книги / Микропластичность и усталость металлов
..pdfОценка качества систем исследования механических свойств ма териалов возможна по трем независимым параметрам: 1) по точно сти измерения и управления режимами испытательных средств; 2) по степени автоматизации исследования; 3) по уровню математи ческого обеспечения (МО) экспериментов. Тогда оценка качества испытательной системы может быть описана соотношением [7ф
|
п |
|
\ 2 |
/ т |
v $ + "П/+ б/ |
■/. |
|
|
2 ^ |
+ р?+ у]J + ( 2 |
(4) |
||||
где п и т — количество оцениваемых |
управляемых и |
измеренных |
|||||
параметров |
соответственно; а |
и |
р, — оценки точности |
управления |
|||
и измерения; Р и |
т] — оценки |
степени |
автоматизации систем; у |
у |
|||
•б — оценки |
уровня |
МО в системах испытательного воздействия |
и |
получаемой информации. В табл. 1 приведены оценки качества ис пытательных машин некоторых ведущих фирм. Системы фирмы «MTS Systems Corporation» (США), несмотря па высокую степень автоматизации и широкий диапазон воспроизводимых режимов, по
точности |
измерений уступают системам |
фирмы «Instron» |
(Англия). |
В свою |
очередь автоматизированные |
установки фирмы |
«Instron» |
ведут регистрацию на самописцы, что усложняет процесс последу ющего анализа. Испытательные системы отечественного производ ства (СССР) по основным техническим характеристикам испыта тельных машин (точности и количеству воспроизводимых режимов испытаний) соответствуют уровню лучших зарубежных образцов, однако существенно отстают по уровню автоматизации.
На рис. 5 представлены диаграммы статического (машина «Instron — ТТ—DM», скорость деформирования 1,1-10-3 с-1) и цик лического повторного растяжения (микропульсатор Шенка, частота нагружения 2800 Цикл/мин при напряжении 210 МПа) низкоуглеро дистой стали, содержащей 0,15% (по массе) С [8]. С достаточной достоверностью Можно выделить основные стадии возникновения микротекучести (сМ. рис. 5): стадия упругой деформации до значе ния напряжения ое, микропластической — от напряжения <5е до (То и стадия предТекучести в интервале от сто до <т*. Соответствую щая этапность процесса сохраняется при циклическом нагружении. На рис. 5,6 началу стадии циклической текучести соответствует кривая 1; кривая 2 — ее окончанию и кривая 3 — стабилизации ста дии циклической 'Текучести.
Чувствительность измерения деформации определяется рабочи ми параметрами Самих датчиков, механическим фоном вибраций, электрической и температурной стабильностью. В измерительной технике в качестве высокочувствительных датчиков деформации наибольшее распространение получили струнные, емкостные и ин дуктивные тензометры. Чувствительность датчиков сопротивления в основном определяется упруго-резистометрическими свойствами проволоки. Чувствительность оптико-механических экстеизометров колеблется от 10^5 до 10~6, для датчиков, использующих эффект муара и дифракционные решетки, от 10~4 до 10_6, для датчиков кручения превышает 10~7 и т. д.
Область применения метода измерения микродеформации опре деляется не только различием между минимальной и максимальной
деформациями, но и возможностью перекрытия измерений в обла стях больших и малых деформаций. Емкостный датчик имеет прак тически неограниченное перемещение, но его чувствительность огра ничена флуктуациями диэлектрической проницаемости между плас тинами конденсатора. Применение датчиков сопротивления при больших пластических деформациях затруднительно в связи с не линейностью изменения электросопротивления и с возможностью
<*>МПа б,МПа
Рис. 5. Начальный участок кривой статического растяжения (а) и диаграмма усталости (6) низкоуглеродистой стали:
/ и / / — области циклической микро- и макротекучести соответственно (о w —
предел усталости; а циклический предел текучести) [14]
пластического деформирования датчика. Воспроизводимость кривых на рекордере при нагружении — разгружении образца в чисто уп ругой области определяет обратимость измерительной системы. Оп тико-механические системы обычно плохо воспроизводимы в связи с наличием механического люфта; обратимость датчиков сопротив ления лимитируется параметрами связывающего вещества, с по мощью которого датчик крепят к поверхности образца. В последнем случае иногда получают кривые напряжение—деформация с отри цательным начальным наклоном вследствие эффектов релаксации в связующем слое.
