книги / Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур
..pdf
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 4 |
|
Характеристики малоцикловой усталости монокристалла молибдена при |
|||||||
пульсирующем растяжении с |
частотой |
2 цикл/мин и температуре 20° С |
|||||
|
Н ап ряж ен и е |
Д еф орм ация |
О тносительное с у ж е |
|
|||
|
|
ние |
|
||||
|
|
|
|
|
|
V, |
|
Л/р, цикл |
|
|
|
|
|
|
|
°тах» |
атах |
|
_fp_ |
V % |
|
.мм/мм |
|
|
V 0/ |
|
цикл |
||||
|
|
0 |
|
|
|||
|
к гс/м м 2 |
<*в |
|
|
|
||
0,5 |
51,5 |
1,00 |
38,5 |
1,00 |
23,0 |
1,00 |
_ |
105 |
41,2 |
0,80 |
25,8 |
0,67 • |
85,5 |
3,70 |
5,7 -10- 4 |
1150 |
33,5 |
0,65 |
23,9 |
0,54 |
77,5 |
3,36 |
6 ,1 -10- 5 |
14 100 |
25,8 |
0,50 |
27,3 |
0,71 |
92,5 |
4,05 |
5,8 -10- 6 |
140000 |
20,6 |
0,40 |
4,8 |
0,12 |
— |
— |
5,5-10- 8 |
ний и долговечностей (стрелкой отмечена пауза для структурных исследований). Переход от квазистатического разрушения к уста лостному, так же как и для конструкционных сплавов, происходит при скоростях установившей ся ползучести порядка 5 х
1(Г. «■/«» (см. рис. 5з
При этом зона квазистатиче |
|
|
|
|
|
|||
ского |
разрушения |
по напря |
|
|
|
|
|
|
жениям у монокристалла мо |
|
|
|
|
|
|||
либдена более развита, |
чем |
|
|
|
|
|
||
у конструкционных сплавов, |
|
|
|
|
|
|||
напряжения перехода |
кото |
|
|
|
|
|
||
рых изменяются от 0,8 до |
О |
20 |
40 |
ВО |
80 И, цикл |
|||
0,99ств против ап = |
0,5ав для |
|||||||
молибдена. |
|
|
Рис. |
54. |
Кривая циклической ползучести |
|||
|
Микрорентгенограммы |
монокристалла молибдена при комнатной |
||||||
изученных в процессе цикли |
температуреА(атах= |
0,8(гв= |
41,2 кгс/мм2). |
|||||
ческой |
ползучести |
монокри |
|
|
|
|
|
сталлов для различных значений максимальных напряжений цикла от ах приведены на рис. 55. В исходном состоянии (см. рис. 55, а) субзерна вытянуты вдоль оси кристалла и характе ризуются однородным почернением. При соответствующих уста лостному характеру разрушения напряжениях атах = 0,4сгв (20,6 кгс/мм2) по мере развития деформации в пределах хорошо вид ных исходных субзерен намечается неоднородное почернение (см. рис. 55, б), отражающее формирование в субзернах разной сте пени почернения полосчатой субструктуры. Известно [36], что сте пень почернения фотоэмульсии на топограммах является функцией ориентации облучаемого участка кристалла по отношению к парал лельному в брегговском направлении монохроматическому пучку рентгеновского излучения. Значит, видимые на топограмме полосы могут быть связаны с появлением в монокристалле молибдена
усталости монокристалла молибдена при различных максимальных напряжениях цикла и долговечностях, соответствующих различному характеру макроразрушения материала.
При относительно низких напряжениях атах < 0,5ав, обуслов ливающих усталостное разрушение, в процессе циклической ползу чести образуется полосчатая структура. Подобная структура наблю далась и при осевом знакопеременном нагружении монокристалла молибдена с частотой 36 гц при напряжениях, не превышающих предел усталости. В некоторых случаях методом электронномикроскопии она наблюдалась при усталости поликристаллических мате риалов [20, 53, 54]. Однако в отличие от полученных на поликри сталлах результатов фиксируемая нами полосчатая структура имеет явно выраженный кристаллографический характер и образуется не в связи с развитием ранее сформировавшейся ячеистой структуры при дальнейшей деформации, а как самостоятельный тип структуры, характерный для определенных условий направленного и знакопе ременного деформирования монокристалла.
