К развитию дислокационной теории усталости
Международная
публикация
ART 85660
А.
Н. ПотемкинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Потемкин
А.
Н.,
Викулов
А.
С.,
Карягин
Д.
С. К развитию дислокационной теории усталости // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
3296–3300. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85660.htm.
Аннотация. Рассмотрены изменения в кристаллической структуре металла при действии переменных напряжений. Дано описание механизма формирования дислокаций. На основе дислокационной теории описан процесс появления и развития трещин усталости. Перечислены и сгруппированы основные процессы, лежащие в основе усталостного разрушения.
Ключевые слова:
прочность, кристаллическая решетка, дислокации, сдвиговые процессы, трещины усталости
Текст статьи
Викулов Александр Сергеевич,доцент ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУvklv@rambler.ru
Потемкин Алексей Николаевич,доцент ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУpan580@yandex.ru
КарягинДмитрий Сергеевич,студент факультета Промышленных технологий ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пензаpan058@yandex.ru
К развитию дислокационной теории усталости
Аннотация.Рассмотрены измененияв кристаллическойструктуреметаллапри действии переменных напряжений.Дано описание механизма формирования дислокаций. На основе дислокационной теории описан процесс появления и развития трещин усталости. Перечислены и сгруппированы основные процессы, лежащие в основе усталостного разрушения.Ключевые слова:кристаллическая решетка, дислокации, сдвиговые процессы, прочность, трещины усталости
В процессе кристаллизации металлы и сплавы образуютгранецентрированную кубическую илиобъемноцентрированную кубическуюрешетки.Однако, при остывании металлического расплава центры кристаллизации появляются во многих точках объема, кристаллическиерешетки по границам смежных кристаллических формированийзерен, соприкасаясь, мешают друг другу, чтонеизбежно приводитк нарушению их геометрически правильной формы.Внутри зереннаблюдается свойственное данному металлу мозаичное или блочное строение рисунок1).Сами же зерна обычно сориентированы относительно друг друга под углами порядка20 и более градусов.
Рис. 1. Кристаллическое строение металлов и сплавов;а –зерна металла, б –блочное строение внутри зерна
При действии внешних нагрузок зернаметаллов могут деформироваться упруго, отрываться друг от друга по границам, при этом внутри зерен могут наблюдаться сдвиги между блоками или их отрыв в направлении нормали. Эти принципиально различные процессы описаны в литературе [1, 2] и соответствуютопределенным видам деформирования и разрушения–хрупкому или пластическому.Заметим, что скольжение сдвиг в кристаллите обычно протекает по плоскостям наиболее плотно упакованным атомами. Объясняется это тем, что плоскости, которые густо усеяны атомами,являются наиболее прочными, т.к. расстояние между атомами здесь наименьшее. В тоже время расстояния между такими плоскостями наибольшее, поэтомусвязь между ними наименьшая.Такое поведение кристалловсвойственно любому характеру действующих сил: статическомуквазистатическому, ударному,циклическому. Разница лишь в том, что процессы разрушения происходят или в больших объемах статическое разрушение или в малых объемах циклическое разрушение. В дальнейшем рассмотримусталостное разрушение, с позиции статистического разрушения,общем виде процесс которогоизложен в[2].При первых циклах переменных напряжений в некоторых зернах металла возникают пластические деформации, которые приводят к искажению кристаллической решетки. В это время происходит упрочнение наиболее напряженных зерен. С увеличением напряжений в отдельных "дефектных" местах зерен может возникнуть явлениескольжения с надрывом, что создаст"разрыхление" в зерне по плоскости скольжения. Количество объемов разрыхления увеличивается за счетзнакопеременных сдвигов. Разрыхления могут привести к образованию трещин, т.к. этот процесс при переменных напряжениях, будучи необратимым, идет по нарастающей.Образование трещин наблюдается по всему объему материала, но наиболее интенсивно этот процесс протекает вблизиповерхности.Разрушение происходит при максимальных напряжениях в отдельных зернах.До некотороговременитакое объяснение было окончательным и удовлетворяло теориям усталостного разрушения.Однако оставались неясными некоторыевопросы, связанные с объяснением зарождения трещин, их ростом, со скоростьюраспространения процесса пластической деформации и т.п.Оставался открытым вопрос,почему фактическая прочность металлов на 34 порядка ниже так называемой теоретической прочностидаже при статической нагрузке.Объяснениепоявилосьпосле разработки дислокационной теории пластической деформации кристаллов[3].Остановимся на некоторых ее положениях, а далееперейдем крассмотрению причини самого механизма усталостногоразрушения.