CC BY
74
УДК 670.191.33
Стадийность деформирования материала и кинетика роста усталостной трещины в стали 25Х1М1Ф при низких частотах нагружения
П.В. Ясний, П.О. Марущак, С.В. Панин12, П.С. Любутнн1, Д.Я. Баран, Б.Б. Овечкин2
Тернопольский национальный технический университет им. Ивана Пулюя, Тернополь, 46001, Украина
1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
Исследованы закономерности накопления усталостных повреждений при циклическом нагружении стали 25Х1М1Ф при частотах 0.1 и 1.0 Гц, в том числе с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSС. Выявлены физические закономерности, определяющие взаимосвязь подходов механики разрушения и физической мезомеханики материалов. Для описания поля макронапряжений в вершине трещины использован силовой критерий механики разрушения — коэффициент интенсивности напряжений. При этом физико-механические закономерности накопления усталостных повреждений отражают органическую взаимосвязь пластической деформации и разрушения материала в зоне макроконцентратора напряжений, представляют собой стадийный процесс и могут быть описаны в рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики. Повышение частоты нагружения от 0.1 до 1.0 Гц обусловливает снижение продолжительности единовременного пребывания образца в нагруженном состоянии, что при значениях коэффициента интенсивности напряжений до 40 МПа • м1/2 практически не влияет на скорость роста усталостной трещины, а при больших его величинах приводит к увеличению скорости ее роста в 2.0-2.5 раза. Данные процессы проявляются также в снижении влияния процессов пластической деформации на мезоуровне, при этом значение интенсивности деформации сдвига уа^ для частотыf = 1.0 Гц в 3-6 раз меньше, чем для частотыf = 0.1 Гц.
Ключевые слова: усталость, стадийность, деформация, разрушение, теплостойкая сталь, коэффициент интенсивности напряжений, интенсивность деформации сдвига
Stage pattern of deformation and kinetics of fatigue crack growth in 25Cr1Mo1V steel at low frequency loads
P.V. Yasniy, P.O. Maruschak, S.V. Panin1,2, P.S. Lyubutin1, D.Ya. Baran and B.B. Ovechkin2
Ternopil Ivan Pul’uj Technical University, Ternopil, 46001, Ukraine
1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
2 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
The regularities of fatigue damage accumulation in 25Cr1Mo1V steel under cyclic loading at 0.1. and 1.0 Hz were studied in experiments, including but not limited to the TOMSC optical television complex. Physical mechanisms that provide a link between approaches of fracture mechanics and physical mesomechanics of materials were disclosed. The macrostress field at the crack tip was described with resort to a fracture mechanics criterion — the stress intensity factor. It is shown that physical and mechanical regularities of fatigue damage accumulation reflect an organic interrelation between plastic deformation and fracture of material in a stress macroconcentrator zone, reveal a stage pattern, and can be described in the framework of the multilevel approach of physical mesomechanics. Increasing the load frequency from 0.1 to 1.0 Hz shortens the duration of a single loading cycle of the specimen. With a stress intensity factor up to 40 MPa • m1/2, this decrease hardly affects the rate of fatigue crack growth, and with higher stress intensity factors, it causes the latter to increase 2.0-2.5 times. The processes also weaken the influence of mesoscale plastic strain, with the shear strain intensity Yavg being 3-6 times lower at f = 1.0 Hz than at f = 0.1 Hz.
Keywords: fatigue, stage pattern, strain, fracture, heat resistant steel, stress intensity factor, shear strain intensity
1. Введение
Изучение закономерностей роста усталостных трещин в конструкционных материалах имеет первостепенное значение при прогнозировании остаточного ре-
сурса конструкций, повышении их надежности и работоспособности.
В рамках механики разрушения металлов как феноменологической теории для описания поведения тре-
© Ясний ПБ., Марущак П.О., Панин C.B., Любутин П.С, Баран Д.Я., Овечкин Б.Б., 2012
щин на основании значительного объема экспериментальных данных разработана система параметров и функциональных связей, позволяющая отображать макроскопические закономерности поведения магистральных трещин [1]. С другой стороны, конкретизация параметров известных уравнений механики разрушения предполагает проведение экспериментальных исследований роста усталостных трещин при контролируемых внешних воздействиях, а также путем численного моделирования. При этом известные подходы опираются преимущественно на феноменологические положения, которые не позволяют обеспечить целостность описания совокупности процессов в иерархии структурномасштабных уровней разрушения материала, характеризуя поведение материала только на макро- либо на микроуровне.
