Мезоскопическая субструктура и механизм усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина с макроконцентратами напряжений

Кибиткин, Владимир Васильевич

Мезоскопическая субструктура и механизм усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина с макроконцентратами напряжений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Кибиткин, Владимир Васильевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Мезоскопическая субструктура и механизм усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина с макроконцентратами напряжений»

Автореферат диссертации на тему "Мезоскопическая субструктура и механизм усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина с макроконцентратами напряжений"

На правах рукописи

КИБИТКИН Владимир Васильевич

МЕЗОСКОПИЧЕСКАЯ СУБСТРУКТУРА И МЕХАНИЗМ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ ДУРАЛЮМИНА С МАКРОКОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 01.04.07 - физика твёрдого тела

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

академик РАН В.Е. Панин

кандидат технических наук B.C. Плешанов

доктор физико-математических наук старший научный сотрудник Т.Ф. Елсукова

кандидат физико-математических наук П.А. Люкшин

Новосибирский государственный технический университет

Защита состоится » 3^7 " 1998 г. в^часов на

заседании диссертационного совета Д 003.61.01 при Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 634021, Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМСОРАН.

Отзывы на автореферат в двух .к^р^ренные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан СМГПЯ*£Я__L998 г.

Учёный секретарь диссертационного сов^^ - СН КулГков

доктор физико-математических наук, профессор, - Un у

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Подавляющее большинство деталей машин и элементов конструкций в течение срока эксплуатации претерпевает воздействие циклически изменяющихся нагрузок. Это является причиной усталости металла - процесса постепенного накопления повреждений под воздействием переменных напряжений (деформаций), приводящего к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. Примерно 90% повреждений деталей связано с возникновением и развитием в них усталостных трещин. Последние всегда зарождаются и распространяются из зон тех или иных концентраторов напряжений и создают предпосылки для квазихрупкого разрушения материала.

К настоящему времени наиболее систематизированно результаты исследований по проблеме усталости металлов изложены прежде всего в работах И.А. Одинга, B.C. Ивановой, В.Ф. Терентьева, C.B. Серенсена, JIM. Школьника, В.Т. Трощенко, JI.A. Сосновского, H.A. Махутова, В.П. Когаева и др.

В последнее десятилетие проблема продления ресурса сложных технических систем стала объектом пристального внимания специалистов практически всех областей науки и техники. Она осложняется тем, что проектный ресурс основных фондов в России значительно выработан. Резервы повышения ресурса заключаются в переходе к проектированию, созданию и эксплуатации технических систем на основе новых критериев, методов и средств обеспечения их безопасной эксплуатации [1]. Одним из основных факторов, определяющих ресурс промышленных конструкций, является сопротивление материала усталостному разрушению.

Традиционно механизмы усталостного разрушения твёрдых тел исследуются в двух направлениях, связанных с различными масштабными уровнями: микро- (физика пластичности) и макро- (механика сплошной среды и механика разрушения). Однако в последние годы стало очевидным, что непосредственный переход от микро- к макромасштабному уровню принципиально невозможен. Возникновение в деформируемом твёрдом теле динамических диссипативных субструктур обусловливает развитие качественно новых механизмов деформации мезомасштабного уровня [2 - 4]. Усталостные повреждения всегда связаны с концентраторами напряжений, которые генерируют локализованные потоки деформационных дефектов мезомасштабного уровня: дисклинации, мезополосы деформации. Большой вклад в систематические исследования в этом направлении внесён B.C. .Ивановой, В.Ф. Терентьевым, Т.Ф. Елсуковой и их сотрудниками. Данные процессы в условиях циклического нагружения

преимущественно развиваются в приповерхностных слоях материала. Как следствие, на поверхности деформируемого образца возникают эффекты гофрирования [5,6], происходит фрагментация материала на мезоуровне, которую следует рассматривать как стадию предразрушения. Именно этот подход положен в основу настоящей работы: процессы накопления циклических деформаций и нарушения сплошности рассматриваются на промежуточном - мезоскопическом масштабном уровне с позиций физической мезомеханики материалов [3]. Согласно последним, на мезоуровне носителем пластической деформации в твёрдом теле является объёмный структурный элемент (мезообъём), которому присущи как трансляционные, так и ротационные моды деформации. Движение мезообъёмов может быть описано и проанализированно на основе уравнений механики сплошной среды (макроуровень), а аккомодационные процессы внутри мезообъёмов и на их границах могут быть рассмотрены на основе теории дислокаций (микроуровень). В процессе циклического нагружения в материале формируются деформационные мезоскопические субструктуры, анализ динамики которых может являться основой для изучения механизмов деформации и разрушения.

Целью работы является исследование механизмов усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений на основе анализа эволюции динамических мезоскопических субструктур и выявление закономерностей стадийности накопления циклических повреждений на мезомасштабном уровне. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Рассмотреть возможность применения оптико-телевизионного метода измерения полей векторов смещений для изучения формирования динамических диссипативных субструктур в условиях циклического нагружения металлов.

2. Исследовать эволюцию мезосубструктур в процессе циклического нагружения поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений и установить её связь с кинетикой усталостного разрушения. На основе анализа распределений локальных компонент тензора пласт-ческой дисторсии дать интерпретацию закономерностей образования свободной поверхности при раскрытии усталостной трещины.

3. Выявить особенности формирования динамических диссипативных мезосубструктур на поверхностях трения в условиях циклического нагружения, когда усталостное разрушение резко ускоряется (трибофатика).

4. Разработать мезомасштабный критерий диагностики стадии предразрушения циклически нагруженных поликристаллов с макроконцентраторами напряжений.

Научная новизна. В работе впервые: , . ...

- применена оптико-телевизионная измерительная система для изучения.: процессов накопления усталостных повреждений на мезоуровне путём : измерения полей векторов смещений и их анализа с позиций физичес- • . кой мезомеханики материалов;

- исследованы механизмы и установлены закономерности усталостного разрушения на мезомасштабном уровне поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений в условиях повторно-статической, мало- и многоцикловой усталости;

- показано, что формирование новой свободной поверхности в области вершины усталостной трещины происходит по механизму "сдвиг-поворот-отрыв";

- обнаружен эффект образования в циклически нагруженном поликристалле доменных мезосубструктур, определяющих траекторию развития усталостной трещины, установлена их связь с состоянием предразруше-ния материала;

- показано, что на поверхностях трения при циклическом нагружении формируется мелкодоменная мезосубструктура с дискретными разори-ентировками, которая способствует развитию поворотных мод деформации, образованию свободной поверхности при распространении усталостной трещины и ускорению усталостного разрушения.