Следует иметь в виду, что симметричное знакопеременное нагру жение с частотой 36 гц и пульсирующее нагружение с частотой 2 цикл/мин существенно отличаются по макрокартине процесса деформирования: если при циклической ползучести (2 цикл/мин) на стадии развития полосчатой структуры суммарная деформация образца доходит до 5% (см. табл. 4), то при знакопеременном нагру жении ниже предела усталости (36 гц) пластическое деформирование материала не наблюдается. Сходство субструктуры, развивающейся при обоих процессах, позволяет предположить тождественность механизмов формирования и развития очагов разрушения.
Действительно, разрушение монокристаллов при пульсирующем растяжении с атах = 0,4ав имеет усталостный характер и, повидимому, обусловлено, как и при усталости, локализацией струк турной поврежденности в малых объемах поверхностного слоя об разца. Локализация структурных изменений в поверхностном слое в условиях циклической ползучести присттах = 0,4сгв подтверждает ся увеличением взаимной разориентировки субзерен (приближение к исходному состоянию) и по мере сполировывания поверхностного слоя (рис. 58, а). При атах > 0,5сгв разрушение монокристаллов в условиях циклической ползучести имеет квазистатический характер. В этом случае субструктура аналогична той, которая раз вивается в монокристаллах при активном растяжении и больших остаточных деформациях.
Заметим, что локализация структурных дефектов и связанных с ними упругих напряжений не всегда позволяет достаточно надежно определять характер дислокационной структуры при трансмисси онном электронномикроскопическом исследовании монокристаллов, подвергнутых знакопеременному или направленному деформиро ванию. Это дает определенные преимущества микрорентгенографической методике, которая позволяет изучать структуру поверх ностного слоя без разрушения испытанного образца. Однако разре-
субструктуры (рис. 59). Размытие лауэвских пятен показывает, что в процессе испытаний максимальные разориентировки в моно кристалле молибдена растут. Об этом говорит также увеличение об
|
|
|
|
щего |
углового |
интервала |
дифрак |
||||
|
|
|
|
ции |
монохроматического |
рентге |
|||||
|
|
|
|
новского |
излучения к, |
определяе |
|||||
|
|
|
|
мого |
шириной |
кривой |
качания |
||||
|
|
|
|
(см. рис. 58, б). |
|
|
|||||
Рис. 60. Кривая малоцикловой ус |
|
Малоцикловая усталость и цик |
|||||||||
лическая |
ползучесть |
бикристал |
|||||||||
талости бикристаллов |
никеля при |
|
|||||||||
комнатной температуре. |
|
|
лов никеля исследовалась в интер |
||||||||
цикла от |
|
|
|
вале |
максимальных |
напряжений |
|||||
1 (19,8 кгс/мм2) до 0,65ав |
(12,85 кгс/мм2). Кривые мало |
||||||||||
цикловой |
усталости |
никеля |
(рис. |
60) в |
исследованном интервале |
Т а б л и ц а 5 Характеристики малоцикловой усталости бикристаллов никеля при пульсирующем
растяжении с чистотой 2 цикл/мин |
и температурой |
20° С |
|
|
|
||||
|
Н апряж ения |
|
Д еф орм аци я |
О тносительное |
с у ж е |
Число |
зе |
||
|
|
ние |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
N р, цикл |
|
|
|
|
|
|
|
рен |
на |
|
|
|
|
|
|
*р |
рабочем |
||
|
|
|
|
|
|
V % |
|||
|
а шах* |
а т а х |
V |
|
вр |
участке |
|||
|
КГС/ММг |
а в |
% |
ь. |
ч> |
|
|
||
0,5 |
19,80 |
1,00 |
59,5 |
1,00 |
100,0 |
1,00 |
2 |
|
|
555 |
15,85 |
0,80 |
47,5 |
0,80 |
100,0 |
1,00 |
2 |
|
|
5575 |
15,10 |
0,76 |
29,0 |
0,49 |
100,0 |
1,00 |
4 |
|
|
169 200 |
14,30 |
0,725 |
23,5 |
0,40 |
55,0 |
0,55 |
3 |
|
|
85 050 |
12,85 |
0,65 |
20,7 |
0.35 |
43,5 |
0.43 |
3 |
|
напряжений и долговечности являются прямолинейными, а зави симость предельных деформаций и относительных сужений от дол
говечности (табл. 5) свидетель |
|
|
|
|
||||
ствует о том, что при напряжени |
|
|
|
|
||||