Одной из важных характеристик измерительных приборов явля ется их линейность в упругой области нагружения образца. Струн ные тензометры обладают существенным недостатком — нелиней ностью их характеристик, что существенно усложняет обработку ре зультатов измерения и затрудняет, а при очень высокой чувстви-* тельности исключает калибровку тензометров с необходимой точ ностью. Емкостный датчик в принципе нелинеен при больших пере мещениях, так как емкость изменяется обратно пропорционально перемещению. Однако в области малых перемещений по отношению к начальному зазору емкостный датчик практически линеен. Боль шим линейным участком характеристики обладают индуктивные дифференциальные тензометры с продольным перемещением якоря, выполненные по трансформаторной схеме.
Рассмотрим подробнее некоторые примеры экспериментального определения микродеформаций. В работе [1] приведены компонов ка рабочего измерительного узла и блок-схема установки с ем
костным датчиком применительно к испытательной машине типа «Instron» (рис. 6). Основными элементами измерительной головки являются образец 3, захваты 2 и 4, обеспечивающие крепление уст ройства к динамометрической головке 1 и траверсе 5, и экстензометр. Датчик 11 через емкостной мост 10 и делитель напряжений 9 связан в блок-схеме с координатным самописцем 3, а потенциометр 7, механически управляемый от пера самописца, связан с динамо метрической головкой 1 и записывающим прибором 6. Размеры об разца могут изменяться в широких пределах, а его поверхность
обычно электрополнруют для устранения влия ния предварительной механической обработки. Применение шаровых опор позволяет свести дополнительные напряжения от изгиба к не скольким процентам от величины среднего растягивающего напряжения. Конструкция опоры предполагает самоцентрирование образ ца при малых начальных нагрузках.
Рис. 6. Узел нагружения (о) и блок-схема (6) установки с емкостным дат чиком [1]
Чувствительность экстензометра, представляющего собой плос кий пластинчатый конденсатор, пропорциональна квадрату рассто яния между пластинами. Поэтому возможно установить начальный зазор в соответствии с желаемой чувствительностью и ожидаемым перемещением при испытании. В настоящее время выпускаются промышленные емкостные экстензометры, позволяющие осуществ лять регулирование начального зазора и калибровку экстензометра. Для обеспечения линейной функции изменения емкости от переме-
щснпЯ последнее не должно превышать 1% от величины начального зазора между пластинами. При испытании образца нагрузку снача ла ограничивают упругой областью, где можно получить линейность и обратимость после юстировки установки и образца. Температур ные флуктуации или электрические помехи выявляют на контроль ных образцах с высоким пределом упругости.
В работе [9] описаны блок-схема и конструкция дифференци ального тензометра, выполненного по трансформаторной схеме. Тен зометр обладает чувствительностью 0,01 мкм, диапазоном линейно сти 4 мм и возможностью электрической установки нуля характе ристики при любом положении якоря. При малых габаритах датчи ка чувствительность может быть повышена увеличением числа вит ков на 1 см длины. Однако эта возможность существенно ограни чена неидентичностыо вторичных обмоток, включенных дифферен циально. Авторы работы [9] в результате фазоамплитудной компен сации добились уменьшения остаточного сигнала до 60 мкВ и зна чительного повышения чувствительности тензометра. При этом со хранен широкий линейный диапазон характеристик, равный 4 мм. Высокая чувствительность во всем линейном диапазоне характерис тики датчика достигнута за счет того, что разностный сигнал при промежуточном положении якоря компенсируется входным напря жением, фаза и амплитуда которого подобраны специальным фазо вращателем и аттенюатором. Это дает возможность при любом по ложении якоря плавно изменять чувствительность вплоть до самой высокой. Тензометр в силу своей дифференциальности малочувст вителен к любым помехам, конструкция его проста и надежна. Кратковременная нестабильность, вызванная флуктуациями пита ющих напряжений, термическими флуктуациями, вибрациями якоря п т. д., составляет ±0,005 мкм. Долговременная нестабильность после предварительного прогрева всей аппаратуры в течение 1 ч
составляет ±0,05 мкм за двое |
суток. |
дифференциально |
||
Оригинальная |
установка |
с использованием |
||
го трансформатора для измерения микродеформаций |
при сжатии |
|||
описана в работе |
[10]. Прибор сконструирован |
таким |
образом, что |
он размещается между подвижной траверсой и динамометрической головкой, установленной на основании испытательной машины. На грузка передается через шары из закаленной стали и плунжеры, которые скользят внутри цилиндра. Специальные нагружающие приспособления позволяют получить высокую точность установки образца. Выходной сигнал преобразователя, измеряющий деформа цию, линеен в широком интервале перемещений. Перемещение из меряют линейным переменным дифференциальным трансформато ром (ЛПДТ), который смонтирован на алюминиевых рычагах, ук репленных на плунжерах. Выходной сигнал ЛПДТ подается непо средственно на рекордер х — у. Чувствительность измерения деформа ций достигает 2• 10—6. Испытания при температурах, отличающихся от комнатной, встречают определенные трудности, так как ЛПДТ должен быть вынесен из зоны нагрева (или охлаждения).