Напомним, что, в отличие от вакансий –точечных дефектов атомной структуры материала, поддислокацияминужно пониматьдефекты искажения)кристаллической решетки,имеющие значительную протяженность. Существует несколько видов дислокаций: линейные, винтовые, призматические, частичные и др.Их разновидности и свойства рассмотрены в работе[3]. Возникают дислокации при застывании металлических расплавов на границе блоков или зерен и, вследствие того, что протяженность этих границ исключительно велика, количество дислокацийв структуре металлаогромно.Рассмотримсущность пластической деформации на основе дислокационной теории применительно клинейной дислокации. Линией ОМ рисунок 2 показаны неполные ряды атомов, причем в направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа, дислокация происходит через весь кристалл или значительную часть его. Таким образом, линейная дислокация это наличие "лишней" атомной плоскости ОМ экстра плоскость, которая как клин раздвигает атомную решетку полных рядов атомов.Заметим, что, согласно дислокационной теории пластического деформирования,процесс сдвига атомных плоскостей не происходит сразу жестко по всей плоскости сдвига. Скольжениебудет осуществляется по плоскости сдвига путем последовательного перемещения искажения дислокации от рядак ряду атомных плоскостей, в направлении вектора вектор Бюргерса.
Рис. 2.Кристаллическое строение металлов и сплавов;а –положительная дислокация, б –отрицательная дислокация
Касательное напряжение, необходимое длясдвигадислокации, может быть определено как[4]:,где –модуль упругости второго рода модуль сдвига);
–коэффициент Пуассона;
–расстояние между атомами в направлении сдвига;
–расстояние между соседними плоскостями скольжения;
–теоретическое значение критического напряжения, необходимого для сдвига дислокации критического скалывающего напряжения).
Приняв
и , получим , что соответствуетэмпирическомузначениюнапряжения сдвига и объясняет причину в различии теоретической и практической прочностью кристаллов на сдвиг.В хорошо отожженных металлах плотность дислокации составляет см2. Холодная обработка увеличивает плотность дислокации до см2.В этих дислокациях концентрируется почти вся энергия, поглощеннаяметаллом при пластическом деформировании.Механизм генерирования и развития дислокации под действием напряжений рассмотрен в работе [4], где стадии развития дислокации, подобно стадиям формирования мыльного пузыря. Здесь под поверхностьюпузыря нужно понимать фронт расположения атомов в плоскости сдвига по мере изменения напряжений. Причем смомента полуокружности развитие дислокации происходит самопроизвольно.Напряжение, соответствующее этой форме кривой определится как [4]:,где –вектор Бюргерса;
–длина источника дислокации.
Если внешнее напряжение меньше критического, то деформация сдвига, являющаяся результатом перемещения линии дислокации, обратима иисчезает при снятии нагрузки.При достижениикасательногонапряжениякритического значения равновесие дуги дислокации становится неустойчивым:онанеограниченно расширяетсяна значительную площадь, на которой и происходит сдвиг.Важным обстоятельством является то, что количестводислокаций в единице объемавлияет на свойства твердых тел, а самазависимость имеетнелинейный характер. Так если низкая прочность кристалла на сдвиг обусловлена наличием уже имеющихся в его структуре дислокаций и генерированием новыхв процессе сдвига, тоуменьшение числа структурных дефектов приводит к повышению прочности, т.к. приближает структуру металла к идеальной. Однакопо мере развития пластической деформации и роста количества дефектовтакже происходитупрочнениекристалла, но уже по другим причинам. Сущность такого упрочнения состоит во взаимодействии дислокаций друг с другом и с различного рода дефектами решетки, приводящем к затруднению перемещения их в кристаллической решетке, чтов результате и приводит к повышению прочности.Перейдем к самому механизму усталостного разрушения.В настоящее время предложенонесколько теорий возникновения усталостных трещин на основе дислокационной теории строения твердых тел [5, 1].Одна из теорийтеория Фудзита)основана на предположении аннигиляции дислокаций разного знакарисунок 3).Имеется в виду, что две краевые дислокации разного знака аннигилируют и образуют зародыш трещины.Здесь –расстояние между дислокациями в направлении скольжения,
–расстояние между плоскостями скольжения порядка 10ангстрем).Если плоскости скольжения дислокаций будут расположены на расстоянии см, то дислокации будут аннигилировать и образовывать пустоты.Если же см, то дислокации могут пройти мимо друг друга и не слиться, т.к. энергия плоскости в этом случае будет больше энергии дислокации.Образовавшаяся вследствие слияния двух дислокаций пустота будет поглощать новые дислокации и разрастаться в трещину шириной, равной , где
вектор Бюргерса,
число поглощенных дислокаций.
