Динамика локализации деформации в поверхностном монокристаллическом слое плоских поликристаллических образцов алюминия при циклическом нагружении

Динамика локализации деформации в поверхностном монокристаллическом слое плоских поликристаллических образцов алюминия при циклическом нагружении

В.Е. Панин, Т.Ф. Елсукова1, Г.В. Ангелова

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1Сибирский физико-технический институт, Томск, 634050, Россия

На основе представлений физической мезомеханики исследованы закономерности и механизмы зарождения и развития локализации деформации в монокристаллических поверхностных слоях крупнозернистых поликристаллов алюминия при их циклическом нагружении. Показано, что зарождение сдвиговой внутризеренной деформации, ее локализация и последующее усталостное разрушение начинаются на поверхности образца в зоне базового концентратора напряжений у неподвижного захвата. Распространение локализованной деформации по поверхности образца осуществляется последовательным формированием и самосогласованным взаимодействием встречных полос локализованного сдвига. Установлена взаимосвязь типа внутризеренной сдвиговой деформации, характера поверхностного рельефа монокристаллических поверхностных слоев и уровня циклической долговечности поликристал-лического материала. Проведена классификация признаков поверхностного рельефа поликристаллов, характеризующих уровень их усталостной прочности при циклическом нагружении.

1. Введение

Известно, что пластическая деформация зарождается и более интенсивно развивается на поверхности нагруженных твердых тел [1, 2]. В основе данного эффекта лежит существенное отличие структуры и свойств поверхностного слоя материала от структуры и свойств его объема. Это отличие проявляется в повышенной концентрации вакансий, существенно ослабленных силах связи, пониженных характеристиках прочности и сдвиговой устойчивости поверхностного слоя [3-5].

В соответствии с концепцией физической мезомеханики [5] отмеченные особенности поверхностных слоев обусловливают в них при нагружении более раннее и более интенсивное, чем в объеме, развитие деформации с реализацией специфических ее механизмов квазивяз-кого характера. Сопряжение сильно деформированного поверхностного слоя с внутренним менее деформированным объемом образца приводит к возникновению на поверхности широкого спектра квазипериодических модулированных профилей. Связанные с ними локальные зоны изгиба-кручения представляют собой концентраторы напряжений различного масштаба, которые обусловливают соответствующую иерархию масштабов

локализации деформации. Зародившаяся на поверхности локализованная деформация затем распространяется в объем деформируемого образца. Степень и характер эффекта локализации деформации определяются природой металла, состоянием его поверхностного слоя, условиями и видом нагружения.

Динамику зарождения и развития локализованной деформации на поверхности образца наиболее эффективно можно проследить в условиях знакопеременного изгиба. При статической деформации непрерывное увеличение нагрузки приводит с самого начала к уходу поверхностных дислокаций вглубь образца и их квазиод-нородному распределению в объеме материала. В то же время при знакопеременном изгибе в условиях постоянства уровня внешнего приложенного напряжения избыток деформационных дефектов в приповерхностном слое постоянно увеличивается, превышая на 1-2 порядка их плотность в объеме материала. Как следствие, при циклическом нагружении образца возникает возможность наблюдать динамику развития пластической деформации в его поверхностном слое.

Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей зарождения и развития локализации дефор-

© Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В., 2000

мации в поверхностных слоях поликристаллов алюминия при знакопеременном изгибе на основе представлений физической мезомеханики.

2. Материалы и методы исследования

В качестве материала исследования использовали технический алюминий марки А6. Для алюминия характерно наличие естественной поверхностной окисной пленки, позволяющей декорировать детали поверхностной картины деформации мезомасштабного уровня [6]. Использовали плоские образцы в виде двойной лопатки с поперечным сечением 8x1 мм2 и длиной рабочей части 40 мм.

Чтобы масштабно наблюдать картину зарождения и развития поверхностной деформации, образцы обрабатывали на крупнозернистую структуру. Отдельные крупные зерна, выходящие на поверхность образца, представляли собой протяженные “поверхностные монокристаллы” на подложке более мелкокристаллического материала. Продольный размер полученных “поверхностных монокристаллов” составлял 8^15 мм при их ширине 2^7 мм. Для нагружения был выбран знакопеременный изгиб, обеспечивающий преимущественную деформацию только поверхностных слоев образцов. Тем самым была реализована двумерная модель нагружения тонкого монокристаллического поверхностного слоя в условиях несовместности его деформации с деформацией подложки.

