Закономерности и механизмы пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне при знакопеременном изгибе поликристаллического алюминия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

АНГЕЛОВА Галина Владимировна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ НЕМЕЮМАСШТАБНОМУРОВНЕ ПРИЗНАКОПЕРЕМЕННОМ ИЗГИБЕ ПОЛ1ИКРИСГАЛЛИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2004

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Т.Ф. Елсукова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Н.А. Конева

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Г.П. Грабовецкая

Ведущая организация:

Томский Государственный университет

Защита состоится "30" июня 2004 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 в ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Автореферат разослан 2004 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание новых материалов с заданными свойствами и для заданных условий нагружения является одной из важнейших задач современного машиностроения. Из всего многообразия видов нагружения особую роль в прикладном отношении играет циклическое, так как оно сопровождается усталостным разрушением материала. Явление усталости характеризуется исключительной сложностью процессов, происходящих в материалах под действием переменных нагрузок. Вследствие этого, несмотря на большое число исследований проблемы усталости, до сих пор сохраняется недостаточность знаний о природе этого явления. Поэтому усталость металлов остается одной из важнейших проблем физики прочности и пластичности.

Наиболее систематезированными и всесторонними исследованиями природы усталости металлов являются прежде всего работы И.А. Одинга, B.C. Ивановой, В.Ф. Терентьева, С. Коцаньды, СВ. Серенсена, Л.М. Школьника, В.М. Горицкого, В.Т. Трощенко, А.А. Шанявского и др. Значительное число работ посвящено вопросам оценки качества материалов с применением количественных обобщенных критериев линейной механики разрушения, в том числе при усталости, (Дж. Нотт, Л.М. Качанов, B.C. Иванова, В.В. Панасюк и ДР.).

Традиционное изучение пластической деформации и разрушения твердых тел проводится на основе подходов теории дислокаций, описывающей процессы на микроуровне, и механики сплошной среды, изучающей феноменологические закономерности на макроуровене. Попытки связать теорию дислокаций и механику сплошной среды сталкиваются с принципиальными трудностями. В последнее время интенсивно развиваются представления о деформируемом твердом теле как многоуровневой системе, при этом большое внимание уделяется процессам на мезомасшабном уровне. Эта концепция рассматривает пластическую деформацию материала как последовательную эволюцию потери сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях (микро, мезо и макро). Элементарными носителями деформации на мезоуровне являются трехмерные структурные элементы (субзерна, фрагменты зерен, зерна, конгломераты зерен), движение которых характеризуется схемой «сдвиг + поворот».

Многоуровневый подход к исследованию усталостного разрушения развивается во многих научных коллективах. В томской школе прочнистов систематические исследования природы усталости поликристаллов на мезомасштабном уровне проведены на свинце, имеющем низкую сдвиговую устойчивость, и его сплавах. Было показано, что в основе усталостного разрушения поликристаллических образцов свинца лежит формирование в его поверхностных слоях крупноблочной мезоструктуры II, обусловленной сильно выраженным зернограничным проскальзыванием. Целенаправленным легированием свинца установлено, что повышение его сдвиговой устойчивости и подавление зернограничного проскальзывания препятствуют.формированию опасной мезоструктурьт II и увеличивают долговечно :^ь;материада> -! Ь11Л Я

С. Потер Яу рг

ОЭ

В связи с этим представлялось важным провести аналогичные исследования на материале с высокой сдвиговой устойчивостью. Известно, что при знакопеременном изгибе в области многоцикловой усталости основной объем материала нагружается только в упругой области. При этом в первый период циклического нагружения плотность деформационных дефектов в приповерхностном слое постоянно увеличивается. Это позволяет систематически исследовать динамику развития пластической деформации и разрушения в поверхностном слое на мезомасштабном уровне. При наличии в плоском образце очень крупных зерен представляется возможность выделить в чистом виде проблему сопряжения пластически деформируемого поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки. Это позволяет проследить за спецификой развития в поверхностном слое элементарного акта пластического течения «сдвиг + поворот» на мезомасштабном уровне. Согласно физической мезомеханике разрушения, именно нескомпенсированность поворотных мод деформации на мезоуровне обусловливает зарождение и развитие трещин в деформируемом твердом теле. Настоящая работа посвящена проведению модельных экспериментов по выявлению специфики элементарного акта «сдвиг + поворот» в поверхностных слоях крупнозернистых поликристаллов с высокой сдвиговой устойчивостью и роли поворотных мод деформации в усталостном разрушении.

Цель работы - исследование закономерностей и механизмов циклической деформации и усталостного разрушения на мезомасштабном уровне при знакопеременном изгибе материала с высокой сдвиговой устойчивостью, в качестве которого был выбран алюминий. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие основные задачи.

1. Исследовать закономерности и механизмы зарождения и развития циклической деформации на мезомасштабном уровне в поверхностных слоях поликристаллического алюминия и их связь с характеристиками усталости.

2. Выявить механизмы деформации, играющие определяющую роль в аккомодации материального поворота первичного скольжения.

3. Изучить кинетику и механизм распространения поверхностных усталостных трещин в поликристаллическом алюминии.

4. Вскрыть природу зигзагообразного характера распространения усталостных трещин в поверхностных слоях материала при знакопеременном изгибе.

5. Рассчитать максимальные нормальные напряжения атах и максимальные относительные деформации етах в поперечных сечениях, а также максимальные сдвиговые напряжения ттах на поверхности образца.

Научная новизна • работы. В работе проведено систематическое исследование закономерностей и механизмов на мезомасштабном уровне поликристаллического алюминия при знакопеременном изгибе.

1. Выявлен в поверхностных зернах, ориентированных для одиночного скольжения, механизм развития встречных мезополос локализованного первичного сдвига, эстафетно вовлекаемых в пластическое течение, отражающий характер распространения поверхностной волны переключения в

нагруженном кристалле. Сопряжение такого пластически деформируемого зерна и упруго нагруженной подложки обусловливает формирование поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин в поверхностном слое.

2. Установлено, что в поверхностных зернах, ориентированных для множественного скольжения, развиваются принципиально различные два типа множественного скольжения. В первом случае при развитии сопряженных мезополос сдвига, векторная сумма которых совпадает с продольной осью образца, усталостные трещины не возникают; во втором случае наблюдаются поперечные составляющие сдвигов в обоих полуциклах нагружения, что приводит к изгибу образца. Последний формирует мезоконцентратор напряжений, релаксирующий полосой сброса с противоположным направлением поперечного сдвига. Этот механизм вызывает в поверхностных слоях моментные напряжения, приводящие к развитию магистральной трещины.

3. Показано, что эволюция распространения в поверхностном слое усталостной трещины определяется квазипериодическим чередованием цикла «продольный сдвиг - локализованный мезовихрь». В зоне мезовихря развивается поворот мезообъема материала, а на трещине возникает ступенька.-

4. Установлено, что поворотные моды деформации и возникновение ступеньки на усталостной трещине связаны с формированием встречного поля напряжений при продольном развитии трещины, которое релаксирует сдвигами по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений навстречу первичным сдвигам в зоне пластической деформации перед вершиной трещины.

Научная и практическая значимость

1. Вся совокупность полученных результатов является убедительным' подтверждением концепции физической мезомеханики о зарождении усталостных трещин в поверхностных слоях при знакопеременном нагружении как нескомпенсированных поворотных модах пластического течения на мезомасштабном уровне.

2. Полученные результаты убедительно свидетельствуют о необходимости учета в проблеме усталостного разрушения поликристаллов поворотных мод мезомасштабного уровня пластического течения в их поверхностных слоях.

3. Показана возможность определения механизмов деформации и распространения усталостных трещин в поверхностных слоях поликристалла путем совместного анализа формирующейся мезоструктуры и эволюции полей векторов смещений, измеряемых оптико-телевизионным измерительным комплексом TOMSC.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Механизм распространения встречных мезополос одиночного скольжения в ориентированных для одиночного скольжения поверхностных зернах, который обеспечивает распространение поверхностной волны переключения в направлении продольной оси образца. Сопряжение такого зерна с упруго нагруженной подложкой обусловливает появление

поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин в поверхностном слое.

2. Возникновение двух типов множественного скольжения в поверхностных зернах:

а) развитие сопряженных мезополос, векторная сумма которых совпадает с продольной осью образца, в таких зернах усталостные трещины не возникают;

б) развитие множественного скольжения, в котором поперечные сдвиги суммируются и формируют мощную полосу сброса, в таких зернах возникают моментные напряжения, приводящие к развитию магистральной трещины.

3. Волновой характер распространения в поверхностных слоях алюминия усталостных трещин и механизм образования на них ступенек.

4. Существенная положительная роль высокой сдвиговой устойчивости внутренней структуры алюминия в характере и кинетике развития механизмов деформации на мезоуровне и высоком уровне его циклической долговечности.

Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами государственных и отраслевых научных программ: «Физические основы мезомеханики пластической деформации и разрушения и новые критерии оценки ресурса работы материалов и конструкций» (проект НИР программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1994-1995 гг.); «Мезодефекты и модели в физической мезомеханике как методологическая основа компьютерного конструирования материалов» (проект НИР программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1996 г.); ГНТП «Новые материалы» (приоритетное направление «Компьютерное конструирование материалов и технологий») 1996-1998 гг.; ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Новые материалы», направление «Дизайн (компьютерное конструирование ) материалов и композиционные материалы» 1999-2001 гг.; «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 гг.).

Апробация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: International Conference "Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mesomechanics of Fracture", Tomsk, Russia, 1996; V Russian-Chinese International Symposium "Advanced Materials and Processes, Tomsk, Russia, 1999; I Междисциплинарном семинаре «Фракталы и прикладная синергетика», Москва, 1999; V, VI, VII International Conference "Computer -Aided Design of Advanced Materials and Technologies", Baikalsk, Russia, 1997; Tomsk, Russia, 2001,2003. Тезисы опубликованы в сборниках информационных материалов этих конференций.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях в центральных научных журналах и тезисах 6 докладов на Всероссийских и Международных конференциях.

Построение и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Полный объем диссертации составляет 158 страниц машинописного текста, содержит 45 рисунков, 2 таблицы. Список цитируемой литературы составляет 181 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика современного состояния проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы, научная новизна полученных в ней результатов и их практическая значимость; представлена структура диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор литературных данных по экспериментальному и теоретическому исследованию явления усталости в традиционных подходах на микро- и макромасштабных уровнях, а также в подходе нового научного направления - физической мезомеханики материалов.