Разработка схем и методов измерения микродеформаций про текает весьма высокими темпами. Достигнуты существенные успе хи как в области разработки новых принципов преобразования ме ханических величин, повышения точности измерений, так и в освое нии промышленностью новых видов преобразователен, датчиков, из мерительных и регистрирующих приборов. Большие исследования
проведены также по автоматизации измерений и автоматизирован ной обработке результатов измерений как детерминированных, так
и случайных процессов.
Микромеханические методы исследования. Мнкромеханические испытания характеризуют неоднородность протекания деформации в микрообъемах упруго-пластичсского или пластического нагруже ния образца в целом. Исследования в этом направлении позволяют связать элементарные акты микропластичности с макроскопически ми характеристиками материалов и изучить локальный характер зарождения и развития очагов разрушения при циклическом нагру
жении. Согласно Я. Б. Фридману |
[И ], в области микромеханиче- |
ских исследований определились |
три основных направления. |
1.Изучение структурных изменений во время пластической де формации, образования и распространения трещин как при одно кратных, так и при повторных нагружениях (структурно-механиче ские методы).
2.Определение механических свойств в пластической области без разрушения, начиная от свойств отдельных структурных состав ляющих до свойств поликристалла в целом путем испытания на мнкротвсрдость.
3.Мнкромеханические испытания до разрушения мнкрообразцов с получением основных характеристик прочности и пластично сти весьма малых объемов металла.
С т р у к т у р н о ' м е х а н и ч е с к и е и с п ы т а н и я образцов вплоть до разрыва проводят па столике микроскопа. При этом уда лось наблюдать появление первых линий сдвигов в отдельных зер нах с взаимно-близкой ориентацией кристаллографических плоскос тей по направлению максимальных касательных напряжений. Боль шое распространение получают методы высокотемпературной ме таллографии (например, установки типа ИМАШ), сочетающие ис следования микроструктуры металлов в поле длиннофокусного мик роскопа при нагреве, изотермической выдержке и охлаждении с на ложением постоянной или переменной нагрузок.
В последнее время уделяют внимание разработке приспособле
ний |
для пластического |
деформирования образцов непосредственно |
в электронном микроскопе. Большинство из них позволяет наблю |
||
дать |
возникновение* ц |
движение дислокаций в тонкой фольге при |
медленной контролируемой скорости деформации и малой общей деформации, а так^а изучать разрушение тонких фольг при боль ших деформациях. В работе [12]. локальное поле напряжений опре делено по изгибу атомных плоскостей, непосредственно наблюдае мому в электронно^ микроскопе. В качестве примера можно также обратить внимание ца изучение эволюции дислокационной струк туры, приводящей к усталостной повреждаемости металлов [13— 15]-. Развитие специфической полосовой структуры связано с фор мированием локально микрообъемов, имеющих критическую плот
ность дислокации, 0 которых релаксация напряжений |
протекает |
в процессе усталоетп0го нагружения за счет развития |
субмнкро- |
н микротрещпн. |
|
Указанные пр1|срособлсппя представляют собой миниатюрные испытательные маи|ипь1, вмонтированные в камере—объекте микро скопа. В отдельны,^ вариантах плоский микрообразец стандартной формы прикрепляю^ шпильками к захватам машины. Образен дс-
формируется при перемещении захватов от приводного стержня ме ханизмов и по ходу нагружения наблюдают изменение дислокаци
онной структуры |
в участке образца, прозрачного |
для электронов. |
В других случаях |
образец приклеивают к торцам |
биметаллических |
пластин, которые расходятся в стороны при нагреве. Такие приспо собления используют в микроскопах типа УЭМВ—100В.