Поверхность образцов для структурных исследований готовили путем электрополировки с последующим нанесением на нее координатной сетки с квадратными ячейками. Систематические исследования структурных изменений в алюминии на различных стадиях его усталости проводили методами оптической и электронной растровой микроскопии. Для изучения динамики зарождения и развития поверхностной деформационной картины проводили прицельные наблюдения за всем “поверхностным монокристаллом” после различного числа циклов нагружения (Ы). Наряду с этим исследовали кинетику структурных изменений большого участка образца по всей его ширине в области максимального изгиба. Последнее давало возможность выявить роль зерен, сопряженных с “поверхностным монокристаллом”, в зарождении и развитии локализации в нем пластического течения.

Высоту микрорельефа (шероховатости) поверхности измеряли профилометром М-296 с цифровым отсчетом и индуктивным преобразователем. Параметр шероховатости Ra измеряли по ГОСТ 2798-73. С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC-1 высокого разрешения [7] получали картину деформации на мезомасштабном уровне в виде полей векторов смещений. Знакопеременный изгиб осуществляли с амплитудой ±0.5 мм и частотой 430 мин-1 при

комнатной температуре. За количественную характеристику усталости принимали число циклов нагружения до разрушения N р.

3. Результаты исследования

Общая картина циклической деформации исследованного крупнозернистого алюминия согласуется в основных чертах с литературными данными [8-12]. Ее спецификой является весьма неоднородное распределение деформации в зернах и в целом по поликристаллу. Наряду с сильно деформированными (активными) зернами многие зерна остаются слабо деформированными до самого разрушения. Внутризеренное скольжение осуществляется по одной-двум, редко по трем системам кристаллографических плоскостей. В силу различной ориентации активных зерен наблюдается целая гамма

Н Е П О Д В И Ж Н ЫИ З А X В А Т

Рис. 1. Фрагмент “поверхностного монокристалла” алюминия, в котором эстафетно развиваются встречные полосы локализованного сдвига, N = 106 циклов. х 30

Рис. 2. Два типа взаимодействия встречных полос локализованного сдвига в поверхностном слое поликристалла алюминия, N = 7.8 • 106 циклов: х 250

типов внутризеренного скольжения от ярко выраженного множественного до исключительно одиночного.

Первые следы одиночного скольжения в “поверхностном монокристалле” появились у неподвижного захвата в области концентратора напряжений, возникшего в тройном стыке “монокристалла” с окружающими зернами (рис. 1, точка А) при числе циклов N = 6 • 103. Определяющая роль захватов испытательной машины в зарождении и развитии пластической деформации нагруженного образца подробно рассмотрена в [5]. По мере роста числа циклов нагружения плотность линий скольжения увеличивается и происходит их объединение в полосы локализованного сдвига (рис. 1). Фронт распространения локализованной деформации перемещается от неподвижного захвата к подвижному.

Отдельные полосы локализованного сдвига последовательно зарождаются на противоположных участках границы “поверхностного монокристалла” и распространяются навстречу друг другу. Встречный сдвиг в двух параллельных полосах локализованной деформации А и В при большом увеличении показан на рис. 2, а. Видно, что в месте сближения полос происходит изменение направления сдвига. Это свидетельствует о реализации в этой области ротационных мод деформации. При ближайшем взаимодействии полос происходит аннигиляция встречных сдвигов: следы скольжения в промежутке между встречными полосами не наблюдаются.

Наряду с этим реализуется еще один механизм взаимодействия встречных сдвигов. Две встречные полосы

при своем распространении останавливаются на значительном расстоянии друг от друга. При дальнейшем циклировании в промежутке между ними формируется новая полоса, которая развиваясь, соединяет исходные полосы (рис. 2, б). После встречи двух полос развивается следующая пара самосогласованных полос локализованного сдвига. Это определяет эстафетный характер распространения сдвига от базового концентратора напряжений по поверхности нагруженного образца.

