книги / Синергетика и усталостное разрушение металлов
..pdf
50° к поверхности образца (т.е. угол САВ = 180-г50°). Первоначальная толщина CD составляла 0,105 мкм,апослеутоненияАВcos 50° -АВ cos50° она составила 7,5 • 103 мкм.Поверхность излома АВОО довольно ровная, без тяжей, что свидетельствует о хрупком разрушении на стадии дорыва образца. По изменению толщины образца можно определить локаль ную деформацию, которая предшествовала этому разрушению
((CD - AScos50°)/CD)100%=93%.
Отметим, что,используя измерения,проведенные на стереопарах,можно определить угол сдвига краев микротрещины. Он составляет 23°.
Сравнивая микрофотографии распространяющейся микротрещины, мож но отметить закономерность: микротрещина всегда распространяется по утоненному узкому каналу. Искажения структуры в областях материала, прилегающих к каналу, практически отсутствуют. Этапу образования в локальных зонах СМТ предшествует этап перехода материала в указан ных зонах в аморфное состояние. Аналогичные результаты были получены на образцах из ряда других материалов [3-5]. Полученные результаты могут служить экспериментальной основой для разработки теоретических представлений.
Обсуждение результатов экспериментов. Согласно современным пред ставлениям об аморфных материалах, их микрообъемы представляют со бой суперпозициюближнего порядка и дальнего беспорядка в расположе нии атомов [7].Механизм перехода кристаллической структуры в аморф нуюбыл предложен автором работы [8]. Переход из кристаллического состояния в аморфное может.осуществляться по работе [8] не только при плавлении, когда аморфная фаза является жидкостью, но и в том случае, когда аморфной фазой будет твердое тело.
Согласно [8], объем аморфного или расплавленного материала на 3% больше его объема в твердом состоянии. Это означает, что межатомные расстояния кристаллической решетки к моменту перехода в аморфное состояние увеличатся ~на 1%.Таким образом, плавление или переход в
аморфное состояние можно рассматривать как процесс значительного уве личения свободного объема материала.Этот свободныйобъем можеть быть распределен равномерно между всеми атомами или же существовать в виде отдельных вакансий при неизменной величине межатомных расстояний. Если увеличение свободного объема происходит только за счет вакансий, то ихобъемная доля будет составлять 3%.
Сказанное по сути означает, что фазовый переход кристалл—аморфное состояние может происходить в принципе при любой температуре, если удастся каким-либо образом обеспечить необходимое увеличение свобод
ного внутреннего объема, при котором кристаллическая решетка становит ся неустойчивой.
Вработах [9,10] указывается,чтооднимизэффективных:способов воз действия на свойства кристаллического материала является диспергирова ние его структуры. Это может вызвать очень глубокие изменения в строе нии кристалла. При больших деформациях кристаллиты разбиваются на фрагменты и блоки размером до 10 нм и меньше, разориентированные относительно друг друга на углы порядка 30-35°. На границах этих блоков возникают искажения решетки настолько большие, что состояние материа ла становится близким каморфному.Области,где сохраняется дальний по-
54
рядок, по своим размерам становятся соизмеримы с областями,в которых сохраняется лишь ближний порядок. Сами блочки упруго искажены и со держат внутри большое количество дефектов решетки. Плотность дисло каций может достигать 101о-1012 см~2. При размерах блочков порядка 100 А дифракционная картина принимает такой вид, что по своим характе ристикам соответствует в большей степени аморфному, чем кристалличе скому материалу. Все эти изменения приводят к увеличениюпараметра ре шетки и свободной энергии кристалла. Когда величина свободной энергии поликристаллического материала будет равна свободной энергии аморфной структуры, может произойти переход из кристаллического состояния в аморфное,так как кристаллическая решетка становится неустойчивой.
Повышение плотности вакансий до уровня, соответствующего переходу в аморфное состояние, может быть достигнуто не только деформацией. Так, в работе- [11] указывается на формирование аморфной структуры в кристаллах Ga, As при повышении плотности вакансий за счет облучения кристаллов Se+ионами с энергией 450 кэВ дозой 1014 см-2. Свободная энергия твердого тела может увеличиваться не только за счет увеличения объемной, а и поверхностной энергии границ между разориентированными относительно друг друга элементами структуры и накопления дефектов как в виде вакансий, так и атомов внедрения, дислокаций, дисклинаций. Когда энергия системы достигает величины свободной энергии аморфного состояния,появляется возможность фазового перехода кристалл—аморф ная структура.
