книги / 813

здесь наблюдаются частицы ударника (железо) и бороздки, обусловленные трением грубоотполированной торцевой части ударника о материал (рис. 2).

Рис. 2. Частица стального ударника на зеркальной области поверхности разрушения. Точкой обозначена область сканирования для получения спектрограммы

Протяженность зеркальной зоны зависит от скорости соударения (чем выше скорость ударника, тем больше зеркальная область). Однородность перехода от зеркальной зоны к шероховатой зависит от соблюдения условия нормального соударения.

Следующая за блестящей областью шероховатая, матовая поверхность отвечает движению пробки. Изучение шероховатой зоны с помощью сканирующего электронного микроскопа показало наличие двух областей с различной морфологией поверхности: однородной в центральной части образца и более грубой вблизи свободной поверхности (рис. 3). Сравнительно однородная шероховатая область (рис. 3, а), следующая за «зеркальной» зоной, соответствует сдвиговым механизмам деформирования материала с последующим огрублением структур (рис. 3, б).

Для изучения структуры в прилегающих к поверхности разрушения слоях подготавливались шлифы в продольном направлении, которые после механической полировки подвергались электрополировке в растворе ортофосфорной кислоты с KOH при плотностях тока 0,5…1 А/см2. Микроскопические исследования поверхности разрушения и прилегающих к ней слоев материала осуществлялись посредством оптического микроскопа интерферометра-профилометра NewView, позволяющего получать трехмерные данные о рельефе.

81

сканирование поверхности продольных шлифов на различных расстояниях от поверхности разрушения: от областей, не имеющих характерных следов сдвиговой деформации к областям, непосредственно примыкающим к поверхности разрушения (рис. 5). Также рассматривалось изменение характера локализации деформации в различных по толщине образцах.

Рис. 6. Микроструктура недеформированного образца (а) и образца после нагружения стальным ударником (б), направление соударения – слева направо

Рис. 7. Структура деформированного образца (v = 241 м/с) в направлении поперек сдвига на расстоянии: а – 2 мм; б – 1,1 мм; в – 0,4 мм от поверхности разрушения и г – вблизи поверхности разрушения, соответствующей движению пробки

83

Изгиб реперных линий использовался для оценки величины деформации, определяемой как тангенс угла отклонения линий текстуры от исходного состояния (вертикальное положение линий). Вид получаемых структур для одного сечения по толщине образца представлен на рис. 7.

Рис. 8. Распределение сдвиговых деформаций структуры материала в зависимости от расстояния до зоны разрушения в области перехода от зеркальной поверхности разрушения к шероховатой, соответствующей

смене механизмов деформирования. Изображения структуры представлены вблизи поверхности разрушения

Рис. 9. Распределение сдвиговых деформаций структуры материала в зависимости от расстояния до поверхности разрушения в области, соответствующей продвижению пробки в материале: с – в зоне инициирования сдвига, d, e, f – по мере удаления от нее и приближения к свободной поверхности (см. схему на рис. 5)

84

По результатам измерений отклонений линий текстуры от исходного состояния были получены графики распределения величины сдвиговой деформации по направлению от поверхности разрушения (локализации деформации) для различных положений по толщине образцов. На рис. 8 и 9 представлены графики изменения величины деформации для трех различных по толщине образцов сечений, соответствующих переходной зоне между зеркальной и шероховатой областями. Сечения a и b соответствуют области первоначального проникания ударника в образец (блестящая область на поверхности разрушения), сечение c соответствует начальной области инициирования сдвига пробки (см. рис. 8), d, e и f – зоне выноса пробки (см. рис. 9).

