книги / Микропластичность и усталость металлов

Оценка 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.