2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 6
ГЛАВА 1. УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВАНИИ.................................................... 11
1.1 .Усталостное разрушение металлов и сплавов................. 11
1.1.1. Периоды и стадии усталости................................. 11
1 Л.2 Факторы, влияющие на сопротивление усталости металлических
материалов........................................................ 15
1.2. Неразрушающие методы контроля структурных изменений при усталости............................................................. 16
1.2.1. Магнитный и магнитопорошковый методы....................... 17
1.2.2. Акустические методы неразрушающего контроля................ 17
1.2.3.Днагностика материалов рентгенографическими методами........ 19
1.3. Эволюция структуры, фазового состава и дислокационных субструктур при усталости................................................. 19
1.3.1. Типы дислокационных субструктур, возникающих при усталости... 19
1.3.2. Пути эволюции субструктуры и подготовка разрушения......... 22
1.4. Марганцевые стали и изменение их свойств при деформации...... 25
1.5. Модификация токовым воздействием свойств сталей различных структурных классов при усталости................................. 29
1.5.1. Общие представления об электропластическом эффекте......... 29
1.5.2.Изменение процесса распространения усталостных трещин при токовом воздействии................................................. 30
1.5.3. Эволюция физико-механических свойств и дислокационной субструктуры при токовом воздействии................................. 32
1.6. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования.. 35
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................ 37
2.1. Материалы для исследований .•................................ 37
2.2. Методика усталостных испытаний................................. 37
2.3. Методика и установка измерения скорости ультразвука............ 39
2.4. Генератор токовых импульсов.................................... 43
2.5. Методики структурных исследований.............................. 46
2.6. Методика количественной обработки результатов исследования 46
2.7. Методика рентгенографических исследований................... 51
2.8. Анализ напряжений в образце для усталостных испытаний.......... 54
ГЛАВА 3. ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УСТАЛОСТНО-НАГРУЖЕННЫХ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
ОТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМ1ІУЛЬСНОГ О ТОКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.. 61
3.1. Изменение скорости ультразвука при циклическом нагружении 61
3.2. Изменение скорости ультразвука от времени токового воздействия... 63
3.3. Изменение микротвердости перлитных колоний от длительности элекгростимуляции...........................................:....... 67
3.4. Изменение размера перлитных колоний от времени электростимуляции................................................................. 71
3.5. Анализ изменения величины внутренних напряжений и размера областей когерентного рассеяния....................................... 73
Выводы по главе 3................................................... 83
ГЛАВА 4. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛИ 45Г17ЮЗ, ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ И ТОКОВОЙ ОБРАБОТКИ........................................................... 85
4.1. Зеренная структура стали в исходном состоянии............ 85
4.2. Зеренная структура стали на промежуточной стадии цитирования... 90
4.3. Зеренная структура стали в разрушенном состоянии......... 95
4.4. Зеренная структура стали, формирующаяся в результате электростн-мулирования.............'.......................................... 107
4.5. Зеренная структура стали, формирующаяся после электростимул про-
4
вания цнклированных образцов.................................... 112
4.6. Зеренная структура стали, формирующаяся в результате циклического нагружения вплоть до разрушения образцов, подвергнутых на промежуточном этапе электростнмулированию....................... 116
4.7. Корреляции и тенденции в поведении зеренного ансамбля стали при усталостных испытаниях.......................................... 128
4.7.1. Испытания без электростимулирования...................... 128
4.7.2. Испытания в условиях промежуточного электростимулирования.... 128
Выводы по главе 4............................................... 131
ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭВОЛЮЦИИ ФАЗОВОГ О СОСТАВА И ДИСЛОКАЦИОННОЙ СУБСТРУКТУРЫ ПРИ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ СТАЛИ 45Г17ЮЗ
И В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРОВАНИЯ.............................. 133