Критическая величина свободной энергии достигается обычно не одно временно во всем объеме материала. Поэтому и образование аморфной структуры начинается в отдельных локальных участках материала, где в данный момент достигнута необходимая дисперсность структуры и плот ность дефектов. Дальнейший процесс аморфиэации может происходить как за счет роста старых аморфных участков, так и путем образования
новых.
Вцелом в работах [9, 10] по результатам экспериментальных исследо ваний сделан вывод о том, что в области предельно высоких степеней деформации (> 95%) происходит процесс аморфиэации структуры крис таллов, приводящий в конечном счете к образованию аморфной фазы. Это согласуется с результатами, изложенными в данной работе и в рабо тах [1,2]. Разница лишь в том,что аморфизация в рассматриваемом в дан ной статье случае обеспечивается большими деформациями,возникающими за счет концентрации напряжений у вершины трещины.
Таким образом, можно считать установленным,что моменту зарождения СМТ перед вершиной микротрещины предшествует период освобождения этой*области от дислокаций и аморфизация материала в ней. Это явление, наблюдаемое впервые в работах [3-5], не укладывается в рамки тради ционно сложившихся представлений о механизмах разрушения материалов, в частности о дислокационных механизмах образования СМТ. Последнее приводит к необходимости дополнения существующих физических пред ставлений о механизмах зарождения СМТ в кристаллических телах.
Основой для теоретического описания зарождения СМТ может стать предложенный в работе [12] подход к описаниюпластической деформации, базирующийся на представлении о диссипативных структурах в неравно-
55
весных системах. Диссипативная структура рассматривается как смесь кристаллической и квазикристаллической фаз. В зависимости от внешних условий и структуры металла подвод определенной энергии в систему приводит ксамоорганизации диссипативных структур, сопровождающейся снижением термодинамического потенциала.Сэнергетической точки зрения это означает, что термодинамический потенциал системы атомов Ф, зави сящий от функции распределения атомов по координатам Ф(л), имеет локальные минимумы (п —координаты атомов).
Накопление дислокаций в пластической зоне перед вершиной трещины соответствует стадии увеличения термодинамического потенциала. Процесс ухода дислокаций из локальной зоны перед вершиной трещины отвечает стадии самоорганизации диссипативных структур и снижению термодина мического потенциала за счет диссипации энергии в окружающие области [13, 14]. Полное освобождение локальной зоны от дислокаций означает достижение максимальной разупорядоченности в этой зоне и соответствует локальному минимуму на кривой Ф(л). Состояние максимальной разупо рядоченности есть не что иное,как аморфное состояние.
Область, в несколько раз превышающую рассмотренную локальную зону перед вершиной трещины, будем называть макрообластью. Термический потенциал будет складываться из термодинамических потенциалов не сколькихлокальных областей,подвод энергии в каждую изкоторых проис ходит с разной интенсивностьюв силу структурной гетерогенности материа ла и неоднородности полей напряжений и деформаций.Поэтому термодина мический потенциал макрообласти будет иметь несколько локальных ми
нимумов. Достижение каждого из локальных минимумов будет означать изменение в соотношении доли кристаллической и аморфной фаз.
Образование зародышевых СМТ происходиттолько в зоне максимально го искажения структуры (в аморфной зоне). Если плотность запасенной внутренней энергии перед фронтом СМТ достаточно велика, то в процессе роста СМТ диссипация энергии из областей, уже перешедших в аморфное состояние,в зоны, граничащие с этими областями, приводит кувеличению размеров аморфной зоны.
ЛИТЕРАТУРА
1.Бетехтин В.И., Владимиров В.И., Кадомцев А.Г.,Петров А.И.Пластическая де формация и разрушение кристаллических тел. Сообщ.1, 2 // Пробл. прочности. 1979. №7.С.38-45; №8.С.51-57.
2.Ohr S.M.,OtangS.I. Dislocation free zone modeloffracture comparison with experi ments//J.Appl.Phys.1982.VoL53,N8.P.5645-5651.
