рочняющихся материалов схематически показаны на рис. 6, в, г соответственно. При асимметричном мягком деформиро
вании циклически нестабильных материалов наряду с изме нением ширины петли гистерезиса может происходить на копление остаточной деформации и диаграмма циклического деформирования может смещаться в одну или другую сторону вдоль оси деформаций (рис. 6, б).
Детальный анализ изменения диаграмм циклического деформирования имеет существенное значение для мало цикловой усталости и при относительно небольшом числе циклов до разрушения он может проводиться бук вально для каждого цикла. Для многоцикловой усталости поцикловое рассмотрение диаграмм практически невозмож но из-за большого их количества. При больших значениях N стремятся записывать и анализировать диаграммы через
определенные, достаточно большие промежутки циклов на грузки (если точная запись технически возможна).
Площадь диаграммы циклического деформирования (пет ли гистерезиса) равна энергии, рассеиваемой за цикл еди ницей объема деформируемого материала. Так как площадь
петли S пропорциональна ее ширине Де, т. е. |
|
S = /сфДеаа, |
(1.10) |
то рассмотренное выше изменение значений Де при цикличес ком нагружении означает изменение интенсивности неуп ругих процессов, протекающих в циклически деформируе мом материале и характеризуемых величиной рассеянной энергии. В формуле (1.10) Лгф — коэффициент формы петли гистерезиса, равный 1,57 для эллиптической петли и 1,33 для петли, ограниченной дугами параболы Г167].
При циклическом нагружении, приводящем к мало цикловой усталости, осуществляемом с невысокой частотой и сопровождающемся большими уровнями неупругих де формаций, точная запись диаграмм циклического деформи рования не представляет труда и можно легко определить составляющие формулы (1.10). При испытаниях на много цикловую усталость, проводящихся на больших базах, процесс деформирования может быть весьма близким к уп ругому в том смысле, что ширина петли гистерезиса будет весьма малой и диаграмма циклического деформирования па записывающем приборе может выражаться в виде почти сливающихся в одну прямых или искривленных линий. Определить по такой записи составляющие Де или S из
формулы (1.10) с достаточной точностью |
невозможно. |
В этом случае целесообразно использовать не |
прямой метод |
определения площади петли iS? а косвенный — посредством
И
Рис. 7. Зависимости ширины петли гистерезиса от числа циклов нагруз ки (а, 6) и диаграммы амплитуд циклического деформирования (о, г) для разупрочняющихся (а, г) и упрочняющихся (б, в) материалов.
определения удельного рассеяния энергии в материале в процессе усталостных испытаний одним из методов [93, 124]. Затем, приравнивая полученное значение величине S, по формуле (1.10) можно найти ширину петли Ае для
рассматриваемой амплитуды а0; при этом следует выбрать значение кф , наиболее соответствующее наблюдаемой форме
петли гистерезиса.
Характер зависимостей Ае от числа циклов нагрузки показан на рис. 7, а для разупрочняющихся и на рис. 7, 6 для упрочняющихся материалов Г167]. Эти зависимости, каждая из которых получена при оа = const, оканчивают
ся, как правило, разрушением испытуемого образца. Перед разрушением обычно наблюдается увеличение рассеяния энергии, что выражается в подъеме кривой Ае (N). Нижние
кривые на рассматриваемых рисунках могут относиться, к образцам, не разрушившимся на данной базе.
Как видно, между начальными и конечными участками рассматриваемых кривых имеются отрезки, параллельные оси абсцисс. Они соответствуют так называемому периоду стабилизации свойств материала. В пределах участка ста билизации величина неупругой деформации Ае остается
примерно постоянной. Продолжительность этого участка тем меньше, чем больше амплитуда напряжений. Каждому такому участку соответствует не только определенная ам плитуда напряжений осi, по и вполне определенная ампли туда полной деформации eai-
Аналогичные зависимости можно получить при испы таниях, проводящихся по параметру eQ = const, т. е. в ус-
ловиях жесткого циклического нагружения. В этом случае также выявляются участки стабилизации, для которых каждому значению еа\ соответствует вполне определенное
значение <r0i* Если эти взаимно соответствующие значения oai и ваг представим графически (рис. 7, в, г), то получим
диаграмму, которую в литературе называют (так же, как и диаграммы на рис. 6) диаграммой циклического деформирования. Чтобы различать диаграммы, относящиеся к цикли ческому нагружению, последнюю диаграмму будем назы вать диаграммой амплитуд циклического деформирования.
На рис. 7, г диаграммы амплитуд циклического дефор
мирования построены для разупрочняющегося материала (рис. 7, а) и двух баз испытаний: для базы Л^, предшествую
щей участку стабилизации, и для базы jV2, приходящейся на этот участок. Аналогичные построения выполнены на рис. 7, в для упрочняющегося материала (рис. 7, б). Рассмат
риваемые диаграммы характерны еще и тем, что их положе ние по отношению к диаграмме статического растяжения вполне определенное: ниже — в случае разупрочняющего ся материала и выше — в случае упрочняющегося.
Характерной точкой на диаграммах амплитуд цикли ческого деформирования является точка, где наблюдается явное отклонение диаграмм от прямолинейного участка. В ряде случаев амплитуда напряжений, соответствующая этой точке, равна предельной амплитуде, при которой на блюдается выход кривой усталости на горизонтальный участок в условиях симметричного циклического нагруже ния при температурах, близких к комнатной и более низ ких [167, 170].