Из анализа литературных данных следует, что к настоящему моменту накоплен большой объем информации по исследованию явления усталости на микро- и макроуровнях. Однако исследование механизмов деформации на мезоскопических структурных уровнях находится пока на стадии своего становления. Между тем,- периоды усталостного разрушения, связанные с зарождением и развитием усталостных трещин, в принципе не могут быть корректно описаны без учета механизмов деформации мезомасштабного уровня. Это убедительно показано систематическими исследованиями природы усталостного разрушения на мезомасштабном уровне, проведенными ранее на поликристаллах свинца и его сплавов. Спецификой свинца является низкая сдвиговая устойчивость его внутренней структуры с сильно развитым зернограничным проскальзыванием в условиях знакопеременного изгиба при комнатной температуре. Это обусловливает появление в поверхностном слое поликристалла системы стохастически распределенных мезоконцентраторов напряжений, которые релаксируют мезополосами локализованной деформации, что приводит к фрагментации поверхностного слоя на мезомасштабном уровне, сопровождающегося усталостным разрушением материала.

Для выяснения роли сдвиговой устойчивости материала в развитии мезомеханизмов деформации поверхностных слоев при знакопеременном изгибе представляло интерес исследовать материалы с высокой сдвиговой устойчивостью. При этом важно исключить механизм зернограничного проскальзывания. В качестве такого материала был выбран поликристаллический алюминий, который характеризуется высокой энергией дефекта упаковки, хорошо изучен в рамках традиционных подходов на микро-и макромасштабных уровнях, и имеет большое практическое значение как основа многих широко используемых промышленных сплавов.

Во второй главе ставятся задачи исследований, обосновывается выбор материала и описываются методы проведения экспериментов.

Для выяснения влияния сдвиговой устойчивости внутренней структуры материала на мезомеханизмы деформации поверхностных слоев при знакопеременном изгибе в развитие исследований поликристаллов свинца был выбран поликристаллический алюминий, который характеризуется высокой энергией дефекта упаковки, хорошо изучен в рамках традиционных подходов на микро- и макромасштабных уровнях, и имеет большое практическое значение как основа многих широко используемых промышленных сплавов.

Алюминий имеет много общего со свинцом: оба мономорфны, имеют ГЦК решетку. Однако свинец характеризуется низкой сдвиговой устойчивостью (у = 50 мДж/м2), а алюминий, как представитель металлов с высокой энергией дефекта упаковки (у = 200-=-280 мДж/м2), - высокой. При комнатной температуре знакопеременный изгиб свинца сопровождается интенсивным зернограничным проскальзыванием (низкая устойчивость внутренней структуры поликристалла). В поликристаллическом алюминии зернограничное проскальзывание при этих условиях испытания не происходит. Использовали плоские образцы с головками и рабочей частью размерами 40x8x1 мм3. Для выявления роли деформации в поверхностных слоях образцы получали прокаткой, раскатывая на их поверхности очень крупные зерна (2-3 зерна по ширине образца). В качестве вида деформации использовали знакопеременный изгиб. Поверхность образцов готовили методом электролитической полировки с последующим нанесением реперной сетки с квадратными ячейками размером 0,2x0,2 мм.2 Знакопеременный изгиб проводили с амплитудой ± 1 мм и частотой 7 Гц при комнатной температуре. Структурные исследования выполняли методами световой и электронной растровой микроскопии с построением фотомонтажей больших участков образца по всей его ширине. С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC получали картину деформации на мезомасштабном уровне в виде полей векторов смещений с последующим расчетом распределения компонент тензора дисторсии. При увеличении 260 крат исследуемая площадь образца составляла 0,57x0,42 мм2, локальность метода - 8,4x8,4 мкм2, а разрешение - 0,7 мкм. Измерения количественного усредненного профиля шероховатости поверхности проводили с помощью профилометра М-296.

Для аттестации условий испытания на изгиб при постоянной общей амплитуде деформации = const и определения области прилагаемых нагрузок проведен расчет максимальных нормальных напряжений атач, максимальных относительных деформаций в поперечных сечениях и максимальных касательных напряжений на поверхности плоского образца при изгибе в представлениях механики сплошной среды. Установлено, что прилагаемые нагрузки относятся к области упругопластических напряжений, при которых ведущим механизмом деформации является локализация в грубых полосах скольжения пластической деформации поверхностных слоев, а общая амплитуда деформации при циклировании соответствует е^Ю"3.

В третьей главе рассматривается характер и закономерности циклической деформации на мезомасштабном уровне при знакопеременном изгибе поликристаллического алюминия. В представлениях физической мезомеханики носителями пластической деформации на мезоуровне являются объемные структурные элементы различного масштаба, движение которых происходит по схеме «сдвиг + поворот». Указанный механизм деформации реализуется в нагруженном материале наряду с другими механизмами в иерархии масштабных уровней деформации и наблюдать его в явном виде не всегда удается.

Общая теория движения мезообъемов в деформируемом твердом теле показывает [1], что в структурно-неоднородной среде под нагрузкой возникает вихревое механическое поле, приводящее к большим эффектам изгиба-кручения. Последние порождают аккомодационные потоки дефектов поворотного типа, обусловливающие дисперсию локальной кривизны, вызываемой неоднородностью потоков первичного скольжения. Это явление описывается выражением:

(гоЛ% = !"Ьс [Аьх + (1/с,2) (-5.) + 1//120Г, (1)

где - изменение во времени градиента компоненты тензора дисторсии; -градиент компоненты тензора дисторсии, отражающий калибровочное поле; -предельная скорость распространения калибровочного поля в структурно-неоднородной среде; -градиент компоненты тензора изгиба-кручения; структурные константы, учитывающие, что калибровочные поля образуют алгебру Ли; I/ -потоки, обуславливающие изменение репера т в пространстве; IIе, -компоненты тензора напряженности калибровочного поля; I - размерный параметр структурных уровней деформации среды; - фрактальная размерность.

В соответствии с (1) аккомодационные поворотные моды деформации могут осуществляться тремя механизмами. Первый из них связан с поляризацией в поле поворотных моментов внутренних калибровочных полей ГЬс [Аь х и определяет формирование диссипативной субструктуры внутри структурных элементов: ячеистой дислокационной субструктуры, фрагментов зерен, субзерен. Этот механизм относится к мезомасштабному уровню пластического течения (мезо I) и хорошо изучен в литературе.

Второй механизм связан с развитием множественного скольжения как аккомодационного материального поворота и описывается слагаемым

В литературе множественное скольжение принято считать

д1

механизмом деформации микромасштабного уровня. Однако интенсивность сдвигов в разных системах скольжения может существенно отличаться (или системы множественного скольжения могут быть распределены в разных зернах). Это может быть причиной возникновения в деформируемом материале сильных поворотных моментов и приводить к вовлечению в движение мезообъемов внутри структурных элементов деформации (субструктура мезо I).

Третий механизм осуществления поворотных мод деформации описывается слагаемым 1(1'/120Гв соотношении (1). В его основе лежит развитие потоков дефектов по границам структурных элементов, обуславливающих их кристаллографический поворот как целого. Этот механизм является типичным механизмом мезомасштабного уровня (мезо II).

Выражение (1) позволяет качественно оценить вклад различных механизмов поворотного типа в пластическое течение на мезоуровне. Оно может быть эффективно использовано для изучения механизмов усталостного разрушения на мезоуровне. При знакопеременном изгибе поликристаллов свинца определяющим является движение зерен как целого, которое

проявляется как зернограничное проскальзывание. Возникающие при этом мезоконцентраторы напряжений формируют крупноблочную мезоструктуру II, по границам которой распространяется магистральная трещина усталостного разрушения. Выделить вклад в усталостное разрушение материальных поворотов внутризеренного скольжения в поликристаллах свинца не удалось.

В поликристаллах алюминия знакопеременный изгиб при комнатной температуре не вызывает зернограничного проскальзывания. Это позволяет исследовать роль в усталостном разрушении материальных поворотов внутризеренного скольжения. Учет сопряжения пластически деформирующегося поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки показал, что и материальные повороты внутризеренного скольжения могут давать существенный вклад в развитие усталостного разрушения.

В результате выполненных экспериментов установлено, что аккомодация поворотной моды первичного внутризеренного скольжения в алюминии в данных условиях нагружения включает три механизма дефорхмации на мезоуровне: механизм развития встречных мезополос одиночного скольжения, развитие двух типов множественного скольжения и механизм образования мезовихря в объеме зерна.

Встречныемезополоы одиночного скольжения. На рис. 1 показано, что в зерне В, ориентированном для одиночного скольжения, первичные сдвиги возникли в стыке трех зерен вблизи неподвижного захвата (точка А на рис. 1) и развивались в направлении максимальных касательных напряжений. По мере роста числа циклов нагружения отдельные сдвиги группируются в мезополосу локализованного сдвига. При ее продвижении до середины зерна ' на противоположной его границе возникает встречная мезополоса локализованного сдвига, распространяющаяся параллельно исходной. Этот процесс генерации встречных полос локализованного сдвига эстафетно распространяется в поверхностном зерна В вдоль большой его оси до вершины в точке С. Сопряжение пластически деформирующегося зерна с упруго нагруженной подложкой вызывает его гофрирование, однако усталостные трещины при этом не возникают.

Выявлены два типа взаимодействия встречных полос одиночного скольжения. По первому типу в месте сближения полос происходит изменение направления сдвига, свидетельствующее о реализации в этой области поворотных мод деформации. При ближайшем взаимодействии полос происходит аннигиляция встречных сдвигов: полосы скольжения в промежутке между встречными полосами не наблюдаются. По второму типу две встречные полосы при своем распространении останавливаются на значительном расстоянии друг от друга, и при дальнейшем нагружении в промежутке между ними формируется соединяющая их новая полоса. Обнаруженные экспериментально разновидности встречных сдвигов согласуются с теоретическими представлениями [2] и объясняются различием характера перераспределения концентрации напряжений в головах встречных сдвигов.

Механизмы деформации, связанные с множественным скольжением. Выявлены два типа множественного скольжения, имеющие принципиальные отличия.

Первый тип множественного скольжения. Сопряжение пластически деформирующегося зерна В и упруго нагруженной подложки приводит к образованию в вершине С на рис. 1 мезоконцентратора напряжений. Последний релаксирует самосогласованным развитием двух мезополос сдвига по сопряженным системам скольжения в смежном зерне F: сначала одьой мезополосой CD, затем другой мезополосой СЕ, векторная сумма которых совпадает с продольной осью образца. При дальнейшем нагружении скольжение по сопряженным направлениям распространяется по всему зерну F, не приводя к образованию усталостных трещин.

Второй тип множественного скольжения развивается в условиях суммирования поперечных составляющих сопряженных сдвигов (рис 2, зерно В). Пр и этом

Продольная ось образца возникает изгибающий момент,

генерирующий в зоне С зерна В

мощную полосу сброса.

Совместный анализ

развития сдвигов в зернах и

идентификация направлений всех

видов сдвигов в области вершины

трещины на полях векторов

смещений позволили

сформулировать механизм

развития данного типа сдвигов в

поверхностном зерне (схема на

рис. 2). При сжатии

поверхностного слоя в зерне В

возникают первичные сдвиги,

характеризуемые векторами

При растяжении поверхностного

слоя развиваются сдвиги по

сопряженному направлению тти.