Практическая ценность:

- знание механизмов усталостного разрушения поликристаллов на мезоуровне позволяет глубже понять физические процессы, происходящие в материале при циклическом нагружении, что может быть использовано для построения адекватной математической модели разрушения;

- показана принципиальная возможность экспериментальной оценки степени исчерпания ресурса (стадии накопления циклических повреждений) элементов конструкций на основе измерения и анализа полей векторов смещений, что может быть положено в основу нового метода неразрушающего контроля металлоконструкций при усталости;

-обоснованы критерии диагностики состояния предразрушения поликристаллического дуралюмина при циклическом нагружении с позиций физической мезомеханики материалов;

- указана перспектива измерения параметров и оценки некоторых физических констант, характеризующих трещиностойкость материала (раскрытия вершины трещины, коэффициента интенсивности напряжений и их критических значений).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Возможность использования оптико-телевизионных измерительных

систем для исследования процессов усталостного разрушения материалов на мезоуровне путём построения и анализа полей векторов смещений.

2. Механизмы и закономерности усталостного разрушения на мезоуровне поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений: формирование на поверхности циклически нагруженных поликристаллов в поле векторов смещений деформационных некристаллографических мезоскопических субструктур; влияние эволюции мезосубструктур на кинетику усталостного разрушения; стадийность накопления циклических повреждений на мезоуровне и однозначная связь стадий с типами мезосубструктур и количественными характеристиками разрушения.

3. Образование новой свободной поверхности в области вершины усталостной трещины по механизму "сдвиг-поворот-отрыв".

4. Формирование на стадии предразрушения материала доменных мезосубструктур, определяющих траекторию развития усталостной трещины; возможность диагностики состояния предразрушения циклически нагруженных металлоконструкций по анализу дискретных разориенти-ровок деформационных доменов в динамической мезосубструктуре.

Использование результатов. Работа выполнялась в рамках государственных научных программ (программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1994 -1997 гг., проект РФФИ № 96-01-00902) и международного контракта.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 9 конференциях, семинарах, симпозиумах: Международный семинар "Materials Instability under Mechanical Loading" (С.-Петербург, 1996 г.); Международная конференция "Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mesomechanics of Fracture" (Томск, 1996 г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" (Барнаул,

1996 г.); II Международный симпозиум по трибофатике (Москва, 1996 г.); 4Н-оимптиум "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" (Москва, ~1УУ6 г.); Международная—научно- __ техническая конференция "Высокие технологии в современном материаловедении" (С.-Петербург, 1997 г.); V Международная конференция "Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (Байкал,

1997 г.); I Международный семинар "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997 г.); Международная конференция "Physical Mesomechanics and Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (Тель-Авив, Израиль, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 148 страницах, содержит 61 рисунок, 4 таблицы. Библиографический список включает 169 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, научная новизна результатов и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе рассмотрены современные представления о механизмах усталостного разрушения. Дана классификация разрушающих и не-разрушающих физических методов исследования усталости металлов, обоснована необходимость применения оптических методов для регистрации микродеформаций, связанных с процессами нарушения сплошности.

Дан анализ закономерностей усталостной повреждаемости материалов на макроуровне методами механики разрушения, отражена принципиальная возможность расчёта кривой Велера на основе кинетики усталостных трещин.

Описаны физические механизмы деформации и разрушения материалов на микроуровне, основные типы дислокационных структур при усталости ГЦК металлов и их эволюция в вершине усталостной трещины, дан анализ характера локального разрушения поликристаллов на основе фрактографических методов.

Показано существование принципиальных трудностей в описании процесса усталостного разрушения, связанных с наличием в твёрдом теле внутренней структуры. Изложены существующие представления о механизмах усталостного разрушения кристаллических материалов с позиций физической мезомеханики.

Во второй главе сформулирована постановка задачи, обоснован выбор материала и схемы нагружения, описано применяемое оборудование и методика исследований.

В качестве материала для исследования выбраны конструкционные алюминиевые сплавы Д16АТ (Д16АМ) в состоянии поставки со следующими характеристиками: средний размер зерна 18 мкм (45 мкм), предел текучести 250 МПа (70 МПа), предел прочности 370 МПа (150 МПа), микротвёрдость 870 МПа (290 МПа), относительное удлинение 13% (17%). Образцы для усталостных испытаний имели размер рабочей части 80x10x1 мм с отверстием диаметром 2 мм, для статического растяжения -35x5x1 мм с отверстием диаметром 1 мм в центре образца.

использовали испытательные машины ИМАШ 20 « 6ьш,

телевизионное измерительно» ««ш «П«» тгря(е1шог„ ь —" и

перечной е„,сдв«ГовоП8ч. и поворот«

размер исследуемых участков , 06х0 08

оптической шсте», „ изменялся *

« —0,05 - 0,5 мкм,

4,8-Ю3 - 5,6-Ю5 мм • №Реи-е" нзме0ения смещения элементарной

——-

грешности ^^«Г^ерностн Р—» —

растяжен,™ „агруження в облает»

При статическом растяжении с самогсш»-ш р) ^ ^^

макроконцентратора напряжении происход г

вой поверхности об-

вости материала на мезоуровне, и от ^ и с реализацией

разца формируется треугольная зона бдай характер

вихревого йеф0РМа"

движения --^^Гвисимость продольной составляющей сжо-

ции вплоть Р^Гбьёмов в Области макроконцентратора от общей де-

_рости движения мезоооъемо выдепитъ трёхстадииныи ха-

формации показана на рис. ¿. Э^ ^оласт *^ ^ужения: I (0 < £ рактер накопления повреждении для Да™ых ^Л0Ю ™ { т/о) _ стаДия Р< 1,5%) - стадия стабильного роста дефор* ации, П ^

ных стадиях деформации.

<-СГ->

0,1 мм

Рис. 1. Поле векторов смещений вблизи отверстия при статическом растяжении. Е = 0,73%, ДЕ = 0,05%, сплав Д16ЛТ.

При повторно-статической усталости также выделяются три стадии разрушения. Для этих условий зависимость продольной составляющей

\-'х, 400 мкм/'с

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Е, %

Рис. 2. Зависимость продольной составляющей скорости движения мезообъёмов в зонах локальной деформации около отверстия от общей деформации. Сплав Д16АТ. Растяжение.

скорости движения мезообъёмов от циклической нагрузки приведена на рис. 3.

На первой стадии нагружения (число циклов 0 <N < 100) регистри-

руется вихревое пластическое течение, аналогичное изображённому на рис. 1. Вследствие деформационного упрочнения материала такой характер циклической деформации непродолжителен. V* 14°

мкм/цикл

120 100 80 60 40 20 0

0 500 1000 1500 2000 2500 N Рис. 3. Зависимость продольной составляющей скорости движения мезообъёмов от числа циклов нагруженм. а = 55 ± 55 МПа, сплав Д16АТ.