5.1. Электронно-микроскопические исследования структуры стали в исходном состоянии................................................ 133
5.2. Структура стали, формирующаяся в результате усталостных испытаний............................................................. 139
5.3. Структура зоны разрушения, сформировавшаяся в результате усталостных испытаний......’........................................ 142
5.4. Структурно-фазовое состояние, формирующееся при элсктростиму-лнровании образцов в исходном состоянии......................... 154
5.5. Структурно-фазовые превращения, происходящие при электростимулировании стали, подвергнутой усталостным испытаниям... 157
5.6. Электроимпульсное модифицирование дислокационной субструктуры стали 45Г17ЮЗ................................................ 163
5.6.1. Влияние электростимулирования на состояние дефектной структуры стали, подвергнутой усталостным испытаниям (качественное описание)..................’.................................... 163
5.6.2. Результаты количественного анализа дислокационной
субструктуры стал и............................................ 166
5.6.2.1. Хаотическая дислокационная субструктура............... 166
5.6.2.2. Сетчатая дислокационная субструктура.................. 169
5.6.2.3. Фрагментированная дислокационная субструктура......... 170
5.6.3. Совместная эволюция трех типов субструктур.............. 171
5.6.4. Послойный анализ дислокационной субструктуры стали...... 172
5.7. Фазовый состав и дефектная субструктура зоны разрушения, сформировавшаяся в результате усталостных испытаний электроешмулнро-
ванной (на промежуточном этапе) стали.......................... 176
Выводы по главе 5.............................................. 184
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................ 187
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 191
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................... 215
6
ВВЕДЕНИЕ
Большое количество деталей и изделий машин работают при циклических нагрузках, что необратимо приводит к постепенному их разрушению в связи с исчерпанием ресурса. Попытки понять, как происходит разрушение, какие процессы лежат в основе этого явления предпринимаются с середины XIX века. Исследователи анализировали все типы усталости и различные этапы кривой усталости для материалов из сталей и сплавов различных структурных классов. Были получены уникальные данные, позволяющие объяснить разрушение изделий. Но вопрос о продлении срока службы материала и увеличении его ресурса так и не был решен. В настоящий момент времени предложен ряд способов повышения усталостного ресурса, при этом особое место занимают внешние энергетические воздействия, к которым относятся: магниго плазменная, радиационная обработки, обработка лазерными пучками, ионная имплантация и др. Одним из данных методов является воздействие импульсами электрического тока (электростнмулирование). Эффект, в ходе которого происходят изменения свойств сталей при обработке токовыми импульсами, получил название элек-тропластического эффекта. Установлено, что при воздействии импульсами электрического тока залечиваются мезоконцентраторы напряжений, происходит релаксация напряжений и др. Все эти факторы приводят к повышению усталостного ресурса на 15-25%. Однако, физическая природа эффекга токового воздействия при усталости до сих пор изучена недостаточна. При решении этой проблемы необходимы исследования влияния импульсов электрического тока на дефектную структуру и фазовый состав материалов. В связи с этим актуальной является затача исследования эволюции дислокационной и зеренной структуры при импульсной токовой обработке изделий, работающих в режиме усталости, с целью выяснения физической природы повышения усталостного ресурса.
Цель работы: провести исследования эволюции тонкой и зеренной структуры и фазового состава аустёнитной стали 45Г17103 при усталости с
электростимулированием для установления физической природы и механизмов увеличения ее усталостной прочности.
Для ее реализации необходимо решение следующих задач:
1. Подбор эффективных параметров импульсного токового воздействия на сталях 40 и 45 при установлении изменения физико-механических свойств этих статей при различной длительности воздействия током;
2. Исследование эволюции металлографической структуры стали 45Г17ЮЗ при обычной усталости и в условиях воздействия токовыми импульсами.
3. Сравнительный анализ эволюции дислокационной структуры и фазового состава стали 45Г17ЮЗ при обычной и элекгростимулированной усталости.
4. Выяснение физической природы разрушения в результате усталостных испытаний и увеличения числа циклов до разрушения путем анализа факторов, определяющих повышение предела выносливости и остаточного ресурса.