Рис. 3.Движение краевых дислокаций разного знака
Согласно другой теории теория Одинга)трещины усталости есть результат появления полей напряжений вокруг линейной дислокации.Данное предположение основано на расчетесилового поля напряжений вокруг дислокаций. При сближении дислокаций,под действием нагрузки в результате взаимодействия их силовых полей,создаются высокие локальные напряжения, близкие к теоретической прочности металла.По следующей теориитеорияКоттрела), трещины усталости объясняются как результат образования вакансий. А этот процесс идет,по мнению автора,более успешно при циклических нагрузках, причем количество образовавшихся вакансий пропорционально числу действующих дислокаций.Механизм образования трещин усталости в этом случае объясняется следующим образом.Движение дислокации под действием нагрузки на первой четверти цикла при приложении растягивающей нагрузки приводит к образованию препятствий в виде точечных дефектов и новых дислокаций, а также силовых полей вокруг них.Эти препятствия тормозят возвращение части дислокаций к их источникам во время разгрузки во второй четверти циклапри снятии растягивающей нагрузки. Во время третей четверти цикла происходит новое нагружение с противоположным знаком. Этот период характеризуется меньшим сопротивлением деформации, что связано с частичным возвращением дислокации, переместившихся и не возвратившихся в исходное состояние в первой четверти цикла.Четвертая четверть цикла при снятии сжимающей нагрузки характеризуется задержкой дислокации вследствие роста количества препятствий. В последующие циклы происходят аналогичные явления, но число дислокаций с нарастанием числа циклов будет увеличиваться.Ещё поодной теориитеорияКотреллаи Хала, появление и развитие трещинусталости объясняетсяна основеэкструзии и интрузии.Согласно этой теории, при действии циклических напряжений активизируются пересекающиеся системы скольжения, действующие поочередно при положительной и отрицательной фазах цикла рисунок 4. При действии напряжения в первой четверти цикла происходит сдвиг по одной из систем скольжения положение 1, а при изменении знака напряжения во второй части цикла положение 2 сдвиг развивается по второй системе скольжения. Повторение полуцикла приводит к образованию на поверхности металла выступов и впадин, то есть к явлению экструзии положение 4 и интрузии положение 3).
Рис. 4.Схемы скольжения, приводящие к возникновению явлений экструзии и интрузии
Таким образом,имеется достаточное количество подтверждений, что при действии циклических нагрузок в металлах и сплавах развиваются внутренние процессы,существенноизменяющиекристаллическую структуру металла.Процессы,лежащие в основе усталостного разрушения и описанные в дислокационной теории, можно разделить на следующие группы.1.Сдвиговые процессы, следствием которых является развитие грубых полос скольжения, отличающихся скоплением дислокаций высокой плотности.2.Диффузионные процессы, в ряде случаев приводящие к частичному восстановлению совершенства структурыматериала.3. Периферийные процессы, имеющие местона границах зерен, которые обусловленыкомплексным действием нескольких элементарных механизмов пластической деформации и приводящиек относительнымперемещениями поворотамзерен, в сочетании со скольжением.Как указано выше, для процесса усталости большинства металлов характерно развитие грубых полос скольжения. Впоследствии онислужат очагом усталостного разрушения. Детальное изучение строения грубых полос с помощью электронного микроскопа показало[6], чтов областях металла, покрытых грубыми полосами скольжения, содержится большое число субмикроскопических трещин и пор, которые при дальнейшем нарастании числа циклов развиваются в микротрещины. Было обнаружено, что субмикроскопические трещины зарождаются на ранней стадии циклического деформирования около 1% от общего числа циклов до разрушения в местах образования грубых полос скольжения.