характеризуемые векторами

Продольные компоненты сдвигов

по направлениям а и Ь

противоположны по знаку, и

длина образца при

знакопеременном изгибе

сохраняется неизменной.

Поперечныекомпоненты векторов имеют один знак

и в ходе знакопеременного изгиба складываются. Это формирует в зоне изгиба-кручения концентратор напряжений, релаксирующий полосой сброса (зона С). В полосе сброса реализуются поворотные моды деформации, аккомодирующие локальные изгибающие моменты (поперечная компонента вектора с). Создаваемые при этом в поверхностных слоях моментные напряжения приводят к развитию магистральной поверхностной трещины.

КУ.У. ' 10.5 ЧМ|

Неподвижный захват

Рис. 1. Развитие встречных сдвигов в зерне В и сопряженных сдвигов ОБ (N=9,7 105 циклов) и СЕ €N=10' циклов) в зерне Б

Ведущий поворотный механизм внутризеренной деформации при знакопеременном изгибе поликристаллов алюминия связан с резким различием интенсивностей сдвигов в разных системах множественного скольжения и сопряжением поверхностного деформирующегося зерна с упруго нагруженной подложкой. Характер и скорость формирования поверхностных трещин и, как следствие, характеристики усталости зависят от соотношения интенсивностей сдвигов в системах множественного скольжения. Наиболее благоприятным является случай, когда интенсивности сопряженных сдвигов близки, а их векторная сумма направлена вдоль оси образца. Вероятность формирования зон изгиба-кручения при этом мала, формирующийся поверхностный рельеф выражен в наименьшей степени. При слабо выраженном вторичном скольжении вначале в зоне интенсивного первичного скольжения возникают поверхностные трещины поперечного сдвига (в результате сопряжения с упруго нагруженной подложкой и слабо выраженного вторичного скольжения) По мере накопления нескомпенсированного материального поворота первичного скольжения формируется локализованная полоса сброса как аккомодационный материальный поворот более высокого мезоуровня. Этот процесс завершается развитием магистральной усталостной трещины как кристаллографического аккомодационного поворота.

Сопряжение пластически деформируемого поверхностного зерна и упруго нагруженной подложки обусловливает возникновение ярко выраженного волнообразного

Рис 2 Развитие сдвигов, полосы сброса С и микротрещин в зерне В (N=7,6 10б циклов) (а), схема развития сдвигов сжатия а, сдвигов растяжения Ь и аккомодационного скольжения с в полосе сброса С (б)

поверхностного рельефа. Систематическими измерениями ширины полос локализованного сдвига и расстояния между ними установлена явная периодичность поверхностного рельефа зерен со слабо выраженным вторичным скольжением аккомодационной природы. В обоих случаях

поверхностный рельеф представляет собой типичный гофр. Показано, что гофр является многоуровневой системой: полосы гофра не сплошные, а состоят из отдельных продольных элементов, которые, в свою очередь, состоят из множества поперечных объемных ламелей, образующих гофр более мелкого масштаба. Очевидно, что сформировать целиком зону изгиба-кручения, связанную с крупным элементом гофра, энергетически невозможно. Поэтому их формирование развивается послойно, сугубо локализованно: каждая ламель формируется в зоне соответствующего мезоконцентратора напряжений.

Механизм образования внутршеренного мезовпхря. При отсутствии в поверхностном зерне вторичного скольжения сильно локализованное одиночное скольжение сопровождается мощным материальным поворотом в объеме зерна. В данном случае в условиях отсутствия зернограничного проскальзывания и сопряжения с упруго нагруженной подложкой сильно выраженный материальный поворот первичного скольжения вызывает появление целой иерархии распределенных в объеме мезовихря кристаллографических мезоповоротов. Они осуществляются путем разбиения поверхностного зерна на множество фрагментов, разворачивающихся друг относительно друга на значительные углы. Возникновение в поверхностном зерне локализованного мезовихря с его фрагментацией в иерархии мезомасштабных уровней является ярко выраженным примером развития кристаллографических поворотов мезообъемов как следствия сопряжения материального поворота первичного скольжения и упруго нагруженной подложки.

Таким образом, все рассмотренные выше случаи зарождения и развития поверхностных усталостных трещин связаны с аккомодационными кристаллографическими поворотами внутризеренных мезообъемов, которые обусловлены сопряжением нескомпенсированных материальных поворотов внутризеренного первичного скольжения и упруго нагруженной подложки.

Принято считать, что при активном нагружении всего объема деформирующегося образца материальные повороты множественного скольжения полностью скомпенсированы. Однако и в этом случае сопряжение материального поворота локализованного сдвига и окружающего материала должно вызывать возникновение несплошностей материала. В литературе хорошо известно, что пластическая деформация любого материала сопровождается накоплением в нем микротрещин. При циклическом нагружении этот эффект выражен гипертрофированно.

В работе установлена взаимосвязь типа формирующейся мезоструктуры, степени гофрирования поверхности с усталостной долговечностью алюминия (табл. 1).

В главе четвертой рассматриваются закономерности зарождения и распространения поверхностных усталостных трещин в алюминии. Установлено, что местом предпочтительного зарождения трещин являются полосы локализованного скольжения, и значительно реже, они зарождаются на границах сильно и слабо деформированных зерен. Это согласуется с данными литературы для применяемых в работе условий испытания: комнатная температура, амплитуда деформации

Таблица 1. Зависимость долговечности и параметра шероховатости от характера внутризеренного скольжения.

Характер внутризеренного скольжения Параметр шероховатости И«, мкм Число циклов до разруше ния Ыр-10"6

Ярко выраженное множественное скольжение 0,1-0,2 6,3

Слабо выраженное множественное скольжение 0,5 5,9

Одиночное скольжение с образованием мезовихря 2,0 з,з

Полученные экспериментальные результаты позволяют считать, что механизм образования поверхностных трещин на мезоуровне связан с эффектом поворота пластически деформируемого поверхностного слоя относительно упруго нагруженной подложки. Такой поворот обнаружен экспериментально, измерен методом полей векторов смещений и представлен на рис. 3. Показано, что поле векторов смещений перед трещиной четко разделено на два фрагмента, что сопровождается сильной локализацией сдвига-поворота на границе фрагментов впереди вершины трещины. Теоретическая возможность такого поворота показана в работе [3] на примере модели движения в плоскости скольжения бесконечного ряда винтовых дислокаций.

Систематическими исследованиями в работе установлено, что трещины на боковой поверхности образца развиваются в плоскостях, расположенных под углом, близким к 45° к плоскости, нормальной растягивающим напряжениям. Это свидетельствует о том, что эти трещины распространяются в условиях плоского напряженного состояния.

Известно, что в основе процесса развития трещины лежит характер пластической деформации в зоне перед ее вершиной. В работе экспериментально определена структура зоны пластической деформации и оценен ее радиус на последовательных стадиях развития

трещины. Это позволяет оценить пластически деформирующийся приповерхностный слой образца:

Исследован механизм распространения усталостных трещин на стадии стабильного их роста. Показано, что трещина продвигается скачкообразно, образуя прямолинейные участки и ступеньки. В окрестности ступенек формируются мезообъемы различной формы: сферической, цилиндрической, блочной. Формированию мезообъемов предшествует развитие в зонах ступенек сильно выраженного поверхностного гофра, что свидетельствует о возникновении в этой зоне мезоконцентраторов напряжений. По мере распространения трещины линейный размер ступенек увеличивается и вместе с ним увеличивается размер формирующихся в них мезообъемов. Определено

Рис 3 Микроструктура (а), попе векторов смещений (б), сдвиговая сХу и поворотная

компоненты тензора дисторсии (в), N=5 9 106 циклов Стрелкой указана трещина

перемещение мезообъемов,

сопровождаемое разрывом и разворотом линий координатной сетки, равным соответственно 10-15 мкм и 8-12°. Эффект поворота мезообъемов характерен для всех усталостных трещин на II (мезо) стадии стабильного роста трещины Столь значительная величина локального поворота и сам факт формирования протяженных

мезофрагментов материала в зонах ступенек свидетельствуют о возникновении в вершине

распространяющейся усталостной трещины мощного концентратора моментных напряжений При дальнейшем нагружении в вершине трещины на фоне одиночного скольжения наблюдается

формирование мезовихря, что свидетельствует о повышении мощности мезоконцентратора в вершине трещины.

Эволюция распространения усталостной трещины определяется квазипериодическим чередованием цикла «продольный сдвиг -локализованный мезовихрь»

Очевидно, что механизм

распространения усталостной

трещины наследует волновой характер пластического течения в зоне

пластической деформации перед ее вершиной. Установлена качественная аналогия в характере развития усталостных трещин в поверхностных слоях поликристаллического алюминия при знакопеременном изгибе и волнового характера распространения мезополос локализованной деформации в работе

[4]

Методом полей векторов смещений выявлена природа возникновения концентратора моментных напряжений в вершине усталостной трещины, приводящих к формированию ступеньки (рис 4). Показано, что на стадии продольного распространения трещины векторы смещений в зоне перед вершиной последовательно развиваются в направлении от трещины по сопряжашым направлениям максимальных касательных напряжений или вдоль их

Рис 4 Зона перед вершиной трещины и соответствующее поле векторов смещений,

векторных сумм Последнее свидетельствует о наличии в вершине трещины мезоконцентратора напряжений Распространение сдвига со стесненным поворотом перед вершиной трещины стимулирует ее раскрытие и продвижение в поверхностном слое образца С ростом числа циклов нагружения формируется встречное поле напряжений, которое вызывает сдвиги по сопряженным направлениям навстречу первичным сдвигам Их векторная сумма, направленная навстречу распространяющейся трещине, и является обстоятельством, обусловливает поворот траектории трещины и возникновение на ней ступеньки

Заключение и основные выводы

В развитие работ по изучению механизмов усталостного разрушения на мезоуровне в потикристаллах свинца проведено подобное исследование на крупнозернистых поликристаллах алюминия Сравнительный анализ развития циклической деформации в сдвигоустойчивом алюминии и свинце, имеющем низкую сдвиговую устойчивость, показал, что характер и вклад поворотных механизмов в деформацию и усталостную долговечность существенно зависят от степени сдвиговой устойчивости материала В свинце при знакопеременном изгибе преимущественно развивается одиночное скольжение Его материальный поворот аккомодируется интенсивным зернограничным проскальзыванием Стесненность последнего обусловливает возникновение стохастически распределенных мезоконцентраторов напряжений, которые генерируют мезополосы локализованной деформации, распространяющиеся через многие зерна независимо от их кристаллографической ориентации Их самоорганизация формирует в образце блочную мезоструктуру II, что завершается фрагментацией всего материала и распространением

магистральной усталостной трещины по границам мезофрагментов. В алюминии при комнатной температуре зернограничное проскальзывание отсутствует и материальные повороты одиночного скольжения в поверхностных зернах аккомодируются полностью в объеме зерен целым набором поворотных механизмов: генерацией на противоположной границе зерна встречных сдвигов, развитием множественного скольжения, возникновением локализованного мезовихря. В случае скомпенсированных материальных поворотов поверхностных сдвигов сопряжение пластически деформирующихся поверхностных зерен и упруго нагруженной подложки обусловливает возникновение поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин. Нескомпенсированные материальные повороты поверхностных сдвигов в сопряжении с упруго нагруженной подложкой вызывают развитие поверхностных трещин и фрагментацию поверхностных зерен как аккомодационные кристаллографические повороты на мезомасштабном уровне мезо I (внутризеренная мезоструктура).

Возникновение поверхностных усталостных трещин вследствие взаимодействия некомпенсированных материальных поворотов в поверхностных зернах и упруго нагруженной подложки является спецификой поведения многоуровневых систем. Это обстоятельство нужно учитывать при разработке теории усталостного разрушения. Высокая сдвиговая устойчивость внутренней структуры крупнозернистых поликристаллов алюминия (по сравнению с подобными поликристаллами свинца) определяет высокую циклическую долговечность алюминия.

Полученные в работе результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. При знакопеременном изгибе плоских образцов крупнозернистого поликристаллического алюминия в поверхностных зернах, ориентированных для одиночного скольжения, развивается механизм встречного распространения полос локализованного одиночного скольжения в направлении максимальных касательных напряжений, который обеспечивает эстафетное распространение поверхностной волны переключения в направлении продольной оси образца. Сопряжение такого пластически деформирующегося зерна с упруго нагруженной подложкой обусловливает появление поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин в поверхностном слое.

2. В поверхностных зернах, ориентированных для сдвигов по сопряженным системам скольжения, при развитии множественного скольжения возможны два варианта. В первом случае в зерне при развитии сопряженных мезополос, векторная сумма которых совпадает с продольной осью образца, усталостные трещины не возникают. Во втором случае наблюдается векторное сложение поперечных составляющих сопряженных сдвигов в системе множественного скольжения, вызывающее формирование полосы сброса как аккомодационной моды деформации. Возникающие при этом в поверхностных слоях моментные напряжения приводят к развитию магистральной поверхностной усталостной трещины.

3. Сопряжение поверхностного деформирующегося зерна и упруго нагруженной подложки обусловливает эффект гофрирования поверхностного

слоя или образования усталостных трещин на мезоуровне как аккомодационных поворотных мод в многоуровневой системе. В этих условиях некомпенсированные материальные повороты одиночного скольжения в поверхностных зернах завершаются их фрагментацией и внутризеренными кристаллографическими поворотами.

4. Установлена связь эволюции распространения усталостных трещин в поверхностных слоях алюминия при знакопеременном изгибе с квазипериодическим чередованием цикла «продольный сдвиг -локализованный мезовихрь». В зоне мезовихря развивается целый спектр поворотных процессов, а на трещине возникает поперечная ступенька. На поздней стадии развития трещины в зоне мезовихря реализуется эффект ветвления трещины.

5. Выявлен механизм образования ступенек при распространении поверхностной трещины, связанный с формированием встречного поля напряжений при продольном развитии трещины, релаксирующий сдвигами по сопряженным направлениям навстречу первичным сдвигам.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

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

2. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В., Панин СВ. Фрактальная мезоструктура на поверхности поликристаллов при усталостном разрушении // ДАН.-1999.-Т. 365.-№2.-С 186-189.

3. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В. Динамика локализации деформации в поверхностном монокристаллическом слое плоских поликристаллических образцов алюминия при циклическом нагружении // Физ. мезомех. -2000. -Т.З. -№4. -С.79-88.

4. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В. Механизм деформации и зарождения усталостных трещин в поликристаллах алюминия при знакопеременном изгибе // ДАН.-2002.-Т.382.-№3.-С335-340.

5. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В, Кузнецов П.В. Механизмы формирования фрактальной мезоструктуры на поверхности поликристаллов при циклическом нагружении //ФММ.-2002.-Т.94.-№4.-С92-103.

6. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В. Волновой характер распространения усталостных трещин на поверхности поликристаллического алюминия при циклическом нагружении // Физ. мезомех.-2002.-Т.5.-№3.-С93-99.

7. Panin V.E., Elsukova T.F., Angelova G.V. Fragmented mesostructure on aluminum and duralumin surface and its role in fatigue polycrystal fracture // V Russian-chines International Symposium "Advanced Materials Processes": Abstracts of the International Symposium, July 27-August 1, 1999.-Tomsk, Russia, 1999.-P. 93.

8. Elsukova T.F., Panin V.E., Angelova G.V. Regularities ofshear deformation self-organization in aluminum under cyclic loading and their relationship to fatigue

characteristics // VI International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies": Abstracts of the International Conference, March 29-31, 2001,-Tomsk, Russia, 2001.-P.95-96.

9. Elsukova T.F., Panin V.E., Angelova G.V. Wave mechanism of fatigue fracture of aluminium polycrystals under cyclic loading at the mesoscale level // VII International Conference "Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies": Abstracts of the International Conference, August 18-23, 2003.-Tomsk, Russia, 2003.-P.121-122.

Список цитируемой литературы

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

2. Дерюгин Е.Е. Метод элементов релаксации.- Новосибирск: Наука.-1998.-252с.

3. Борисова С.Д., Наумов И.И. Топологическая особенность в средних напряжениях и деформациях, индуцированных плоскими дислокационными скоплениями//Изв. вузов. Физика.-1999.-№4.-С.53-60.

4. Тюменцев А.Н., Панин В.Е., Дитенберг И.А., Пинжин Ю.П., Коротаев А.Д., Деревягина Л.С., Шуба Я.В., Валиев Р.З. Особенности пластической деформации ультрамелкозернистой меди при разных температурах // Физ. мезомех.-2001.-Т.4.-№6.-С.77-85.

»12628

Размножено 110 экз. Копировальный центр «Южный», Свид. ПД-Г № 526, г. Томск, ул. 19-й Гвардейской дивизии, 75 тел: 41-34-47

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЯВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ИЛ МИКРО- МАКРО

ИМЕЗОМАСШТАБНОМ УРОВНЯХ.

1.1. Усталость металлов.

1.1.1. Явление усталости. Основные характеристики и теории усталости.

1.1.2. Стадийность и структурные изменения при усталостном разрушении.

1.1.2. Механизмы циклической деформации на микроуровне.

1.13. Роль поверхности в раввиши циклической деформации.

1.1.5. Закономерности и микромеханизмы зарождения и распространения усталостных трещин.

1.1.5.1. Микромеханизмы зарождения усталостных трещин.

1.1.5.2. Закономерности распространения усталостных трещин.

1.1.6. Факторы, влияющие на сопротивление усталосга.

1.1.6.1. Влияние температуры испытания.

1.1.62. Влияние амплшуды цикла нагружения.

1.1.6.3. Влияние структурного состояния материала.

1.1.6.4. Влияние концентрации напряжений.

1.2. Пластическая деформация и разрушение твердых тел в представлениях физической мезомеханики.

1.2.1. CipyKiypHbie уровни деформации тверцыхтел.

1.2.2. Вихревое механическое поле в деформируемом кристалле.

1.2.3. Синергетические принципы физической мезомеханики.

1.2.4. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический уровень деформации.

1.2.5. Механизмы циклической деформации поликристаллов на мезоуровне.

2 ПОСТАНОВКА ЗАДА ЧИ, MA ТЕРИЛЛ И

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Материал исследования.

2.3. Методы исследования.

2.3.1. Механические испытания на знакопеременный изгиб.

2.3.2. Расчет максимальных нормальных напряжений сттах, максимальных относительных деформаций етах в поперечных сечениях и максимальных касательных напряжений ттах на поверхности плоского образца при изгибе.

2.3.3. Метод электролитического полирования.

2.3.4. Оптико-телевизионный метод исследования на комплексе TOMSC.

2.3.5. Определение шероховатости R,, деформированной поверхности.

2.3.6. Металлографическое исследование поверхности деформируемых образцов с помощью световой и растровой электронной микроскопии.

3. ХАРАКТЕР И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА МЕЗОМАСШГАБНОМ УРОВНЕ

ПОЛИКРИСГАЛЛИЧЕСКОГО АШОМИНИЯ.

Введение.

3.1. Общая характеристика циклической деформации поликристаллического алюминия.

3.2. Механизмы деформации поликристаллического алюминия на мезомасштабном уровне.

3.2.1. Эстафетный характер распространения встречных полос локализованного сдвига.

3.2.2. Механизмы деформации, связанные с множественным скольжением.

3.2.2.1. Первый тип множественного скольжения.

3.2.2.2. Второй тип множественного скольжения. л 3.2.2.3. Эффект образования поверхностного гофра.

3.2.3. Механизм образования локального мезовихря.

3.3. Связь шероховатости поверхностного рельефа с характеристиками усталости.

3.4. Специфика фрактальной мезоструктуры при циклическом нагружении алюминия.

4.1. Механизм зарождения поверхностных усталостных трещин на мезоуровне.150

4.2. Общая характеристика трещин в крупнозернистом алюминии.158

4.3. Волновой характер распространения поверхностных усталостных трещин.181

4.4. Эволюция полей векторов смещений в вершине усталостной трещины.188

Заключение.193

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.194

ЛИТЕРАТУРА.197

ВВЕДЕНИЕ

Усталость металлов является одной из важнейших проблем физики прочности и пластичности, так как преобладающее большинство поломок и катастрофических разрушений деталей машин и конструкций происходят вследствие усталости. Частые случаи усталостного разрушения свидетельствуют о недостаточности знаний о природе явления усталости, которое характеризуется исключительной сложностью и разнообразием процессов, происходящих в материалах в условиях действия переменных нагрузок, большой чувствительностью этих процессов к влиянию различных технологических, эксплуатационных и конструкционных факторов.

При решении вопроса о физической природе циклической деформации и усталостного разрушения известны несколько подходов [1]. Первый — изучение макроскопических закономерностей процесса усталости. Созданные на основании макроскопических данных теории: циклической деформации и усталостного разрушения, как правило, базируются на моделях твердого тела, удовлетворяющих представлениям теории упругости и не учитывающих реальных особенностей структуры материалов. Второй - феноменологическое описание картины усталостного разрушения и поиски связи между характером разрушения, фазовым составом и микроструктурой материала. Естественной возможностью построения фундаментальной теории на основании результатов таких исследований считали применение статистических методов. Третий, основанный на теории несовершенств кристаллического строения металлов, связан с изучением микромеханизма усталостного разрушения. В результате таких работ на базе дислокационных моделей были разработаны физически обоснованные микромеханизмы пластической деформации твердых тел и установлены специфические особенности в поведении дислокаций в зависимости от природы материала и условий нагружения.