ях, равных 0,72ав (14,3 кгс/мм2), |
|
|
|
|
||||
происходят изменения |
характе |
|
|
|
|
|||
ра разрушения от квазистатиче- |
|
|
|
|
||||
ского к усталостному. Это также |
|
|
|
|
||||
подтверждается анализом струк |
|
|
|
|
||||
туры излома |
разрушенных |
об |
|
|
|
|
||
разцов и характера кривых цик |
|
|
|
|
||||
лической ползучести (рис. 61). |
|
|
|
|
||||
Квазистатическое |
разруше |
0 |
9 |
12 N40 , цикл |
||||
ние имеет внутризеренной |
ха |
|||||||
рактер, его очаг локализуется в |
|
5 |
|
|
||||
Рис. 61. Кривые циклической ползучес |
||||||||
одном из кристаллов никеля вда |
||||||||
ли от границ. На кривых цикли |
ти никеля: |
|
|
|
||||
а — к в а зи с т а т и ч е с к о е р а з р у ш е н и е , о т а Х » |
||||||||
ческой ползучести в этом случае |
||||||||
в» 0 ,8 о в *= 1 6 ,8 5 |
к р с / м м *; |
б |
— у с т а л о с т н о е |
|||||
наблюдается |
хорошо |
развитый |
р а з р у ш е н и е , а т а х |
= 0 ,7 2 о в = |
1 4 ,3 к го/м м * . |
участок ускоренной ползучести (см. рис. 61, а), характерный для квазистатического разрушения.
При напряжениях отах < 0,72ав разрушение происходит в результате зарождения и развития на границе между зернами уста лостной трещины. При усталостном разрушении третья стадия пол зучести в материале не реализуется (см. рис. 61, б). Интересно отме тить, что процесс циклической ползучести монокристаллов молиб-
жения (а) по зернам никелевого образца в процессе циклической ползучес ти при атах = 0,76ав = 15,1 кгс/мм2 (1—4 — зерна).
дена и никеля (см. рис. 61, б), так же как и в условиях статической ползучести [161, может характеризоваться прерывистой текучестью материала.
При усталостном разрушении, которое протекает на фоне интен сивного пластического деформирования, накопленная до разруше ния пластическая деформация имеет весьма большие значения, дости гающие 23,5% (см. табл. 5), сопоставимые с величиной остаточного удлинения никеля (59,5%). В то же время процесс циклической пол зучести бикрнсталлов характеризуется явно выраженной неравно мерностью пластического деформирования отдельных зерен на раз личных этапах нагружения. В качестве примера на рис. 62 и в табл. 6 показано изменение величины пластической деформации, относительного сужения и истинных напряжений аи в различных зернах образца в зависимости от числа циклов нагружения.
числа |
|
никеля от |
|
в отдельных зернах |
|
сужения и истинных напряжений |
тах = 0,725ав = 14,35 кгс/мм2 |
относительного |
растяжении с с |
Зависимость накопленной деформации, |
циклов нагружения при пульсирующем |
jiVW/OJH ,ио
%
зерное -З %
„пи/элм *ио
% Mi
2-е зерно
| zWW/DJH *И0
% Ml зерное -1 % " & = • *
ago,
% ,- v f = ia
dg°i
/о '~ ~ т г = э
RTieccIgo Him -Б1М(1офо1Г И1Ш1ГОЦ
Н aoimm OL'OIIJ-J
ЮШОЮ L o q o c o ^ LOю
q q q o СО CDt"T05
«-Н СОСОч* СО
ю ю ю ю
СО^ООСО
ою ю
<N oqcq о
ооо сГсо
•H CIWN
оо ю ю
— со СЧ СОСО
N cqo^iq
СОЮ 00 СЧ —<сч со ю
ю ю ю о СЧ 05
Ю О Ю LO СЧ 00 00^ со (С
о о о о
СЧ LOС£5-^ сч
NO^-H O
сч~ со ^ —Г
Ю LQLOО о ~ ю сч_
юю о ю 00 СЧ1"-
Г*- 05 —Г —сч
0,5 |
3500 |
30 500 |
141 350 |
Обнаружена существенная за висимость деформации исследо ванных образцов от величины атах с учетом взаимной ориенти ровки зерен. Суммарная дефор мация образца при циклическом нагружении изменялась от 20,7%
при CJmax = 12,85 КГС/ММ2 ДО
47,5% при crmax = 15,85 кгс/мм2. При этом число циклов до раз рушения соответственно состав ляло 8,5 • 104 и 5,5 • 102 (см. табл. 5). Однако полученные ре зультаты показывают, что дол говечность зависит не только от величины максимальных напря жений цикла, но и от взаимной ориентировки кристаллов в об разце. Так, в связи с отмеченным фактором число циклов до раз рушения при атах = 14,3 кгс/мм2 составляло 1,7 • 106, т. е. было вы ше, чем при СГтах= 12,85 кгс/мм2.