3.Доровский BM, ЕлесинЛА„ Тутов AA. Экспериментальное иследование из менения химического состава увершинытрещиныв стали XI8Н10Т //ВАНТ.Атомное материаловедение.1981.Вып.3 (И).С.37-42.
4.Доровский В.М.,Елесин ДА., Тутов АА., Платное ПА. Исследование микро процессов разрушения при деформировании тонких пленок в колонне электронного микроскопа//Тамже.1983.Вып.1(17).С.27-30.
5.ДоровскийВ.М.,ЕлесинЛА.,Тутов А.А.Экспериментальнынаблюдения обра зования и роста субмикроскопических и микроскопических трещин в сплаве цирко нияс 1%ниобия ЦТамже.Вып.2(18).С.15-20.
6.ХиршИ,ХовиА„ МиколсонР.и др.Электронная микроскопия тонких кристал лов.М.:Мир.1968.574 с.
7.BernalI.D.Geometricalapproach to the structure ofliquids//Nature. 1959.VoL183. P.141-147.
56
8.ФренкельЯ.И.Введение в теориюметаллов.М.:Физматгиз,1958.320с.
9. Павлов В.А., Антонова О.В., Адаховский А.П. и др. Механические свойства и структура металлов и сплавов с предельно высокой степеньюпластической дефор мации II Физикаметаллов и металловедение.1984.Т.58,вып.1.С.177-184.
10.Павлов В.А.Аморфизация структуры металлов и сплавов с предельно высокой степеньюпластической деформации //Там же.1985.Т.59,вып.4.С.629-649.
11.Sands Т., Sadana D., Gronsky R., Washbunn Y.High resolution structuralCharacte rization ofthe amorphous crystalline interface in Se+implanted GaAl 11J.AppLPhys.Lett. 1984.VoL44,N9.P.874-876.
12.Панин B.E., Лихачев B.A., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердыхтел.Новосибирск:Наука,1985.125 с.
13. Иванова В.С. Механика и синергетика усталостного разрушения//Физ.-хим. механикаматериалов.1986. вып.1.С.62-68.
14. Федоров В.В. Термодинамические аспектыпрочности и разрушения твердых тел.Ташкент:Фан,1979.168 с.
УДК539.385
САМООРГАНИЗАЦИЯ КИНЕТИКИ УСТАЛОСТНЫХТРЕЩИН
А.А.Шанявский
Твердое тело, представляющее собой элемент конструкции, в процессе эксплуатации испытывает сложный комплекс изменяющихся по уровню, периодичности и длительности приложения циклических нагрузок: Много факторная ситуация с воздействием на материал при распространении в нем
усталостной трещины |
подразумевает комплексный анализ процессов |
с позиций синергетики |
[1]. Это связано с введением новых понятий,одно |
из которых относится к самоорганизации изучаемого процесса. Основной принцип самоорганизации состоит в том, что изменение внешнего парамет ра (вида или способа циклического нагружения) не обусловливает иерар хиюструктур, которые может образовывать система, а реализует возмож ный механизм разрушения. Во времени и пространстве структуры могут усложняться и переходить от менее упорядоченного кболее упорядоченно му процессу самоорганизации.
Цель самоорганизации материалом кинетики усталостных трещин —со хранение способности сопротивляться внешнему циклическому воздей ствиюс минимальными затратами энергии на создание свободной поверх ности за цикл нагружения.
Уровни самоорганизации. Врамках синергетики выделены три масштаб ных уровня: микроскопический, мезоскопический и макроскопический. Микроскопический относится к процессам,определяемым отдельными ато мами или молекулами вещества [1], мезоскопический —к поведению ансамблей атомов. Возникновение пространственных структур относится кмакропроцессам.
Вприпороговой области скоростей роста трещин (СРТ) величина скачка трещины 5 за цикл нагружения близка или менее кванта разрушения aq [2], составляющего несколько параметров кристаллической решетки. Поэтому указанный этап относится к микроскопическому уровню поведения мате
риала.
57
Стабильное развитие усталостных трещин на докритической стадии в об ласти СРТ больше aq и относится к мезоуровню. Оно характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений К/. Параметр Kjс позиций
синергетики неприемлем для описания микропроцессов —припороговая об ласть СРТ.