Наиболее систематизированными и всесторонними исследованиями по проблеме природы усталости металлов являются прежде всего работы И.А. Одинга, B.C. Ивановой, С. Коцаньды, С.В. Серенсена, JI.M. Школьника, В.Ф.

Терентьева, В.М. Горицкого, В.Т. Трощенко, А.А. Шанявского [1-15]. Из них значительное число работ посвящено влиянию различных факторов на усталостные свойства металлов и сплавов с применением критериев линейной механики разрушения (Дж. Нотг, J1.M. Качанов, B.C. Иванова, В.В. Панасюк и др.) [16-18] .

Однако, несмотря на большое количество исследований усталости, до настоящего времени остается много открытых вопросов в плане природы явления. Традиционное изучение закономерностей пластической деформации и разрушения твердых тел проводится на основе подходов теории дислокаций, описывающей микроуровень, и механики сплошной среды, изучающей макроуровень. Попытки связать теорию дислокаций и механику сплошной среды столкнулись с принципиальными трудностями.

В последние два десятилетия в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН развивается новое научное направление — физическая мезомеханика деформируемого твердого тела, которая вводит в рассмотрение промежуточный между микро- и макроуровнями мезомасштабный уровень [19,20].

В основу физической мезомеханики положена концепция струюурных уровней деформации [21-24]. В соответствии с этой концепцией деформируемое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой пластическое течение развивается самосогласованно как последовательная эволюция потери сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях (микро, мезо и макро). Элементарными носителями деформации на мезоуровне являются трехмерные структурные элементы (субзерна, зерна, конгломераты зерен), движение которых характеризуется схемой «сдвиг + поворот». В мезомеханике основные закономерности пластического течения на мезоуровне связаны с образованием диссипативных мезоструктур (и фрагментацией деформируемого твердого тела), а разрушение является завершающей стадией фрагментации, когда на макромасштабном уровне образуются два фрагмента.

К настоящему времени систематические исследования по природе усталости на мезомасштабном уровне проведены на свинце, имеющем низкую сдвиговую устойчивость, и его сплавах Елсуковой Т.Ф., Паниным В.Е. с сотрудниками [25-29]. Было показано, что в основе усталостного разрушения свинца лежит формирование крупноблочной мезоструктуры II. Целенаправленным легированием свинца установлено, - что повышение сдвиговой устойчивости и подавление зернограничного проскальзывания препятствуют формированию указанной мезоструктуры и увеличивают долговечность материала. В связи с этим представлялось важным провести аналогичные исследования на материале с высокой сдвиговой устойчивостью. В этой связи настоящая работа проведена с целью исследования закономерностей и механизма циклической деформации и усталостного разрушения на мезомасштабном уровне поликристаллов алюминия, имеющего высокую сдвиговую устойчивость.

Диссертация состоит из четырех глав. Первая глава посвящена обзору литературных данных по экспериментальному и теоретическому исследованию явления усталости на микро-, макро- и мезомасштабных уровнях. В первом параграфе дано определение явления усталости, характеризующих его параметров. Дается представление об обобщенной полной кривой усталости. Анализируются возможности построения кривых циклического деформирования для испытаний с контролируемой деформацией или напряжением. Подчеркивается особая роль поверхности при усталостных испытаниях на изгиб. Исходя из периодичности и стадийности процесса накопления усталостных повреждений, обсуждаются структурные изменения, механизмы деформации и образования усталостных трещин на микроуровне, а также их распространения. Во втором параграфе даются представления об основных положениях физической мезомеханики. Основополагающими понятиями здесь являются структурные уровни деформации и вихревое механическое поле. Рассмотрены синергетические принципы физической мезомеханики. Приводятся результаты первых систематических исследований механизмов пластической деформации и разрушения на мезоуровне при усталостных испытаниях сдвигонеустойчивого свинца и его сплавов.

Во второй главе приведена постановка задачи, обосновывается выбор материала, представлены методы исследования. Задача исследования механизмов деформации и разрушения на мезоуровне определяет применяемые методы исследования. В соответствии с концепцией физической мезомеханики повышенная степень дефектности поверхностных слоев обусловливает в них более раннее и интенсивное, чем в объеме, развитие деформации. Циклическое нагружение в условиях изгиба еще более способствует локализации деформации в поверхностных слоях. Как следствие, при циклическом нагружении возникает возможность наблюдать динамику локализации деформации в поверхностном слое образца. Для получения одинакового начального состояния поверхности образцов использовали метод электролитического полирования, выгодно отличающийся от механического тем, что не создает наклепа поверхности. Исходя из того, что объектами физической мезомеханики являются структурные элементы деформации (СЭД), в работе исследовали кинетику структурных изменений большого участка образца с помощью световой, используя метод фотомонтажей, и растровой микроскопии по всей его ширине. При исследовании деформации на мезомасштабном уровне с помощью полей векторов смещений использовали оптико-телевизионный комплекс TOMSC-1. Для характеристики усталостных испытаний в условиях нагружения при постоянной общей деформации е„ =const проведен расчет максимальных нормальных напряжений в поперечных сечениях, максимальных касательных напряжений на поверхности плоского образца и максимальной относительной деформации при растяжении.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования характера и закономерностей циклической деформации на мезоуровне поликристаллов алюминия. Изучена с новых позиций общая картина развития деформации. Выявлены принципиальные особенности механизма деформации на мезоуровне материала с высокой сдвиговой устойчивостью. Развиты s представления об определяющей роли внутризеренного скольжения в таком материале. Выявлены три механизма деформации на мезоуровне: встречного распространения локализованых полос одиночного скольжения; механизмы, связанные с развитием множественного скольжения; возникновения локального мезовихря. Рассмотрено влияние соотношения интенсивностей сдвига в соряженных системах скольжения на характер поверхностного рельефа и характеристики усталости. Исследованы закономерности формирования трансляционно-ротационных мезовихрей.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования зарождения и распространения трещины на мезоуровне. Выявлена принципиально важная роль эффекта Баушингера и сопряжения пластически деформированного поверхностного слоя с упруго деформированной подложкой при зарождении усталостной трещины. Исследованы закономерности распространения усталостной трещины в поверхностном слое алюминия.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты восполняют пробел в знаниях о механизмах деформации и разрушения поликристаллического алюминия, вводя в рассмотрение мезомасштабный уровень. Показано, что усталостное разрушение алюминия развивается как многоуровневый процесс поворотного типа и удовлетворительно описывается положениями физической мезомеханики. Полученные качественные различия фрактальной мезоструктуры материалов с различным соотношением интенсивностей сдвигов в сопряженных системах скольжения и показатели шероховатости могут быть использованы для оценки стадии предразрушения. Показана возможность определения механизма деформации, образования трещины и ее распространения по поверхности образца путем совместного анализа структурных изменений на мезоуровне и идентификации векторов на полях векторов смещений. Оценка максимальной относительной деформации позволяет характеризовать усталостные испытания при нагружении в условиях постоянной деформации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Механизм распространения встречных мезополос одиночного скольжения в ориентированных для одиночного скольжения поверхностных зернах, который обеспечивает распространение поверхностной волны переключения в направлении продольной оси образца. Сопряжение такого зерна с упруго нагруженной подложкой обусловливает появление поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин в поверхностном слое.

2. Возникновение двух типов множественного скольжения в поверхностных зернах: а) развитие сопряженных мезополос, векторная сумма которых совпадает с продольной осью образца, в таких зернах усталостные трещины не возникают; б) развитие множественного скольжения, в котором поперечные сдвиги суммируются и формируют мощную полосу сброса, в таких зернах возникают моментные напряжения, приводящие к развитию магистральной трещины.

3. Волновой характер распространения в поверхностных слоях алюминия усталостных трещин и механизм образования на них ступенек.

4. Существенная положительная роль высокой сдвиговой устойчивости внутренней структуры алюминия в характере и кинетике развития механизмов деформации па мезоуровне и высоком уровне его циклической долговечности.

Связь работы с научными программами и темами

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами государственных и отраслевых научных программ: «Физические основы мезомеханики пластической деформации и разрушения и новые критерии оценки ресурса работы материалов и конструкций» (проект НИР программы ГНЦ ИФ11М СО РАН 1994-1995 гг.); «Мезодефекты и модели в физической мезомеханике как методологическая основа компьютерного конструирования материалов» (проект НИР программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1996 г.); ГНТП «Новые материалы» (приоритетное направление «Компьютерное конструирование материалов и технологий») 1996-1998 гг.; ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Новые материалы», направление «Дизайн (компьютерное конструирование ) материалов и композиционные материалы» 1999-2001 гг.; «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 гг.).

1. ЯВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ HA МИКРО- МАКРО- И МЕЗОМАСШТАБНЫХ УРОВНЯХ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В развитие работ по изучению механизмов усталостного разрушения на мезоуровне в поликристаллах свинца проведено подобное исследование на крупнозернистых поликристаллах алюминия. Сравнительный анализ развития циклической деформации в сдвигоустойчивом алюминии и свинце, имеющем низкую сдвиговую устойчивость, показал, что характер и вклад поворотных механизмов в деформацию и усталостную долговнчность существенно зависят от степени сдвиговой устойчивости материала. В свинце при знакопеременном изгибе преимущественно развивается одиночное скольжение. Его материальный поворот аккомодируется интенсивным зернограничным проскальзыванием. Стесненность последнего обусловливает возникновение стохастически распределенных мезоконцентраторов напряжений, которые генерируют мезополосы локализованной деформации, распространяющиеся через многие зерна независимо от их кристаллографической ориентации. Их самоорганизация формирует в образце блочную мезоструктуру II, что завершается фрагментацией всего материала и распространением магистральной усталостной трещины по границам мезофрагментов. В алюминии при комнатной температуре зернограничное проскальзывание отсутствует и материальные повороты одиночного скольжения в поверхностных зернах аккомодируются полностью в объеме зерен целым набором поворотных механизмов: генерацией на противоположной границе зерна встречных сдвигов, развитием множественного скольжения, возникновением локализованного мезовихря. В случае скомпенсированных материальных поворотов поверхностных сдвигов сопряжение пластически деформирующихся поверхностных зерен и упруго нагруженной подложки обусловливает возникновение поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин. Некомпенсированные материальные повороты поверхностных сдвигов в сопряжении с упруго нагруженной подложкой вызывают развитие поверхностных трещин и фрагментацию поверхностных зерен как аккомодационные кристаллографические повороты на мезомасштабпом уровне мезо I (внутризеренная мезоструктура).