Следует отметить и интенсивное развитие элсктрониофрактографических исследований при изучении кинетики развития трещи ны в поле действующих напряжений. Фрактография на атомном уровне вполне достижима при использовании современной техни ки эксперимента по декорированию поверхностей скола и ее успеш но применяют для изучения процессов взаимодействия растущей трещины с дефектами решетки. Электронная фрактография при
менима не только для |
изучения стадии распространения трещины, |
но и для более ранних |
стадий накопления повреждаемости (напри |
мер, для железа в виде прерывистых и сплошных бороздок). В на стоящее время электрониофрактографические исследования все в большей мере направлены на количественное изучение особенностей поверхности разрушения (например, на условия образования мнкрополос за цикл нагружения при усталостных испытаниях) и уста новление их связи с механическими характеристиками материала. Имеются достаточно надежные данные о влиянии усталостного воз действия на характер образующегося микрорельефа изломов (строчсчность, усталостные бороздки, сколы, межзереиное разрушение, ямки и др.). Для отдельных участков усталостной диаграммы при данной температуре опыта характерен особый типичный микрорель еф [16], обусловленный определенным механизмом роста усталост ной трещины. При небольших скоростях рост трещины контроли руется отношением размера пластической зоны к величине зерна. Растровую электронную микроскопию все чаще используют для ко личественной стсреофрактографни усталостных изломов.
Металлические материалы работают всегда с готовыми или по являющимися на самых ранних этапах деформирования микротрсщинами, их развитие при деформировании изделия приводит к ло кальному или полному разрушению. Это предопределило давний и нспереходящий интерес к структурно-механическому изучению за рождения микротрещин и их развитию под внешней нагрузкой, а также к разработке методик исследования процессов, происходя щих в окрестности остроконечных концентраторов напряжений [17]- Обоснован новый критерий свойств материалов— эффективная по верхностная энергия материала как характеристика его сопротивле ния развитию трещины и получены многие другие интересные ре зультаты. Примером аппаратуры, используемой для исследования кинетики зарождения и распространения трещин при испытаниях до !000°С в условиях вакуума (или инертных сред), может служить установка, описанная в работе [18]-. Установка предназначена для испытания плоских образцов шириной до 50 мм при переменном и постоянном нагружениях. Микроскоп, фото- п кинокамера, а так же двухкоординатный самописец регистрируют исследуемые про' цессы.
М е т о д м и к р о т в е р д о с т и широко используют в приклад ном металловедении для решения таких задач, как упрочнение от дельных фаз и структурных составляющих двойных и тройных спля' вов, определение свойств тонких поверхностных слоев и приграннч
ных зон, распределение деформаций после холодной обработки дав лением, изучение закономерностей статического и циклического на гружения материалов и др.
В настоящее время вместо определения величины диаметра от печатка широко исследуют параметры, более чувствительные к структуре и свойствам материалов, — дислокационные лучи, опре деляющие характер пластической деформации под индентором. Уже простое травление поверхности образца дает информацию, несопос тавимо более обширную. Послойное травление, вскрывающее объем ную структуру дислокационных лучей, дает информацию о своей дислокационной специфике пластической деформации металлов.
Рассмотрение методик определения микротвердости является самостоятельной областью экспериментальной техники.