Научная новизна состоит в получении новых результатов, отражающих изменение физико-механических свойств сталей 40 и 45 от длительности импульсного токового воздействия; в анализе эволюции зеренной и дислокационных структур и фазового состава стали 45Г17ЮЗ при обычной усталости и в условиях обработки токовыми импульсами; в установлении механизмов повышения усталостной прочности стали электростимулированием.
Практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается в установлении эффективных параметров импульсного токового воздействия с целью получения наибольшего повышения усталостного ресурса сталей 40 и 45 на основании изменения их физико-механических свойств при различной длительности воздействия током; в получении данных об эволюции дефектной структуры аустеннтной стали, позволяющих сформулировать рекомендации по внедрению технологии импульсной токовой обработки, увеличивающей ресурс изделий, работающих в режимах усталости, в промышленность.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в проведении усталостных экспериментов как с воздействием импульсами электри-
8
чсского тока, так и без него, в получении данных оптических, электронно-микроскопических и др. исследований, в обработке полученных результатов.
Настоящая работа проводилась в соответствии с программой фундаментальных исследований «Повышение надежности систем: «машина-человек-среда» АН СССР на 1989-2000г.; Федеральной целевой программой «Интеграция» на 1997-2002г., 2002-2006г (направление 1.4. проект П-0043 «Фундаментальные проблемы материаловедения и современные технологии»); фантами Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам металлургии на 1998-2002г.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты изменения физико-механических свойств сталей 40 и 45 при циклическом нагружении с токовым импульсным воздействием для установления его эффективных параметров.
2. Экспериментально установленный факт повышения предела выносливости и остаточного ресурса стати 45Г17103, подвергнутой промежуточному токовому воздействию.
3. Сравнительные результаты исследования эволюции зеренного ансамбля, фазовых и субструктурных превращений стали 45Г17ЮЗ в процессе обычных циклических испытаний и с токовым воздействием.
1. Выявленные механизмы повышения предела выносливости стали 45Г17103 при электростимулировании.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных и сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: European conference ’’Junior Euromat”. Lausanne. Switzerland. 2000; V собрании металловедов России. Краснодар. 2001; IV Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и
долговечности конструкций и методы их решения». Санкт-Петербург. 2001; Бернштсйновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов. Москва. 2001; Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов». Екатеринбург. 2001; VI Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий». Обнинск. 2001; X Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах». Тула. 2001; Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов». Екатеринбург. 2001; 7,h European Conference on Advanced Materials and Processes. Rimini. Italy. 2001; IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов». Томск. 2001; VI Sino-Russian International Symposium on new materials and technologies “New Materials and Technologies in 21st Century” Beijing. China. 2001; V Международном семинаре «Современные проблемы прочности» нм. В.А. Лихачева. Старая Русса. 2001; XXXVIII, XXXIX Между народных семинарах «Актуальные проблемы прочности». Санкт-Петербург. 2001 Черноголовка. 2002; XVI Уральской школе метал-ловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов». Уфа. 2002; XIII Петербургских чтениях по проблемам прочности. Санкт-Петербург. 2002, I-й Евразийской научно-практической конференции "Прочность неоднородных структур". Москва. 2002; Symposium of Croatian metallurgical society “Materials and Metallurgy'” Opatia. Croatia. 2002; 11" International Metallurgical & Materials Conference METAL. Ostrava. Czech Republic. 2002.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 32 печатных работах (из них 18 статей).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 259 наименований, содержит 216 страниц машинописного текста, включая 20 таблиц и 69 рисунков.