На мезоуровне СРТ полностьюопределяется размерами зоны пластиче ской деформации [3], формирующейся у кончика трещины. Самооргани зация процесса развития разрушения связана с созданием зоны пластиче ской деформации в условиях объемного напряженного состояния материа ла независимо от способа и условий приложения циклической нагрузки. Расчеты методом конечных элементов свидетельствуют о том [4], что при фиксированной длине трещины переход от одноосного к двухосному на гружениюприводит к изменениюстепени стеснения пластической деформа ции у кончика трещины, не меняя вида объемного напряженного состоя ния материала.
Пусть переход от одного вида воздействия на материал кдругому на меэоуровне не связан с торможением трещины, а определяется изменени ем СРТ. Тогда соответствующее изменение размера зоны пластической деформации можно охарактеризовать через изменение предела текучести материала (а0>2)о> введя понятие об эквивалентном пределе текучести ма-
*
териала (аод)э =(°о,2)оП Я*,), где /(*,*) - поправочная функция на из
менение предела текучести при объемном напряженном состоянии мате риала при изменении внешнего воздействия по отношению к тестовым условиям опыта. Под тестовыми условиями нагружения материала пред
ложено |
[5] |
понимать |
пульсирующий цикл одноосного растяжения при |
|
уровне |
напряжения 0,3 |
< а0/(а0>2) 0 ^ 0,4, частоте нагружения |
10-20 Гц, |
|
температуре |
293-298 |
К, влажности воздуха (70-75%) и |
давлении |
|
760 мм рт ст. При сопоставлении поведения материала в исследуемых ус ловияхопытастестовыми рассматриваетсянеизменной величинаК\= ),
по отношениюк которой проведено изменение в условиях нагружения (добавлена вторая составляющая, изменена частота нагружения, темпера тура,и др.), где/ (а) - поправкана длину и геометрию трещины.
На мезоуровне, согласно модели Леонова-Панасюка,предельное состоя ние тела с трещиной перед ее скачком достигается при критическом рас крытии вершины бк. Между скачком трещины и раскрытием ее вершины существует однозначная связь [6]. Поэтому в условиях объемного напря женного состояния материала прирост усталостной трещины в цикле нагру
жения на величину 5/ будет однозначно определяться некоторой величиной (6К)/ независимо от способа внешнего воздействия на материал.
Из проведенного анализа следует, что при корректном выборе парамет ра,характеризующего влияние изучаемых условий на рост трещин на мезо уровне, кинетические кривые смещаются эквидистантно.Любоевоздействие на материал при сохранении неизменным ведущего процесса самоорганиза ции кинетики усталостной трещины может быть охарактеризовано тестовой кинетической кривой и безразмерной переменной / (х*). Это позволяет ус танавливать единственное соответствие между величиной 5/ и коэффициен том интенсивности напряжений тестового опыта. Необходимо только знать
58
иерархиюпроцессов самоорганизации кинетики усталостных трещин, ко торуюможно реализовать в материале.
Иерархия процессов самоорганизации. Существование определенной иерархии процессов самоорганизации обусловлено дискретными перехода ми через точки бифуркации в связи с усложнением способа затрат энергии на образование свободной поверхности при распространении трещины [1]. Причинами таких переходов могут быть изменения в количестве компо нент или самих параметров, управляющих процессом. Однако во всех слу чаях наблюдаемые структуры, представляющие собой ступени самооргани зации, возникают, а не накладываются извне. Каждый объем материала не располагает информацией о своем последующем разрушении при внешнем воздействии с самого начала, а реализует один из возможных механизмов роста трещины (в соответствии с определенной иерархией). Поэтому код ному и тому же механизму роста трещины можно многократно возвращать ся в направлении роста в условиях нестационарного режима нагруже ния [7].
На мезоуровне определяющим процессом развития разрушения является микротуннелирование [8]. Вдоль всего фронта трещины образуются облас ти разрушенного материала, вытянутые в направлении развития трещины, между которыми существуют перемычки неразрушенного материала. Образование микротуннелей на первой стадии обусловлено механизмы сдвигообразования [9]. Однако помимо традиционного разрушения сдви гом по типу Кщ может быть реализована ротационная неустойчивость деформации и разрушения.
Переход к ротационной неустойчивости в перемычке связан с услож нением способа поглощения энергии материалом перед его разрушением. Поэтому согласно принципам синергетики следует рассматривать сдвиго вый процесс как более простой процесс самоорганизации механизма разру шения материала.