Встречные сдвиги в определенной степени компенсируют материальные повороты разного знака при развитии первичного одиночного скольжения. Однако полной его компенсации при этом, как правило, не происходит. Нескомпенсированный поворот постепенно увеличивается и достигает критической величины. Как следствие, в вершине участка, охваченного одиночным скольжением (рис. 1, точка С), где, очевидно, сформировался мощный мезоконцентратор напряжений, самосогласованно развиваются сначала одна CD (при N = = 105), затем другая СЕ (при N = 5 • 105) полосы локализованного вторичного сдвига. Их развитие происходит по сопряженным системам скольжения, составляющим между собой угол 90°. Включение в деформацию вторичной системы скольжения является результатом реакции материала на сформировавшийся поворотный момент от мощного первичного скольжения.

При дальнейшем увеличении числа циклов нагружения развивается вторая стадия деформации “поверхностного монокристалла” — стадия множественного

скольжения (рис. 3). Для этой стадии характерно сильное преимущество одной из систем скольжения. При этом после определенного увеличения числа циклов нагружения преимущественная роль переходит от одной системы скольжения к другой, что отчетливо наблюдается на рис. 3. Таким механизмом, в соответствии с законом структурных уровней деформации, осуществляется аккомодация нескомпенсированного поворота от сильно выраженного сдвига по одной из систем скольжения. Самосогласованное множественное скольжение постепенно распространяется по всему “поверхностному монокристаллу”.

Методом оптико-телевизионных измерений [7] удается наглядно показать, что множественное скольжение развивается эстафетно. Это отчетливо проявляется при сравнении полей векторов смещений, полученных для одного и того же участка образца при различном числе циклов нагружения N1 и N2 > N1 (рис. 4). Так, для числа циклов N1 на поле векторов смещений (рис. 4, б) сильно выражен сдвиг по первичной системе скольжения АВ. При увеличении числа циклов до N2 = N1 + 200 этот сдвиг практически отсутствует на поле векторов смещений, тогда как заметно выражен сдвиг по сопряженной системе плоскостей СD (рис. 4, в).

Хорошо развитое множественное скольжение эффективно обеспечивает самосогласование сдвигов разных знаков. Это определяет достаточно однородное распределение деформации и задерживает развитие ее локализации. Тем не менее, даже в таких условиях форми-

I //. I ////\ I I 14 . . . I I I . . /X I 144

. . . . I . ЛЧ I 1444

....//'11111 1__-г ... I I 1 1 ✓. 1 1 14

. _. I I I I I I I I 14

- _._4 111111111 . .44 I I 14 1 14

44_ I I I 14

I 14 I I I _

.4_ I I 144 I . . I 14 I

I I I I I VI

I I I I 14 1111111111 .111111 1444 1111111 1444 1 I I I >4 I 144 I 1111 144 1111 I I I 1444 1111 1111 144 1111 . I I 1 1 I I I 1 1_. »44^ 1111111 1111

. . /И 144_ . . _ .111. 144 I /_1

---.44-__-4 . . I . . I

I . .-.4 I . . 1

: К: г:

4 I

*4-^ I I 144 I I -411,

1и,

,4 14 , .4 I 1

I I .44 4\

-1 I I 14 I I 1 /11111111 /I 11111111 1111111111 1 I I I I I I I 1 I I 14 I 1 ....11114111111  • .4 I I 1'’ 1 . . I I I 14

. . 14 . I 1 I I 1 I I |

. I 1 1 1 I 1 / УА I 14 1

.4 I I 1 I I I У1 144 I I

— 111111111 144 I 44 11111111 14 4 I ' 4 4 4 .111111111

' 44 4 . - . 1,1 I

, 1 I- 1\4

I I Л С I I Л __ 1111

1111 1111 1111 14 I I

1 1 14

Рис. 4. Микроструктура (а) и эволюция поля векторов смещений при увеличении числа циклов нагружения: N1= 6-106 циклов (б); N = N1 + 200 циклов (в). х 120

руется заметно выраженный поверхностный рельеф образца, который проявляется как эффект гофрирования (рис. 5).