11
ГЛАВА 1 УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ Э Л ЕКТРОСТ11М У Л И РОВАНН И И
Проблема усталости актуальна до сих пор, хотя ею занимаются более 100 лет. Огромное количество работ, посвященное изучению усталости, в большей степени подчеркивает ее сложность, чем указывает пути решения [1]. Существует достаточно много неясностей как в объяснении природы повреждаемости [3] при усталостном нагружении, так и при диагностировании усталости (2-5]. Работы последних лет указывают на сложную природу явления усталости, связанную с самоорганизацией, накоплением и взаимодействием дефектов в процессе усталостного нагружения [6].
1 Л.Усталостное разрушение металлов и сплавов
Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжении, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению называется устатостью [7].
В настоящее время различают многоцикловую усталость и малоцикловую усталость [8]. Согласно ГОСТа 23.207-78 (9] многоцикловая усталость - это усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании, а матоцикловая усталость -усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упруго - пластическом деформировании [10-16].
1.1.1. Периоды и стадии усталости
Наиболее полно периоды и стадии усталости отражаются при построении кривой Велера или кривой усталости. На рис. 1.1 представлена полная кривая усталости в диапазоне напряжений от временного сопротивления разрушению (предела прочности) до предела выносливости (предела усталости). Построение полных кривых усталости позволяет понять суть методов расчета несущей спо-
12
Рис. 1.1. Схема диаграммы усталостного разрушения. ов - предел прочности при растяжении; о* - напряжение первого излома кривой; ои- напряжение, соответствующее разрыву или перелому; предел усталости; оыс - напряжение циклической чувствительности; о^. - циклический предел упругости; Н. - граничное число циклов; Ы„, - база циклов для определения <т1й; 1-7 - стадии циклического упрочнения
Малоникловэя усгалосгь и ра {рушение
Временная усталсимпая проч| V (кривая долговечное! и)
Высокоцнкловаи ус1а.!осхь и рафушеммс
Безопасное
Ш1КЛ ПЧССКОС
нагружение
Устойчивая усталостная прочное1Ь
13
собности в каждой области кривой усталости и улучшить методику исследований при нестационарных циклических нагрузках [12, 17-20].
Вся полная кривая усталости разделяется на две основные области: малоцикловой и многоцикловой усталости. Ряд исследований показывает, что условной границей между этими областями является напряжение, равное динамическому пределу текучести [11,21-23].
Область малоцикловой усталости охватывает диапазон напряжений от оц до Ок. В этой области можно выделить два характерных участка. На участке I (АС), который иногда называют участком циклической ползучести, разрушение пластичных металлических материалов носит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома. Для этого участка характерно непрерывно возрастающее с числом циклов нагружения накопление пластической деформации. На участке II (СЕ) на поверхности разрушения уже отчетливо можно выделить зону усталостного излома. Напряжение перехода от одного вида разрушения к другому при малоцикловой усталости обозначено через О/ [24,25].
Периодичность и стадийность процессов пластической деформации при статическом растяжении для металлов, имеющих физический предел текучести, может быть рассмотрена с учетом накопления повреждений. Это наиболее сложный вид диаграммы статического растяжения у металлических материалов. Усложнить эту диаграмму можно лишь, добавив участок деформации прерывистой текучести, которая иногда наблюдается на стадии деформационного упрочнения [26].
В настоящее время при рассмотрении процесса разрушения металлических материалов принято весь процесс накопления деформации и разрушения делить на два основных периода - период зарождения и период распространения трещин. При статическом растяжении, по-внди.мо.му, можно пластическую деформацию и повреждения, накопленные до начала образования шейки, классифицировать как период зарождения трещин [27].
Фундаментальной особенность^) поведения металлических материалов,
14
подвергающихся разрушению, является непременное наличие перед разрушением микро - или макродеформации. В зависимости от структу рного состояния, вида нагружения и асимметрии цикла предел выносливости ОЦК - металлов и сплавов может быть по своему значению выше или ниже физического предела текучести. В том случае, когда он ниже физического предела текучести (наиболее частый случай), циклическое деформирование начинается со стадии цинической текучести [28].
