Влияние сдвиговой устойчивости кристаллической структуры поликристаллов на механизм их усталостного разрушения на мезомасштабном уровне

Влияние сдвиговой устойчивости кристаллической структуры поликристаллов на механизм их усталостного разрушения на мезомасштабном уровне

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

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

Проведена экспериментальная оценка вкладов в циклическую деформацию на мезоуровне различных механизмов поворотного типа, предсказанных теорией вихревого механического поля. Исследованы поликристаллы свинца, алюминия и сплавов на их основе. Показано, что степень реализации отдельных механизмов осуществления поворотных мод деформации существенно зависит от природы материала, особенно его свиговой устойчивости. Эта характеристика определяет масштабный уровень и кинетику фрагментации, которая лежит в основе процесса усталости и обусловливает уровень циклической долговечности материала.

1. Введение

В представлениях физической мезомеханики [1,2] носителями пластической деформация на мезоуровне являются объемные структурные элементы различных масштабов, движение которых происходит по схеме «сдвиг + поворот». Однако в общем случае указанный механизм деформации реализуется в нагруженном материале наряду с другими механизмами и наблюдать его в явном виде далеко не всегда удается.

Общая теория движения мезообъемов в деформируемом твердом теле рассмотрена в [3]. Показано, что в структурно-неоднородной среде под нагрузкой возникает вихревое механическое поле, приводящее к большим локальным эффектам изгиба-кручения. Этот эффект описывается выражением для изменения во времени градиента компонента тензора дисторсии:

, а, ’

‘ц д,

где ЛЦ — градиент компонента тензора изгиба-кручения. Локальные эффекты изгиба-кручения порождают аккомодационные потоки дефектов поворотного типа. Последние обусловливают дисперсию локальной кривизны, вызываемой неоднородностью потоков первичного скольжения. Это явление описывается выражением:

1 дSaц С2

1

ац

'V- 1- 'I-1 с,“ д, 12•

В соответствии с (2) аккомодационные поворотные моды деформации могут осуществляться тремя механизмами. Первый из них связан с поляризацией в поле поворотных моментов внутренних калибровочных полей

у аы [ь х ] и определяет формирование диссипа-

тивной субструктуры внутри структурных элементов: ячеистой дислокационной субструктуры, фрагментов, субзерен. Этот механизм относится к чисто мезомасш-табному уровню пластического течения.

Второй механизм связан с развитием множественного скольжения как аккомодационного материального

1 дSaц

поворота и описывается слагаемым ^2 . В общем

случае множественное скольжение является механизмом деформация микромасштабного уровня. Однако интенсивность сдвигов в разных системах скольжения может существенно отличаться или системы множественного скольжения могут быть распределены в разных зернах. Это обусловливает возникновение в деформируемом материале сильных поворотных моментов и приводит к вовлечению в движение мезообъемов.

Третий механизм осуществления поворотных мод

деформации описывается слагаемым ^ ^ в соотношении (2). В его основе лежат кристаллографические повороты структурных элементов деформации. Они реализуются проскальзыванием по границам раздела в совокупности с аккомодационными механизмами ротационной природы в приграничных зонах (фрагментация, миграция границ, образование несплошностей). Этот механизм деформации, как и первый, является типичным механизмом мезомасштабного уровня.

Таким образом, выражения (1) и (2) позволяют оценить вклад различных механизмов поворотного типа в пластическое течение на мезоуровне. Поэтому они мо-

© Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В., Сапожников С.В., 1998

гут быть эффективно использованы для изучения природы усталостного разрушения, которое развивается в основном на мезоуровне [4-6]. Исследованию данного вопроса посвящена настоящая работа. Целенаправленный выбор материалов исследования и условий нагружения при циклической деформации позволяет в широких пределах варьировать вклад каждого из слагаемых выражения (2) в сопротивление усталости.

2. Материалы и методы исследования

Испытания на усталость проводили при комнатной температуре путем знакопеременного изгиба плоских образцов с частотой 430 мин-1 и амплитудой ± 0.5 мм. За количественную характеристику сопротивления усталости взято число циклов до разрушения Ы?. Структурные исследования выполняли методами световой и электронной растровой микроскопии на разных стадиях усталости. На полированную поверхность образца перед испытанием наносили координатную сетку с квадратными ячейками. С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса высокого разрешения [1] на плоской поверхности образца получали картину деформации на мезоуровне в виде поля векторов смещений. Кроме того, получали распределение в образце компонентов тензора дисторсии (продольной, поперечной, сдвиговой и поворотной) и трехмерное представление этих компонентов.

Степень реализации того или иного механизма осуществления поворотных мод деформации существенно зависит от природы материала, особенно его сдвиговой устойчивости. В связи с этим в качестве материалов исследования были взяты крупнозернистые поликристаллы свинца, алюминия и сплавов на их основе. Свинец характеризуется низким значением этого параметра [5]. Алюминий как представитель металлов с высокой энергией дефекта упаковки имеет решетку с высокой сдвиговой устойчивостью. Поэтому ожидалось, что в

свинце и его сплавах большую роль в усталостном разрушении будут играть механизмы высокого масштабного уровня (фрагментация, движение зерен как целого и т.п.). В алюминии же определяющим фактором в усталостном разрушении должна быть неоднородность множественного скольжения на микромасштабном уровне. Указанное различие исследуемых материалов усугубляется разницей в гомологических температурах испытания: для алюминия комнатная температура составляет 0.3 Т , тогда как для свинца — 0.5 Т . При выборе легирующих добавок также учитывали их влияние на сдвиговую устойчивость структуры основного металла.

3. Результаты и их обсуждение

Совокупность полученных результатов полностью подтвердила высказанные предположения о различии ведущих механизмов деформации в выбранных материалах при циклическом нагружении. Для сдвигонеустойчивого свинца и сплавов на его основе в данных условиях испытания действительно основную роль в усталостном разрушении играет движение структурных элементов как целого, описываемое третьим слагаемым в уравнении (2). В результате формируется крупномасштабная мезоскопическая субструктура, определяющая их низкую циклическую долговечность. Характер этой субструктуры, масштаб ее структурных элементов и кинетика формирования зависят от состава сплава.

Так, в чистом свинце внутризеренная деформация осуществляется одиночным скольжением, инициируя сильный материальный поворот в пределах зерна и интенсивное зернограничное проскальзывание. Неоднородность зернограничного проскальзывания приводит к возникновению на границах зерен зон сильной локальной кривизны и связанных с ней мезоконцент-раторов напряжений. Последние релаксируют на начальном этапе локальной миграцией границы (окрестность точки С на границе АВ, рис. 1, а ). С ростом числа

Рис. 1. Развитие дисклинационной полосы СОЕ в крупном зерне 1 (размер *1000 мкм) поликристалла свинца при циклическом нагружении:

Ы= 102 (а); 103 (6); 105 (в). X 60

Рис. 2. Деление крупного зерна 1 поликристалла свинца (рис. 1, 6) на разориентированные мезообласти дисклинационной полосой СС, Ы = 103. х 500

циклов нагружения в этой зоне стесненной деформации зарождается дисклинация СС, распространяющаяся в зерне 1 в направлении максимальных касательных напряжений, рис. 1,6. О ротационной природе деформации, сосредоточенной в полосе СС , свидетельствует рис. 2. Он показывает, что участки зерна, расположенные по разные стороны этой полосы, разориентированы друг относительно друга на угол более 10°. При дальнейшем циклировании дисклинация достигает точки О. После этого она изменяет направление своего движения на 90° и распространяется по сопряженному направлению максимальных касательных напряжений, рис. 1, в. Именно в этих направлениях происходит преимущественно потеря сдвиговой устойчивости материала на мезоуровне. Зигзагообразный характер движения дисклинаций определяется заданными граничными условиями. Согласно этим условиям суммарный поворот при движении потоков деформационных дефектов в деформируемом материале должен быть равен нулю.

Подобные дисклинации возникают и в других зернах, испытывающих сильный сдвиг по границам. Распространяясь в объем зерен, они аккомодируют материальный поворот внутризеренного скольжения, ре-лаксируя породивший их мезоконцентратор. Для сдвигонеустойчивого материала характерным является наличие большого числа дисклинаций, далеко уходящих от породивших их мезоконцентраторов напряжений.

Самоорганизация дисклинаций приводит к формированию блочной мезоскопической субструктуры II по классификации [1,2], рис. 3, аккомодирующей взаимодействие трансляционно-ротационных вихрей на мезо-уровне. Каждый блок охватывает до десяти исходных зерен и их частей. Когда полосовая мезосубструктура распространится через все поперечное сечение образца, возможность этого механизма релаксации мезоконцент-раторов напряжений исчерпывается. Вступает в дейст-

Рис. 3. Блочная мезоскопическая субструктура в поликристалле свинца, Ы= 5*104. X 50

вие релаксационный механизм трещинообразования: дальнейшая аккомодационная перестройка субструктуры осуществляется увеличением разворотов внутри дисклинационных полос, что сопровождается зарождением и распространением трещин по границам дискли-национной субструктуры. Как следствие, усталостные трещины в свинце имеют форму зигзагов, рис. 4. Материал с блочной мезосубструктурой имеет низкую циклическую долговечность N=1.0 • 105.

Вся последовательность рассмотренной картины эволюции динамической мезосубструктуры является проявлением поведения под знакопеременной нагрузкой поликристалла с низкой сдвиговой устойчивостью и интенсивным зернограничным проскальзыванием. Чтобы разделить влияние этих двух факторов на характер формирующейся мезоскопической субструктуры и циклическую долговечность материала, было исключено наличие одного из них — зернограничного проскальзывания. Легирование свинца горофильным оловом

Рис. 4. Усталостное разрушение поликристалла свинца. X 40

Рис. 5. Сплав РЬ-1.0 % Sn: а — радиальная фрагментация зерна, выявляемая в оптическом интерференционном микроскопе, Ы = 103. X 500; 6 — подстраивание активных зерен в конгломераты-вихри. X 50

в пределах твердого раствора подавляет проскальзывание по границам зерен и при этом дополнительно понижает сдвиговую устойчивость решетки, особенно в приграничных зонах [5]. Это облегчает сильную локализацию деформации квазивязкого характера в приграничных зонах, что в условиях одиночного внутризерен-ного скольжения обеспечивает поворот внутреннего объема зерен как целого. При этом ядро зерна испытывает сильную радиальную фрагментацию, рис. 5, а, которая способствует распространению усталостной трещины.

Описанная картина относится к единичному зерну. Учитывая их самоорганизацию в рамках всего образца, следует подчеркнуть отсутствие в сплаве РЬ-Бп дально-действующих полей вследствие их релаксации в вязких приграничных зонах. Деформирующиеся зерна, ядра которых легко поворачиваются как целое, самосогласованно подстраиваются эстафетно друг к другу. Сначала формируются изолированные мезовихри из двухтрех активных смежных зерен. Затем, по мере цикли-рования, к ним подстраиваются другие активные зерна,

образуя крупномасштабные конгломераты, рис. 5, 6. Поворот таких конгломератов как целого приводит к формированию в угловых точках макроконцентраторов напряжений, а затем и усталостной трещины. Характерно, что описанные явления развиваются в твердых растворах РЬ-Бп при сравнительно малом числе циклов нагружения. Такое легирование существенно понижает и без того низкое сопротивление усталости свинца (для сплава РЬ-1.0% Бп Ы? =0.46 • 105).

Таким образом, преобладание вклада в усталостное разрушение третьего механизма осуществления поворотных мод деформации, связанного с кристаллографическими поворотами крупномасштабных структурных элементов, обусловливает низкую усталостную прочность материалов со сдвигонеустойчивой структурой.

Совсем другой механизм усталостного разрушения развивается в алюминии, имеющем высокую сдвиговую устойчивость. Самосогласованные повороты структурных элементов деформации как целого в алюминии при комнатной температуре нагружения невозможны. Ведущий поворотный механизм деформации алюминия при

Рис. 6. Микроструктура (а) и поле векторов смещений (6) поликристалла А1 после 6-106 циклов нагружения. Стрелкой указана усталостная трещина на границе зерен

Рис. 7. Микроструктура (а), поле векторов смещений (б) и соответствующая картина распределения сдвигового (є%у ) и поворотного (Ю 2 ) компонентов тензора дисторсии (в) в крупном зерне поликристалла А1 после 5.9-106 циклов нагружения. Стрелкой указана усталостная трещина в зерне

циклическом нагружении связан с резким различием интенсивности сдвигов в разных системах множественного скольжения. Вызываемый этим сильный материальный поворот представлен в выражении для

слагаемым 2 л, . ц С ы

На рис. 6 показаны микроструктура поликристалла алюминия после 6-106 циклов нагружения и соответствующее поле векторов смещений. В правом активном зерне развиты две системы скольжения. Однако их распределение внутри зерна резко неоднородно. В правой части зерна преимущественно выражена одна система скольжения, в левой части этого зерна — другая система. В центральной части зерна интенсивности скольжения в обеих системах близки. Это определяет вертикальное направление векторов смещения как векторную сумму векторов смещений в двух сопряженных системах скольжения.

В целом активное зерно перемещается вверх, увлекая за собой смежное (рис. 6, слева) зерно. Но в смежном зерне сдвиговая деформация не протекает. В итоге, на границе рассматриваемых зерен возникает усталостная трещина (указана стрелкой). Это является результатом рассогласования направлений движения (векторов смещения) двух смежных зерен, происходящего вслед-

ствие отсутствия адекватной аккомодационной деформации в левом зерне.

