ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 417, № 5, с. 635-638
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 620.178.3:669
ФОРМИРОВАНИЕ КАСКАДА ПЛАСТИЧЕСКИХ ЗОН ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ © 2007 г. Л. Р. Ботвина, М. Р. Тштин
Представлено академиком O.A. Банных 30.03.2007 г. Поступило 13.07.2007 г.
Пластическая зона, формирующаяся при циклическом нагружении в вершине надреза образца или в устье развивающейся магистральной трещины, несет информацию о локальном напряженном состоянии материала, являющемся откликом на его структуру и условия нагружения. При циклическом приложении нагрузки, т.е. в условиях усталости, размер зоны в области стабильного роста трещины (при длине трещины I < !3) значительно меньше, чем при статическом нагру-жении, и часто не превышает один-два размера зерна, а шероховатость излома низкая. Поэтому было предположено [1, 2], что до достижения усталостной трещиной длины I = ¡3 ее развитие происходит в условиях плоскодеформированного напряженного состояния. Многие исследователи отмечали еще одну особенность усталостного роста трещины - ее скачкообразность [3-8], результатом которой является появление макрополос на изломе. Полосы возникают вследствие локальной смены механизма разрушения - усталостного механизма статическим [3-5], или разрушения в условиях сдвига - развитием трещины путем отрыва [6, 7]. Автор [3, 4] использовал геометрические параметры этих макрополос для оценки трещиностойкости, а в [8] была предложена модель скачкообразного развития усталостной трещины, основанная на смене механизма разрушения.
С целью более детального исследования природы усталостного разрушения испытания образцов из малоуглеродистой стали на внецентренное циклическое растяжение сопровождали снятием силиконовых реплик с полированной поверхности образцов. Это позволило наблюдать кинетику зоны локализации разрушения в процессе цик-
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской Академии наук, Москва
лирования и развитие поврежденности в пределах зоны.
Испытания компактных образцов с боковым надрезом из стали 20 размером 50 х 50 х 20 мм были проведены на машине Schenck Hydropuls с максимальной нагрузкой 10 т при значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений AK = = 0.9Kmax и асимметрии цикла R = 0.1. Реплики снимали на различных этапах испытания, а с помощью рисок, нанесенных на боковую поверхность образцов, визуально оценивали скорость роста усталостной трещины. После испытаний реплики изучали на микроскопе Neophot 30, оснащенном цифровой камерой, и оценивали изменение формы и размеров пластических зон. Особенности процесса разрушения исследовали по данным анализа микрорельефа изломов на электронном растровом микроскопе Leo 430i.
На рис. 1 показана кинетическая диаграмма усталостного разрушения испытанных образцов, зоны пластической деформации на различных стадиях роста макротрещины и картины поврежденности, формирующиеся в области пластических зон.
Первые признаки формирования зоны пластической деформации обнаруживались при значениях AK > 15 МПа ■ м1/2. Дальнейшее развитие трещины сопровождалось образованием каскада пластических зон и множественных микротрещин в зонах, причем рост трещины в пределах этих зон происходил путем чередования локального сдвига (по смежным плоскостям) и отрыва. Участки сдвига на пути трещины показаны на рис. 1, а также на картинах множественного разрушения, соответствующих зонам пластической деформации (рис. 1). Из этих картин следует, что траектория роста трещины на ее локальных участках связана с формой пластической зоны, развивающейся под углом к направлению роста трещины. В этом направлении и происходит продвижение трещины в результате слияния близлежащих дефектов в сильно деформированной циклической
, м/цикл
dN
10
10
10
15 20/ 25 30 35 40 ДК, МПа;
■ м1/2
100 мкм 100 мкм 100 мкм
i_i 1-1 1-1
Рис. 1. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения, зоны пластической деформации и картины поврежденно-сти на различных стадиях роста усталостной трещины. Расстояние между рисками 1 мм, направление действия нагрузки перпендикулярно направлению развития магистральной трещины.
пластической зоне. Участки локального сдвига соединены участками локального отрыва в направлении, перпендикулярном оси нагружения. На фотографии профиля излома образца (рис. 2) можно наблюдать описанное чередование сдвига и отрыва при движении трещины по контуру пластической зоны.
При достижении трещиной длины I = !3 = 7 мм (соответствующей АК = АК8 = 25.4 МПа ■ м1/2) на кривой ее роста, построенной в координатах длина трещины - скорость роста, появляется перелом, вызванный началом ее ускоренного роста. В дальнейшем разрушение сопровождается не только
ФОРМИРОВАНИЕ КАСКАДА ПЛАСТИЧЕСКИХ ЗОН
637
увеличением длины трещины, но и возрастанием ширины пластической зоны (рис. 1).
