1.6 Дислокаційні структури при циклічній деформації металів

У практичному житті вироби рідко зазнають критичні статичні навантаження або навантаження, які монотонно збільшуються і характеризуються межою текучості або межою міцності. Як правило, вироби знаходяться під навантаженнями, які змінюються з часом за складним законом, внаслідок циклів навантаження, розвантаження і деформацій різного знаку. Поступове накопичення пошкоджень в металі під дією циклічних навантажень, що приводять до руйнування при напрузі менше, ніж статична межа міцності σ_UTS, називають втомою, а властивості матеріалу чинити опір втомі - витривалістю. Саме руйнування при втомі веде майже до 90% промислових аварій і катастроф. Це явище дуже багатопланове і в інженерному, і у фундаментально-науковому аспектах, що включає таке коло питань, як випробування на втому, характеристики втоми, оцінка і прогнозування витривалості, опис і діагностика зародження і розповсюдження мікро- і макротріщин.

Стисло розглянемо основні методи випробувань на втому. Умовно їх можна поділити на дві категорії відповідно до двох основних стадій руйнування при втомі: якщо розглядати зразок, як такий, що не містить тріщин, то втомне життя визначається двома характерними стадіями: часом зародження тріщини і часом розповсюдження тріщини. При відносно малих навантаженнях (деформаціях), коли число циклів до руйнування досить велике, витривалість визначається часом зародження тріщини, і такі випробування, як правило, проводять в режимі постійної прикладеної амплітуди напруги Δσ_а/2 (рис. 1.3) оскільки деформації при цьому малі (<10­­^-5), і виміряти їх з достатньою точністю важко. Якщо утворення тріщин або повне руйнування відбувається при числі циклів понад 5×10⁴, така втома називається багатоциклічною, при меншому числі циклів – мало циклічною. Найповнішу інформацію про поведінку матеріалу при циклічній деформації містить петля гістерезису, форма і площа якої змінюється в процесі навантаження через зміну структурного стану матеріалу [11].

1.6.1 Циклічний відклик і формування дислокаційних структур

Розглянемо характерні особливості формування дислокаційних структур при циклічному зміцненні монокристалів ГЦК металів, орієнтованих для легкого ковзання за даними просвічувальної електронної мікроскопії (ПЕМ).

Рисунок 1.3 – Петля гістерезису та її основні параметри

У перших циклах деформації петля гістерезису досить широка. Дислокаційна структура (рис. 1.4) на цій стадії подібна до структури на ранній стадії монотонного навантаження: спостерігаються окремі дислокації у вигляді прямолінійних відрізків і петель, які збираються в клубки і конфігурації, подібні до ячеєк, - так звані слаборазорієнтовані структури. Щільність ліній ковзання збільшується під час деформації, але загальна картина не змінюється доки не настає насичення, тобто до моменту максимуму β_Е. У цей момент відбувається вихід першої, так званої, стійкої смуги ковзання (ССК) на поверхню. Петля гістерезису після цього починає знов розширюватися. Більш-менш грубі ССК легко помітні на тлі тонких ліній ковзання (рис. 1.4 d-f). ССК отримали назву стійких тому що, після електролітичного полірування та при подальшому навантаженні вони знов з'являються в тих самих місцях, що свідчити про переважну локалізацію деформації в ССК. При насиченні практично вся пластична деформація зосереджена в ССК. Їх щільність зростає, і вони поступово заповнюють робочу частину зразка [12].

Були підведені підсумки численних спостережень за допомогою ПЕМ, завдяки яким встановили наступну схему утворення «венозної» структури на стадії швидкого циклічного навантаження:

Рисунок 1.4 – Крива циклічного деформаційного зміцнення

- Протягом перших декількох циклів знакозмінного навантаження генеруються дислокації в первинній системі ковзання, і результуюча дислокаційна структура практично нічим не відрізняється від структури при монотонному навантаженні.

- Майже однакова кількісь позитивних і негативних краєвих дислокацій генерується при повністю зворотньому циклічному навантаженні. Дислокації протилежного знаку найчастіше зустрічаються при деформації і розташовуються у паралельних площинах ковзання. На малих відстанях така взаємодія приводить до утворення стійких дислокаційних конфігурацій - диполів. Дипольні структури створюються краєвими дислокаціями, оскільки гвинтові компоненти мають можливість анігіляції за рахунок поперечного ковзання при достатньо високій енергії дефекту упаковки. Процес взаємодії краєвих дислокацій триває доки дислокаційна структура не стає цілком впорядкованим дипольним утворенням – так званою «венозною» структурою (рис. 1.4).

- Детальні ПЕМ-дослідження показали відсутність розворотів кристалічної решітки між сусідніми каналами, що дозволяє стверджувати, що середній вектор Бюргерса у венах близький до нуля завдяки однаковому числу позитивних і негативних краєвих дислокацій. Таким чином, «вени» не виробляють дальнодіючих полів пружної напруги і є добре організованою, стабільною низькоенергетичною структурою. У цьому полягає одна з найбільш характерних відмінностей монотонної і циклічної деформації: при малих амплітудах прикладених циклічних деформацій не створюються дальнодіючи поля напруги, тобто напруга в дипольних структурах у венах більш близькодіюча, ніж та, що виникає від дислокаційних скупчень. Відсутність дальнодіючої напруги у втомних структурах була підтверджена рентгенівськими вимірюваннями по відсутності розширення рентгенівських ліній.

- При тривалій циклічній деформації накопичення дислокацій відбувається у вигляді зв'язаних дислокаційних диполів, які створюють сітки у вигляді вен.

- «Вени» витягнуті уздовж ліній дислокацій в первинних системах ковзання та мають рівноосну форму в перпендикулярному напрямі. «Вени» розділені каналами, в яких щільність дислокацій відносна мала. Ширина «вен» 1,5 мкм. при деформації при 20˚С. Падіння температури сприяє диспергуванню тонкої структури.

- Венозна структура формується на стадії швидкого зміцнення при втомі. При збільшенні кількості циклів збільшується і щільність дислокацій у «венах», і об'ємна частка вен, що досягає 50%. У вільних від дислокацій областях між венами гвинтові компоненти мають можливість пересуватися практично вільно в обох напрямах залежно від знаку прикладеної напруги, і саме таке ковзання і є основним механізмом пластичної деформації в подібних структурах.