Стадия циклической текучести наблюдается у металлических материалов, имеющих физический предел текучести, и связана с прохождением фронта Лю-дерса-Чернова в условиях циклического деформирования. После достижения определенного числа циклов наблюдается начало раскрытия петли гистерезиса и снижение действующего напряжения у образцов из отожженного железа. Происходит процесс макроскопического циклического разупрочнения. Такое поведение характерно для материалов, имеющих физический предел текучести, и испытываемых на усталость ниже статического предела текучести.
Для металлических материалов, не имеющих физического предела текучести, усталостный процесс начинается с кратковременной стадии циклической текучести, а затем следует стадия цинического деформационного упрочнении (разупрочнения). Эту стадию следует рассматривать как конкуренцию двух кинетических процессов - пластической деформации и разрушения [29].
На стадии циклического упрочнения (разупрочнения) происходит интенсивное изменение механических свойств до определенного числа циклов, после чего происходит их стабилизация.
Циклическое упрочнение обычно наблюдается у пластичных металлических материалов, а циклическое разупрочнение у высокопрочных или предварительно деформированных материалов. У металлов и сплавов, имеющих физический предел текучести, вначале наблюдается циклическое разупрочнение, связанное с негомогенностью пластической деформации на площадке текучести, а затем упрочнение.
15
Механизмы деформационного упрочнения при усталости в основном такие же, как и при статическом деформировании. Все они связаны с взаимодействием движущихся дислокации с различного рода препятствиями: с другими дислокациями; границами зерен; растворенными чужеродными атомами и различного рода частицами (когерентными и некогерентными выделениями, упорядоченными фазами и крупными вторыми фазами) [30-35].
При циклическом деформировании могут наблюдаться те же механизмы зарождения трещин, которые свойственны и другим видам нафужения: механизм слияния дислокаций; механизм заторможенного сдвига; механизм вскрытия полосы скольжения; механизм Коттрелла; зарождение микротрещин на пересечении полос скольжения; образование субмикротрещин на краю субграницы; образование трещин при взаимодействии двойников; возникновение микротрещин на поверхностях раздела [31-35].
1.1.2. Факторы, влияющие на сопротивление усталости металлических материалов Сложность прогнозирования поведения металлических материалов при циклическом нафужении связана с тем, что оно зависит от многих факторов, причем различные факторы по-разному влияют на циклическую прочность. Влияние структурного состояния и состояния поверхностного слоя. Важнейшим структурным параметром металлических материалов является размер зерна. В высокопрочных металлических материалах часто определяющим структурным фактором является размер субзерна или одной из струюурных составляющих [35]. Чаше всего с уменьшением размера зерна предел выносливости возрастает, хотя в ряде работ показано, что измельчение структуры металла не всегда приводит к изменению долговечности [10,36].
Как правило, усталостное разрушение начинается с поверхности металлических материалов. Это связано с тем, что наиболее интенсивная пластическая деформация при усталости протекает в приповерхностных слоях глуби-
10
ной порядка размера зерна. Поведение и состояние этого слоя определяет долговечность до зарождения усталостных трещин и во взаимосвязи с деформационными характеристиками всего объема металла определяет уровень предела выносливости, а также уровень порогового коэффициента интенсивности напряжении, необходимого для старта усталостной трещины [37].
Влияние температуры и среды испытания. При повышенных температурах испытания на усталость обычно наблюдается снижение пределов выносливости в связи с влиянием процессов ползучести, особенно в случае, если среднее напряжение цикла не равно нулю. Снижение температуры испытания ниже комнатной у гладких образцов приводит к повышению прочностных характеристик механических свойств и пределов выносливости [38,39].
Масштабный фактор. Под масштабным фактором понимают снижение пределов выносливости образцов или деталей с ростом их абсолютных размеров. Для оценки влияния масштабного фактора вводят коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения £<,=<*яа/'оя> где (оК(1 - предел выносливости образцов с диаметром большим 7,5 мм; ак - предел выносливости образцов с диаметром меньше 6=7,5 мм [7].