Рассмотренные результаты получены при исследовании картины скольжения в “поверхностном монокристалле” с ярким множественным скольжением. В случае слабо выраженных вторичных сдвигов или их полного отсутствия в условиях интенсивного первичного скольжения степень эффекта гофрирования поверхности деформируемого образца выражена значительно сильнее.

На рис. 6, а представлена микроструктура сильно деформированного “поверхностного монокристалла”.

Рис. 5. Рельеф “поверхностного монокристалла” алюминия с множественным скольжением, N = 7.8-106 циклов, РЭМ. х 1 000

В этом “монокристалле” действуют также две системы скольжения, но вторичная выражена слабо. Как следствие, развивается интенсивная локализация первичного скольжения, что приводит к формированию ярко выраженного волнообразного поверхностного мезорельефа. Систематическими измерениями ширины полос локализованного сдвига и расстояния между ними установлена явная периодичность поверхностного рельефа зерен с одиночным скольжением. При этом получена прямая зависимость периода гофрирования от амплитуды изгиба (расстояния полосы от неподвижного захвата). С уменьшением амплитуды изгиба от 1.0 до 0.4мм ширина полос локализованного сдвига и расстояние между ними уменьшаются соответственно от 300 до 30 мкм и от 500 до 70 мкм.

Анализ рельефа, представленного на рис. 6, а, методом растровой электронной микроскопии показывает, что данная структура представляет собой типичный гофр с выпуклостями и впадинами извилистой формы (рис. 6, б). Полосы гофра не сплошные, а состоят из отдельных, сопряженных между собой элементов волнообразного поверхностного рельефа. При большом увеличении (рис. 6, в) наблюдается более тонкая структура полос, состоящая из множества поперечных обьемных ламелей, образующих гофр более мелкого масштаба.

Для получения более яркой картины послойного формирования элементов гофра в работе были проведены аналогичные исследования на сдвигонеустойчивом сплаве Pb-0.01%As. Полученные результаты (рис. 7) убедительно подтверждают, что гофрирование поверхностного слоя при усталости связано с развитием квази-периодической локализации его деформации. Очевидно, сформировать целиком зону изгиба-кручения, связанную с крупным элементом гофра, энергетически невозможно. Поэтому их формирование развивается по-

слойно, сугубо локализовано: каждая ламель формируется в зоне мезоконцентратора напряжений, имеющей очень ограниченные размеры.

Как показал анализ результатов проведенных исследований, на характер внутризеренной сдвиговой деформации и, как следствие, формирующегося при этом поверхностного рельефа оказывает влияние не только ориентация зерна по отношению к внешнему напряжению, но также и форма его границ.

На рис. 8, а приведена структура “поверхностного монокристалла” с осциллирующим профилем границ. Последнее полностью исключает сдвиги по границам зерен, необходимые для формирования зернограничных источников дислокаций, обеспечивающих развитие в зерне множественного скольжения [7]. Указанная ситуация, как и в предыдущем случае, вызывает интенсивное развитие поворотных мод деформации, что сопровождается сильно выраженным эффектом гофрирования поверхности. Однако в данном случае в зерне с одиночным скольжением гофрирование проявляется в виде трансляционно-ротационного мезовихря, представленного на рис. 8, а. Этот вихрь сформировался в области максимального изгиба как месте будущего усталостного разрушения. Он представляет собой ярко выраженный многоуровневый гофр: его крупные, изогнутые ветви КЬ и КМ состоят из множества более мелких элементов гофра, что хорошо видно при большом увеличении на рис. 8, б.

Скольжение в данном зерне началось в левом нижнем углу поля рисунка 8, а, тогда как соседний с ним участок зерна оставался недеформированным. Как следствие, материал этой застойной зоны испытывал мощный поворот, инициирующий формирование локального мезовихря. Сопряжение зоны интенсивного сдвига с областью заторможенного сдвига, содержащей мезо-вихрь, привело к возникновению на его периферии усталостной трещины АBСD (рис. 8, а) Из рис. 8, а видно, что линии координатной сетки, нанесенной на образец перед испытанием, не испытывают разрыва при их пересечении с границей зерен EF. Это свидетельствует о том, что развитие мезовихря не вызывает проскальзывания содержащего его зерна по границе со смежными зернами. В то же время материал в зоне вихря поворачивается на большие углы. Аккомодация этого поворота осуществляется целым набором механизмов поворотного типа.

