линий сдвига, при скольжении в неоднородно изогнутой решетке, на уступах дислокационных стенок, при объединении встречных дислокационных скоплений и др. Размер, форма и распределение зерен, металло­ графическая структура и фазовый состав сплавов—так­ же важные компоненты, оказывающие влияние на не­ однородность развития процессов пластической дефор­ мации в микрообъемах.

1. СТРУКТУРНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Закономерности движения дислокаций в кристал­ лах в значительной степени определяются способностью к преодолению барьеров различной природы [68]: 1) точечных препятствий (когерентных частиц выделений, комплексов точечных дефектов и т. п.), радиус взаимо­ действия которых с дислокацией соответствует меж­ атомному расстоянию; 2) геометрических барьеров (некогерентных частиц выделений, пластинок выделившей­ ся фазы, макроскопических пор и включений и т. д.), блокирующих движение дислокаций через занимаемый

ими объем кристалла;	3) «полевых» барьеров — пиков,
холмов и хребтов в	рельефе	внутренних	напряжений
вдоль поверхности, по которой		движется	дислокация.

Существующие методы позволяют определить дейст­ вующие в кристалле внутренние напряжения практиче­ ски при любом расположении дефектов. Результаты анализа распределения внутренних напряжений при случайном расположении дислокаций и точечных де­ фектов приведены на рис. 21. Так как соответствующие расчетные корреляционные функции существенно раз-

лпчаются, то рельеф поля внутренних напряжений, выз­ ванных случайно расположенными точечными дефекта­ ми, имеет характер, отличающийся от такового для ан­ самбля дислокаций.

(Создаваемые дефектами кристаллической решетки поля внутренних напряжений разделяют на близкодей­ ствующие и дальнодействующие [67]. К первым отно­ сятся напряжения Пайерлса, напряжения, создаваемые отдельными примесными атомами, лесом дислокаций, зонами Гиньс-Престона, центрами радиационных пов­ реждений; ко вторым — скопления примесных атомов, выделения второй фазы, взаимодействие дислокаций в параллельных плоскостях и др. Соответствующие ком­ поненты эффективного напряжения т* -и г* определяют части внешнего напряжения, необходимого для опреде­ ления соответственно близко- и дальнодействующих по­ лей внутренних напряжений при движении дислокации. Во многих случаях значению т* придают смысл стартово­ го атермического напряжения, необходимого для мак­ роскопического перемещения дислокации. Рис. 22,а ил­ люстрирует медленно изменяющуюся протяженность

GO