По результатам микроскопии можно сделать следующие выводы: В начальный момент проникания ударника в образец окружающий материал деформируется незначительно, по мере продвижения ударника захватываются все новые и новые слои материала (в радиальном направлении), происходит расширение зоны с искаженной текстурой (деформированной зоны). При приближении к тыльной поверхности полосы становятся менее выраженными, происходит огрубление поверхности разрушения. При этом происходит расширение зоны деформированного материала со все возрастающими искажениями внутренней структуры. При малых скоростях соударения механизмом разрушения является образование и слияние микропор. С увеличением скорости соударения происходит смена механизма разрушения: деформация локализуется в узких областях. Из анализа характера линий текстуры видно, что величины деформаций в этих полосах достигают очень больших значений. Область локализации деформации, соответствующая полному развороту линий текстуры по направлению движения ударника, слабо выраженная при небольших скоростях пробивания, становится все более четко видимой и однородной с ростом

скорости соударения.

Вопрос локализации деформации в виде узких полос адиабатического сдвига при достижении критических скоростей деформирования теоретически исследовался в [2] на основе структурно-кинетической модели [1]. Результаты теоретических расчетов качественно совпадают с полученными экспериментальными данными.

85

Библиографический список

1.Наймарк О.Б. Коллективные свойства ансамблей дефектов

инекоторые нелинейные проблемы пластичности и разрушения // Физическая мезомеханика. – 2004. – Т.6. – С. 45–72.

2.Соковиков М.А. Численное исследование неустойчивости пластического сдвига при высокоскоростном ударе // Деформация и разрушение материалов. – 2005 – № 7. – С. 13–17

3.Nesterenko V.F., Meyers M.A., Wright T.W. Collective behavior of shear bands // Metallurgical and materials applications of shock-wave and high-strain-rate phenomena. – Vol. 47. – P. 397–404

4.Динамика удара: пер. с англ. / Зукас Дж. [и др.] – М.: Мир, 1985. – 296 с.

5.Awerbuch J., Bodner S.R., Experimental investigation of normal perforation of projectiles in metallic plates // Int. J. Solids Structures. – 1974. – Vol. 10. – P. 685 – 699.

6.Meyer L.W., Staskewitsch E. and Burblies A. Adiabatic shear failure under biaxial dynamic compression/shear loading // Mechanics of Materials. – 1994. – No. 17. – P. 203–214.

Получено 5.10.2010

86

УДК 539.4:620.2

В.А. Оборин, М.В. Банников, О.Б. Наймарк

Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь

МАСШТАБНО-ИНВАРИАНТНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭВОЛЮЦИИ СТРУКТУРЫ И ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ И УСТАЛОСТНЫХ НАГРУЖЕНИЯХ1

В работе описано исследование роли коллективного поведения ансамблей дефектов в предварительно нагруженных образцах из двух сплавов алюминия Al-Cu и Al-Mg, подверженных усталостным испытаниям, соответствующим базовому сроку службы (приблизительно 2·105 циклов). После деформирования рельеф поверхности снимался с помощью интерферометрапрофилометра New-View с целью изучения масштабно-инвариантных закономерностей эволюции структуры, обусловленной дефектами.

Ключевые слова: надёжность, усталость, деформация, разрушение, структура.

Стадийность разрушения в многоцикловом диапазоне анализируется на основе структурных признаков поврежденности, относящихся к широкому спектру пространственных масштабов: полосы локализованной пластичности (persistent slip bands – PSB), усталостные бороздки (striations), микротрещины, формируемые при пересечении PSB, зернограничные дефекты. Основная поврежденность относится к масштабам дефектов 0,1 мкм – 1 мм, которые существенно меньше масштабов, регистрируемых методами неразрушающего контроля, применяемых для оценки надежности в процессе эксплуатации изделий.

Количественная фрактография является эффективным методом исследования роли исходной структурной гетерогенности, накопления дефектов различных масштабных уровней (дислокационных ансамблей, микропор, микротрещин) при оценке критических условий перехода от дисперсного к макроскопическому разрушению с учетом характерных стадий этого перехода – зарождения и развития трещин, что является основой для оценки временного ресурса изделий в условиях многоцикловой усталости.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 08-01-00699, № 09-01- 92005-ННС_а, № 09-01-92441-КЭ_а).