Никель характеризуется бо лее высоким сопротивлением пол зучести, чем молибден. При этом для некоторых взаимных ориен тировок кристаллитов в бикри сталлах никеля наблюдается практически полное отсутствие деформации в больших интер валах времени испытания (см. рис. 61, 62, табл. 6).
Деформация отдельных зерен существенно зависит от их ори ентировки по отношению к рас тягивающему напряжению. Этим и объясняется рассмотренная вы ше неравномерность пластиче ского деформирования бикри сталлов в процессе циклических испытаний.
Число наблюдаемых систем скольжения, а также роль каж дой из них в суммарной дефор мации зависят от соотношения касательных напряжений ттах в этих системах. Например, при
o’max = 14,35 кгс/мм2 и значениях ттах в двух действующих системах скольжения в одном из зерен 7,12 и 3,38 кгс/мм2 деформация этого зерна до разрушения составила 52,5%, а для другого зерна этого же образца при ттах, равном 6,85 и 6,24 кгс/мм2 — 11%.
Наблюдается разный характер скольжения и разная плотность следов скольжения в зернах различной ориентировки, а также ани зотропия деформации в пределах зерна и повышенная плотность сле дов скольжения вблизи границ кристаллов. Однако регулирование характера разрушения в исследованных образцах никеля незави симо от взаимной ориентировки зерен происходит таким образом, что квазистатическое разрушение локализуется в теле зерен, а усталостное — по их границам.
Обобщая результаты, изложенные в данной главе, можно утверж дать, что двум типам макроразрушения в малоцикловой области предшествуют различные механизмы деформирования и разрушения металлов на структурном уровне, которые и обусловливают возмож ное появление переломов на предельных кривых прочности, пластич ности и скоростей направленного пластического деформирования. Полученные данные позволяют также сделать вывод о тесной взаимо связи кинетических процессов направленного пластического дефор мирования и разрушения и об определяющем влиянии на кинетику и характер разрушения материала в рассмотренных условиях на гружения процессов направленного пластического деформирования.
§ 5. Дискретная ползучесть при повторно-статическом нагружении
В настоящее время физическая картина структурных изменений, происходящих в многокомпонентных металлических сплавах под воздействием переменных во времени нагрузок, изучена еще недо статочно. Первая попытка описания деформации ГЦК-металлов в таких условиях в рамках дислокационной теории была предпринята Моттом [104], который рассматривал деформацию в основном в чис тых ГЦК-металлах под воздействием знакопеременных нагрузок.
Ряд экспериментов по рентгенографическому исследованию струк туры в процессе ползучести при циклически изменяющихся с низ кой частотой напряжениях и температурах был проведен авторами работ [270, 271, 272] на углеродистой стали с ОЦК-решеткой, со держащей 0,16% С, 0,4—0,47% Мп, 0,26% Si,0,02—0,2% Сг, неболь шие добавки Ni и Си. Частота циклов напряжения в этих эксперимен тах была очень низкой; кроме того, результаты, полученные на спла ве с ОЦК-кристаллической решеткой [271,272], не могут быть расп ространены на ГЦК-материалы [104], деформация которых даже при статическом нагружении не идентична деформации ОЦК-металлов.
Наше исследование [173] было проведено на сплаве АМгб с ГЦК-решеткой, содержащей 0,75% Мп, 0,24% Si, 0,01% Си, 0,03%
Ti, 0,26% |
Fe, 0,01% Zn, 5,83% Mg, 0,0003% Be, остальное — Al. |
В и с х о д н о м |
(перед деформацией) с о с т о я н и и сплав состоял иза-твер- |