Начало стадии статического долома образца вызывало изменение формы пластической зоны (рис. 1), в которой накапливалась поврежден-ность, достаточная для окончательного разрушения. Для определения значения коэффициента интенсивности напряжений (КИН), при котором происходил переход от усталостного механизма разрушения к статическому, были проведены статические испытания компактного образца с зарожденной усталостной трещиной длиной 7.8 мм и оценен КИН, соответствующий началу общей текучести образца (Каг ст), т.е. точке отклонения от линейности диаграммы растяжения: Коу ст = 45.9 МПа ■ м1/2. Сравним значения КИН, при которых начинается общая текучесть в условиях циклического и статического нагружения. Известно [9], что пределы текучести при статическом (оу ст) и циклическом (оу цик) нагружении могут существенно различаться. Так, для стали 25 отноше-
Оу
ние этих напряжений составляет
цик
>У ст
= 0.7. С
учетом этого различия, а также асимметрии цикла КИН для циклического нагружения равно: ЛКау цик = 0.7 ■ 0.9 ■ ЛКоу ст = 28.9 МПа ■ м1/2, что несколько выше значения К3 = 25.4 МПа ■ м1/2. Это означает, что перелом на кинетической диаграмме усталостного разрушения соответствует длине трещины, при которой начинается общая текучесть образца, вследствие чего прекращается формирование каскада пластических зон. При ЛК > ЛКау цик процесс усталостного разрушения ограничен уже одной зоной (рис 1), имеющей различную поврежденность на разных расстояниях от вершины.
Таким образом, различие кинетики процесса разрушения при циклическом и статическом нагружении состоит в следующем. Циклическое на-гружение связано с многократным чередованием процессов образования пластической зоны и
скачкообразным продвижением усталостной трещины (путем отрыва на макроуровне и локального сдвига и отрыва на микроуровне), приводящим к формированию серии пластических зон. При статическом нагружении обнаруживается одна пластическая зона, причем размеры и степень по-врежденности материала в этой зоне увеличиваются с нагрузкой. В результате в ней формируется макротрещина с вторичной пластической зоной у ее вершины, в которой и развивается окончательное разрушение.
Образование каскада зон циклической деформации приводит к периодическому изменению скорости роста усталостной трещины, т.е. к чередованию ее продвижения и затупления. Характерные признаки этих процессов можно наблюдать на фрактограммах, представленных на рис. 3, где стрелками показаны места остановки трещины и ее последующего зарождения, связанные с текстурой прокатки стали 20, т.е. удлиненными образованиями, содержащими неметаллические включения. При большем увеличении хорошо видны очаги повторного зарождения трещины и участки сдвига на начальном этапе роста трещины, подобные тем, которые обнаруживаются на начальной стадии роста трещины от надреза.
Итак, проведенное исследование показало, что скачкообразный рост усталостной трещины, отмечаемый в ряде исследований, вызван формированием каскада пластических зон, развивающихся на стадии стабильного роста трещины (при ЛК < < ЛК8) в условиях плоскодеформированного напряженного состояния и приводящего к чередованию процессов роста и затупления трещины на границах структурных элементов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 06-01-00753а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ботвина Л.Р, Маслов ЛИ. // ФММ.1972. Т. 34.
В. 4. С. 88<
2. Иванова B.C., Маслов Л.И., Ботвина Л.Р. // Пробл. прочности. 1972. № 2. С. 37-41.
3. Forsyth P.J.E. // Acta met. 1963. V. 11. № 7. P. 703715.
4. ForsythP.J.E. // Scr. met. 1976. V. 10. № 5. P. 383-386.
5. Жегина И.П., Гордеева T.A., Дроздовский Б.А. // Зав. лаб. 1967. № 7. С. 874-878.
6. Ботвина Л.Р, Лимаръ Л.В., Логовиков Б.С. // Физ.-хим. механика материалов. 1981. № 1. С. 71-74.
7. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. М.: Наука.1989. 230 с.
8. Barenblatt G.I., Botvina L.R. // Proc. Roy. Soc. London. A. 1993. V. 442. P. 489- 494.
9. Писаренко Г.С., Трощенко ВТ, Бугай В.И. В сб.: Материалы IV совещания по усталости металлов. М.: Наука, 1967. С. 114-119.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.