Прежде всего, это мелкомасштабная фрагментация на уровне мезо-1 материала в зоне мезовихря. Такую фрагментацию металлографически обнаружить не удается. Традиционно ее изучают методом просвечивающей электронной микроскопии [13]. Но при этом затрудняется анализ кинетики развития процесса фрагментации в протяженных обьемах образца и его связи с макроскопической картиной зарождения и распространения усталостных трещин. В данном случае анализ отдельных участков зоны мезовихря был выполнен методом

НЕПОДВИЖНЫЙ ЗАХВАТ

Рис. 6. Полосы локализованного сдвига в “поверхностном монокристалле” со слабым вторичным скольжением: а — световая микроскопия, х 30; б — РЭМ, х 1 000; в — РЭМ, х 4 000

растровой электронной микроскопии. Типичные микрофотографии фрагментированной структуры алюминия в области мезовихря представлены на рис. 8, в, г. Они наглядно показывают, что на более низких мезоуровнях профиль мезовихря модулирует. На рис. 8, в, г отчетливо виден сильно выраженный эффект гофрирования поверхностного слоя образца, сопровождаемый его растрескиванием и отслоением. Этому способствует связанное с деформационным упрочнением охрупчивание поверхностного слоя и наличие на поверхности образца окисной пленки алюминия.

Другим способом аккомодации поворота зоны мезо-вихря являются представленные на рис. 8, а механизмы трещинообразования двух типов. К первому типу относится раскрытие усталостной трещины СD, развивающейся слева от вихря в направлении, нормальном системе линий одиночного скольжения. Ко второму типу трещинообразования относится развитие поперек образца системы тонких, протяженных параллельных микротрещин — “волосовин” (рис. 8, а, б). Эти трещины аккомодируют вихрь на более низком масштабном уровне.

Зона рассмотренного мезовихря была исследована также методом оптико-телевизионных измерений. На рис. 9 представлены фрагмент рис. 8, а, содержащий часть вихря и микротрещину CD, и соответствующее этому фрагменту поле векторов смещений. Характер поля векторов смещений (рис. 9, б) подтверждает, что внутризеренный кристаллографический сдвиг на этом участке осуществляется по одной системе плоскостей. Сам вихрь на поле векторов смещений не проявился, так как к этому моменту он уже сформировался. Однако в зоне вихря наблюдаются деформационные домены, что отражает фрагментацию поверхностного слоя в зоне вихря на уровне мезо-1. Кроме того, на рис. 9, б в области

Продолжение рис. 6

русла трещины CD отражена динамика раскрытия берегов трещины по схеме продольного сдвига с реализацией поворотов материала вдоль берегов.

Магистральная усталостная трещина распространялась по микротрещине АВС и, дойдя до зоны вихря, дальше продвигалась не по трещине CD, а продолжала свой путь через зону мезовихря. Это свидетельствует о том, что в указанной зоне локализуются высокие напря-

Рис. 7. Послойное формирование элементов гофра в сплаве Pb-0.01%As, N = 103 циклов. х 800

Рис. 8. Трансляционно-ротационный мезовихрь в “поверхностном монокристалле” с осциллирующим профилем границ, N = 3.2-106 циклов:

а, б — световая микроскопия; в, г — РЭМ. х 100

жения, которые релаксируют при распространении усталостной трещины. Данное обстоятельство позволяет предполагать, что возникновение на поверхности поликристалла при циклическом нагружении вихревых гофрированных структур должно приводить к снижению усталостных характеристик. Результаты испытаний на усталость образцов алюминия с различным типом внутризеренного скольжения подтвердили это предположение: образцы, относящиеся к рис. 8, имеют минимальное число циклов до разрушения (см. табл.).