Вторая стадия (100 < N < 2000) связана с образованием на поверхности нагруженных поликристаллов деформационных блоков, размеры которых в 3 - 5 раз превышают средний размер зерна в поликристалле и составляют 50 — 100 мкм. Эти блоки можно интерпретировать как объёмные мезодсфекты - деформационные домены [6], возникающие в поликристаллах в зонах сильно локализованных пластических сдвигов н перемещающиеся как целое по схеме "сдвиг + поворот". Внутри отдельного домена векторы смещений имеют одинаковые длину и направление, изменяющиеся при переходе к смежному домену. Такое состояние нагруженного материала предшествует его мезоскопической фрагментации.

На третьей стадии (Ы > • 2000) деформационные блоки (домены) вблизи отверстия начинают смещаться преимущественно по направлениям максимальных касательных напряжений. В связи с возрастанием роли поворотных мод деформации в некристаллографических полосах сдвига -фпрмируттпт мезотретпины, которые являются следствием потери сдвиговой устойчивости поликристалла на макроуровне. Их ршвшие-вриведос-к— формированию магистральной трещины и разрушению образца.

Для обеих рассмотренных схем нагружения потере сдвиговой устойчивости поликристаллов на макроуровне и последующему разрушению предшествуют мезоскопическая фрагментация материала и возникновение деформационных доменов, инициированные полосами сильно локализованной деформации. Когда аккомодационные возможности поворотного типа на мезоуровне оказываются исчерпанными, происходит разрушение.

В четвертой главе рассматривается эволюция диссипативных мезо-субструктур в условиях многоцикловой усталости. Показана связь стадий усталостного разрушения с количественными характеристиками роста трещин. Отмечаются особенности формирования мезосубструктур при малоцикловой усталости.

Многоцикловое разрушение поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений с позиций физической мезомеханики можно разделить на пять основных стадий развития. Каждой стадии соответствует свой тип формирующейся на поверхности нагруженного поликристалла мезоскопической субструктуры, связанный с определённым этапом потери сдвиговой устойчивости поликристалла. Рассмотрим этот процесс на примере сплава Д16АТ.

1. Стадия стохастически распределённых зон пластических сдвигов в области минимального поперечного сечения образг;а.

В самом начале циклического нагружения (0 < N < 300) вблизи отверстия в области концентрации напряжений теряется сдвиговая устойчивость поликристалла на мезоуровне, и регистрируются случайным образом распределённые зоны с размерами от 3-5 до 15-25 мкм, в которых локализуются пластические сдвиги. Амплитуда смещений составляет 0,4 - 0,6 мкм за первые 100 циклов приложения внешней нагрузки. В результате деформационного упрочнения при дальнейшем нагружении (К > 500 -1000) мезоскопические зоны пластических сдвигов наблюдаются лишь при значительных приращениях циклической нагрузки (Ы ~ 104).

2. Стадия зарождения и квазихрупкого роста поверхностных трегцин в локальной области пластических сдвигов.

При степени нагружения N = (40 - 70)-103 в области материала, прилегающего к отверстию, на обеих сторонах образца образуются цепочки дефектных площадок поверхности - микротуннели [7] и прерывистые участки очень тонких поверхностных усталостных трещин, ориентированных вдоль нормали к направлению максимальных растягивающих напряжений. Рост трещин имеет скачкообразный характер (средняя скорость 0,02 - 0,03 мкм/цикл) и происходит преимущественно по границам зёрен и выделениям вторичных фаз. Появление и развитие несплошностей локализовано в тонком хрупком поверхностном слое, связанном с окисной пленкой А12О3. Её роль в развитии деформации на мезоуровне подробно исследована в работе [6]. При построении полей векторов смещений на данном этапе разрушения не обнаружено сколько-нибудь значительных пластических сдвигов.

„„п1/я 1ЛЛ _ 150 МКМ и явно выраженными границами мс ^ порядка 100 мкм мечосубструктуры является важней-

(рж'4а)00г:::^: "»г::"** —•

" — »еЩени* в »атери„= . —о» ~

„начаи на предшествует „езоекошческой фрагментации и

^sssssisssssf.

менных грант» локальные компоненты тешоран

%s, ^ . ^ «я—t трещины в

зоуровне образование новой «^Г- ^ш" можно описать с позн-отлвчие от общеприштои схемы сдвиг етрь _

динамических ^"^^^J Z™ прииш--., КИМП011СНТЫ в данном случае ---

м„ физичееко, _„»-

\IV9ltf swnw '*UVi 5£ + S£ = a 'OOS = N? '£0l-0¿ = N •(g) aousi-ioïi ríenniredj ou эихиагес! ээ ээтиэнчтзЕ' и (в) KHHttradx ионхзонхсЬяои ксинойф iftdsii иинэтэкэ aodoiMsa эноц > -dii¿

иию'о

<—D—>

i V

I .

\ I

t г .

i * i-

- л ,. -.....л '— s ij .ft i :: .•>-•«-. ' • . • {»• «Í ' ' "7*-

~t < ' .V u"1- .w Г4 ъ V, , íl'í 1 ■ v." • Л, * t * i

Í» r \ ■ ■i '¡ ' ■ v' ' .>• ч." ♦ Ч 1 * Vf. » Л Ч - /

« S'. . • f V, . : i' А'- -^ , . ; f 1 i . -^ J*

•4 "Î

J > : /v. -. ■

v< • »V-,* V

^v*!*-.'!, ч ♦

l \)л- • ъ

v-v4

Ч ' I • > 1 4 . Л ' 1

rç »V.

'.-.■'.-V -г

* ч í г 11 -ьУ* v ' i V i ч

s ' , - >V- * V — ъ '

1 ■ .»'"ií "• ■ V ' -Iii." V.4 I ■ ЛЛ... ■ vf'.

' V r.-;,1 V V " ; vi ^

- ■ ■ ' 'uí ^ N V4

—.Uli.-- лДЧЧ» »

wwrO'O

. _____m,..Ii.......

N___________N\S__II..4I»,

. —-A-___ AWSW I I A4 .11.14...

—\\\__... A\__\\\4\«\ i ! I I , I . Л

.4_______Ч\__\\\\_ .......... .

s\ 1______\\ A\\\4 l\\ , , , , I I I , ,

--------- . A\\\ l\S . II I 1 , I . . . . I I ,

........... A\S\ Л , Л t m......II.

