книги / Хрупкость металлов при низких температурах

ческого сопряжения поверхностей разрушения. К сожалению, не­ смотря на сравнительно большие размеры бороздок усталости (от 0,01 до 100 мкм по ширине), до настоящего времени в литературе отсутствовали подробные измерения сопряженных профилей уста­ лостных изломов. В обзоре [365] приведены обширные результаты, полученные при исследовании сопряжения противоположных по­ верхностей разрушения. Однако к тому времени были использова­ ны методы либо низкоразрешающие (исследование продольных или косых срезов с помощью световой микроскопии), либо транс­ миссионной электронной микроскопии без сопоставления профи­ лей противоположных сторон излома. В случаях, когда изучались сопряженные стороны излома [86], эти исследования также не соп­ ровождались детальным измерением профилей. Сопряженные про­ фили поверхностей усталостного разрушения измерены в работе [354] на образцах, подвергавшихся программному нагружению. Однако в ней были измерены лишь профили пилообразного релье­ фа, обусловленные действием блоков с большей и меньшей ампли­ тудой нагрузки. Разрушения профилей на уровне бороздок уста­ лости не достигнуто.

Следует также указать, что профили поверхности усталостного разрушения с хорошим разрешением бороздок с помощью стерео­ скопических измерений реплик были выполнены Броэком [264], однако в данном случае сопряженные профили сопоставлялись только для некоторых других видов разрушения, но не для уста­ лостного.

Ниже приведены результаты прецизионного измерения факти­ ческого профиля поверхности усталостного разрушения на двух соответствующих друг другу противоположных участках и сопос­ тавления характера их сопряженности. Для этого использовался разработанный в отделе физических основ прочности Института проблем прочности АН УССР метод количественной стереоскопи­ ческой фрактографии. Подробности методики и детальное описание результатов содержатся в работах [112, ИЗ, 119, 359]. Остановимся на самых существенных результатах исследования.

Метод основан на получении стереоскопических пар в сканиру­ ющем электронном микроскопе «Стереоскан S4-10» с последующим их анализом на прецизионном стереокомпараторе типа «Стекометр». Стереопары снимались при угле конвергенции 20=6°, причем уг­ лы наклона противоположных поверхностей излома по отношению к электронному лучу и направлению фотографирования были оди­ наковыми. Разность высот между двумя точками объекта в предположении ортогонального проектирования определялась по форму­ ле (2.49).

Достоверная оценка погрешностей измерений затруднена боль­ шой сложностью процессов формирования контраста в растровых электронных микроскопах и методическими особенностями, свя­ занными с анализом стереоскопических снимков. В связи с этим все погрешности измерений можно разделить на две основные

группы — погрешности получения и измерения изображения. По­ скольку основной задачей работы было сопоставление двух сопря­ женных профилен поверхностей излома, в измерениях использо­ вались стереопары, полученные при идентичных условиях съемки (равенство увеличений, рабочего расстояния, наклона поверхности и т. д.). Это исключает возможность влияния больших системати­ ческих погрешностей съемки на результаты измерений и сопостав­ лений. Погрешности, связанные G неодинаковым геометрическим расположением сопряженных бороздок на: двух стереопарах, как показано в работе 1148], а также случайные погрешности фо­ тографирования в данном случае не могут быть большими по сравнению с размерами исследованных профилей.

Основную, погрешность составляют, uo.-видимому, субъектив­ ные ошибки, связанные с работой па стереокомпараторе при уста­ новлении блуждающей метки на требуемом уровне. Хотя получае­ мые на растровом электронном микроскопе снимки отличаются удовлетворительным качеством, их разрешение уступает качеству аэрофотоснимков, что,приводит к возрастанию случайных ошибок измерений. Кроме того, большое значение имеют острота стерео­ скопического зрения и опыт работы оператора стереокомпаратора. Перед тем как начертить окончательные профили излома, была выполнена большая работа тремя операторами, производившими независимые измерения. Эти профили строились по измеренным, координатам точек (80—120 на профиль),, а затем корректирова­ лись путем сравнения со стереоизображением. Совмещение соот­ ветствующих друг другу профилей двух сторон излома показывает, что эти погрешности существенно ниже характерных размеров бо­ роздки усталости.

Исследование проведено на весьма, пластичном ГЦК-металле — поликристаллическом никеле 8онной плавки (чистота 99,999% Ni, средний размер зерна 3 мм) в условиях симметричного растя­ жения — сжатия с частотой нагружения 36 Гц и максимальным напряжением в цикле 110 МН/м2.Исследованный материал вмел сле­

сительное удлинение после разрыва 58% ; предел усталости сг_i = == 81 МН/м2; долговечность гладкого образца при циклическом напряжении ± 110 МН/м2 в среднем 5 •10s циклов.