Влияние частоты нагружения. При испытании в условиях комнатной температуры и отсутствия коррозии с ростом частоты нагружения несколько возрастают величины пределов выносливости и число циклов до разрушения образцов, так увеличение частоты от 30 до 10* Гц приводит к повышению пределов выносливости до 20%. Объяснение этого заключается в том, что долговечность связана с величиной пластической деформации в процессе каждого цикла изменения нагружения, а при высоких частотах эго время мало для того, чтобы произошла деформация, так что результирующее повреждение может быть меньше [6].
Анализ других многочисленных факторов приведен в [17-25].
1.2. Нсразрушаюшие методы контроля структурных
17
изменений при усталости Выбор метода и прибора неразрушающего контроля для решения задач дефектоскопии, толшинометрин, структуроскопии и технической диагностики зависит от параметров контролируемого объекта и условий его обследования [40]. Ниже будут рассмотрены основные методы неразрушающего контроля, применяемые для анализа изменений, происходящих с металлом при различных видах деформации.
1.2.1. Магнитный и магнитопорошковый методы Магнитные методы применяют в основном для неразрушающего контроля изделия из ферромагнитных материалов, находящихся в намагниченном состоянии. Дефекты оптимально обнаруживаются в случае, когда направление намагничивания контролируемой детали перпендикулярно направлению дефекта. Поэтому простые детали намагничивают в двух направлениях, а детали сложной формы - в нескольких направлениях [41].
Магнитоиорошковый метод позволяет обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты типа трещин (закалочных, усталостных, шлифовочных и.т.п.), расслоение, заковов, непроваров стыковых сварных соединений, надрывов и.т.п. Подповерхностные дефекты на глубине примерно до 100 мкм могут быть обнаружены практически при такой же высокой чувствительности, что и поверхностные дефекты [42-44].
1.2.2. Акустические методы неразрушающего контроля Применение акустических методов контроля особенно актуально, так как в последнее время установлена связь между акустическими и прочностными свойствами металлов [45].
Методы акустического контроля могут быть разделены на две группы: 1) методы, основанные на излучении и приеме акустических волн; 2) методы, основанные на регистрации акустических волн, возникающих в металле.
18
В первой группе различают методы контроля с использованием бегущих и стоящих волн или резонансных колебаний контролируемого объекта. Это следующие методы: 1.Теневой метод. 2.Эхо-метод. 3.Зеркально-теневой метод.
4.Импедансный метод [46-48].
Ко второй группе методов относится метод акустической эмиссии, основанный на регистрации упругих волн, возникающих в момент образования или развития трещин. В этом случае излучателем ультразвука является образующийся дефект. Признаком достижения опасного состояния конструкции является увеличение частоты следования или амплитуды сигналов [48, 52-60].
Большое применение нашел метод автоциркуяяции импульсов, суть которого заключается в том, что прошедший по образцу ультразвуковой импульс преобразуется в приемном иьезопрсобразователе в электрический сигнал, формирующий следутощий вводимый в образец импульс [61]. При этом частота импульсов автоциркуляцин зависит от времени пробега импульсом расстояния между пьезопреобразователями, а значит - от скорости распространения ультразвука (СУЗ) в образце. Авторы [62,63] использовали этот метод и установили, что во время усталостных испытаний СУЗ непрерывно падает, и зависимость СУЗ от числа циклов нагружения имеет вид трехстадийной убывающей кривой. Для других статей зависимость полностью аналогична. Отличия могут касаться только длительности отдельных стадий. Так, например, авторами [64,65] установлено, что общая продолжительность такого рода процесса для рельсовой стали М76 значительно меньше и составляет всего около 3,5-10* циклов нагружения. Для среднеуглеродисгых статей при амплитуде напряжения 160 МПа длительность первого этапа составляет -103 циклов, второго около 10л циклов, а длительность заключительного этапа - 1,5-103 циклов нагружения. Т.е. зависимость СУЗ от числа циклов нагружения Уц(п) или ЛУ/Ук(п) может служить характеристикой поведения индивидуального объекта в условиях устаюстного нагружения, указывая, насколько близок исследуемый объект к разрушению. По мнению авторов [62-67], резкий спад СУЗ при усталостных испытаниях свя-
19
зан с появлением усталостных трешин и сигнализирует о приближении заключительного этапа процесса - перехода к хрупкому долому и разрушению образца или изделия. Такой признак является информативным для конкретного образца и с достаточной степенью точности предупреждает о начале разрушения.