.......\ А_\\\\\\Ч\ I I I I . . I I . . ; I . I I

.... N A\ - A\\\ l\\\ l\\.....M M ... I

. . . A \\ . . ,NnSS I AWW.....M J i I . i »

. . . (\\......\\l 44 W IN . . I I ] I I I I I H I

_______N____ 4. ______\\.........W . . A\ . A A l . . \ i \ \ . . . . » i .

.................. ............s4\ . . AN . WW \ i . J I I . . ......

______ ____—......- . —.........II..\4\>\\N\\NIIIIIMUII

•-Ч____ . .................s.....Il.......4W\ill.||M(ltl(l

......................\ i . 1\ I I I I........\ I I i i . . . I \ \ \ .....

____....... 4 ... N..........I\\ . I . A\ 111114 ll\4....\(

— ________\........ . I I I I .... IS l\ I I 1 1 II . I l\\\\ . . I

i . _______ —....... , , . i I I \ Л , Л II . , . , I , . I I i I l\ I I I . .

I______... s.....V I , .1 I I I t M I . . Л \ \ IIn . \ I l\ I i\\ \ I I I ..

.......I... ........ .Illlllll...l\illll. .111.11411111

...................I.....I I i i \\ Л \ \ \ I I . . I I I . . . i ! I I II

_ -......I. . . 1.4.1. . III.. II. ч\\|..1\|.11ШП|Л1. Ill

„ ... I .... I.......ll...lt.lii4ll4l..44»\4llllliW4...S

. . I.........I ... .1... II.. I IN. . \ \ I . ..tiv ...((it......

.....-......It.......I ... I.....\M...Wll(.l.44tlM.

.....« .... i ( I ..... I.....11111,1111.....V4i »I 1ЧЧЧ1 111

.............i...... . I . . I I I « . I I I I......1 . . c4 I I | , , J i I

.....-.......».....i ... I I I I I I I II I I \ I I I I U 1ЧЧ I I I 1 i I ) I

......1.............ill)). Mill IIW114II. 1.1. lilt II i

.............1.11.......J . I I i II I . . . . . i I t . . I 1 . . I ¡ ) . i ,

...............till.......I I I M IV ( .4 I I I I i I ! I . I I I I 1 . I

..................1 I I I II . » I I I I I Ч V . I I I I I I I I I I I M 1 I II I

.................I 1) I . J I . . . . i i4 I l H M . . I I I J I I I 1

. . I.............I I 1 I I J I I 1 \ . . i.i I I I I J I I I I I I S I i II I I , M \

..............I . I J J ... i . I I I I I i 1 M tI I I I I I I I I . I I i I , II I

.............II........ i I I . I I I I I I I i 4 »... I .. .. I J \ I M I

....................I I . . 1 I . . I . . I 1 I I \ ( 4 I I I I I . I I I 1 1 I 1 I I I I . í J .

. ...............H I . . I . I I I I I П4 > , 14 I 14 I I I . И 1 I I.....

t i i _ I I i... i.....M......I I i i 4 i . i , . i 4 . . . 1.....I I I I I M

...... 1 ...... II . I I I , M I I . 1l Л\ I I .... I . I I I .... I II I I I I

.......... I . M ... I ., M I I ..i . I I I I . 1 I .I I I I I .... I I M I 1 I

.................I I 1 1 . . I.....I I I 1 .. I I 1 1 1 M I ... i I I { i (

...................................................

1)1. I I I I I I I I .111 .Ml MM

sT^Is ! '.ZZ\Z\Z

s s\_ ____N\_

.. 4 1(1 I I \ • ' i . I ! . . 1 . .. I I . . 4 11 1 I I I . 11 11 I I . I . I I 1 I I . . I I I I I . . I I I I . I . . > I I M I I I I I 111 11 I I

I I I I . I I

II ) I.\\ 11 1 11 11 ..Will 11 I I . 11 11 I I I . I II I M I . M I I I M / I II I V I II 11 11 t Il I I 11 I 111.411 I 11. .. . 11.41.. (((lili 1 11 II1 . I ( 1 I 11 I

' ;>'._" г. • Г 1 - ■ "

- !

-Г-'' А

0.30 0.30

0.60

Хшш

Рис. 5. Изображение поверхностной трещины (а, хЮО), распределение продольной (б), сдвиговой (в) и поворотной (г) компонент тензора дисторсии вблизи её вершины. N = 74-Ю3, ДК = 1-103, о = 35 ±35 МПа, сплав Д16АТ.

мине Д16АТ имеет характер преимущественно типа I, а в сплаве Д16АМ -типа И.

4. Стадия развития магистральной трещины.

В процессе своей эволюции поверхностные трещины вовлекают в движение на мезоуровне всё большие объёмы материала, вследствие чего растёт взаимное влияние трещин на противоположных поверхностях образца. Во внешнем механическом поле при переменном силовом воздействии деформационные домены стремятся ориентироваться в направ-!€4Шииха1Л1агружения. Это приводит к тому, что при N = (80 - 110)-103 усталостные тpeщш^ьГ^ш~lTpоттаоттoяшщыx-JЮB£pxнoc^ начи-

нают развиваться взаимосогласованно и при длине ~2,3 мм сливаются в магистральную (сквозную) трещину. Смежные с берегами магистральной трещины деформационные домены смещаются в направлении приложенной нагрузки, реализуя механизм нормального отрыва (рис. 6а). В области фронта трещины домены имеют переменную ориентацию и испытывают трансляционно-ротационное движение с сильной локализацией сдвиговых и поворотных мод деформации перед вершиной трещины (рис. 66). Рост магистральной трещины носит нестабильный характер,

0,1мм

<-о-> а I—:-

1,8-10-* 0)2

Рис. б. Поле векторов смещений в окрестности магистральной трещины (а) и распределения сдвиговой и поворотной о2 компонент тензора дисторсии перед её вершиной (б). N = 95-Ю3, дЫ = 350, СТ = 35 ± 35 МПа, сплав Д16АТ.

при этом средняя скорость быстро возрастает от 0,06 - 0,07 до 0,6 - 0,7 мкм/цикл. Данная стадия относится к макроуровню и характеризует критическое состояние нагруженного материала, при котором разрушение образца становится практически неконтролируемым.

5. Стадия формирования зоны пластической вытяжки и долома.

На заключительном этапе усталостного разрушения в области фронта магистральной трещины при её длине ~2,8 мм в результате перегрузки образца (превышения предела текучести) от вершины трещины к боковой поверхности образца формируется треугольная зона пластической вытяжки. Границы зоны представляют собой мезополосы локализованной деформации, образующиеся в результате смещения мезообъёмов по механизму сдвига и ориентированные в сопряжённых направлениях максимальных касательных напряжений - под углами ~ 45°и 135° к оси нагру-жения. Местоположению полос соответствуют экстремумы в распределении локальных компонент тензора дисторсии. Долому образца предшествует формирование в пределах зоны вытяжки мезоскопической вихревой диссипативной структуры и следующее за этим образование деформационных блоков подобно рассмотренным ранее процессам повторно-статической усталости.