Изучались поверхности излома на двух половинках образца. Из-за высокой пластичности материала на поверхности разруше­ ния наблюдались бороздки вязкого типа в их чистом виде, причем на заключительном этапе развития трещины усталости расстояния, между бороздками и их ширина были настолько большими, что их можно было различить невооруженным глазом. Эти бороздки соот­ ветствуют весьма высоким скоростям, трещины (> 1 0 —1мм/цикл), в связи с чем интересно заметить, что ввиду высокой чистоты метал­ ла даже в этой области диаграммы усталостного разрушения дру­ гие механизмы (в частности, ямки) не наблюдались.

ности напряжений с увеличением длины трещины. Рост средней длины бороздки связан с объединением некоторых соседних терра­ сок и выходом в этом месте фронта трещины в одну плоскость. Для того чтобы расположенные на разной высоте две соседние терраски могли объединиться в одну, необходимо, чтобы участки фронта трещины на этих террасках продвигались в различных кристалло­ графических плоскостях. Такой факт можно рассматривать как косвенное свидетельство того, что при усталостном разрушении по механизму вязких бороздок распространение трещины не связано с какой-либо кристаллографической плоскостью.

филь Г —Г соответствует профилю I I " —II". Цифрами 2—8 обозначены сопрягающиеся друг с другом бороздки. Сравнение приведенных профилей позволяет отметить следующее:

1. Сопоставление фотографических изображений и соответству­ ющих им профилей свидетельствует о неполной идентичности рель­ ефа противоположных сопряженных поверхностей разрушения.

2. Подобно другим работам (см., например, [386]) для каждой бороздки можно отметить две стороны: узкую — с более грубым рельефом, и широкую — более гладкую. Но в отличие от аналогич­ ных исследований на стереопаре I короткая сторона бороздки об­ ращена к распространяющемуся фронту трещины, а на стереопаре I I — в противоположном направлении. Этот результат подтвержда­ ется также микрофрактограммами, полученными с реплик, оттенен­ ных в направлении распространения трещины (см. рис. 182, д , е).

правильного относительного расположения сопряженных профи­ лей и выяснении на его основе действовавшего механизма распрос­ транения трещины усталости. Иа рис. 186 показан один из возможных вариантов сопряжения измеренных профилей противополож­ ных сторон излома. Этот вариант представляется наиболее вероят­ ным по следующим причинам:

1.При совместном рассмотрении противоположных поверхнос­ тей излома с небольшим увеличением нетрудно убедиться, что для крупных бороздок наблюдается соответствие выступ — впадина или впадина — выступ, но не выступ — выступ или впадина — впадина.

2.Стереопары (см. рис. 184 и 185) представляют одно и то я*е место излома на двух противоположных его сторонах. В нижней ча­

сти стереопары / и в верхней стереопары I I бороздки обрываются на границе раздела двух террасок. При разделении образца по этой границе профиль бороздок оставил достаточно отчетливый след, по которому хорошо видно соответствие выступ — впадина. Соответственные места на рис. 184 и 185 отмечены одинаковыми цифрами.

3.Наилучшее сопряжение противополояшых профилей дости­ гается в варианте, изображенном на рис. 186, когда противополож­ ные выступы контактируют по узким сторонам. Это становится особенно наглядным благодаря быстрому нарастанию шага бороз­ док, приводящему к тому, что все другие варианты совмещений дают худший результат, который легко обнаруяшть по несовпаде­ нию бороздок малых размеров при хорошем совпадении больших.

4.Наблюдается соответствие особенностей микрорельефа на отдельных характерных частях бороздки усталости. В частности, обращенные друг к другу узкие стороны бороздки одинаково отли­ чаются сильно деформированной поверхностью, как бы образован­ ной в результате среза. Широкие стороны бороздки гладкие, на них не видны следы контакта противоположных поверхностей.

На основании полученных результатов можно высказать впол­ не определенные предположения о механизме распространения трещины усталости, обусловившем наблюдавшуюся поверхность разрушения. На рис. 187 показана последовательность стадий рас­ пространения трещины усталости, объясняющая причины возник­ новения столь слояшого профиля усталостного пзлома. Согласна этой схеме, полное продвижение трещины за цикл нагружения сос­ тоит из двух этапов и происходит при нагружении образца в полуцикле растяжения или дая«е его части. Раскрывшаяся на преды­ дущем полуцикле растяжения трещина (рис. 187, а) в процессе последующих разгрузки и нагружения сяшмающими напряжения­ ми заостряется. Главным результатом действия полуцикла сжатия (рис. 187, б) является пластическая зона сжатия, внутри которой вдоль траекторий максимальных интенсивностей деформаций (ука­ заны стрелками) происходит подготовка материала к последующему разрушению сдвигом. В начале последующего полуцикла растя-