Возникновение поверхностных усталостных трещин вследствие взаимодействия некомпенсированных материальных поворотов в поверхностных зернах и упруго нагруженной подложки является спецификой поведения многоуровневых систем. Это обстоятельство нужно учитывать при разработке теории усталостного разрушения. Высокая сдвиговая устойчивость внутренней структуры крупнозернистых поликристаллов алюминия (по сравнению с подобными поликристаллами свинца) определяет высокую циклическую долговечность алюминия.

Полученные в работе результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. При знакопеременном изгибе плоских образцов крупнозернистого поликристаллического алюминия в поверхностных зернах, ориентированных для одиночного скольжения, развивается механизм встречного распространения полос локализованного одиночного скольжения в направлении максимальных касательных напряжений, который обеспечивает эстафетное распространение поверхностной волны переключения в направлении продольной оси образца. Сопряжение такого пластически деформирующегося зерна с упруго нагруженной подложкой обусловливает появление поверхностного гофра без возникновения усталостных трещин в поверхностном слое.

2. В поверхностных зернах, ориентированных для сдвигов по сопряженным системам скольжения, при развитии множественного скольжения возможны два варианта. В первом случае в зерне при развитии сопряженных мезополос, векторная сумма которых совпадает с продольной осью образца, усталостные трещины не возникают. Во втором случае наблюдается векторное сложение поперечных составляющих сопряженных сдвигов в системе множественного скольжения, вызывающие формирование полосы сброса как аккомодационной моды деформации. Возникающие при этом в поверхностных слоях моментные напряжения приводят к развитию магистральной поверхностной усталостной трещины.

3. Сопряжение поверхностного деформирующегося зерна и упруго деформированной подложки обусловливает эффект гофрирования поверхностного слоя или образования усталостных трещин на мезоуровне как аккомодационных поворотных мод в многоуровневой системе. В этих условиях некомпенсированные материальные повороты одиночного скольжения в поверхностных зернах завершаются их фрагментацией ивнутризеренными кристаллографическими поворотами.

4. Установлена связь эволюции распространения усталостных трещин в поверхностных слоях алюминия при знакопеременном изгибе с квазипериодическим чередованием цикла «продольный сдвиг — локализованный мезовихрь». В зоне мезовихря развивается целый спектр поворотных процессов, а на трещине возникает поперечная ступенька. На поздней стадии развития трещины в зоне мезовихря реализуется эффект ветвления трещины.

5. Выявлен механизм образования ступенек при распространении поверхностной трещины, связанный с формированием "встречного поля напряжений при продольном развитии трещины, релаксирующий сдвигами по сопряженным направлениям навстречу первичным сдвигам.

1. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -М.:Металлургия.-1975.-454с.

2. Одинг И.А. Прочность металл ов.-Л.,М.:Главная редакция машиностроительной и автотракторной литературы.-1937.-565с.

3. Одинг И.А., Либеров Ю.П. Накопление дефектов и образование субмикроскопических трещин при статическом деформировании армко-железа // Изв. АН СССР ОТН. Металлургия и топливо.-1964.-№1.-С. 11-13.

4. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов.-М.:Машгиз.-1962.-364с.

5. Одинг И.А., Гордиенко Л.К., Фридман З.Г. Сб.: Исследование сплавов железа // Изв. АН СССР ОТН. Металлургия и топливо.-1964.-№1 .-С.11-13.

6. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов.-М.:Машгиз.-1962.-364с.

7. Одинг И.А., Гордиенко Л.К., Фридман З.Г. Сб.: Исследование сплавов цветных металлов.-ГУ.-Изд. АН СССР.-1963.-С.25-62.

8. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.:Металлургиздат.-1963.-272с.

9. Трощенко В.Ф., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник. Части 1 и 2.:-Киев: Hayкова думка.- 1987.-1324с.

10. Ю.Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия,- 1980.-207с.

11. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов.-М.: Металлургия.-1976,-454с.

12. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. М.: Металлургия.-1990.-623с.

13. Серенсен С.В. Усталость металлов.-М.: Машгиз.-1949.-43с.

14. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник.-М.: Металлургия.-1978.-304с.

15. Иванова B.C., Шанявский А.А. Количественная фрактография. Усталостное разрушение.-Челябинск: Металлургия.- 1988.-400с.уровне. I. Процессы пластической деформации в вершине трещины // Физ. мезомех.-2001 .-Т.4.-№ 1 .-С.73-80.

16. Шанявский А.А. Ротационная неустойчивость деформации и разрушения металлов при распространении усталостных трещин на мезомаспггабном уровне. II. Механизмы разрушения. // Физ. мсзомсх.-2001.-Т.4.-№1.-С.81-96.

17. Качанов JI.M. Основы механики разрушения. М.гНаука.-1974.-311с.

18. Нотг Дж. Ф. Основы механики разрушения. М.:Мегаллургия.-1978.-256с.

19. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие / Под ред. В.В. Панасюка. Том 4:Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов / О Л. Романив, С .Я. Ярема, Г.Н. Никифорчин и др. Киев: Наукова думка.-1990.-680с.

20. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2-х томах // Под ред. B.C. Панина. Новосибирск: Паука.-1995.-297 и 320с.

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

22. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел // Изв. вузов. Физика.-1982.-№6.-С.5-27.

23. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука.-1985.-229с.

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

25. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физ. мезомех.-2000.-Т.З.-№6.-С.5-36.

26. Елсукова Т.Ф., Панин В.Е. Механизм усталостного разрушения поликристаллов на мезоуровне // Изв. вузов. Физика. —1996.-Т.39.-№6.-С.40-57.

27. Елсукова Т.Ф., Жукова К.П., Веселова О.В. и др. Структурные уровни деформации и разрушения поликристаллов при разных видах нагружения // Изв. вузов. Физика.-1990.-№2.-С.69-75.

28. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Елсукова Т.Ф., Весслова О.В, Трансляционно-ротационные вихри, дисклинационная субструктура и механизм усталостного разрушения поликристаллов //ДАН CCCP.-l99l.-T.3l6.-№5.-C.ll30-ll33.

29. Елсукова Т.Ф., Панин В.Е. Эволюция структурных уровней деформации и самоорганизация мезоскопической субструктуры в поликристаллах // Изв. АН Металлы.-1992.-№2.-С.73-78.

30. Веселова О.В. Структурные уровни деформации и разрушения свинца и сплавов на его основе при знакопеременном нагружении // Автореф. дисс. . канд. техн. наук.-Томск: Изд-во ТГУ.-1992.-20с.

31. ЗО.Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов.-М.:Металлургия.-1974.-303с.

32. Кеннеди А.Д. Ползучесть и усталость в металлах. М.:Металлургия.-1965.-312с.

33. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Структура и механические свойства металлов. -М.:Металлургияю-1970.-472с.

34. Тимошук JI.T. Механические испытания металлов. М.'.Металлургия.-1971.-224с.

35. Металлы. Метод испытания на многоцикловую и малоцикловую усталость. ГОСТ 23.026-78.-М.:Изд-во стандартов.-1978.

36. Методы механических испытаний металлов. Методы испытания на усталость. ГОСТ 25.502-79.-М.:Изд-во стандартов.-1986.

37. Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. ГОСТ 23.207-78.м.-М.:Изд-во стандартов.- 1981.

38. Циклические деформации и усталость металлов / Под ред. В.Т. Трощенко. -Киев: Наукова думка.-1985.-562с.

39. Терентьев В.Ф., Оксогоев А.А. Циклическая прочность металлических материалов: Учеб. пособие. Новосибирск: Издательство HIT У.- 2001.-61с.

40. Терентьев В.Ф. Стадийность процесса усталостного разрушения металлических материалов // Металлы.-1996.-№6.-С. 14-20.

41. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. -М.:Машиностросние.- 1974.-344с.

42. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.И. Сопротивление материалов. М.:Высшая школа.- 2000.-560с.

43. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.:Мир.-1972.-408с.

44. Миллер К.Ж. Усталость металлов прошлое, настоящее и будущее // Заводская лаборатория.-1994.-№3.-С.544-551.

45. Новиков И.И., Ермишкин В.А. Об анализе деформационных кривых металлов // Металлы.-1995.-№6.-С. 142-154,

46. Abel A., Muir Н. The effect of cycling loading on subsequent yielding // Acta metallurgical 973.-V.21 .-No.2.-P.93-97.

47. Abel A., Muir H. The nature of microyielding // Acta metallurgies-1973.-V.21.-No.2.-P.99-105.

48. Терентьев В.Ф., Хольсте К. К вопросу о негомогенности иротеканкя деформации в начальной стадии циклического нагружения армко-железа // Проблемы прочности.-1973.-№11.-С.З-10.

49. Kuhlman Wilsdorf D., Nine H.D. Striations on copper single crystals subjected to torsion fatigue. I. A test of the relation of cross slip to fatigue striation formation // J. Appl. Phys.-1967.-V.38.-No.4.-P. 1678-1682.

50. Kuhlman Wilsdorf D., Nine II.D. Striations on copper single crystals subjected to torsion fatigue. II. On the mcchanism of fatigue striation formation and fatigue failure at low strain amplitudes // J. Appl. Phys.-1967.-V.38.-No.4.-P.1683-1693

51. Разрушение твердых тел.-М.:Металлургия.-1967.-500с.

52. Roberts W.N. Persistent slip bands in fatigued copper // Phil. Mag.-1969.-V.20.-No.l66.-P.675-686.

53. Горицкий B.M., Иванова B.C., Орлов Л.Г. Особенности дислокационной структуры армко-железа в многощпоювой области усталости // ФММ.-1973.-Т.35.-№6.-С. 1291-1298.

54. Woods P.J. Low-amplitude fatigue of copper and copper-5% aluminium single crystals //Phil. Mag.-1973.-V.28.-No.l.-P. 155-191.

55. Mitchell A.B., Teer D.G. Tlic analysis of dislocation structures in fatigued aluminium single crystals exhibiting striations // Phil. Mag.-1970.-V.22.-No.176.-P.399-417.

56. Шитикова Г.Ф., Берикашвили Т.П., Орлов Л.Г., Утевский Л.М. Изменение дислокационной структуры монокристаллов кремнистого железа при циклическом растяжении // ФММ.-1976.-Т.41.-№2.-С.388-395.

57. Wilson D.V. Precipitation and growth of carbide particles in a cyclically straned low-carbon steel // Acta metallurgical 1973.-V.21.-No.5.-P.673-682.

58. Иванова B.C., Горицкий B.M., Орлов Л.Г., Терешьев В.Ф. Формирование дислокационной структуры в армко-жслезс на пределе усталости // ФММ.-1972.-Т.34.-№3.-С.456-463.

59. Mughrabi Н., Christ 1I.-J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects // 1SIJ International.-1997.-V.37.-No.l 2.-P. 11541169.

60. Mughrabi H. Dislocation in fatigue. In Dislocation and Properties of Real Materials (Conf. Proc.) Book N 323, The Institute of Metals, London.-1985.-P.244-262.

