УДК 670.191.33
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД СТЕРЕОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ
© Марущак Павел Орестович, д-р техн. наук; Коноваленко Игорь Владимирович, канд. техн. наук; Марущак Елена Владимировна, Сорочак Андрей Петрович
Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя. Украина, г. Тернополь. E-mail: Maruschak.tu.edu@gmail.com Статья поступила 23.01.2013 г.
Проведены исследования микромеханизмов роста усталостной трещины в биметалле 25Х1М1Ф/15Х13МФ на образцах с боковым надрезом при асимметрии цикла R = 0. Установлены основные закономерности геометрического соотношения ширины и высоты усталостных бороздок около поверхности раздела биметалла 25Х1М1Ф/15Х13МФ.
Ключевые слова: бороздки усталости; разрушение; стереометрия; фрактодиагностика.
Аля усталостного разрушения материалов характерно формирование упорядоченных рельефных образований - бороздок, которые могут служить фрактодиагностическим параметром микроскорости роста трещины в рамках рассматриваемой области [1]. Следует отметить, что хотя эффекты микроуровня являются случайными событиями, однако усталостные бороздки формируются самоупорядоченно, их формирование имеет четкий физический смысл «подрастания» трещины на определенную величину за один цикл нагружения. В результате экспериментальных исследований определены отличия профиля бороздок, зависящие прежде всего от механических свойств материала и в первую очередь его прочности и пластичности [2].
При усталостном механизме разрушения наиболее информативным параметром является шаг бороздок (2Д), поскольку он позволяет определить скорость роста макродефекта по излому образца или детали [3]. Однако в полной мере оценить характер деформационных процессов при распространении трещины можно, лишь анализируя профиль бороздок, поскольку бороздки одинаковой ширины, как правило, отличаются по высоте [4]. Особенно целесообразны такие методы при сравнительном анализе традиционных и новых материалов или для оценки интенсивности деградационных процессов в металле после длительной эксплуатации. Сложность автоматизации таких измерений для стальных образцов состоит в том, что фронт трещины, как правило, неоднороден, ему присущи локальные искажения,
участки притупления трещины, вызывающие образование «бугорков» и «впадин» [5].
Использование псевдостереометричного анализа позволяет после обработки нескольких последовательно сделанных фотоизображений воспроизвести высоту поверхностного рельефа, т.е. получать дополнительные данные об изучаемом объекте. Однако в целом эта проблема изучена недостаточно, несмотря на наличие значительного количества методов обработки информации рассматриваемой поверхности [6]. Таким образом, создание универсального и эффективного подхода к вторичной обработке данных фракто-графического анализа является актуальной задачей [7].
Цель работы - разработка автоматизированного метода обработки данных фрактографиче-ских изображений с целью повышения информативности анализа механизмов разрушения материалов.
Материалы и методики исследования. Исследовали макро- и микроскорость роста усталостных трещин в призматических биметаллических образцах с боковым надрезом (SENT) при одноосном циклическом растяжении с частотой нагружения 0,1 Гц. Образцы вырезали из биметаллического (сталь 25Х1М1Ф + сталь 15Х13МФ) ^ ролика МНЛЗ. Предварительно в образцах вы- ™ ращивали усталостные трещины при частоте -25,0 Гц.
Изломы образцов исследовали методом £ фрактографического анализа с помощью растро- % вого электронного микроскопа типа РЭМ-106И s
Рис. 1. Схемы: а - фрактографического измерения микроскорости (шага бороздок усталости); б - стереоскопического измерения высоты неровностей поверхности биметаллического образца [7] (направление роста усталостной трещины указано
стрелками)
(рис. 1, а). Для определения высоты неровностей поверхности опытных образцов использовали метод псевдостереометрии [7]. В качестве стереопары использовали два изображения (11 и 12), полученные с помощью электронного микроскопа до и после поворота образца на определенный угол (рис. 1, б). На изображениях 11 и 12 идентифицировали положение базовой точки А и фиксировали ее координату хА1 (на первом изображении) и хА2 (на втором). Далее на обоих изображениях выбирали точку В, для которой нужно вычислить высоту относительно базовой точки А, и фиксировали ее координаты хВ1 (на первом изображении) и хВ2 (на втором).
Высоту между точками А и В вдоль координатной оси Z определяли по формуле [7]
ЪгА
8х
А2,В2
8яЛ1 В1 вша
' хВ1;
(1)
где ЬгА1,В1 = ¿А1 - ¿В1; ЬХА1,В1 = ХА1 ■
§хА2,В2 = хА2 — хВ2.
Анализируемую поверхность поворачивали вокруг своей оси по часовой стрелке на угол 20° с помощью гониометричного устройства микроскопа. Экспериментальная проверка алгоритма [8], разработанного на основе стереоскопического метода [7], проведенная ранее [9], позволила установить, что отклонение измеренной высоты рельефа поверхностей квазистатического вязкого разрушения от истинных значений не превышало 4,0%. Это послужило основной предпосылкой применения данного метода для анализа геометрических неровностей микрообъектов [9].