М и к р о м е х а н и ч е с к и е и с п ы т а н и я проводят на весь ма малых по размерам образцах и результаты этих испытаний поз воляют судить как об интегральных, так и о локальных механиче ских характеристиках отдельных исследуемых зон. Методы микромеханических испытаний подробно обсуждены Г. Г. Максимовичем [19]*. При проведении таких измерений важным является выбор формы и размеров образцов для конкретного материала, задач, ис следования, типа испытательных машин и других факторов. Обос нованные рекомендации имеются пока только для круглых микро образцов. Оказываются непригодными и обычные методы опреде ления деформации рабочей части образцов, которую для микрооб разцов определяют по измеряемому перемещению захватов или го ловок.
Для точной регистрации малых изменений нагрузки в процессе деформации, высокой точности записи диаграммы деформации боль шого масштаба разработана конструкция универсальной машины для испытания микрообразцов на растяжение и кручение, а с до полнительными приспособлениями — на изгиб, сжатие и срез [20]>. Микромашина конструкции ВИАМ позволяет проводить испытания на цилиндрических, плоских и призматических образцах. Точность регистрации нагрузки и деформации составляет 1—2%.
Широко реализуется возможность создания особо жестких уни
версальных |
машин, пригодных для микромеханических испытаний. |
В машинах |
типа «Instron» (Англия) используют весьма жесткие |
силоизмерители в виде консольных и двухопорных балок для отно сительно небольших нагрузок и трубок для больших нагрузок, снаб женные тензометрическими датчиками сопротивления и соединенные по мостовой схеме. Деформация силоизмеритслей (сменных) для предельных нагрузок от десятков до сотен и тысяч Ньютонов не превышает 0,075 мм. Для записи диаграммы деформации применя ют электронные регистрирующие устройства. Стационарная машина
снабжена |
сменными |
силоизмерителями |
на 100—5000 |
Н, |
настоль |
|
ная— на |
10—1000 |
Н. Точность измерения |
нагрузки |
составляет |
||
0,5%, скорость деформации изменяется |
в |
пределах |
от |
0,05 до |
50 см/мин. Машины класса «Instron» оснащены механизмом для создания циклического нагружения как при заданных напряжениях, так и при заданных деформациях, с различными частотами и амп литудами напряжений и деформаций, с записью петли гистерезиса. Машина снабжена интегратором, позволяющим вычислить площадь диаграммы деформации при растяжении и площадь петель гисте резиса при циклическом нагружении, программирующим устройст
вом, термостатом |
(от —50 до +3006С), |
нагревательной |
печью ДО |
|
1300°С и вакуумной камерой. |
испытаний микрообразцов |
|||
Специализированных |
установок для |
|||
на усталость пока |
весьма |
мало. Известны [19]* машины |
для испы |
тания образцов на выносливость при переменном растяжении, в ко торых переменная инерционная нагрузка создастся одинарным виб ратором с неуравновешенной массой или двойным уравновешенным вибратором направленного действия. Имеется вариант микромаши ны для испытаний на малоцикловую усталость образцов при чистом изгибе.
Погрешности измерений при микромеханических испытаниях зависят прежде всего от точности геометрических размеров и фор мы образцов, а также от точности показаний машины. Результаты оценки точности микромеханического метода при испытании раз личных материалов (медь, алюминий, сталь) и при различных видах испытаний (растяжение, кручение) показали, что предельные по грешности результатов одного измерения по характеристикам проч ности не превышают ±1,6%, а по пластичности ±2,5% [llj]-. Эти погрешности примерно в 2,5 раза выше погрешностей результатов для стандартных образцов. Для сопоставимости результатов испы таний механических свойств микро- и макрообразцов необходимо строго выдерживать условия их механического, физического и гео метрического подобия. Особенно сильно влияние масштабного фак тора в металлах и сплавах с большой структурной неоднородностью. Физические и структурные изменения при микромеханических испы таниях образцов значительно заметнее влияют на характеристики прочности и пластичности.
Масштабный эффект проявляется в увеличении прочности и пластичности микрообразцов при статическом растяжении образ цов по сравнению с образцами, имеющими диаметр 5 мм. Относи тельное повышение пластичности тем больше, чем она ниже на крупных образцах. Особым образом масштабный фактор проявля ется при испытаниях в поверхностно активных средах. В корро зионной среде наблюдается инверсия масштабного эффекта — об разцы большого диаметра становятся более прочными. Микромеханический метод открывает большие возможности для решения проб лемы соответствия лабораторных и натурных испытаний.
