4.3 Технический алюминий
Типичная кривая зависимости микротвердости от числа циклов нагружения технического алюминия приведена на рисунке 26. Она состоит из трех участков, отличающихся друг от друга скоростью и знаком изменения величины микротвердости.
Рассмотрим структурные изменения на каждой конкретной стадии усталости алюминия А7.
В настоящих исследованиях методом оптической микроскопии показано, что исходная структура технического алюминия до нагружения (рисунок 27) характеризуется умеренной однородностью по величине зерна, которая в среднем составляет 70 мкм. По форме зёрна представляют собой классические полиэдры, разделенные тонкими границами.
I стадия усталости характеризуется сильным повышением микротвердости в самом начале нагружения в течение сравнительно небольшого числа циклов N=0÷2·104. Это связано с увеличением плотности дислокаций до критической величины в пластически деформирующихся зернах поверхностного слоя и возрастанием упругих полей внутренних напряжений во всем поверхностном слое. Однако стесненность материальных поворотов одиночного скольжения в отдельных зернах в окружении упруго нагруженных зерен вызывает резкий рост микротвердости во всем поверхностном слое.
Структурные изменения на первой стадии выражены еще слабо и сводятся к следующему. Первые видимые в оптическом микроскопе следы деформации на полированной поверхности образца после N=0,7 · 104 циклов нагружения (рисунок 28), представлены сравнительно тонкими линиями скольжения одной системы в небольшом количестве зерен в зоне максимального изгиба (вблизи неподвижного захвата).
Линии скольжения и состоящие из них зоны скольжения являются визуальным признаком пластической деформации. Появляются они, прежде всего, в наиболее благоприятно ориентированных по отношению к приложенному напряжению зернах. Известно, что при циклическом нагружении скольжение происходит по тем же атомным плоскостям и в тех же направлениях, что и при действии статических нагрузок.
Однако при циклическом нагружении число действующих в зерне систем скольжения весьма ограничено. Первые следы скольжения появились в наиболее крупных зернах, расположенных у боковой поверхности образца (рисунок 26). Эта область является более напряженной, так как получена при вырубке образца из прокатанной ленты.
Распространение трещины, приводит к качественным изменениям картины в пластической зоне перед ее вершиной, что проявляется в более резком изменении направления трещины, ее ветвлении и сильно выраженной фрагментации материала (рисунок 29в,г). Все это свидетельствует о непрерывной подпитке концентратора моментных напряжений в вершине трещины по мере циклического нагружения образца.
б
а
Рисунок 28 – Алюминий А7 на I стадии усталости, DIC:
а) N=0,7· 104 ц., ×200, б) N=1,4 · 104 ц., ×200
На II стадии резко снижается скорость роста микротвердости в результате циклического нагружения. В алюминии А7 многие зерна поверхностного слоя остаются недеформированными (рисунок 28). Одиночные сдвиги в активных зернах сопровождаются их материальным поворотом. Как следствие реакции смежных с ними зерен на их границах возникают концентраторы напряжений. Взаимодействие которых приводит к самосогласованной подстройке активных смежных зерен в деформационные конгломераты.
IIІ стадия процесса усталости по протяженности составляет основную его часть. В литературе ее связывают с развитием микротрещин до их слияния в макротрещины и при этом понижается микротвердость. Новым качеством в структурных изменениях в алюминии А7 является начало процесса замыкания отдельных групп самосогласованно деформирующихся зерен в деформационные конгломераты петли (рисунок 29а,б). Для алюминия А7 началось формирование новых структурных элементов деформации значительно большего масштаба по сравнению с исходными зернами. Аккомодация поворота таких крупных структурных элементов деформации сначала осуществляется фрагментацией зерен, составляющих конгломерат (рисунок 29в,г). Когда же возможность фрагментации как аккомодационного процесса поворотного типа исчерпывается, вступает в действие релаксационный механизм трещинообразования.
Известно, что трещины зарождаются в зоне концентраторов напряжений критической мощности. Трещины зарождаются, как правило, на границах конгломератов самосогласованно деформирующихся зерен. Это вполне логично, так как, при повороте такого крупно масштабного элемента структур, как конгломерат зерен, на его границе формируются самые мощные концентраторы напряжений. Это отчетливо видно на рисунке 30. Этот процес завершается разрушением образца.
Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение