Механизм формирования мезоскопической деформационной структуры в образцах поликристаллических материалов при знакопеременном плоском изгибе

Механизм формирования мезоскопической деформационной структуры в образцах поликристаллических материалов при знакопеременном плоском изгибе

А.Ю. Быдзан, С.В. Панин, Ю.И. Почивалов

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Методами оптической и растровой электронной микроскопии исследованы механизмы пластической деформации на мезо- и макромасштабный уровнях при усталостном разрушении образцов стали 20X13, дуралюмина Д16АТ и технического алюминия А0М в условиях знакопеременного плоского изгиба. Установлены закономерности формирования и эволюции мезоскопической деформационной структуры при развитии магистральных трещин. Показано, что макроскопическое раскрытие магистральные трещин определяется развитием локализованной пластической деформации по схеме “сдвиг + поворот”.

1. Введение

Развитие усталостной трещины представляет собой сложный синергетический процесс последовательного нарушения сплошности материала в условиях воздействия переменных нагрузок, в котором важнейшую роль играет локализованная пластическая деформация [1]. Механизмы пластической деформации в окрестности вершины усталостной трещины определяют собственно процесс декогезии в материале и широко исследуются при изучении усталости металлов [2]. Пластическая зона в области вершины усталостной трещины подробно изучена как экспериментально, так и теоретически [3].

Однако, как правило, в литературе об усталости металлов рассматриваются микромеханизмы пластической деформации и соответственно случаи микромасштабного пластического течения. При этом полагается, что средние напряжения, возникающие в образце при циклическом нагружении, не достигают предела текучести материала, а пластическое течение развивается только в непосредственной близости от исходных концентраторов напряжений и вершины распространяющейся усталостной трещины. Такая модель не является универсальной и применима только к начальным стадиям усталостного разрушения, так как при значительных

приращениях циклической нагрузки в материале происходят существенные изменения как структуры и свойств материала, так и геометрии образца, а пластическая деформация постепенно приобретает более крупномасштабный характер. Экспериментальное изучение пластической деформации при усталостном разрушении в определенной степени ограничено традиционно использующимися техническими средствами. В частности, фрактографический анализ дает представление преимущественно о микромасштабной пластической деформации, а световая микроскопия полноценно отражает только достаточно развитую картину деформационного рельефа.

Результаты экспериментальных исследований, опубликованные в последние годы [4, 5], показывают, что пластическая деформация в условиях циклического нагружения, равно как и при других видах нагружения, представляет собой процесс, последовательно развивающийся в иерархии структурных уровней деформации [6]. Согласно современным представлениям, усталостное разрушение связано с самоорганизацией мезоскопической деформационной структуры, формирующейся в материале при циклическом нагружении [7]. В связи с этим, изучение усталости металлов требует од-

© Быдзан А.Ю., Панин С.В., Почивалов Ю.И., 2000

Рис. 1. Схема образца для испытаний. Все размеры даны в мм

новременного рассмотрения разномасштабных проявлений этого единого процесса от микромеханизмов разрушения до макроразрушения нагруженного твердого тела на основе концепции структурных уровней деформации [6] и представлений физической мезомеха-ники [8].

В настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований усталостного разрушения образцов нескольких поликристаллических материалов в условиях знакопеременного изгиба. Эксперименты проводились с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC [9], что позволило достаточно подробно изучить особенности эволюции мезоскопической деформационной структуры при усталостном разрушении.

2. Материал и методика исследования

В работе исследовали образцы алюминиевого сплава Д16АТ, технического алюминия марки А0М, конструкционной стали 20X13. Образцы для испытаний изготавливали в виде прямоугольных пластин из листового проката (рис. 1). С целью обеспечения локализации процессов усталостного разрушения в определенном сечении образцов на поверхность их плоских граней наносили макроконцентратор напряжений в виде острого У-образного поперечного надреза глубиной ~ 0.1 мм. Для проведения мезоскопических исследований боко-

Рис. 2. Схема исследования боковой грани образца

Рис. 3. Схема устройства для крепления образцов на предметном столике микроскопа: 1 — струбцина; 2 — образец; 3 — прижимная пластина; 4 — прижимные винты; 5 — предметный столик; 6 — объектив

вая поверхность образцов подвергалась механической полировке.

Механические испытания проводили по схеме знакопеременного консольного плоского изгиба. Цикл нагружения — двусторонний, симметричный, синусоидальный, с постоянной амплитудой. Образцы испытывали в малоцикловой области усталости. Параметры нагружения подбирались таким образом, чтобы число циклов до разрушения образцов составляло 40.. .50-103. Частота нагружения составляла 10 Гц.

Исследования механизмов усталостного разрушения проводили на двух перпендикулярных поверхностях — на поверхности излома (после разрушения образца) и на боковой грани образца (in situ).

Фрактографические исследования проводили с использованием растрового электронного микроскопа Tesla BS 300.

Эволюцию деформационного рельефа поверхности и динамику роста трещин изучали на боковой грани образцов (рис. 2) с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC на базе оптического микроскопа Epiquant. Съемка изображений поверхности осуществлялась методом двойной экспозиции, при котором нагружение образца производится в перерывах между съемками. Для исключения сдвигов и поворотов образца при очередной установке было изготовлено специальное устройство для крепления образцов на предметном столике оптического микроскопа (рис. 3). Процессы пластической деформации изучали с помощью компьютерной обработки оптических изображений поверхности образцов (построение полей векторов смещений участков поверхности, расчет компонент тензора пластической дисторсии). При этом изображения, полученные после N циклов нагружения, сопоставлялись с изображениями, полученными после N + AN циклов нагружения.

Рис. 4. Поверхность излома образца: схема (а); РЭМ-изображение излома образца стали 20X13 (б). 1 — очаги зарождения усталостных трещин; 2 — зоны распространения магистральных трещин; 3 —область долома. х 100

3. Результаты исследований

3.1. Исследования поверхности излома

При использовавшейся в экспериментах схеме испытаний разрушение образцов происходило вдоль сечения, проходящего через поперечные надрезы, нанесенные на плоские грани образцов. Ввиду симметричности цикла нагружения поверхности разрушения образцов состояли из двух частей, расположенных симметрично относительно средней плоскости изгибаемого образца (рис. 4). При этом каждая из симметричных частей излома имела характерные участки: очаги зарождения усталостных трещин, зоны распространения магистральных трещин, область долома.

3.1.1. Очаги зарождения усталостных трещин

Как правило, в приповерхностном слое в области надрезов наблюдается несколько очагов зарождения усталостных трещин, расположенных на различных расстояниях друг от друга. Характер разрушения в очагах в образцах разных материалов был различен. Квазихрупкое разрушение наблюдалось в очагах на изломах образцов стали 20X13 (рис. 5) и дуралюмина Д16АТ, о чем свидетельствует ручьистый рельеф, образованный первичными ступеньками сброса на гладких плоскостях скола. Очаги в образцах технического алюминия А0М характеризуются развитым деформационным рельефом, что свидетельствует о том, что разрушение происходит по хрупко-пластическому механизму. В приочаговых областях наблюдаются вторичные ступеньки сброса, сформировавшиеся в результате соединения поверхностных трещин, развившихся из различных очагов.

3.1.2. Зоны распространения магистральных трещин

За приочаговой областью располагается обширная

зона распространения магистральной трещины. Она характеризуется явно выраженным деформационным рельефом, образованным многократно повторяющимися усталостными бороздками (рис. 6). Усталостные бороздки преимущественно ориентированы параллельно плоским граням образца и сохраняют такую ориента-

цию практически по всей зоне распространения магистральной трещины. В данной зоне наблюдаются также микротрещины, что свидетельствует об активном ветвлении магистральной трещины. Микротрещины, в свою очередь, ориентированы параллельно усталостным бороздкам. Наличие в зоне распространения магистральной трещины определенной доли участков скола (рис. 7) подтверждает тот факт, что ее развитие происходит по хрупко-пластическому механизму.

3.1.3. Область долома

В области средней плоскости образца располагается зона долома. Она представляет собой длинную и узкую область, распространяющуюся почти на всю ширину образца и, как правило, имеет отчетливый чашечный рельеф (рис. 8), что говорит значительной доле вязкого разрушения.

Следует отметить, что на всех характерных участках излома образцов наблюдалось транскристаллитное разрушение.

3.2. Исследования боковой грани

3.2.1. Рост трещин

При исследованиях боковой грани образцов наблюдались два вида трещин: макротрещины (квазихрупкие и хрупко-пластические) и микротрещины.

Рис. 5. Участки скола в очаге зарождения усталостной трещины1. Сталь 20X13. х 1 000

* Т

Рис. 6. Усталостные бороздки в области распространения магистральной трещины: сталь 20X13, х 750

Возникновение квазихрупких макротрещин наблюдалось в образцах дуралюмина Д16АТ (рис. 9) и стали 20X13 в области надрезов. Квазихрупкий характер их развития обусловлен очень незначительной пластической деформацией, о чем свидетельствуют картины распределения векторов смещений. Длина таких трещин на боковой поверхности образцов составляет 30^50 мкм. Их ориентация перпендикулярна направлению локальных растягивающих напряжений сттах, что характеризует их как трещины отрыва. Квазихрупкие трещины характеризуются очень острой формой, так как пластическая деформация при их росте очень мала и не вызывает притупления вершины трещины. В об-

Рис. 7. Участки скола в области распространения магистральной трещины. Сталь 20X13. х 600

разцах технического алюминия А0М возникновения квазихрупких трещин не наблюдалось.

Xрупко-пластический рост макротрещин наблюдался в образцах всех исследованных материалов. Для хрупко-пластических трещин характерна существенная пластическая деформация материала в области вершины трещины, выявляемая при построении полей векторов смещений. Трещины данного типа развиваются из квазихрупких трещин (рис. 10, а), либо сразу от надрезов (рис. 10, б, в), и распространяются через всю толщину образца как магистральные. Xрупко-пластические

Рис. 8. Чашечный рельеф в области долома: сталь 20X13, х 750

Рис. 9. Квазихрупкая трещина. Дуралюмин Д16АТ. N = 5-103. х 200

трещины по сравнению с квазихрупкими, как правило, имеют притупленную вершину. Макроскопическая ориентация трещин перпендикулярна направлению ст тх (трещина отрыва). Однако при этом трещины активно ветвятся с образованием микротрещин, преимущественная ориентация которых-------30^60° к направлению

сттх, что соответствует распространению трещин сдвига (рис. 10, микротрещины показаны стрелкой).

3.2.2. Развитие пластической деформации

Исследование участка боковой грани образца в области разрушения, соответствующего всей его толщине, позволило изучить механизмы крупномасштабной пластической деформации при усталостном разрушении.

Как отмечалось выше, рост квазихрупких трещин сопровождается исключительно микромасштабной пластической деформацией. При оптических исследованиях боковой поверхности образцов в области вершин таких трещин не отмечается формирования деформационного рельефа. Компьютерная обработка оптических изображений также не выявляет смещений участков поверхности на стадии квазихрупкого разрушения.

Однако постепенно рост трещины приобретает хрупко-пластический характер. Об этом свидетельствует развитие пластической деформации, выявляемое при построении полей векторов смещений. При этом в области вершины трещины сначала отмечаются незначительные смещения участков поверхности, а затем формируются полосы локализованной пластической деформации. Первоначально выявляемые полосы ориентированы под углом - 50^60° к направлению сттх и имеют форму, близкую к прямолинейной (рис. 11). По мере роста хрупко-пластической трещины вглубь образца масштаб полос увеличивается, а их форма становится криволинейной, приобретая вид дуг окружности (рис. 12). Распределение таких дуг часто имеет веерообразный характер: полосы, исходящие из вершины трещины, ориентированы не под одним углом к направлению сттх, а в некотором диапазоне углов (рис. 13). При сближении магистральных трещин, распространя-

Рис. 10. Xрупко-пластическая трещина. Сталь 20X13, N = 35-103, х 200

ющихся от противоположных плоских граней образца, полосы приобретают форму замкнутых кривых, соединяющих вершины трещин (рис. 14). Эти кривые имеют четкую форму дуг окружности. В результате дальнейшего сближения вершин магистральных трещин постоянно формируются новые дуги полос локализованной деформации, но уже с меньшим радиусом. Интенсивность пластической деформации при этом значительно возрастает, о чем свидетельствует формирование разви-

Рис. 11. Полосы локализованной пластической деформации в области вершины хрупко-пластической трещины. Дуралюмин Д16АТ. N = 10-103, ДN = 3-103. Поле векторов смещений (а); поперечная компонента тензора дисторсии (б). х 200

Рис. 12. Полосы локализованной пластической деформации в области вершины хрупко-пластической трещины. Дуралюмин Д16АТ. N = 20-103, Д^ = 5-103. Поле векторов смещений (а); поперечная компонента тензора дисторсии (б). х 200

б

Рис. 13. Полосы локализованной пластической деформации в области вершины хрупко-пластической трещины. Алюминий А0М. N = 12-103, ДЫ = 103. Поле векторов смещений (а); поперечная компонента тензора дисторсии (б). х 100

того деформационного рельефа. В образцах 20X13 развитие пластической деформации в описанной последовательности отчетливо наблюдается даже без построения полей векторов смещений по характеру деформационного рельефа (рис. 15).

Интенсивность пластической деформации в полосах неодинакова. В непосредственной близости от вершины трещины либо надреза как макроконцентраторов напряжений пластическая деформация развивается более интенсивно. Это наглядно прослеживается на графиках

Рис. 14. Полосы локализованной пластической деформации в области между вершинами хрупко-пластических трещин. Дуралюмин Д16АТ. N= 40-103, ДЫ = 103. Поле векторов смещений (а); поперечная компонента тензора дисторсии (б). х 200

компонент тензора пластической дисторсии, рассчитанных по построенным полям векторов смещений. При этом в области вершины трещины имеет место максимум значений 8^, которые постепенно убывают по мере удаления от ее вершины (рис. 11-14).

4. Обсуждение результатов

По мнению авторов, наибольший интерес в работе представляют экспериментальные данные, свидетельствующие об эволюции деформационной структуры при развитии магистральной трещины. Использовавшиеся в работе методы исследования — фрактографический анализ поверхности излома и топографический анализ боковой поверхности образцов — позволили изучить

механизмы пластической деформации на двух перпендикулярных сторонах. Это дает возможность сопоставить результаты, полученные данными методами, и сформировать определенное представление о развитии пластической деформации в объеме образца.

Согласно фрактографическому анализу, при использовавшейся в работе методике испытаний в образцах возникает несколько очагов усталостных трещин, располагающихся произвольно вдоль поверхностных надрезов. Очаг трещины, в частности, может представлять собой область скола с гладким ручьистым рельефом. Если такой очаг расположен вблизи боковой поверхности, то на ней наблюдается возникновение квазихрупкой трещины. Из сформировавшихся очагов начинается хрупко-пластический рост трещин с образованием уста-

Рис. 15. Развитие деформационного рельефа при росте усталостных трещин. Сталь 20X13. N = 35• 103 (а); 40-103 (б); 43-103 (в); 45-103 (г). х 200

а

Рис. 16. Схематическое представление развития пластической деформации на боковой поверхности образца при росте усталостных трещин

лостных бороздок и происходит соединение поверхностных трещин, о чем свидетельствуют многочисленные вторичные ступеньки сброса. При этом образуется магистральная трещина, в зоне развития которой наблюдаются типичная для усталостного разрушения картина многократно повторяющихся усталостных бороздок, расположенных параллельно плоскости изгиба. При наблюдении боковой поверхности образцов развитию магистральной трещины соответствует хрупкопластический рост макротрещины. Таким образом, при сопоставлении данных фрактографии и оптических исследований, полученных на перпендикулярных поверхностях, можно утверждать, что формирование горизонтальных усталостных бороздок на поверхности излома и формирование дугообразных полос локализованной деформации на боковой грани образца есть две стороны единого процесса.

Обобщение данных, описанных в п. 3.2, позволило определить следующую последовательность этапов усталостного разрушения. В вершине возникшей квази-хрупкой трещины (либо в вершине надреза) формируется зона локального пластического течения, в результате начинается хрупко-пластический рост усталостной трещины (рис. 16, а). По мере приращения циклической нагрузки зона пластической деформации увеличивается: начинается формирование мезоскопических полос локализованной пластической деформации. При этом полосы приобретают криволинейную форму в виде незамкнутых дуг окружности (рис. 16, б). Рост магистральных трещин приводит к уменьшению нетто-сечения образца, а следовательно, к увеличению действующих напряжений. В результате устанавливается макромасштабное пластическое течение: полосы локализованной пластической деформации приобретают форму замкнутых дуг окружности (рис. 16, в). Дальнейший рост трещин приводит к формированию новых дуг полос, но

Рис. 17. Схематическое представление развития пластической деформации в объеме образца при росте усталостных трещин

уже меньшего радиуса (рис. 16, г). В итоге, на момент соединения магистральных трещин ретроспективная картина локализации пластической деформации принимает вид, изображенный на рис. 16, д.

По всей видимости, пластическое течение материала и распространение магистральной трещины вблизи свободной поверхности боковой грани происходят в менее стесненных условиях по сравнению с материалом в объеме образца. Об этом, в частности, свидетельствует соединение магистральных трещин на боковой поверхности до момента долома образца. Однако при заданных размерах образцов и схеме нагружения в образцах реализуется изгиб в условиях плоской деформации. Следовательно, в определенной степени полученные представления о локализации пластической деформации можно перенести и на весь объем образца, полагая, что пластическая деформация локализуется в некоторых цилиндрических поверхностях (рис. 17). В связи с этим можно утверждать, что формирование фрактографичес-кого рельефа и усталостных бороздок, в частности, связано не только с микромасштабной пластической деформацией. Усталостные бороздки возникают в непосредственной близости от концентраторов напряжений, но пластическая деформация постепенно распространяется на большие объемы материала вплоть до макроскопических.

В результате развития пластической деформации по описанной схеме в объеме изгибаемого образца происходит формирование мезоскопической деформационной структуры. Материал фрагментируется с образованием трех макрофрагментов, перемещающихся друг относительно друга как целые части. Относительные перемещения фрагментов происходят по схеме “сдвиг +

Рис. 18. Схема относительных перемещений элементов деформационной структуры

поворот”: кристаллографические сдвиги, приводящие к формированию полос локализованной деформации, обеспечивают макроскопические повороты фрагментов. Деформационная структура при этом представляет собой своего рода “пластический шарнир” (рис. 18), в котором элементы структуры проворачиваются друг относительно друга под действием изгибающих нагрузок (термин “пластический шарнир” используется в литературе при описании пластической деформации в вершине трещины [10]). Иными словами, упругий изгиб образцов частично компенсируется пластическими поворотами элементов деформационной структуры.

Мезоструктура в виде “пластического шарнира” в ходе нагружения претерпевает определенную эволюцию, которая связана с изменением сложного напряженного состояния. Изменение геометрии образца в результате роста магистральных трещин, а также неоднородность материала, вносимая деформационным упрочнением, приводят к перераспределению действующих напряжений. В связи с этим в ходе нагружения наблюдается изменение ориентации полос локализованной пластической деформации, что приводит к их веерообразному распределению. Рост магистральных трещин приводит к постепенному уменьшению размеров “пластического шарнира”, что продолжается вплоть до соединения трещин и долома образца.

5. Заключение

Наряду с информацией, типичной для исследований усталости, в работе получены новые результаты, позволяющие внести некоторые дополнения к представлениям о механизмах пластической деформации при усталостном разрушении.

Фрактографический анализ усталостных изломов дает представление только о микромеханизмах усталостного разрушения. В действительности, локализация пластического течения при росте усталостной трещины постепенно распространяется на значительные объемы материала и выходит за рамки микромасштабного уров-

ня, что требует дополнительных средств и методов исследований.

На примере циклического изгиба плоских образцов показано, что в ходе нагружения зона пластической деформации в области вершины усталостной трещины динамически изменяется. При этом пластическая зона постепенно увеличивается от микроскопических до макроскопических размеров, формируя сложную деформационную структуру. Формирующаяся при циклическом изгибе деформационная структура специфична, так как ввиду неоднородности распределения напряжений пластическое течение в материале локализуется вдоль цилиндрических поверхностей. При этом элементы структуры в ходе нагружения совершают относительные перемещения по схеме “сдвиг + поворот”.

В результате относительных перемещений фрагментов в изгибаемом образце по схеме “сдвиг + поворот” формируется своеобразный “пластический шарнир” как реакция твердого тела на циклические изгибающие нагрузки. “Пластический шарнир” претерпевает определенную эволюцию, которая связана с изменением сложного напряженного состояния в результате деформационного упрочнения и роста магистральных трещин и продолжается до окончательного разрушения образца.

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что усталостное разрушение обусловлено достаточно сложными механизмами пластической деформации, которые выходят за рамки простых традиционных моделей. Вместе с тем, описанная выше эволюция деформационной структуры вполне закономерна с точки зрения концепции структурных уровней деформации и представлений физической мезомеханики. Поэтому такой научный подход представляется перспективным для дальнейшего изучения механизмов усталостного разрушения.

Благодарности

Работа была выполнена в рамках молодежного проекта СО РАН, посвященного 100-летию со дня рождения акад. М.А. Лаврентьева, а также гранта РФФИ государственной поддержки ведущих школ “Школа академика В.Е. Панина “Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов”, проект № 0015-96174

Литература

1. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

2. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1976. - 456 с.

3. Новиков И.И., Ермишкин В.А. Микромеханизмы разрушения металлов. - М.: Наука, 1991. - 368 с.

4. Панин В.Е., Плешанов В.С., Кибиткин В.В., Сапожников C.B. Ана-

лиз полей векторов смещений и диагностика усталостного разрушения алюминиевого сплава на мезоуровне // Дефектоскопия. -1998. - № 2. - С. 80-87.

5. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В., Сапожников С.В. Влияние сдвиговой устойчивости кристаллической структуры поликристаллов на механизм их усталостного разрушения на мезомасштабном уровне // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - № 2. -С. 45-50.

6. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. Структурные уровни деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - 255 с.

7. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -

1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.

8. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.

9. Сырямкин В.И., Панин В.Е., Парфенов А.В. и др. Оптико-телевизионные методы1 исследования и диагностики материалов на мезоуровне // Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - С. 176-194.

10. Хеллан К. Введение в механику разрушения. - М.: Мир. - 1988. -364 с.