Переход к разрушению перемычек за счет ротационной неустойчивости приводит к формированию сферических частиц. Располагаясь между по верхностями,образованными в результате разрушения материала по грани цам объемов, испытавшим ротационную неустойчивость, сферические час тицы затрудняют раскрытие усталостной трещины. Этим подтверждается основной принцип самоорганизации кинетики усталостных трещин —ми нимизация затрат энергии на развитие усталостной трещины, связанное с созданием свободной поверхности. Формирование сферических частиц сопровождается пиролизом углеводородных соединений в результате локального разогрева материала в зоне контакта и адсорбцией углерода [9].Создается подложка или прослойка 'углеродоподобного вещества между двумя ответными частями разрушенной перемычки.Расположение частиц в слое графитоподобного вещества снижает интенсивность локально го разогрева материала.
Развитие трещины в формирующихся микротуннелях первоначально также определяется сдвиговым процессом деформации и разрушения. Визломе выявляют псевдобороздчатый рельеф,который имеет четкие при знаки интенсивного скольжения: системы пересекающихся полос скольже ния, ступеньки, на фоне которых можно наблюдать экструзии [7]. Убеди тельным доказательством превалирования процессов сдвигообразования
является наличие в изломе трещин раскалывания материала, удовлетво ряющих схеме Томкинса [10].
Процесс сдвигообразования связан с распространением трещины от ее вершины в направлении развития разрушения. Темп такого развития трещины весьма высок. Увеличение СРТ определяется четвертой степенью коэффициента интенсивности напряжений в формуле Париса [8]. Поэтому при достижении у кончика трещины критических условий, отвечающих переходу через точку бифуркации,процесс разрушения преобразуется в ор ганизованное, более упорядоченное движение, связанное с ротационной не устойчивостьюдеформации и разрушения.
Обусловленность перехода к ротационой неустойчивости определяется закономерным переходом к возрастающим масштабным уровням локали зации деформации [11] с переходом в зоне пластической деформации укон чика трещины кколлективным процессам ротационной неустойчивости де формации и разрушения, приводящим к формированию усталостных бо
роздок [12]. Существуетоднозначное соответствие между запасенной энер гией, связанной с пластической деформацией, и энергией, диссипируемой в связи с образованием свободной поверхности. Большей энергии пласти ческой деформации соответствует больший размер зоны, а следовательно, большая величина скачка трещины внутри этой зоны.Поэтому ротационная неустойчивость, являясь аккомодационным актом накопления поврежде ний без нарушения сплошности материала, становится определяющим про цессом пластической деформации у кончика трещины,посколькувозникает необходимость в поглощении большого количества энергии в локальном объеме без значительного увеличения размера зоны пластической де формации.
Переход ко второй стадии разрушения характеризуется подрастанием
трещины в полуцикле разгрузки материала [12]. Скачок трещины проис ходит не в направлении разрушения, а навстречу магистральной трещине от дислокационной трещины, возникающей при переходе к полуциклу
разгрузки. Этот механизм приводит к формированию в изломе усталост ных бороздок.
На II стадии разрушения процесс формирования усталостных бороздок характеризует кинетику усталостных трещин в большинстве сплавов [13]. По мере увеличения шага усталостных бороздок в направлении роста тре щины происходят ’’структурные изменения” - один ведущий механизм
сменяет другой. При достижении определенных условий профиль усталост ных бороздок меняется - они становятся ’’составными”.Добавляются приз
наки морфологии рельефа в виде растрескиваний - свидетельство ветвле ния трещины за счет процессов сдвигообразования. Появляются элементы статического вязкого или хрупкого разрушения материала.Все эти морфо логические особенности соответствуют переходу от линейной связи 6 с дли
ной трещины (область ПА упругого разрушения) к нелинейной (область UВ упругопластического разрушения).
Спозиций синергетики описанная ситуация отвечает нарушению принци па взаимно однозначного соответствия [1]. Нельзя от этапа ПА перейти
к этапу ИВ непрерывно за счет последовательного изменения масштаба - непрерывное увеличение шага усталостных бороздок, изменение степени их изогнутости, возрастание длины и высоты. Появились дополнительные