61. Конева H.A., Теплякова Л.А., Соснин O.B. Дислокационные субструктуры и их трансформация при усталостном нагружении // Изв. вузов. Физика.-2002.-№3.-С.87-98.

62. Thompson A.W., Backofen W.A. The eficct of grain size on fatigue // Acta metallurgica.-1971 .-V. 19.-No.7.-P.597-606.

63. Kramer I.R., Balasubramanian N. Metallographic study of the surface layer // Acta metallurgica.-1973.-V.21.-No.5.-P.695-699.

64. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.:Наука.-1983.-279с.

65. Оксогоев А.А. Диссипация энергии при высокоскоростном деформировании поверхности сплава // Актуальные проблемы прочности. Санкт-Петербург.-1994.-С.64-66.

66. Терентьев В.Ф. Модель физического предела усталости металлов и сплавов // Доклады All СССР. Серия «Техническая физика».-1969.-Т.185.-№2.-С.324-326.

67. Oksogoev A.A. The surface Layer Role in Energy Dissipation // Adv. Mater, and proc.:Fundamental Problems of Developing Advanced Materials and Processes of the XXI Century. AMP'99, Baikalsk.-I999.-P.90-91.

68. Иванова B.C., Баланкин A.C., Бунин И.Ж., Оксогоев А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.:11аука.-1994.-383с.

69. Горицкий В.М., Иванова B.C., Орлов Л.Г., Терентьев В.Ф. О различии пластической деформации поверхностных и внутренних слоев поликристаллическою железа при усталостном нафужении // ДАН СССР.-1972.-Т.205.-№4.-С.812-814.

70. Терентьев В.Ф., Горицкий В.М., Коган И.С. -В кн.: Физика пластичности кристаллов. -Харьков.ФТИНТ АН УССР.-1976.-С.147-151.

71. Тылкин М.А., Орлов Л.Г., Большаков В.И. -В кн.: Конструкционная прочность сталей и сплавов и методы ее оценки. М.:Металлургия.-1972.-С.81-82

72. Гринберг Н.М., Цуриков Н.А., Остапенко И.Л. Некоторые особенности усталостного разрушения технического железа в вакууме // Проблемы прочности.-1973.-№3.-С.34-41.

73. Терентьев В.Ф., Пойда И.В. Образование малых трещин при усталости. Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка // М.10.:Изд-во ВИНИТИ.-1991 .-Т.25.-С.60-94.

74. Wilkinson A.J., Roberts S.G., Hirsch Н.В. Modeling the threshold conditions for propogation of stage I fatigue cracks // Acta mater.-1998.-V.46.-P.379-390.

75. Доможиров Л.И. Обобщенное уравнение для оценки влияния трещин на предел выносливости материалов // Заводская лаборатория.-1995.-№10.-С.27-31. \

76. Davidson D.L., Lankford J. Fatigue crack gowth in mclals and alloys: mechanisms and micromechanics// International Materials Reviews.-1992.-V.37.-N12.-P. 11541169.

77. Терентьев В.Ф., Коган И.С., Орлов Jl.Г. О механизме усталостного разрушения молибденового сплава ЦМ-10 // ФММ.-1976.-Т.42.-Вып.6.-С.1273-1280.

78. Richards С.Е. The influence of material properties on fatigue crack propagation as demonstrated by experiments on silicon iron // Acta metallurgica.-1971.-V.19.-No.7.-P.583-596.

79. Усталость и вязкость разрушения. М.:11аука.-1974.-254с.

80. Bichler С.Н., Pippan R. Engineering Against Fatigue / Eds.by J.H. Beynon, M.W. Brown, R.A. Smith, T.C. Lindley and Tomkins.-1999.-P.211-218.

81. Lynch S.P. // Fatigue mechanisms / Ed. By J.T. Fong.-ASTM STP 656, ASTM.-1979.-C.174-213.

82. Hertzberg R.W. // Fatigue Crack Propogation.-ASTM STP 415, ASTM.-1967.-C.205-225.

83. Шанявский A.A. //Стандартизация фрактографического метода оценки скорости роста усталостной трещины на основе фрактографического анализа / Под ред. O.IL Романива.-М.:Стандарты.-Т.5.-С.54-61.

84. Шанявский А.А., Троенкин Д.А., Миколайчук IO.A. Живучесть и контроль элементов конструкций воздушных судов в эксплуатации. Воздушный транспорт.-М.:ЦНТИГА.-!992.-186с.

85. Трощенко В.Т., Хамаза Л.А., Шестопал Л.Ф. Усталость металлов и сплавов.-М.:Наука.-1971.-230с.

86. Ковш С.В., Котко В.А., Полоцкий И.Г., Прокопенко Г.И., Трефилов В.И., Фирстов С.А. Влияние циклического деформирования на дислокационную структуру и механические свойства молибдена, хрома и вольфрама // Проблемы прочности.-1973.-№11 .-С. 15-20.

87. FeItner С.Е., Laird С. Cyclic stress-strain response of f.c.c. metals and alloys-I. Phcnomenogical experiments // Acta metal lurgica.-1967.-V. 15.-No. 10.-P. 16211632.

88. Feltner C.E., Laird C. Cyclic stress-strain response of f.c.c. metals and alloys-H. Dislocation structures and mcchanisms // Acta mctaIIurgica.-1967.-V.15.-No.10.-P.1633-1653.

89. Challenger K.D., MotefT J. Characterization of the deformation on substructure of AISl 316 stainless steel after high strain fatigue at elevated temperatures // Met. Trans.-1972.-V.3.-P. 1675-1678.

90. Панин B.E. Современные проблемы пластичности и прочности твердых тел // Изв. вузов. Физика.-1998.-№1.-С.7-34.

91. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Егорушкин В.Е. Спектр возбужденных состояний и вихревое механическое ноле в деформируемом кристалле // Изв. вузов. Физика.-1987.-№ 11 .-С.36-51.

92. Конструирование новых материалов и упрочняющих технологий / Под ред. В.Е. Панина. Новосибирск: Наука.-1993.-140с.

93. Журн. «Изв. вузов. Физика»: Тематич. Вып. «Структурные уровни и "волны пластической деформации в твердых телах».-1990.-№2.-139с.

94. Жури. «Изв. вузов. Физика»: Тематич. Выи. «Физическая механика среды со структурой».-1992.-№4.-124с.

95. Журн. «Изв. вузов. Физика»: Тематич. Вып. «Компьютерное конструирование материалов».-1995.-№11.-112с.

96. Physical Mesomechanics of Heterogeneous Media and Computer-Aided Design Materials. Ed. by V.E. Panin.-Cambridgc:Cambridge Interscience Publishing.-1998.-4500.

97. Апаров H.H., Лясоцкий И.В., Панин B.E., Тяпкин Ю.Д. Об особеностях кристаллической структуры переходных металлов с ОЦК решеткой и твердых растворов на их основе // ФММ.-1976.тТ.42.-Вып.4.-С.791 -799.0S

98. Тяпкин Ю.Д., Лясоцкий И.В. Внутрифазовыс превращения // В кн.:Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка.-М.:Изд-во ВИНИТИ.-1981.-Т.15.-С.47-110.

99. Конева Н.А. Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации // Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука.-1990.-С. 123-186.

100. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов.-М.: Металлургия.-1986.-224с.

101. Панин В.Е., Панин С.В., Мамаев А.И. Деформационные домены на мезоуровне в деформируемом твердом теле //Докл. РАП.-1996.-Т.350.-№1.-С.35-38.

102. Panin V.E., Derevyagina L.S., Deryugin Ye.Ye. et al. Regularities of plastic deformation at the meso- and macrolevcl in Cu with submicrocrystalline structure //Abstracts of CADAMT'97.-Tomsk:ISPMS.-1997.-P. 158-159.

103. Panin V.E. The foundations of physical mesomechanics of materials 11 Abstracts of CADAMT'97.- Tomsk:ISPMS.-I997.-P.15-17.

104. Panin V.E. Overview on mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids // Theor. Appl. Fracture Mech.-1998.-V.30.-No. J .-P. 1-11.

105. Панин B.E. Физическая мезомехаиика поверхностных слоев твердых тел // Физ. мезомех.-1999.-Т.2.-№6.-С.5-23.

106. Panin V.E. Modern problems of physical mesomechanics // Proc. Inter. Conf. "Mesomechanics '2000" / Ed. By G.C.Sih.-Beijing: Tsinghua University Press.-2000.-P.127-I42.

107. Головнев И.Ф., Уткии A.B., Фомин B.M. Переходные режимы детонации и их моделирование методом молекулярной динамики // Физ. мезомех.-1999.-Т.2.-№6.-С.41-50.

108. Болеста А.В., Головнев И.Ф., Фомин В.М. Исследование процесса соударения сферического кластера меди с жесткой стенкой методом молекулярной динамики // Физ. мезомех.-2000.-Т,3.-№5.-С.39-46.

109. Шемякин Е.И. Синтетическая теория прочности. Часть I // Физ. мезомех,-1999.-Т.2.-№6.-С.63-69.

110. Шемякин Е.И. Синтетическая теория прочности Часть II. О диссипативной функции в моделях унругопластических сред // Физ. мезомех.-2000.-Т.З.-№5.-С. 11-17.

111. Ревуженко А.Ф. Диссипативпые структуры в сплошной среде // Изв. вузов. Физика.-1992.-Вып.35.-№4.-С.94-104.

112. Ревуженко А.Ф. О методах нестандартного анализа в механике твердого тела // Физ. мезомех.-l 998.-Т.2.-№6.-С.51 -62.

113. Лихачев В.А. Кооперативная пластичность, вызванная мобильной разориентировкой и фазовыми (раницами // Изв. вузов. Физика.-1982.-Вып.25.-№6.-С.83-102.

114. ИЗ. Лихачев В.А., Малинип В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности.-С.-Нетербург:Наука.-1993 .-471с.

115. Panin V.E. Plastic deformation and fracture of solids at the mesoscale level // Mat. Sci. Eng.-1997.-A234-236.-P.944-948.

116. Гриняев Ю.В., Чертова H.B. Калибровочные теории пластической деформации в механике сплошных сред // Изв. вузов. Физика.-1990.-Вып.ЗЗ.-№2.-С.36-50.

117. Гриняев Ю.В., Чертова II.B., Панин В.Е. Динамические уравнения ансамбля дефектов при наличии разорентированных субструкгур // ЖТФ.-1998.-Т.68.-№9.-С.134-135.

118. Чертова П.В., Гриняев IO.B. Закономерности распространения плоских волн дефектов в вязкопластической среде // Письма в ЖТФ.-1999.-Т.25.-Вып.18.-С.91-94.

119. Гриняев Ю.В., Чертова Н.В. Полевая теория дефектов. Часть I. // Физ. мезомех.-2000.-Т.З.-№5.-С. 19-32.