В условиях малоцикловой усталости механизм разрушения дуралю-мина на мезоуровне имеет черты, присущие как статической, так и многоцикловой усталости. Формирование зон пластических сдвигов на первой стадии (сначала вихревой характер, затем деформационные блоки) происходит по типу статической усталости и наблюдается вплоть до образования на второй стадии микротрещин по квазихрупкому механизму. Их последующий рост изначально связан с формированием деформационных доменных мезосубструктур, и, начиная с третьей стадии, кинетика малоциклового разрушения на мезоуровне подчиняется закономерностям многоцикловой усталости.

В целом эволюцию повреждаемости материала в зоне концентрации напряжений при циклическом нагружении можно характеризовать следующим образом:

-накопление повреждений и повышенная деформируемость в припо-в^рунодчньи ичкв^ тпгзьтодюпше тарирование поверхности [5,6];

-поляризация в подсистеме дефектов в зонах локальной кривизны 110-верхности с образованием границ разориентации [8];

-формирование в приповерхностных слоях разориентированных мезо-скопических субструктур, изменяющихся в процессе накопления усталостных повреждений;

-фрагментация материала на мезоуровне, развитие трещины и разрушение.

Изложенные результаты позволяют представить усталостное разрушение поликристаллов дуралюмина на мезоуровне как синергетический процесс. Каждая стадия накопления повреждений характеризуется определённым типом деформационной мезосубструктуры, соответствующим устойчивому состоянию системы. В ходе циклического нагружения (развития усталостной трещины) растёт степень неравновесности системы и происходят необратимые фазовые переходы, в точках которых (точках бифуркации) меняется тип деформационной мезосубструктуры. Это обусловливает изменение механизма диссипации энергии и механизма накопления повреждений на новой стадии разрушения. В рамках данной концепции эволюция диссипативной мезосубструктуры и её стадийность являются важнейшими факторами в процессе накопления повреждений, связаны с бифуркационной неустойчивостью циклически нагруженного материала и определяют кинетику его усталостного разрушения.

В работе рассмотрена связь стадий нарушения сплошности с характеристиками роста трещин и приведены соответствующие кинетические зависимости. Показано, что каждому этапу усталостного разрушения на мезоуровне могут быть поставлены в соответствие вполне определённые количественные параметры разрушения на макроуровне.

Измерение полей векторов смещений оптико-телевизионным методом позволяет ввести новый параметр, количественно характеризующий стадии усталостного разрушения - скорость раскрытия вершины трещины. По значению раскрытия вершины трещины на основе модели Дагдей-ла можно оценить размах коэффициента интенсивности напряжений.

В пятой главе исследован мезомасштабный механизм усталостного разрушения поликристаллов в условиях их контактного взаимодействия. Наиболее сложные процессы при этом происходят на контактных поверхностях пластин, напряжённое состояние которых определяется суперпозицией полей напряжений от контактных и объёмных деформаций. В данной области одновременно протекают процессы трения, износа и усталости, что является предметом изучения трибофатики - новой науки об износоусталостных повреждениях материалов, возникшей на стыке трибологии и механики усталостного разрушения [9]. Процессы трения существенно ускоряют накопление дефектов и образование "гофра" на сопряжённых поверхностях, тем самым сокращая период зарождения поверхностных усталостных трещин. При этом процессы мезоскопической фрагментации и разрушения материала на поверхностях трения протека-

ют более интенсивно, а деформационные мезосубструктуры характеризуются дисперсностью и большими углами разориентации между доменами.

Исследования проведены на образцах, представляющих собой соединённые внахлёст плоские поликристаллические пластины дуралюми-на Д16АТ (болтовое соединение). Размер зоны контакта 10x10 мм, диаметр крепёжного отверстия 2 мм.

Усталостное разрушение образцов внахлёст на мезоуровне можно разделить на шесть основных стадий, первые три из которых связаны с накоплением повреждений на контактных поверхностях, остальные - с развитием магистрального разрушения:

- образование стохастически распределённых зон пластических сдвигов и очагов фретгинг-коррозии на контактных поверхностях пластин;

- зарождение и квазихрупкий рост поверхностных трещин, активируемые фреттинг-процессами;

- хрупко-пластический рост поверхностных трещин на поверхностях трения, связанный с предварительным формированием перед фронтом трещины деформационной мелкодоменной мезосубструктуры с дискретными разориентировками (первый этап предразрушения), рис. 7;

4-а—>

ОД мм

Рис. 7. Поле векторов смещений перед фронтом трещины на поверхности трения. N = 55-Ю3, дЫ = 5-103, Б = 250Н, сплав Д16АТ.

- формирование полосы локализованной пластической деформации на внешней поверхности под головкой болта в результате воздействия усталостной трещины как надреза на контактной (внутренней) поверхности, вызывающее образование доменной мезосубструктуры на внешней поверхности вне головки болта (второй этап предразруше-ния);

- зарождение и развитие магистральной трещины;

- формирование пластической вытяжки и долом.

Результаты свидетельствуют, что деформационные мезосубструктуры, формирующиеся на внешней поверхности соединённых внахлёст по-ликристатлических пластин, позволяют контролировать процесс усталостного разрушения последних и диагностировать состояние предразруше-ния.

Заключение и основные выводы

1. Экспериментально установлена возможность исследования процессов усталостного разрушения поликристаллических материалов на ме-зомасштабном уровне путём построения и анализа полей векторов смещений с использованием оптико-телевизионных измерительных систем, применяемых до настоящего времени в условиях статического нагруже-ния.

2. Изучены механизмы усталостного разрушения на мезоуровне поликристаллов дуралюмина с макроконцентраторами напряжений в условиях повторно-статического, мало- и многоциклового нагружения и выявлены следующие основные закономерности:

- в процессе циклического нагружения на поверхности поликристаллов в поле векторов смещений формируются деформационные некристаллографические мезоскопические субструктуры, эволюция которых определяет кинетику усталостного разрушения;

- накопление циклических повреждений на мезоуровне представляет собой многостадийный процесс, характеризуемый определённым набором точек бифуркации. Каждой стадии разрушения соответствует вполне определённый тип диссипативных мезосубструктур, связанный с количественными характеристиками роста усталостной трещины (длиной, скоростью, раскрытием вершины, размахом коэффициента интенсивности напряжений).