мостыо удовлетворения некоторого локального критерия разруше­ ния, подобного одному из рассмотренных в параграфе 5 главы чет­ вертой. Такой критерий обычно имеет два характерных параметра — размерный (расстояние от вершины до зародыша микротрещины) и связанный с локальным полем напряжений и деформаций. Как видно из рис. 186, размеры полостей и перемычек между ними все время возрастают по мере продвижения трещины. Если бы работал указанный механизм, это означало бы, что на каждом новом цикле микротрещина должна была зарождаться на все большем расстоя­ нии от вершины. Причина такого изменения характерного расстоя­ ния не может быть связана со структурой материала. Что же каса­ ется возможного положения пика напряжений перед вершиной с ростом длины трещины, то вряд ли он может вызвать картину, изображенную на рис. 186. На каждом полуцикле нагружения нагрузка возрастает от нуля до максимума, и если на предыдущем цикле данный критерий удовлетворялся на некотором расстоянии от вершины рс, то на последующем цикле этот критерий будет удов­ летворен на расстоянии рс раньше, чем будет достигнут пик на большем расстоянии. В рамках этого механизма значительно труд­ нее объяснить широко известный факт роста шага бороздок с уве­ личением коэффициента интенсивности напряжений.

В то же время приведенный на рис. 187 механизм логичнее объ­ ясняет профили, изображенные на рис. 186, и может быть облечен в математическую форму, согласно которой скорость трещины за цикл состоит из двух слагаемых. Первое определяется законом Коффина — Мейсона или аналогичным ему записанным для цик­ лических пластических деформаций в пределах пластической зоны, а второе связано с пластическим затуплением и раскрытием вер­ шины трещины. Этот механизм отличается рядом признаков по сравнению с другими, предложенными ранее:

1. В нем разгрузке и полу циклу сжатия отводится важная роль подготовки материала к последующему этапу распространения трещины поперечного сдвига. Это дает возможность объяснить образование глубоких впадин, соответствующих циклам больших разгрузок [366, 484 ] ири программном нагружении подобпо модели Лэйрда [366].

2. В соответствии с предложенным механизмом можно ожидать, что с возрастанием коэффициента интенсивности напряжений вклад каждого из двух этапов (распространение трещины поперечного сдвига и пластическое затупление вершины) в продвижение тре­ щины за цикл может изменяться. Продвижение трещины на этапе пластического затупления пропорционально квадрату амплитуды коэффициента интенсивности напряжений и должно неизменно возрастать с увеличением последнего. Продвижение трещины на эта­ пе распространения разрушения сдвигом зависит от глубины пред­ шествующей разгрузки (размер пластической зоны сжатия и глу­ бина поврежденного слоя материала ограничены закрытием тре­ щины). Это должно привести к уменьшению отношения глубины

бороздки усталости к ее ширине (т. е. к ее шагу) с ростом амплиту­ ды нагрузки, что неоднократно наблюдалось в эксперименте [365 J

ине было удовлетворительно объяснено.

3.Модель органически включает механизм пластического за­ тупления вершины, поэтому объяснения наблюдений рельефа по­ верхности разрушения при программном нагружении [386] оста­ ются справедливыми и для нее. Однако модель дает возможность

простой и логической интерпретации результатов, полученных, но не объясненных авторами работы [386] и относящихся к прог­ раммным испытаниям с различной степенью разгрузки.

4. Наличие в модели этапа разрушения сдвигом сближает-1 и II стадии распространения трещины усталости, аналогия между кото­ рыми неоднократно предполагалась и ранее [365 ], однако без должного объяснения.

5.Переход трещины усталости

внестабильное состояние

Как уже отмечалось, развитие трещин в металлах при циклическом нагружении характеризуется несколь­ кими важными параметрами, из которых два — и K fC— ве­ личины, ограничивающие область нагрузок, в которой наблюдается рост трещин усталости. Смысл и значение первой обсуждались выше.

Остановимся на характеристике K fc — величине коэффициента интенсивности напряжений, вызывающей нестабильное распрост­ ранение выросшей до критического размера трещины усталости. Обьтчпо это распространение происходит на последнем цикле на­ гружения и приводит к окончательному долому образца.

По своей природе величина К/с аналогична вязкости разруше­ ния материала К с при статическом нагружении, так как оба пара­ метра характеризуют переход трещины в нестабильное состояние в процессе нагружения образца. Однако можно отметить несколь­ ко причин, не дающих оснований для полного отождествления этих величин и приводящих к их числовому различию.

Первая и, по-видимому, самая главная заключается в том, что при определении статической и циклической вязкости разрушения образцы имеют различную историю нагружения, предшествую­ щую последнему нагружению вплоть до нестабильности трещины. Так, при определении К с (К\с) в соответствии с требовани­ ями известных стандартов в образце выращивается трещина уста­ лости. При этом на амплитуду циклической нагрузки стандартом налагаются ограничения, согласно которым она должна состав­ лять лишь определенную часть К е (Ки). Этой амплитуде соответ­ ствуют весьма малая циклическая пластическая зона и малые уров­ ни остаточных напряжений и деформаций в вершине трещины. При определении циклической вязкости разрушения К 1с послед­ нему циклу нагружения предшествует предпоследний цикл с уров­ нем нагрузки, соизмеримым с K ic. Поэтому последнему циклу нагру­