Кроме того,было установлено, что развитие грубых полос скольжения приводит к разрыхлению объемов металла, подверженных сдвигообразованию, и не может сопровождаться упрочнением [7].Изучение более тонкой структуры металлов дает возможность связать изменение дислокации картины в связи с возникновением полос скольжения и субмикроскопических трещин.Оказалось, что межзеренному разрушению предшествует скопление у границ зерен дислокацийвысокой плотности. Такое положение соответствует высокому уровню циклических напряжений. При меньшем уровне напряжений скопление дислокаций высокой плотности наблюдается главным образом в плоскостях скольжения тела зерен. Скопление дислокаций вблизи границ зерен играет роль барьеров, препятствующих распространению полос скольжения через границу.При отсутствиитаких скоплений, источники дислокаций, действующие в данном зерне, могут возбуждать источники дислокаций, расположенные в плоскостях скольжения других соседних зерен. То есть, при пластической деформации поликристалла наблюдается как бы "эффект" передачи информации от зерна к зерну, причем на каждом этапе ее несут новые дислокации. Но возбуждение дислокационных источников, расположенных вблизи границ зерен, под действием источников дислокацийв соседних зернах происходит не всегда. В некоторых случаях источники дислокаций, расположенные в смежных зернах действуют независимо. Это можно объяснить неблагоприятнойориентацией этих зерен для эстафетной передачи информации.При достижении в локальном объеме металла критической плотности дислокации происходит их массовый выход на поверхность с образованием грубых полос скольжения и последующегоразвития микротрещин. По области наибольшей плотности дислокаций и пройдет трещина усталости.
Ссылки на источники1. Капустянский Е.Н., Романовский Б.В., Викулов А.С. Расчет на усталостную прочность деталей машин с учетом использования различных теорий: Учебное пособиес грифом УМО АМ. –Изд. 2е., доп. и перераб. Пенза: Издво Пенз. гос. унта, 2003.–148 с.2. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., Макушин В.М., Малинин Н.Н., Феодосьев В.И.Расчеты на прочность в машиностроении М.: Машгиз, 1959.—1118с.3. ФридельЖ.Дислокации. М.: Издво Мир, 1967.–643 с.4. F.C. Frank,W.T. Read –Phys.Rev., 79, 722, 1950.5. Иванова В.С. Усталостное разрушениеметаллов.Металлургия,1963. –258 с.6. M. Hempel Fracture.Proc. of on Internat. Conference on the Atomic Mechanisms Fracture, 1959, Apr. 1214. Swampscott, Massachusets, The Technology Press of Massachusetts Inst. Of Technology and Wiley Sons. 1959, p. 376.7. ИвановаВ.С., КосякинаЕ.С. Металловедение и термическая обработка металлов, 1962, № 2, с. 32.
Потемкин Алексей Николаевич,доцент ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУpan580@yandex.ru
КарягинДмитрий Сергеевич,студент факультета Промышленных технологий ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пензаpan058@yandex.ru
К развитию дислокационной теории усталости
Аннотация.Рассмотрены измененияв кристаллическойструктуреметаллапри действии переменных напряжений.Дано описание механизма формирования дислокаций. На основе дислокационной теории описан процесс появления и развития трещин усталости. Перечислены и сгруппированы основные процессы, лежащие в основе усталостного разрушения.Ключевые слова:кристаллическая решетка, дислокации, сдвиговые процессы, прочность, трещины усталости
В процессе кристаллизации металлы и сплавы образуютгранецентрированную кубическую илиобъемноцентрированную кубическуюрешетки.Однако, при остывании металлического расплава центры кристаллизации появляются во многих точках объема, кристаллическиерешетки по границам смежных кристаллических формированийзерен, соприкасаясь, мешают друг другу, чтонеизбежно приводитк нарушению их геометрически правильной формы.Внутри зереннаблюдается свойственное данному металлу мозаичное или блочное строение рисунок1).Сами же зерна обычно сориентированы относительно друг друга под углами порядка20 и более градусов.