В хорошем соответствии с рассмотренными результатами исследования структурных изменений в “поверхностных монокристаллах” находятся результаты измерений высоты их поверхностного рельефа. Так, для “поверхностного монокристалла” с сильно выраженным множественным скольжением (рис. 3-5), в котором гофрирование поверхности выражено в наименьшей степе-

ни, среднее значение параметра шероховатости Ra составляет 0.1-0.2 мкм. Для “поверхностного монокристалла” со слабым вторичным скольжением (рис. 6) Ra ~ ~ 0.5 мкм. А для зоны наиболее грубого гофрирования, охваченной трансляционно-ротационным мезовихрем в “монокристалле” с одиночным скольжением (рис. 8), этот параметр составляет ~2 мкм.

4. Обсуждение результатов

Полученные в настоящей работе закономерности зарождения и распространения сдвига в “поверхностных монокристаллах” по мере увеличения степени деформации качественно согласуются с результатами работы [14] по растяжению монокристаллов твердых растворов Си-А1 и Си-Мп. В [14], также как и в данной работе, показано, что первые очаги локальной пластической деформации возникают всегда на поверхности образца в

Рис. 9. Микроструктура (а) и иоле векторов смещений (б). Развитие усталостной трещины в зоне мезовихря. х 120

локальных зонах микроконцентратора наиряжений. Локальная релаксация исходного микроконцентратора наиряжений и одновременная генерация локальных наиряжений ио соседству с активизировавшейся зоной сдвига ириводят к эстафетной иередаче скольжения в неохваченную деформацией область кристалла. В этой же работе убедительно иродемонстрирован встречный характер расиространения смежных иолос локализованной деформации.

Особенности рассмотренной выше картины динамики расиространения и взаимодействия иолос локализованного сдвига в иоверхностном слое алюминия ири знакоиеременном изгибе согласуются с теоретическими иредставлениями работы [15]. Как и в нашем эксиери-ментальном исследовании, в [15] рассмотрены два тииа взаимодействия встречных мезоиолос локализованного сдвига.

В вершине каждой из иолос имеет место существенное возмущение иоля наиряжений. Вне иолос вблизи их вершин возникает концентрация растягивающих на-иряжений, внутри иолос у их вершин, наоборот, расио-лагаются сжимающие наиряжения. Если иолосы расио-ложены так, что максимумы наиряжений находятся друг от друга дальше, чем минимумы, то ио мере ириближе-ния иолос между ними возникает область иониженных наиряжений. По мере иродвижения иолос навстречу друг другу их взаимодействие уменьшается.

В другом случае точки максимума наиряжений у концов иолос локализованного сдвига находятся между собой ближе, чем точки минимума наиряжений. По мере сближения иолос в уируго деформирующемся ироме-жутке между ними формируется локальная область высоких наиряжений, иод действием которых формируется новая иолоса, соединяющая две исходные.

Таким образом, взаимодействие иолос локализованной деформации ириводит к иерерасиределению концентраторов наиряжений. Как иоказано в [15], наиболее

существенное снижение концентрации наиряжений на концах иолос ироисходит в случае множественного скольжения, когда иолоса локализованного сдвига уии-рается в соиряженную иолосу. Такая ситуация должна благоириятно отражаться на характеристиках усталости. Это иоложение хорошо коррелирует с данными ниже ириведенной таблицы: наибольшую циклическую долговечность имеют образцы с иреимущественным множественным скольжением.

Указанное иоложение теории согласуется также и с результатами настоящей работы ио измерению высоты иоверхностного рельефа: она минимальна для зерен с множественным скольжением и максимальна на ио-верхности зерен с сильно локализованным одиночным скольжением.

Из сказанного следует, что для иолучения высоких характеристик усталости иоликристаллов необходимо всеми возможными сиособами иодавлять развитие локализации одиночного скольжения, инициирующего формирование грубого иоверхностного рельефа. Особенно оиасен такой рельеф в виде круиномасштабных трансляционно-ротационных мезовихрей.

Таблица

Зависимость иараметра шероховатости иоверхности и циклической долговечности А1 от характера внутризеренного скольжения

Характер внутризеренного скольжения

Параметр Число

шероховатости циклов до Ra, мкм разрушения N

Ярко выраженное множественное скольжение

Слабо выраженное множественное скольжение

Одиночное скольжение с образованием вихря

0.1—0.2 со 6. 106

0.5 5.9- 106

2.0 3.3- 106

5. Заключение

На основе иредставлений физической мезомеханики исследованы закономерности и механизмы зарождения и развития локализации деформации в монокристалли-ческих иоверхностных слоях круинозернистых иоли-кристаллов алюминия ири знакоиеременном изгибе и их связь с характеристиками усталости.