1.2.3.Диагностика материалов рентгенографическими методами
Говоря о методах неразрушающего контроля нельзя не упомянуть о рентгеновских методах. Эти методы вполне можно считать неразрушающим методом контроля, однако они требуют модифицирования гониометрической приставки для съемки образцов больших размеров. Рентгеновскими методами можно определять изменение межатомных расстояний, фазовый состав материала, напряжения первого и второго родов, размер областей когерентного рассеяния [68].
1.3. Эволюция структуры, фазового состава н дислокационных
субструктур при усталости
1.3.1. Типы дислокационных субструктур. возникающих при усталости По типу дислокационной субструктуры (ДСС), характерной для начальной стадии усталостных испытаний, и закономерностям ее эволюции в ходе циклических нагрузок все изученные материалы, по мнению авторов работ [69] можно разделить на три группы.
К первой группе материалов относятся металлы и сплавы, для малых пластических деформаций которых характерным является хаотическое распределение дислокаций и дислокационных петель малого диаметра [70-91]. Это алюминий, сплавы на его основе и некоторые типы аустенитных сталей [92-93]. Наиболее ярко этот тип субструктуры выражен в чистом алюминии, в субструктуре которого наблюдаются дислокационные клубки, часто параллельные плоскостям {112} [71,72]. 13 ходе дальнейших испытаний наблюдается замыка-
20
ние клубков, в результате него формируется новый тип ДСС - ячеистая с>б-структура [72].
Представителями второй группы материмое являются медь, никель, латунь М8, аустснитныс стали. При небольших суммарных пластических деформациях в этих материалах образуются сгущения первичных дислокаций, большая часть которых находится в дипольных конфигурациях [94-97]. Формирование такой субструктуры характерно для начальной стадии кривой усталостного нагружения. При дальнейшем нагружении сгущения уплотняются и в результате образуется субструктура, которая имеет несколько названий: матричная [95,98], субструктура с неплотными дислокационными стенками [96], венная [99-101], матричные вены [102], матричная структура с венами и каналами [97].
Первые работы по исследованию дислокационной субструктуры были выполнены на меди, испытанной на стадии насыщения [95-104]. Отличительной чертой этой стадии является образование полос устойчивого скольжения (persistent slip bands - PSB). В середине стадии насыщения они занимают примерно одну десятую всего объема кристалла, занятого дефектной структурой [95]. В связи с этим термин «матричная» отражает, с одной стороны, доминирование этой субструктуры, с другой - более раннее по времени ее формирование ио сравнению с PSB. Развитие массового вторичного скольжения приводит к дислокационным реакциям с дислокациями сгущений - «вен» ~ и, как следствие, образуется еще один тип субструктуры - wall structure или «стеночная» субструктура. Присутствие в стенках вторичных дислокаций, плотность дислокаций в стенках, разориентировки через границы стенок позволяет выделить этот тип дислокационной субструктуры в самостоятельный. Стеночная суб-структура является наиболее характерной для материалов второй группы. На стадии насыщения она обнаруживается в ГЦК монокристаллах меди и никеля [94-108], поликристаллов ГЦК металлов и сплавов [80,81,98-101,109,110], в нержавеющих сталях при повышенных температурах испытания [111]. В монокристаллах с высокоснммстричной ориентировкой оси нагружения наблюдает-
- Київ+380960830922