3. На основе анализа эволюции динамических мезосубструктур и распределений компонент тензора пластической дисторсии установлено,

что образование новой свободной поверхности в области вершины уста" лостной трещины происходит по механизму "сдвиг-поворот-отрыв".

4. Обнаружено, что на стадии предразрушения поликристаллов - мезосубструктуры представляют собой совокупность разориентирован-

ных деформационных доменов, границы между которыми определяют при дальнейшем циклическом нагружении траекторию развития усталостной трещины.

5. На примере соединённых внахлёст поликристаллических пластин, находящихся под нагрузкой в условиях трибофатики, показана особая роль трения контактных поверхностей в ускорении процессов эволюции мезосубструктуры, фрагментации материала на мезоуровне и развития усталостной трещины. Показана принципиальная возможность экспериментальной оценки степени исчерпания ресурса (стадии накопления усталостных повреждений) элементов конструкций, и с позиций физической мезомеханики материалов обоснованы критерии диагностики состояния предразрушения, что может быть положено в основу нового метода нераз-рушающего контроля циклически нагруженных металлоконструкций.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Panin V.E., Pleshanov V.S., DeryuginE.E., Sapozhnikov S.V., Kibit- . kin V.V., Tugolukov V.P. Fatigue testing of lap joint specimens // Report under the contract of British Aerospace (Operations) LTD, Sowerby Research Center: In 2 parts. - SR56274, 1995. - 89 p. and 303 p.

2. Panin V.E., Pleshanov V.S., Kibitkin V.V. Mechanisms of deformation and fracture on mesolevel for polycrystals with stress macroconcentrators under static and cyclic strain II Materials Instability under Mechanical Loading: Abstracts of the International workshop, June 20 - 22, 1996. - St.-Peter-sburg,Russia, 1996.-P. 52.

3. Panin V.E., Pleshanov V.S., Kibitkin V.V., Sapozhnikov S.V. Mesomec-hanics of fatigue fracture of polycrystals witti slress iiidCiucunccirtratorsTV-Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mesomechanics of Fracture: Abstracts of the International conference, August 27-29, 1996,-Tomsk, Russia, 1996.-P. 119- 120.

4. Панин B.E., Кибиткин B.B., ПлешановВ.С. Механизм усталостного разрушения поликристаллов алюминиевых сплавов на мезоуровне // Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии: В 2 ч. Тезисы докладов III симпозиума, 12 - 14 ноября

1996 г.-Москва, 1996.-Ч. 1.-С. 149 - 150.

5. Панин В.Е., Плешанов B.C., Кибигкин В.В., Сапожников С.В. Изучение закономерностей усталостного разрушения поликристаллов на основе регистрации и обработки полей смещений // Порошковые и композиционные металлические материалы: Труды Всерос. науч.-техн. конф. "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред".

- Барнаул: Изд-во АГУ, 1997. - С. 63 - 65.

6. Панин В.Е., Плешанов B.C., Кибиткин В.В. Диагностика усталостного разрушения кристаллических материалов на мезоуровне // Высокие технологии в современном материаловедении: Тезисы докладов Международной науч.-техн. конференции, 27 - 28 мая 1997 г. - С.- Петербург, 1997.-С. 122 - 123.

7. Панин В.Е., Плешанов B.C., Кибиткин В.В. Эволюция деформационных доменов и кинетика усталостного разрушения поликристаллов ду-ралюмина на мезоуровне // Письма в ЖТФ. - 1997. - Т. 23, вып. 24. -С. 51 -57.

8. Panin V.E., Kibitkin V.V., Pleshanov V.S. Mesoscopic mechanisms of disturbance of continuity in duraluminum polycrystais under static and low-cycle fatigue // Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies: Abstracts of the V International conference, August 4-6, 1997.

- Baikal Lake, Russia, 1997. - P. 153 - 154.

9. Panin V.E., Pleshanov V.S., Kibitkin V.V. Fatigue damage accumulation diagnostics in polycrystalline aluminum alloy at the mesolevel under multi-cyclic loading // Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies: Abstracts of the V International conference, August 4-6, 1997. -Baikal Lake, Russia, 1997. - P. 155 - 157.

10. Панин В.E., Плешанов B.C., Кибиткин В.В., Сапожников С.В. Закономерности накопления повреждений в поликристаллах алюминиевого сплава на мезоуровне в условиях статической и малоцикловой усталости // Актуальные проблемы прочности: В 2 т. Научные труды I Международного семинара, 15-18 октября 1997 г. - Новгород: Изд-во НовГУ, 1997. - Т. 1, ч. 1. - С. 80 - 83.

11. Панин В.Е., Плешанов B.C., Кибиткин В.В., Сапожников С.В. Анализ полей векторов смещений и диагностика усталостного разрушения алюминиевого сплава на мезоуровне//Дефектоскопия. - 1998. - №2.

- С. 80 - 87.

12. Kibitkin V.V., Pleshanov V.S., Sapozhnikov S.V. Fatigue fracture stages for

duralumin polycrystals on mesolevel // Physical Mesomechanics and Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies: Abstracts of the International conference, June 1 -4, 1998.-Tel Aviv, Israel, 1998. -P. 125.

13. Pleshanov V.S., Kibitkin V.V., Panin V.E. Mesomechanics of fatigue fracture for polycrystals with macroconcentrators // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 1998. - V. 30, № 1. - P. 13 - 18.

Список цитированной литературы:

1. Махутов H.A., Алымов В.Т., Бармас В.Ю. Инженерные методы оценки и продления ресурса сложных технических систем по критериям механики разрушения // Заводская лаборатория. - 1997. - Т.63, №6.-С. 45-51.

2. Синергетика и усталостное разрушение металлов / Под ред. B.C. Ивановой. - М.: Наука, 1989. - 246 с.

3. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Макаров П.В. и др. Физическая мезоме-ханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - 298 с.

4. Елсукова Т.Ф., Жукова К.П., Веселова О.В. и др. Структурные уровни деформации и разрушения поликристаллов при различных видах на-гружения // Изв. вузов. Физика. - 1990. - Т. 33, № 2. - С. 69 - 88.

5. Веттегрень В.И., Рахимов С.Ш., Светлов В.Н. Исследование эволюции рельефа поверхностей отожжённых образцов Си и Pd под нагрузкой // Физика твёрдого тела. - 1997. - Т. 39, № 9 - С. 1560 - 1563.

6. Панин С.В. Исследование пластической деформации и разрушения поликристаллических материалов на основе алюминия методами технического зрения: Дис...канд. техн. наук. - Томск, 1997. - 240 с.

7. Иванова B.C., Шанявский A.A. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. - Челябинск: Металлургия, 1988. - 400 с.