Рис. 1. Кристаллическое строение металлов и сплавов;а –зерна металла, б –блочное строение внутри зерна
При действии внешних нагрузок зернаметаллов могут деформироваться упруго, отрываться друг от друга по границам, при этом внутри зерен могут наблюдаться сдвиги между блоками или их отрыв в направлении нормали. Эти принципиально различные процессы описаны в литературе [1, 2] и соответствуютопределенным видам деформирования и разрушения–хрупкому или пластическому.Заметим, что скольжение сдвиг в кристаллите обычно протекает по плоскостям наиболее плотно упакованным атомами. Объясняется это тем, что плоскости, которые густо усеяны атомами,являются наиболее прочными, т.к. расстояние между атомами здесь наименьшее. В тоже время расстояния между такими плоскостями наибольшее, поэтомусвязь между ними наименьшая.Такое поведение кристалловсвойственно любому характеру действующих сил: статическомуквазистатическому, ударному,циклическому. Разница лишь в том, что процессы разрушения происходят или в больших объемах статическое разрушение или в малых объемах циклическое разрушение. В дальнейшем рассмотримусталостное разрушение, с позиции статистического разрушения,общем виде процесс которогоизложен в[2].При первых циклах переменных напряжений в некоторых зернах металла возникают пластические деформации, которые приводят к искажению кристаллической решетки. В это время происходит упрочнение наиболее напряженных зерен. С увеличением напряжений в отдельных "дефектных" местах зерен может возникнуть явлениескольжения с надрывом, что создаст"разрыхление" в зерне по плоскости скольжения. Количество объемов разрыхления увеличивается за счетзнакопеременных сдвигов. Разрыхления могут привести к образованию трещин, т.к. этот процесс при переменных напряжениях, будучи необратимым, идет по нарастающей.Образование трещин наблюдается по всему объему материала, но наиболее интенсивно этот процесс протекает вблизиповерхности.Разрушение происходит при максимальных напряжениях в отдельных зернах.До некотороговременитакое объяснение было окончательным и удовлетворяло теориям усталостного разрушения.Однако оставались неясными некоторыевопросы, связанные с объяснением зарождения трещин, их ростом, со скоростьюраспространения процесса пластической деформации и т.п.Оставался открытым вопрос,почему фактическая прочность металлов на 34 порядка ниже так называемой теоретической прочностидаже при статической нагрузке.Объяснениепоявилосьпосле разработки дислокационной теории пластической деформации кристаллов[3].Остановимся на некоторых ее положениях, а далееперейдем крассмотрению причини самого механизма усталостногоразрушения.Напомним, что, в отличие от вакансий –точечных дефектов атомной структуры материала, поддислокацияминужно пониматьдефекты искажения)кристаллической решетки,имеющие значительную протяженность. Существует несколько видов дислокаций: линейные, винтовые, призматические, частичные и др.Их разновидности и свойства рассмотрены в работе[3]. Возникают дислокации при застывании металлических расплавов на границе блоков или зерен и, вследствие того, что протяженность этих границ исключительно велика, количество дислокацийв структуре металлаогромно.Рассмотримсущность пластической деформации на основе дислокационной теории применительно клинейной дислокации. Линией ОМ рисунок 2 показаны неполные ряды атомов, причем в направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа, дислокация происходит через весь кристалл или значительную часть его. Таким образом, линейная дислокация это наличие "лишней" атомной плоскости ОМ экстра плоскость, которая как клин раздвигает атомную решетку полных рядов атомов.Заметим, что, согласно дислокационной теории пластического деформирования,процесс сдвига атомных плоскостей не происходит сразу жестко по всей плоскости сдвига. Скольжениебудет осуществляется по плоскости сдвига путем последовательного перемещения искажения дислокации от рядак ряду атомных плоскостей, в направлении вектора вектор Бюргерса.
Рис. 2.Кристаллическое строение металлов и сплавов;а –положительная дислокация, б –отрицательная дислокация
Касательное напряжение, необходимое длясдвигадислокации, может быть определено как[4]:,где –модуль упругости второго рода модуль сдвига);
–коэффициент Пуассона;
–расстояние между атомами в направлении сдвига;
–расстояние между соседними плоскостями скольжения;
–теоретическое значение критического напряжения, необходимого для сдвига дислокации критического скалывающего напряжения).
Приняв
и , получим , что соответствуетэмпирическомузначениюнапряжения сдвига и объясняет причину в различии теоретической и практической прочностью кристаллов на сдвиг.В хорошо отожженных металлах плотность дислокации составляет см2. Холодная обработка увеличивает плотность дислокации до см2.В этих дислокациях концентрируется почти вся энергия, поглощеннаяметаллом при пластическом деформировании.Механизм генерирования и развития дислокации под действием напряжений рассмотрен в работе [4], где стадии развития дислокации, подобно стадиям формирования мыльного пузыря. Здесь под поверхностьюпузыря нужно понимать фронт расположения атомов в плоскости сдвига по мере изменения напряжений. Причем смомента полуокружности развитие дислокации происходит самопроизвольно.Напряжение, соответствующее этой форме кривой определится как [4]:,где –вектор Бюргерса;
–длина источника дислокации.