Физические методы исследований. Трудно переоценить вклад традиционных физических методов исследования при изучении не однородной структуры металлов и сплавов, структурных дефектов, зародышей разрушения и механизмов микропластичности. Естест венно, что возможности различных методик не одинаковы и получа емая информация ограничена измеряемой характеристикой. Поэто му наиболее удачные решения задач физики прочности находят при одновременном использовании структурных и физико-механических методов исследования. Описание поля микронапряжений с помощью определения дисперсии напряжений стало возможным в связи с расчетами латентной энергии, изменения плотности, рассеяния рентгеновских лучей, изменения магнитных и других свойств дефор мированных кристаллов и поликристаллов [21;]-.
Следует обратить внимание на некоторые новые направления исследований. В первую очередь отметим эмиссионные методы — экзоэлектронный и акустический [22, 2ЭД-. Экзоэлектроиная эмис сия даст широкие возможности изучения поверхности и топких при-
2. ВНУТРЕННЕЕ РАССЕЯНИЕ ЭНЕРГИИ В МЕТАЛЛАХ (МЕТОД ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ)
Метод внутреннего трения занимает особое положение при изу чении микропластичности и усталостных процессов. Измерения внут реннего рассеяния энергии в металлах во многих случаях являются прямыми экспериментами по микропластичности1, а суммирование потерь энергии за цикл колебаний при длительном нагружении ха рактеризует кинетику накопления усталостной повреждаемости. Об ширную информацию об элементарных механизмах проявления мик ропластичности в локальных объемах несут температурные, частот ные, временные и деформационные зависимости внутреннего трения (например, пики Бардони и Сноека—Кестера, возврат затухания, дислокационный резонанс и т. д.). Немаловажным является и тот факт, что измерения внутреннего рассеяния энергии всегда сочета ются с возможностью определения упругих констант материала, де фекта модуля и степени релаксации.
Общие положения. Внутреннее трение является свойством твер дого тела, характеризующим его способность необратимо рассеи вать энергию механических колебаний. Закон Гука не учитывает временной связи напряжения о и деформации е. Известно, что пол
ная упругая |
деформация является суммой двух деформаций е0= |
= 8Упр+едош |
где бупр — мгновенно упругая деформация; еДОн — |
дополнительная квазинеупругая деформация, равновесное значение которой достигается во времени. Время, необходимое для установ ления равновесного значения деформации, определяется процессами атомной, магнитной или тепловой перестройки в твердом теле под действием внешних напряжений. Зависимость еДоп от напряжения и времени определяет тип неупругих процессов.
Р е л а к с а ц и о н н ы е п р о ц е с с ы характеризуются пропор циональной зависимостью 'еДОп от напряжения и постепенным вос становлением во времени едоп(0 , где t — время, т — харак теристическое время (рис. 7, а, б). Тангенс угла наклона линии ОМИ соответствует значению нерелаксированного модуля упругости об разца Мш в котором успела возникнуть только мгновенно упругая деформация еуПр. Наклон линии ОМр дает значение релаксированного модуля упругости Мр, в котором деформация достигла своего равновесного значения е0. Отметим, что разность А М = М Н— Мр на зывают дефектом модуля, а величину А = (М н — Mp)JMn — сте пенью релаксации. Деформация, отвечающая постоянному напря жению, протекает нс сразу. Мгновенно возникает упругая компонен та деформации еуПр, а конечное значение ео достигается через не которое время.
При циклическом приложении нагрузки кривая деформации сдвинута по фазе ср по отношению к кривой напряжения и за период колебания кривая о — е описывает петлю. При малых углах сдвига фаз потери энергии в образце за цикл колебаний называют внутрен ним трением и обозначают Q_1(Q_1 = tg(p«<p). Тогда выражения для динамического модуля и внутреннего трения могут быть пред ставлены в следующем виде:
1 Метод динамической петли гистерезиса, амплитудные зависи мости внутреннего трения в низкочастотном диапазоне и т. д.