8. Коротаев А.Д, Тюменцев А.Н., Гончиков В.Ч., Олемской А.И. Законо-ЧТЧ^ТИ губг.труутурт.т п пмгпуппрпчных дисперСНО-упрочнённых сплавах // Изв. вузов. Физика. - 1991. - Т. 34, №3.-С. 81-92.

9. Сосновский Л.А. Экспериментальные основания трибофатики. Сообщение 1 // Проблемы прочности. - 1997. - № 3. - С. 74 - 82.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Кибиткин, Владимир Васильевич, Томск

(// > / ? ~ /■ л X'У* «V

1.- у' о' - уС.

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Сибирское отделение Российской Академии наук

на правах рукописи

КИБИТКИН Владимир Васильевич

Специальность 01.04.07 - физика твёрдого тела

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

гШГ

Научные руководители: В.Е. ПАНИН

академик РАН

доктор физико-математических наук профессор

В.С. ПЛЕШАНОВ кандидат технических наук

Томск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА РАЗЛИЧНЫХ МАСШТАБНЫХ УРОВНЯХ.

1.1. Классификация методов исследования усталости металлов........11

1.2. Анализ усталостной повреждаемости материалов на макроуровне методами механики разрушения................................ 15

1.3. Физические механизмы деформации и разрушения материалов

на микроуровне..............................................23

1.4. Физическая мезомеханика и усталость металлов..................30

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Постановка задачи........................................... 40

2.2. Выбор материала и схемы нагружения.......................... 42

2.3. Оборудование и методика исследований.........................45

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ

С МАКРОКОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ НА МЕЗОУРОВНЕ В УСЛОВИЯХ БОЛЬШИХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ.

3.1. Статическое растяжение..........;.„............................52

3.2. Повторно-статическая усталость. ...............................65

3.3. Выводы.....................................................71

4. ЭВОЛЮЦИЯ МЕЗОСУБСТРУКТУР И КИНЕТИКА МАЛО- И МНОГОЦИКЛОВОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ. 4Л. Накопление усталостных повреждений в условиях многоциклового

разрушения..................................................73

4 Л Л. Стадийность усталостного разрушения на мезоуровне........73

4.1.2. Связь стадий нарушения сплошности с характеристиками

роста трещин...........................................96

4.2. Особенности формирования мезосубструктур и кинетика малоциклового разрушения....................................103

4.3. Выводы..................................................... 110

5. ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ АЛЮМИНИЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОВЕРХНОСТЯМИ ТРЕНИЯ. 5.1. Механизм разрушения поликристаллов дуралюмина в условиях контактного взаимодействия поверхностей при циклическом

растяжения.................................................. 112

5.2. Диагностика стадий циклической повреждаемости и состояния предразрушения поликристаллов на мезоуровне как основа нового метода неразрушающего контроля металлоконструкций

при усталости............................................... 124

5.3. Выводы.................................................... 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................132

ЛИТЕРАТУРА ...................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Подавляющее большинство деталей машин и элементов конструкций в течение срока эксплуатации претерпевает воздействие циклически изменяющихся нагрузок. Это является причиной усталости металла - процесса постепенного накопления повреждений под воздействием переменных напряжений (деформаций), приводящего к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. Примерно 90% повреждений деталей связано с возникновением и развитием в них усталостных трещин [1]. Последние всегда зарождаются и распространяются из зон тех или иных концентраторов напряжений [2] и создают предпосылки для квазихрупкого разрушения материала.

К настоящему времени наиболее систематизированными исследованиями по проблеме усталости металлов являются прежде всего работы И.А. Одинга, B.C. Ивановой, В.Ф. Терентьева, C.B. Серенсена, JI.M. Школьника, В.Т. Трощенко, JI.A. Сосновского, H.A. Махутова, В.П. Когаева, Т.Ф. Елсуковой и др.

В последнее десятилетие проблема продления ресурса сложных технических систем стала объектом пристального внимания специалистов практически всех областей науки и техники [3-5]. Она осложняется тем, что проектный ресурс основных фондов в России значительно выработан. Резервы повышения ресурса заключаются в переходе к проектированию, созданию и эксплуатации технических систем на базе новых критериев, методов и средств обеспечения их безопасной эксплуатации [6,7]. Одним из основных факторов, определяющих ресурс конструкций, является сопротивление усталостному разрушению.

Усталостным явлениям свойственна определённая парадоксальность, и механизмы усталостного разрушения до конца еще не выяснены. Так, значение предела выносливости может быть и выше предела текучести, и ниже предела упругости [8] и зависит от множества факторов - как от структурных, так и от условий нагружения и "геометрии" образца [1]. Так как при переменных напряжениях деталь разрушается от меньших нагрузок, чем при постоянных, стало правилом при расчёте деталей из пластичных металлов переменную

составляющую напряжения умножать на коэффициент концентрации напряжений и не умножать на него постоянную составляющую [9,10].

Процессы усталостного разрушения твёрдых тел традиционно исследуются в двух направлениях, связанных с различными масштабными уровнями: микро- (физика пластичности) и макро- (механика сплошной среды и механика разрушения). Однако в последние годы стало очевидным, что непосредственный переход от микро- к макромасштабному уровню принципиально невозможен. Возникновение в деформируемом твёрдом теле динамических диссипативных субструктур обусловливает развитие качественно новых механизмов деформации мезомасштабного уровня [11 - 19].

Усталостные повреждения всегда связаны с концентраторами напряжений, которые генерируют локализованные потоки деформационных дефектов мезомасштабного уровня: дисклинации, мезополосы деформации. Данные процессы в условиях циклического нагружения преимущественно развиваются в приповерхностных слоях материала. Как следствие, на поверхности деформируемого образца возникают эффекты гофрирования, происходит фрагментация материала на мезоуровне, которую следует рассматривать как стадию предразрушения. Именно этот подход положен в основу данной работы: процессы накопления циклических деформаций и нарушения сплошности рассматриваются на промежуточном - мезоскопическом масштабном уровне с позиций физической мезомеханики материалов [16, 18 - 20].

Согласно последним, на мезоуровне носителем пластической деформации в твёрдом теле является объёмный структурный элемент (мезообъём), которому присущи как трансляционные, так и ротационные моды деформации. Движение мезообъёмов может быть описано уравнениями механики сплошной среды, а аккомодационные процессы внутри мезообъёмов и на их границах могут быть рассмотрены на основе дислокационной физики пластичности. В процессе циклического нагружения в материале формируются деформационные мезоскопические субструктуры, анализ динамики которых может являться основой для изучения механизмов деформации и разрушения.