Особенности использования предложенной методики определения высоты. Для проведения расчетов автоматизированным методом
принципиальными являются соблюдение высокой точности угла стереоповорота образца, взаимная перпендикулярность оси поворота и оси наблюдения, а также одинаковое расположение оси поворота на обоих изображениях стереопары [8]. Эти условия обеспечивались механической частью микроскопа РЭМ-106И. Наиболее существенный вклад в накопление погрешности определения высоты вносит неточность локализации точек А и В. Одним из основных условий получения достоверных результатов с помощью описанной методики является выполнение неравенства Ах = §хА1,В1 - §хА2>В2 >> 0. Этого можно достичь увеличением разрешения фотокамеры и увеличением значения угла стереопо-ворота.
Важными факторами являются вид и качество самого изображения. Так, на нем в зоне определения высоты неровностей должны быть достаточно четкие морфологические образования, которые однозначно идентифицируются на обоих изображениях. Погрешность идентификации точек Хх существенно влияет на результат определения высоты, особенно при малых значениях Дх (Ах < 10 пикс). В связи с этим для получения достоверных результатов должно выполняться условие: Ах >> Хх.
Результаты анализа. Микроскорость роста усталостной трещины в биметалле описывали известным уравнением Периса
5 = С (Кы тах)«', (2)
где Кы тах - максимальный коэффициент интенсивности напряжений биметаллического образца в цикле нагружения; С и п - параметры, зависящие от механических свойств материала; 5 = Ып, где Ь - длина анализируемого участка излома; п - количество бороздок усталости на анализируемом участке материала.
Обобщенный вид коэффициента интенсивности напряжений биметаллического образца (см. рис. 1, а) записывали согласно данным работы [10] в виде выражения
ст уГчр
.. /7 ИИ * ""
«В = "
[(1 - Е2/£,) ч/^Т^ОМяТ^ + (Е2 /Ег) х^я/^), (3)
где Е1, Е2 - модуль Юнга соответственно первой и второй составляющих биметалла; ^ - ширина
Взаимосвязь между макро- и микроскоростью роста усталостной трещины в стали 25Х1М1Ф для биметаллических образцов
к-шах» Микроскорость Б, Макроскорость da/dN,
МПам1/2 х10-4, мм х10-4, мм/цикл
25 6,5 3,0
35 8,4 6,0
образца; W1 - ширина 1-го участка биметаллического образца.
На основании анализа данных таблицы можно утверждать, что наряду с образованием усталостных бороздок в материале действуют механизмы пластического сдвига, определяемые локальными напряжениями около вершины трещины, что обусловливает различие между микро- и макроскоростями ее роста. Хотя ранее установлено, что процесс пластического деформирования стали 25Х1М1Ф можно рассматривать как многоуровневую систему, в которой пластическое течение развивается как процесс, самосогласованный на микро-, мезо- и макро-масштабных уровнях [5, 11].
Необходимо подчеркнуть, что отличия в макро- и микроскорости являются одним из индикаторов изменения пространственной микроориентации трещины при ее «подрастании». При небольших увеличениях в изломе можно заметить отдельные участки с различно ориентированными усталостными бороздками.
Фрактографический анализ роста усталостной трещины. Циклическое деформирование приводит к интенсификации накопления усталостных повреждений в структурных элементах (зернах) материала, облегчая реализацию сдвиговых процессов, в связи с чем пластическая деформация происходит при значениях напряжений ниже границы текучести материала. Ярким проявлением влияния пластических деформаций на механизмы роста усталостной трещины при Ктах =35,0 МПа-м1/2 является форма бороздок усталости. При этом границы между конгломератами бороздок усталости сформированы в результате локализации деформаций и вязкохруп-кого отрыва (рис. 2).
Подобные процессы, только более низкого иерархического уровня происходят и при образовании бороздок усталости [10], однако величина этих образований меньше, а поверхность между ними имеет незначительную шероховатость, которая в сканирующем микроскопе выглядит как гладкая (см. рис. 2). Для измерения высоты бороздок относительно плоских участков выбира-
Рис. 2. Первичное (а) и вторичное (б) изображения (при 0° и 20°) с обозначенными точками измерения высоты бороздок усталости
ли базовые (Б) и анализируемые (Т) точки (см. рис. 2, б).
Необходимо отметить, что морфология бороздок усталости может меняться с увеличением длины трещины. При этом возрастает длина «одноориентованных» конгломератов бороздок усталости, что обусловлено интенсификацией и ростом сдвиговых процессов микроуровня в вершине усталостной трещины, что, как правило, приводит к увеличению ширины бороздок усталости (см. рис. 2).
Активация сдвиговых процессов обусловливает накопление структурных повреждений. Тангенциальные и нормальные напряжения, возникающие при циклическом деформировании поликристалла, обусловливают локализацию и накопление микродеформаций, сдвиги и повороты
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.