Показано, что зарождение сдвиговой внутризерен-ной деформации и ее локализации начинается на ио-верхности образца в зоне базового концентратора на-иряжений у неиодвижного захвата. Расиространение локализованной деформации ио иоверхности нагруженного образца носит эстафетный характер. Оно осуществляется иутем иоследовательного формирования и самосогласованного взаимодействия встречных иолос локализованного сдвига.

Во всех рассмотренных случаях формирование ио-верхностного рельефа связано с гофрированием материала иоверхностного слоя. Гофрирование иредстав-ляет собой многоуровневый ироцесс. Формирование круиных элементов гофра развивается иослойно из более мелких иоиеречных объемных ламелей.

В иоверхностных зернах с осциллирующим ирофи-лем границ одиночное скольжение формирует многоуровневый гофр в виде трансляционно-ротационного вихря. Область такого вихря исиытывает иовороты на большие углы, аккомодируемые механизмами мелкомасштабной фрагментации и трещинообразования. Это область высоких наиряжений, которые генерируют зарождение и расиространение магистральной усталостной трещины.

Установлена взаимосвязь тииа внутризеренной сдвиговой деформации (от развитого множественного скольжения до одиночного скольжения) с характером и иа-раметрами иоверхностного рельефа и уровнем характеристик усталости. Наиболее высокую циклическую долговечность имеют иоликристаллы алюминия с иреи-мущественным множественным скольжением, которое соировождается слабо выраженным иоверхностным рельефом. Формирование грубых вихревых мезосубструк-

тур на иоверхности иоликристаллов с сильно локализованным одиночным скольжением ириводит к существенному снижению характеристик усталости.

Полученные в работе результаты хорошо согласуются с теоретическими иредставлениями [14, 15] о самосогласованном развитии иолос локализованной деформации в нагруженном твердом теле.

Литература

1. Алехин B-П. Физика ирочности и иластичности поверхностных слоев материалов. - М.: Наука, 19S3. - 2S0 с.

2. Дударев E-Ф. Микроиластическая деформация и иредел текучести

иоликристаллов. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 19SS. - 25б с.

3. Heмoшкaлeнкo B.B., Алешин B.r. и др. Электронная структура и состав иоверхности силавов // Металлофизика. - 19S2. - Т. 4. -№ 4. - С. 5S—бЗ.

4. Zangwill A. Physics of surfaces. - Cambridge: Cambridge University Press, 1988. - 536 p.

5. Панин B.E. Физическая мезомеханика иоверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № б. - С. 5-23.

6. Панин B.E., Панин C.B., Мамаев А.И. Деформационные домены на мезоуровне в деформируемом твердом теле // Докл. РАН. -199б. - Т. 350. - № 1. - С. 35-3S.

7. Физичежая мезомеханика и комиьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 29S с.

8. Ива^ва B.C., ТерентьевB.Ф. Природа усталости металлов. - М.:

Металлургия, 1975. - 45б с.

9. Koцаньда C. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 197б. - 454 с.

10. Терентьев B.Ф. Эволюция структуры ири усталости металлов как результат самоорганизации диссииативных структур // Синергетика и усталостное разрушение металлов. - М.: Наука, 19S9. -С. 7б-87.

11. ГрицкийB.M., ТерентьевB.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 19S0. - 207 с.

12. Eлcyкoвa Т.Ф., Панин B.E. Механизм усталостного разрушения иоликристаллов на мезоуровне // Изв. вузов. Физика. - 199б. -№ б. - С. 40-57.

13. Рыгбин B.B. Большие иластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 198б. - 224 с.

14. Цигенбайн А., Пле^инг Й., Ho^o^e^ X. Исследование мезо-уровня деформации ири формировании иолос Людерса в монокристаллах концентрированных силавов на основе меди // Физ. мезомех. - 199S. - Т. 1. - № 2. - С. 5-20.

15. Дерюгин E.E. Метод элементов релаксации. - Новосибирск: Наука, 199S. - 252 с.