Научная новизна. В работе впервые:

- применена оптико-телевизионная измерительная система для изучения процессов накопления усталостных повреждений на мезоуровне путем измерения полей векторов смещений и их анализа с позиций физической мезомеха-ники материалов;

- показано, что на поверхностях трения при циклическом нагружении формируется мелкодоменная мезосубструктура с дискретными разориентировками, которая способствует развитию поворотных мод деформации, образованию свободной поверхности при распространении усталостной трещины и ускорению усталостного разрушения.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- показана принципиальная возможность экспериментальной оценки степени

исчерпания ресурса (стадии накопления циклических повреждений) элементов конструкций на основе измерения и анализа полей векторов смещений, что может быть положено в основу нового метода неразрушающего контроля металлоконструкций при усталости;

- обоснованы критерии диагностики состояния предразрушения поликристаллического дуралюмина при циклическом нагружении с позиций физической мезомеханики материалов;

Использование результатов. Работа выполнялась в рамках

государственных научных программ и международного контракта:

1) "Физические основы мезомеханики пластической деформации и разрушения и новые критерии оценки ресурса работы материалов и конструкций" (проект НИР №1 программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1994 -1995 г.г.);

2) "Мезодефекты и модели в физической мезомеханике как методологическая основа компьютерного конструирования материалов" (проект НИР №1 программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1996 г.);

3) "Закон масштабной инвариантности в физической мезомеханике пластической деформации и разрушения" (проект НИР №1 программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1997 г.);

4) "Механика движения объёмных структурных элементов на мезоуровне при пластическом деформировании твёрдых тел" (проект РФФИ № 96-0100902);

5) "Fatigue Testing of Lap Joint Spesimens " (contract SR56274, British Aerospace (Operations) LTD, Sowerby Research Center, 1995).

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 13 публикациях: 5 статей, 1 научный отчёт, тезисы 7 докладов. Перечень их наименований представлен в списке цитируемой литературы (порядковые номера 122,

123, 125, 128, 131, 132, 134, 135, 139, 142, 146, 147, 163). Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. Международный семинар "Materials Instability under Mechanical Loading" С.-Петербург, Россия, 20 - 22 июня 1996 г.

2. Международная конференция "Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mesoffiechanics of Fracture", Томск, Россия, 27-29 августа 1996 г.

3. Всероссийская научно-техническая конференция "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред", Барнаул, Россия, 12-14 сентября 1996 г.

4. II Международный симпозиум по трибофатике, Москва, Россия, 15-17 октября 1996 г.

5. III Симпозиум "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии", Москва, Россия, 12-14 ноября 1996 г.

6. Международная научно-техническая конференция "Высокие технологии в современном материаловедении", С.-Петербург, Россия, 27 - 28 мая 1997 г.

7. V Международная конференция "Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies", Байкал, Россия, 4-6 августа 1997 г.

8.1 Международный семинар "Актуальные проблемы прочности", Новгород, Россия, 15-18 октября 1997 г.

9. Международная конференция "Physical Mesomechanics and Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies", Тель-Авив, Израиль, 1-4 июня 1998 г.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Возможность использования оптико-телевизионных измерительных систем для исследования процессов усталостного разрушения материалов на мезо-уровне путём построения и анализа полей векторов смещений.

векторов смещений деформационных некристаллографических мезоскопи-ческих субструктур; влияние эволюции мезосубструктур на кинетику усталостного разрушения; стадийность накопления циклических повреждений на мезоуровне и однозначная связь стадий с типами мезосубструктур и количественными характеристиками разрушения.

4. Формирование на стадии предразрушения материала доменных мезосубструктур, определяющих траекторию развития усталостной трещины; возможность диагностики состояния предразрушения циклически нагруженных металлоконструкций по анализу дискретных разориентировок деформационных доменов в динамической мезосубструктуре.

Достоверность полученных в работе выводов и рекомендаций подтверждается результатами систематических экспериментальных исследований и соответствием характеристик роста усталостных трещин известным литературным данным.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 148 страницах, содержит 61 рисунок, 4 таблицы. Библиографический список включает 169 наименований.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. Рассмотрены различные физические методы исследования процессов усталостного разрушения материалов. Описаны существующие представления о механизмах накопления циклических повреждений, проанализированы известные критерии разрушения материалов на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях.

Во второй главе сформулирована постановка задачи, обоснованы выбор материалов для исследований и схема циклического нагружения, проанализирована возможность использования оптико-телевизионного метода для изучения механизмов усталостного разрушения на мезоуровне, дано описание оборудования и методики экспериментов.

В третьей главе изложены результаты исследования механизмов разрушения поликристаллов на мезоуровне в условиях больших пластических деформаций: при статическом растяжении и повторно-статической усталости. Показан трёхстадийный характер повторно-статической усталости на мезоуровне.

В четвёртой главе описаны мезоскопические механизмы и закономерности усталостного разрушения дуралюмина в условиях мало- и многоциклового нагружения. Показан пятистадийный характер накопления усталостных повреждений на мезоуровне. Подробно рассматривается кинетика разрушения на примере двух алюминиевых сплавов и даётся трактовка результатов с позиций физической мезомеханики материалов. Обсуждается связь стадий эволюции диссипативной мезосубструктуры с бифуркационной неустойчивостью циклически нагруженного материала и характеристиками роста усталостной трещины.

В пятой главе представлены результаты исследования механизма усталостного разрушения поликристаллов в условиях их контактного взаимодействия (трибофатики). На мезоуровне обнаружено шесть стадий накопления циклических повреждений, первые три из которых связаны с зарождением и развитием трещин на контактных поверхностях, остальные - с развитием магистрального разрушения. Показана особая роль трения и фреттинг-коррозии в процессе зарождения усталостных трещин на контактных поверхностях. Установленные закономерности усталостного разрушения на мезоуровне могут быть использованы для диагностики стадий циклической повреждаемости и состояния предразрушения конструкций.

1.1. Классификация методов исследования усталости металлов.

В результате воздействия циклических нагрузок в материале накапливаются усталостные повреждения, что ведёт к изменению его физико-механических свойств. В отдельных зёрнах, по их границам и материале в целом формируется дефектная структура на всех масштабных уровнях, но вклад каждого уровня на разных стадиях усталостного разрушения не одинаков. Подводимая извне энергия расходуется на эволюцию дефектной структуры на микроуровне (увеличение плотности дислокаций выше исходной равновесной, формирование клубковых сплетений, образование ячеистой, полосовой и фрагментиро-ванной структур), структурные превращения в материале, зарождение и развитие несплошностей на мезо- и макроуровнях, а также на излучение акустических, электромагнитных волн и частиц (на