87

Анализ морфологии поверхностей разрушения на основе про- странственно-временных инвариантов впервые был предложен в работе [1] на основе анализа рельефа поверхности разрушения, обнаруживающей свойства самоафинности, которые отражаются в инвариантных характеристиках рельефа поверхности (шероховатости) на широком спектре пространственных масштабов, и которые, в свою очередь, отражают коррелированное поведение дефектов различных масштабных уровней.

В работе исследовано два сплава алюминия: 2017A-T3 (Al-Cu) и 5454-О (Al-Mg), используемые в авиационной промышленности и автомобилестроении. Химический состав и квазистатические характеристики представлены в табл. 1 и 2. Нагружение образцов осуществлялось двумя способами – квазистатическим и динамическим растяжениями [2], после чего образцы подвергались циклической нагрузке, соответствующей базовому сроку службы (приблизительно 2·105 циклов), с последующим изучением фрактографии изломов с помощью интерферометра-профилометра New View 5010 в терминах показателя шероховатости – показателя Хёрста.

Таблица 1

Химический состав (весовые %)

Таблица 2

Квазистатические характеристики

Динамическое преднагружение образцов проводилось с применением инерционного нагружающего устройства, позволяющего реализовать динамическое деформирование на фиксированное значение деформации до значений скоростей деформации ~103 c–1 Истинные

88

значения скорости деформации измерялись с использованием скоростной камеры REMIX, синхронизованной с моментом начала деформирования. Диаграммы механических испытаний представлены на рис. 1.

Рис. 1. Диаграммы квазистатического и динамического деформирования алюминиевых сплавов: а – Al-Cu, б – Al-Mg

Усталостные испытания проводились на классической испытательной машине резонансного типа (Amsler Vibrophore) с контролем усилия в условиях полностью обратимого цикла нагрузки-разгрузки. Данная установка позволяла осуществлять регистрацию частотных характеристик деформируемого образца и остановку процесса усталостного нагружения при резком изменении импеданса при зарождении усталостной трещины или формировании зоны локализации разрушения. Изменение частоты на 0,4 Гц соответствовало появлению трещины с характерным размером ~1 мм. Уровень приложенных напряжений позволял проводить исследования усталостного ресурса до значений, соответствующих 2·105 циклов.

Исследование долговечности проводилось для уровня напряжений (220 МПа), соответствующих критическому количеству циклов ~2·105, оцениваемых для материалов в исходном (недеформированном) состоянии для условий многоцикловой усталости.

Результаты испытаний представлены на рис. 2 и отражают зависимость критического числа циклов (с учетом дисперсии) в зависимости от величины предварительной деформации. Эти зависимости от-

89

ражают высокую чувствительность сплава Al-Cu и низкую чувствительность сплава Al-Mg к предварительному нагружению.

Рис. 2. Долговечность предварительно деформированных образцов алюминиевых сплавов

Структурные закономерности усталостного разрушения исследовались на образцах, поверхность разрушения которых «вскрывалась» при появлении признаков изменения резонансной частоты в ходе циклического нагружения (остановка усталостного нагружения) при последующем одноосном растяжении. Морфологические особенности поверхности разрушения исследовались с использованием сканирующей электронной микроскопии. Было установлено наличие микротрещин, появление которых инициировало изменение резонансной частоты образцов, и наличие трех характерных зон (рис. 3, а, зоны 1, 2 и 3): зона 1 соответствует зарождению усталостной трещины; зона 2 соответствует формированию области подготовки усталостного разрушения и зона 3 создается заключительным растяжением образца и имеет «грубый» структурный рельеф.

Две зоны (1 и 2) представляют интерес для анализа «восприимчивости» усталостного разрушения (долговечности) к предварительному нагружению. Зона 1 (рис. 3, а), расположенная около боковой поверхности образца, содержит множественные случайно располо-

90