120. Makarov P.V. Localized deformation and fracture of polycrystals at mesolevel // Theor. Appl. Fracture Mech.-2000.-V.33.-No. 1 .-P.23-30.

121. Makarov P.V., Romanova V.A. Mcsoscalc plastic flow generation and development for polycrystals // Tlicor. Appl. Fracture Mech.-2000.-V.33.-NoJ.-P.l-8.

122. Balokhonov R.R., Stefanov Yu.P., Makarov P.V., Smolin LYu. Deformation and fracture of surface-hardencd materials at mcso- and macroscale levels // Theor. Appl. Fracture Mech.-2000.-V.33.-No.l.-P.9-16.

123. Псахье С.Г., Хори Я., Коростелев C.IO. и др. Метод подвижных клеточных автоматов как инструмент для моделирования в рамках физической мезомеханики//Изв. вузов. Физика.-1995.-Выи.38.-№11.-С.58-69.

124. Псахье С.Г., Коростелев С.Ю., Смолин АЛО. и др. Метод подвижных, клеточных автоматов как инструмент в физической мезомеханике материалов // Физ. мезомех.-1998.-Т. 1 .-№ 1 .-С.95-108.

125. Псахье С.Г., Остермайер Г.II., Дмитриев А.И. и др. Метод подвижных клеточных автоматов как новое направление дискретной вычислительной механики. I. Теоретическое описание // Физ. мезомех.-2000.-Т.З.-№2.-С.5-14.

126. Коротаев А.Д., Тюменцев А.Н., Пипжип Ю.П. Активация и характерные типы дефектных структур мезоуровня пластического течения высокопрочных материалов // Физ. мезомех.-1998.-Т.1 .-№1.-С.23-36.

127. Наггеп S.V., Deve Н.Е., Asaro R.J. Shear band formation in plane strain compression // Acta metallurgies-1988.-V.36.-No.9.-P.2435-2480.

128. Malin A., Hubert J., Hathcrley M. The inicrostructure of rolled copper singl crystals // Zs. Metallk.-1981.-B.72.-Nb.5.-P.310-317.

129. Yenng W.Y., Duggan B.J. Shear band angles in rolled f.c.c. materials // Acta metallurgica.-1987.-V.35.-No.2.-P.541-548.

130. Засимчук Е.Э., Маркашова Л.И. Микрополосы в монокристаллах никеля, деформированных прокаткой. Киев.-1998.-36с./ Препринт Института металлофизики АН УССР №2388.

131. Панин В.Е., Слосман А.И., Колесова И.А. Закономерности пластической деформации и разрушения на мезоуровне поверхностно упрочненных образцов при статическом растяжении // ФММ.-1996.-Т.82.-Вып.2.-С. 129-146.

132. Гриняев Ю.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в упругонагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика.- 1978.-№12.-С.95-101.

133. Eshelby J.D. Boundary problems.-Amsterdam:North-IIolland Publ.-1979.-V.l.-P. 167-220.

134. Representative articles are found in Surface Effects in Crystal Plasticity / Ed. By R.M. Latanition and J.T. Fourier.-Noordhoff-Leyden.-1977.-170c.

135. Орлов Л.Г. Влияние поверхностного натяжения на гетерогенное зарождение дислокаций в кристаллах // ФТТ.-1972.-Т.14.-Вып.12.-С.3691-3692.

136. Дударев Е.Ф. Микроиласгичсская деформация и предел текучести поликристаллов. Томск:Изд-во Том. гос. ун-та.-1988.-256с.

137. Антипов С.Ф., Батаронов И.Л., Дрожжин А.И. и др. Особенности пластической деформации кремния, связанные с зарождением дислокаций на поверхности и эволюцией их ансамбля в объеме // Изв. вузов. Физика.-1993.-Т.36.-С.60-68.

138. Дрожжин А.И., Ермаков A.M. Особенности ползучести нитевидных кристаллов германия при одноосном растяжении // Изв. вузов. Физика.-1996.-Т.39.-№6.-С.58-64.

139. Zangwill A. Physics of surfaccs.-Cambridgc: Cambridge Univcrcity Prcss.-1988.-536p.

140. Кузнецов П.В., Панин В.Е. Прямое наблюдение иогоков дефектов и субмикронной локализации деформации на поверхности дуралюмина при помощи сканирующего туннельного и атомного силового микроскопов Н Физ. мезомех.-2000.-Т.З.-№2.-С.91 -98.

141. Панин С.В., Нойман П., Бапбулатов Ш.А. Исследование развития деформации на мезоуровие иитерметаллического соединения №бэА1з7 при сжатии // Физ. мезомех.-2000.-Т.З.-№1.-С.75-82.

142. Супрапеди, Тойока С. Пространственно-временное наблюдение пластической деформации и разрушения методом лазерной спекл-интерферометрии // Физ. мезомех. -1998.-Т. 1 .-№ 1 .-С.75-82.

143. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Апгелова Г.В. Динамика локализациидеформации в поверхностном мопокристаллическом слое плоскихполикристаллических образцов алюминия при циклическом нагружении // Физ.мезомех.-2000.-Т.З.-№ 4.-С.79-88.

144. Владимиров В.И., Романов А.Е. Дпсюшнации в кристаллах. Л.:Наука.-1986.-224с.

145. Борисова С.Д., Наумов И.И. Особенности поля напряжений, вызванных краем полосы пластического сдвига вблизи поверхности кристалла // Изв. вузов. Физика. -1999.-№9.-С.65-71.

146. И7.Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. и др. // Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. -Киев:Наукова думка.-1988.-С.58-62.

147. Засимчук Е.Э., Исайчев В.И. Механическая неустойчивость фрагментированной структуры в терминах нелинейной термодинамики //ДАН СССР.-1988.-Т.302.-№5.-С.1101-1104.

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

149. Snowden K.U., Stabhors P.A., Hughes D.S. Grainboundary migration in metals fatigued at high temperatures // Nature.-1976.-V.261/-No.5558.-P.305-306.

150. Wigmore G., Smith G.C. The low-cycle fatigue behaviour of copper at elevated temperatures // Metal Sci.-1971.-No.5.-P.58-64.

151. Афанасьев Н.И., Елсукова Т.Ф. Влияние примесей на скорость прерывистого распада сплавов свинец-олово // ФММ.-1984.-Т.57.-Вып.1.-С.96-101.

152. Панин В.Е., Хон Ю.А., Наумов И.И. и др. Теория фаз в сплавах. -Новосибирск: Наука.-1984.-234с.

153. Елсукова Т.Ф., Жукова К.П., Панин В.Е. Концентрационная зависимость сопротивления деформации твердых растворов Pb-Sn // ФММ.-1987.-Т.64.-Вып.6.-С.1158-1163.

154. Панин В.Е. Основы физической мезомехапики //Физ. мезомех.-1998.-Т.1.-№1.-С.5-22.

155. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.:Металлургия.-1981.-416с.

156. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. Акад. Н.К. Кикоина.-М.: Атомиздат.-1976.-1050с.

157. Справочник «Свойства элементов» / Под ред. Г.В. Самсонова.-М.:Металлургия.-1976.-450с.

158. Щиголев П.В. Электролитическое и химическое полирование металлов.-М.:Изд-во АН СССР.-187с.

159. Грилихес С.Я. Электрохимическое полирование.-Ленинград:Машиностроение.-1976.-208с.

160. Немошкаленко В.В., Алешин В.Г. и др. Электронная структура и состав поверхности сплавов // Металлофизика.- 1982.-Т.4.-№4.-С.58-63.

161. Терентьев В.Ф. Эволюция структуры при усталости металлов как результат самоорганизации диссипативных структур // Синергетика и усталостное разрушение металлов. М.:Наука.-1989.-С.76-87.

162. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела // Физ. мезомех,-2003.-Т.6.-№4.-С.9-36.

163. Цигенбайн А., Плессинг П., Нойхойзер X. Исследование мезоуровня деформации при формировании полос Людерса в монокристаллахконцентрированных сплавов па основе меди // Физ. мезомех.-1998.-Т.1.-№2,-С.5-20.

164. Дерюгин Е.Е. Метод элементов релаксации. Новосибирск: Наука.-1998.-252с.

165. Дриц М.Е., Гук Ю.П., Герасимова Л.П. Разрушение алюминиевых сплавов. М.:Наука.-1980.-220с.

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

167. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Лигелова Г.В., Панин С.В. Фрактальная мезоструктура на поверхности поликристаллов при усталостном разрушении // ДАН.-1999.-Т.365.-№2.-С. 186-189.

168. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Лигелова Г.В. Механизмы деформации и зарождения усталостных трещин в поликристаллах алюминия при знакопеременном изгибе // ДАН.-2002.-Т.382.-№3.-С.335-340.

169. Борисова С.Д., Наумов И.И. Топологическая особенность в средних напряжениях и деформациях, индуцированных плоскими дислокационными скоплениями // Изв. вузов. Физика.-1999.-№4.-С.53-60.

170. Panin V.E. Physical mesomechanics of plastic deformation and experimental results obtained by optical methods // Oyobuluri.-1995.-V.64.-No.9.-P.888-894.

171. Елсукова Т.Ф., Панин B.E. Структурные уровни деформации поликристаллов при разных видах нагружения // Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука.-1990.-С.77-123.

172. Панин В. Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В., Кузнецов П.В. Механизмы формирования фрактальной мезоструктуры на поверхности поликристаллов при циклическом нагружении // ФММ.-2002.-Т.94.-№4.-С.92-103.

173. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезомех.-2001.-Т.4.-№3.-С.5-22.

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

175. Варлимонт X., Дилей JI. Мартенситные превращения в сплавах на основе меди, серебра и золота. М.:Наука.-1980.-205с.

176. Тюменцев А.Н., Панин В.Е., Деревягина JI.C., Валиев Р.З., Дубовик Н.А., Дитенберг И.А. Механизм локализованного сдвига на мезоуровне при растяжении ультрамелкозернистой меди // Физ. мезомех.-1999.-Т.2.-№6.-С.115-123.

177. Тюменцев А.Н., Панин В.Е., Дитенберг И.А., Пинжин Ю.П., Коротаев А.Д., Деревягина JI.C., Шуба Я.В., Валиев Р.З. Особенности пластической деформации ультрамелкозернистой меди при разных температурах // Физ. мезомех.-2001 .-Т.4.-№6.-С.77-85.

178. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.:Металлургия.-'1984.-280с.

179. Деревягина JI.C., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Эволюция деформированного состояния в зоне надреза при растяжении поликристаллов NiTi в мартенситном состоянии // Физ. мезомех.-2000.-Т.З.-№5.-С.83-90.

180. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В. Волновой характер распространения усталостных трещин на поверхности поликристаллического алюминия при циклическом нагружении // Физ. мезомех.-2002.-Т.5.-№3.-С.93-99.