Если внешнее напряжение меньше критического, то деформация сдвига, являющаяся результатом перемещения линии дислокации, обратима иисчезает при снятии нагрузки.При достижениикасательногонапряжениякритического значения равновесие дуги дислокации становится неустойчивым:онанеограниченно расширяетсяна значительную площадь, на которой и происходит сдвиг.Важным обстоятельством является то, что количестводислокаций в единице объемавлияет на свойства твердых тел, а самазависимость имеетнелинейный характер. Так если низкая прочность кристалла на сдвиг обусловлена наличием уже имеющихся в его структуре дислокаций и генерированием новыхв процессе сдвига, тоуменьшение числа структурных дефектов приводит к повышению прочности, т.к. приближает структуру металла к идеальной. Однакопо мере развития пластической деформации и роста количества дефектовтакже происходитупрочнениекристалла, но уже по другим причинам. Сущность такого упрочнения состоит во взаимодействии дислокаций друг с другом и с различного рода дефектами решетки, приводящем к затруднению перемещения их в кристаллической решетке, чтов результате и приводит к повышению прочности.Перейдем к самому механизму усталостного разрушения.В настоящее время предложенонесколько теорий возникновения усталостных трещин на основе дислокационной теории строения твердых тел [5, 1].Одна из теорийтеория Фудзита)основана на предположении аннигиляции дислокаций разного знакарисунок 3).Имеется в виду, что две краевые дислокации разного знака аннигилируют и образуют зародыш трещины.Здесь –расстояние между дислокациями в направлении скольжения,
–расстояние между плоскостями скольжения порядка 10ангстрем).Если плоскости скольжения дислокаций будут расположены на расстоянии см, то дислокации будут аннигилировать и образовывать пустоты.Если же см, то дислокации могут пройти мимо друг друга и не слиться, т.к. энергия плоскости в этом случае будет больше энергии дислокации.Образовавшаяся вследствие слияния двух дислокаций пустота будет поглощать новые дислокации и разрастаться в трещину шириной, равной , где
вектор Бюргерса,
число поглощенных дислокаций.
Рис. 3.Движение краевых дислокаций разного знака
Согласно другой теории теория Одинга)трещины усталости есть результат появления полей напряжений вокруг линейной дислокации.Данное предположение основано на расчетесилового поля напряжений вокруг дислокаций. При сближении дислокаций,под действием нагрузки в результате взаимодействия их силовых полей,создаются высокие локальные напряжения, близкие к теоретической прочности металла.По следующей теориитеорияКоттрела), трещины усталости объясняются как результат образования вакансий. А этот процесс идет,по мнению автора,более успешно при циклических нагрузках, причем количество образовавшихся вакансий пропорционально числу действующих дислокаций.Механизм образования трещин усталости в этом случае объясняется следующим образом.Движение дислокации под действием нагрузки на первой четверти цикла при приложении растягивающей нагрузки приводит к образованию препятствий в виде точечных дефектов и новых дислокаций, а также силовых полей вокруг них.Эти препятствия тормозят возвращение части дислокаций к их источникам во время разгрузки во второй четверти циклапри снятии растягивающей нагрузки. Во время третей четверти цикла происходит новое нагружение с противоположным знаком. Этот период характеризуется меньшим сопротивлением деформации, что связано с частичным возвращением дислокации, переместившихся и не возвратившихся в исходное состояние в первой четверти цикла.Четвертая четверть цикла при снятии сжимающей нагрузки характеризуется задержкой дислокации вследствие роста количества препятствий. В последующие циклы происходят аналогичные явления, но число дислокаций с нарастанием числа циклов будет увеличиваться.Ещё поодной теориитеорияКотреллаи Хала, появление и развитие трещинусталости объясняетсяна основеэкструзии и интрузии.Согласно этой теории, при действии циклических напряжений активизируются пересекающиеся системы скольжения, действующие поочередно при положительной и отрицательной фазах цикла рисунок 4. При действии напряжения в первой четверти цикла происходит сдвиг по одной из систем скольжения положение 1, а при изменении знака напряжения во второй части цикла положение 2 сдвиг развивается по второй системе скольжения. Повторение полуцикла приводит к образованию на поверхности металла выступов и впадин, то есть к явлению экструзии положение 4 и интрузии положение 3).
Рис. 4.Схемы скольжения, приводящие к возникновению явлений экструзии и интрузии
Таким образом,имеется достаточное количество подтверждений, что при действии циклических нагрузок в металлах и сплавах развиваются внутренние процессы,существенноизменяющиекристаллическую структуру металла.Процессы,лежащие в основе усталостного разрушения и описанные в дислокационной теории, можно разделить на следующие группы.1.Сдвиговые процессы, следствием которых является развитие грубых полос скольжения, отличающихся скоплением дислокаций высокой плотности.2.Диффузионные процессы, в ряде случаев приводящие к частичному восстановлению совершенства структурыматериала.3. Периферийные процессы, имеющие местона границах зерен, которые обусловленыкомплексным действием нескольких элементарных механизмов пластической деформации и приводящиек относительнымперемещениями поворотамзерен, в сочетании со скольжением.Как указано выше, для процесса усталости большинства металлов характерно развитие грубых полос скольжения. Впоследствии онислужат очагом усталостного разрушения. Детальное изучение строения грубых полос с помощью электронного микроскопа показало[6], чтов областях металла, покрытых грубыми полосами скольжения, содержится большое число субмикроскопических трещин и пор, которые при дальнейшем нарастании числа циклов развиваются в микротрещины. Было обнаружено, что субмикроскопические трещины зарождаются на ранней стадии циклического деформирования около 1% от общего числа циклов до разрушения в местах образования грубых полос скольжения.Кроме того,было установлено, что развитие грубых полос скольжения приводит к разрыхлению объемов металла, подверженных сдвигообразованию, и не может сопровождаться упрочнением [7].Изучение более тонкой структуры металлов дает возможность связать изменение дислокации картины в связи с возникновением полос скольжения и субмикроскопических трещин.Оказалось, что межзеренному разрушению предшествует скопление у границ зерен дислокацийвысокой плотности. Такое положение соответствует высокому уровню циклических напряжений. При меньшем уровне напряжений скопление дислокаций высокой плотности наблюдается главным образом в плоскостях скольжения тела зерен. Скопление дислокаций вблизи границ зерен играет роль барьеров, препятствующих распространению полос скольжения через границу.При отсутствиитаких скоплений, источники дислокаций, действующие в данном зерне, могут возбуждать источники дислокаций, расположенные в плоскостях скольжения других соседних зерен. То есть, при пластической деформации поликристалла наблюдается как бы "эффект" передачи информации от зерна к зерну, причем на каждом этапе ее несут новые дислокации. Но возбуждение дислокационных источников, расположенных вблизи границ зерен, под действием источников дислокацийв соседних зернах происходит не всегда. В некоторых случаях источники дислокаций, расположенные в смежных зернах действуют независимо. Это можно объяснить неблагоприятнойориентацией этих зерен для эстафетной передачи информации.При достижении в локальном объеме металла критической плотности дислокации происходит их массовый выход на поверхность с образованием грубых полос скольжения и последующегоразвития микротрещин. По области наибольшей плотности дислокаций и пройдет трещина усталости.
Ссылки на источники1. Капустянский Е.Н., Романовский Б.В., Викулов А.С. Расчет на усталостную прочность деталей машин с учетом использования различных теорий: Учебное пособиес грифом УМО АМ. –Изд. 2е., доп. и перераб. Пенза: Издво Пенз. гос. унта, 2003.–148 с.2. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., Макушин В.М., Малинин Н.Н., Феодосьев В.И.Расчеты на прочность в машиностроении М.: Машгиз, 1959.—1118с.3. ФридельЖ.Дислокации. М.: Издво Мир, 1967.–643 с.4. F.C. Frank,W.T. Read –Phys.Rev., 79, 722, 1950.5. Иванова В.С. Усталостное разрушениеметаллов.Металлургия,1963. –258 с.6. M. Hempel Fracture.Proc. of on Internat. Conference on the Atomic Mechanisms Fracture, 1959, Apr. 1214. Swampscott, Massachusets, The Technology Press of Massachusetts Inst. Of Technology and Wiley Sons. 1959, p. 376.7. ИвановаВ.С., КосякинаЕ.С. Металловедение и термическая обработка металлов, 1962, № 2, с. 32.