В заключение еще раз отметим, что интерес к изучению диаграмм циклического деформирования объясняется воз можностью иметь количественные соотношения между та кими основными характеристиками циклического процесса, как изменяющиеся во времени значения напряжений и де формаций (полных и неупругих).
4.УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛА КАК ПРОЦЕСС ЗАРОЖДЕНИЯ
ИРАЗВИТИЯ ТРЕЩИНЫ
Усталостное разрушение материала при переменных на грузках происходит путем образования трещины без су щественной остаточной макродеформации образца. Сле довательно, механизм усталости — это прежде всего процесс зарождения и распространения трещины. Обе эти стадии процесса трещинообразования очень сильно зависят от состояния материала, в общем характеризуемого уровнем
его пластичпости (или хрупкости), и от условий цикличес кого нагружения. При высокой пластичности материала основную роль в зарождении и в распространении усталост ной трещины играют явления, классифицируемые как ак ты пластической деформации. Для хрупких материалов механизмы трещинообразования при циклическом нагруже нии изучены пока недостаточно. Рассмотрим основные чер ты механизма зарождения трещины в достаточно пластич ных поликристаллических металлах и сплавах в случае многоцикловой усталости.
Циклическое деформирование металлов и сплавов со провождается заметным рассеянием энергии в материале, т. е. происходит не вполне упруго. Микроструктуриые ис следования показывают, что основной особенностью пеупругого деформирования поликристалла при циклическом нагружении является локальность пластической деформа ции. Она выражается в развитии полос скольжения и двойникования и зависит от общей неоднородности напряжен ного состояния поликристалла.
Полосы скольжения состоят из линий скольжения. По следние проявляются в виде следов на свободной поверх ности образца от взаимного скольжения кристаллографи ческих плоскостей, вызванного перемещением дислокаций. Линии скольжения можно различить с помощью светового микроскопа, однако для изучения их структуры необходим электронный микроскоп, так как в среднем ширина линии скольжения составляет всего лишь около 100 постоянных решетки, т. ё. порядка 0,01 мкм [85].
Появлению линий и полос скольжения при циклическом деформировании предшествует сложная эволюция дисло кационной структуры поликристалла, начинающаяся.с пер вых циклов нагрузки. С ростом числа циклов наблюдается повышение плотности дислокаций, а также образование ячеистой структуры. Последняя — это результат смыкания отдельных сплетений дислокаций. Эти сплетения увеличи ваются и становятся более плотными по мере увеличения амплитуды или числа циклов нагрузки. Для железа размеры ячеек дислокационной структуры около 1 мкм.
При определенном, зависящем от амплитуды напряже ний числе циклов нагрузки плотность дислокаций достигает насыщения и в этот период на поверхности металла появ ляются усталостные полосы скольжения и другие признаки усталостного повреждения.
Устойчивые полосы скольжения имеют собствеппую дис локационную структуру, отличающуюся от структуры ок ружающих их зон металла. Они могут состоять из череду
ющихся участков с высокой и низкой плотностью дислока ций. Б полосах скольжения па поверхности металлического образца могут наблюдаться выдавливания тонких лепест
ков металла — экструзии или вдавливание, |
углубление |
полос — интрузии. Следовательно, структура |
полос сколь |
жения такова, что имеются условия для зарождения микро разрывов материала (суб- и микротрещин). Эксперименталь ные исследования подтверждают факт образования субмикро трещин вдоль первичной плоскости скольжения и систем субмикротрещин в пределах устойчивых полос скольжения.
При статическом нагружении также образуются полосы скольжения, однако отличие усталостных полос в том, что они имеют большую толщину и расположены реже, более локально. Локальность полос скольжения исчезает по мере увеличения амплитуды циклических напряжений, т. е. при переходе в область малоцикловой усталости. Структура полос, возникающих при напряжениях выше и ниже пре дела выносливости, оказывается различной [85].
Различие между полосами скольжения при статическом и циклическом нагружении было отмечено еще в 1903 г. Эвингом и Хэмфри. Они же впервые указали на очень важ ный момент для понимания механизма усталости металли ческих материалов — зарождение микротрещин в полосах скольжения.
Объяснение механизма зарождения микротрещин про водится на основе моделей, учитывающих движение и скоп ление дислокаций и вакансий. Имеется большое разнообра зие таких моделей [72, 85 и др. ], как чисто дислокационных или вакансионных, так и смешанных.
Отметим еще два обстоятельства, существенно влияющих на зарождение и развитие усталостного повреждения ма териалов. Первое — это роль поверхности. Интенсивность эволюции дислокационной структуры, происходящей по мере наработки циклов нагрузки, убывает по мере удаления от поверхности образца [71]. Следовательно, в поверхност ных слоях создаются условия для концентрации пласти ческой деформации и образования субмикротрещин на бо лее ранней стадии циклического нагружения. К тому же, как правило, поверхностные слои материала имеют иска жения и повреждения, соприкасаются с той или иной средой, нередко агрессивной. Все это создает условия зарож дения усталостного повреждения, как правило, в поверх ностном слое деформируемого материала.
Второе обстоятельство — это влияние неоднородности напряженного состояния, существующего внутри поликри сталла и обусловленного самой природой его строения.