Другая картина сильного различия сдвигов в двух системах множественного скольжения представлена на рис. 7. Она развивается в очень крупном зерне и вызывает распространение в нем усталостной трещины в направлении интенсивного первичного скольжения. Как следствие, поле векторов смещений, рис. 7, 6, четко разделено на два макрофрагмента. Характерно, что это разделение зерна на макрофрагменты распространяется далеко впереди вершины трещины, определяя траекторию ее последующего распространения. Это наглядно видно из рис. 7, в, где показана сильная локализация сдвига-поворота на границе двух фрагментов впереди вершины трещины.

Раскрытие усталостной трещины в крупном зерне поликристалла А1 сопровождается появлением в крупных фрагментах более мелких структурных элементов, рис. 8, названных в [7] деформационными доменами. Образование деформационных доменов является аккомодационным механизмом поворота крупных фрагментов как целого.

Поликристаллы алюминия имеют более высокую циклическую долговечность (Ы? = 6.6 • 106), чем поликристаллы свинца и сплавов РЬ-Бп.

і.!

іи-

"р— |.'л‘ ‘

її!

: ічч!!

V.' і і іілл

"і: Іч'ї” 1г.

Рис. 8. Микроструктура (а) и доменная структура в поле векторов смещений (б) в А1 после 5.9-106 циклов нагружения. Стрелкой указана усталостная трещина в зерне

4. Заключение

Усталостное разрушение исследованных поликристаллов при циклическом нагружении развивается как многоуровневый процесс поворотного типа и удовлетворительно описывается физической мезомеханикой разрушения. Вклад поворотных механизмов деформации различных масштабных уровней в усталостную прочность материала существенно зависит от сдвиговой устойчивости его внутренней структуры.

Первичным при циклическом нагружении поликристаллов является одиночное скольжение в отдельных благоприятно ориентированных зернах. Неоднородность первичного скольжения вызывает появление в поликристалле локальных материальных поворотов. Последние обусловливают развитие аккомодационных поворотных механизмов, приводящих к формированию диссипативных субструктур и фрагментации материала на различных мезоуровнях.

Поликристаллы свинца и сплавов РЬ-Бп с низкой сдвиговой устойчивостью внутренней структуры формируют крупномасштабную мезосубструктуру II. Каждый фрагмент такой мезосубструктуры содержит конгломерат самосогласованно деформирующихся зерен. Их движение как целого по схеме «сдвиг + поворот» приводит к возникновению несплошностей, зарождению магистральной трещины и усталостному разрушению материала. Исследованные поликристаллы свинца и сплавов РЬ-Бп имеют низкую усталостную прочность.

В поликристаллах алюминия с высокой сдвиговой устойчивостью внутренней структуры мезосубструк-тура II не возникает. В крупных зернах поликристалла алюминия возникает мезосубструктура I, выявляемая

только в поле векторов смещений. Распространение усталостной трещины происходит по границам мезосубструктуры I. При этом внутри фрагментов мезосубструктуры I формируются деформационные домены аккомодационной природы. Усталостная прочность поликристаллов алюминия на 1.5-2 порядка выше усталостной прочности поликристаллов свинца и сплавов Pb-Sn.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Интеграция» (проект № 256) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 96-01-00902).

Литература

1. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1.- 297 с.

2. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов// Изв. вузов. Физика. - 1995. - Т. 38. - № 11. - С. 6-25.

3. ПанинВ.Е., ГриняевЮ.В., ЕгорушкинВ.Е. и др. Спектр возбужденных состояний и вихревое механическое поле в деформируемом кристалле // Изв. вузов. Физика. - 1987. - Т. 30. - № 1. -С. 36-51.

4. Елсукова Т.Ф., ЖуковаК.П., ПанинВ.Е. Концентрационная зависимость сопротивления деформации твердых растворов Pb-Sn // ФММ. - 1987. - Т. 64. - Вып. 6. - С. 1158-1163.

5. ПанинВ.Е., Елсукова Т.Ф. Деформация и разрушение поликристаллов при знакопеременном нагружении как диссипативный процесс // Синергетика и усталостное разрушение металлов / Под. ред. В.С. Ивановой. - М.: Наука, 1989. - С. 113-138.

6. Елсукова Т.Ф., Панин В.Е. Механизм усталостного разрушения на мезоуровне // Изв. вузов. Физика. - 1996. - Т. 39. - № 6.- С. 4057.

7. Панин В.Е., Панин С.В., МамаевА.И. Деформационные домены на мезоуровне в деформируемом твердом теле // Докл. РАН. - 1996. -Т. 350.- № 1.- С. 35-38.