Известно, что рост усталостных трещин сопровождается процессами накопления циклических повреждений материала, прежде всего, в вершине трещины. Иерархические уровни деградации материала в этой зоне зависят от состава, структурного состояния, степени гетерогенности материала и его вязкости («запаса пластичности»). Кроме того, изменение частоты нагружения влияет на продолжительность единовременного пребывания материала в нагруженном состоянии, что отражается на кинетике роста усталостной трещины [2, 3]. Так, например, при значительных длинах трещины увеличивается интенсивность пластического деформирования материала в его вершине. При этом влияние пластической деформации проявляется неоднозначно: с одной стороны, она является источником накопления повреж-денности, с другой стороны, — зоной релаксации напряжений, в том числе вызывающей притупление вершины усталостной трещины.
Известно, что рост усталостной трещины происходит дискретным образом, что определяется дискретностью процесса развития циклической пластической деформации. Последняя проявляется в «осцилляции» локальной скорости роста трещины (при сопоставлении ее графика с различными полуэмпирическими зависимостями). В этом случае кинетическая диаграмма роста усталостной трещины может быть разделена на участки, характеризуемые различной интенсивностью скорости роста усталостных трещин в зависимости от параметров циклического нагружения и способности материала сопротивляться ее росту. Физическая природа такой дисперсии скорости роста связана с изменением скорости распространения усталостных трещин и условиями, влияющими на эти процессы [3].
Традиционно диапазон частот циклического нагружения материалов при усталостных испытаниях составляет от единиц до десятков герц. В этом случае за обозримый промежуток времени можно накопить количество циклов нагружения, сопоставимое с таковым в реаль-
ной эксплуатации. По мнению проф. А.А. Шанявского, верхний предел частоты циклического нагружения, начиная с которого характер усталостного разрушения может заметно изменяться, составляет несколько сотен герц, что связано с изменением характера протекания пластической деформации как релаксационного процесса, сопровождающего зарождение и распространение усталостных трещин. С другой стороны, существенное снижение частоты испытаний также должно оказать заметное влияние на усталостную долговечность материала.
Определение закономерностей разрушения материала при различных частотах нагружения составляет основу для мотивированного построения соотношений, связывающих физические явления разрушения с макропараметрами его напряженно-деформированного состояния. Одним из наиболее перспективных в этой области является подход физической мезомеханики. В его основе лежит многоуровневое рассмотрение процессов деформации и разрушения, предусматривающее как установление взаимосвязи между ними, так и построение моделей, способных описать эволюцию релаксационных процессов накопления поврежденности в области концентратора напряжений.
В настоящей работе предлагается комплексный подход к исследованию процессов деформирования и разрушения в окрестности вершины усталостной трещины, основанный на принципах физической мезомеханики материалов и механики разрушения. Мотивацией для проведения настоящего исследования явилась необходимость определить влияние низкой частоты нагружения на развитие деформационных процессов в иерархии масштабных уровней с позиции стадийного характера их развития.
2. Материал и методика исследований
Исследования проводили на образцах теплостойкой конструкционной стали 25Х1М1Ф, которая традиционно используется для изготовления роликов машин непрерывного литья заготовок. Во время эксплуатации происходит циклический упругопластический изгиб ролика, что сопровождается растяжением внешнего слоя конструкции со стороны, противоположной месту приложения силы [4]. Для физического моделирования этих процессов при проведении экспериментов изготавливали образцы, которые испытывали в условиях одноосного циклического растяжения. Развитие трещины с поверхности ролика реализовывали на сервогидравли-ческой испытательной машине СТМ-100 на образцах прямоугольного сечения размером 200 х 25 х 5 мм3 с боковым V-образным надрезом (рис. 1). Заготовки для изготовления лабораторных образцов вырезали в осевом направлении из цельнокованого ролика диаметром 330 мм.
Рис. 1. Схема образца стали 25Х1М1Ф для испытаний на циклическую трещиностойкость. Размеры в мм
Усталостные трещины инициировали при коэффициенте асимметрии цикла нагружения R = 0.1 и температуре 293 К [4]. Частота нагружения составляла 0.1и 1.0 Гц. Эволюцию деформационного рельефа и кинетику роста трещины изучали на плоской поверхности образцов с использованием оптико-телевизионного комплекса ТОМБС. Съемку изображений поверхности осуществляли при максимальном и минимальном усилиях цикла нагружения. Нагружение осуществляли в жестком захватном приспособлении, что обеспечило минимизацию поворотов и смещений образца. Процессы пластического деформирования изучали путем компьютерной обработки оптических изображений поверхности образцов (построения векторов перемещений и их последующего пересчета в компоненты тензора пластической деформации) по методике, описанной в [5]. В качестве параметра, характеризующего развитие пластической деформации в процессе роста трещины, использовали среднее значение интенсивности деформации сдвига у а¥8:
У; =]|л/(е-еуу)2 + е~ + е2
3 2 + — е2 2
ху '
(1)
где у — интенсивность деформации сдвига; ехх, еуу, еху — компоненты тензора пластической деформации. Поскольку интенсивность деформации сдвига напрямую связана со скоростью роста усталостной трещины в материале, в данной работе данный параметр использовали в качестве деформационной характеристики тре-щиностойкости материала [6].
Кроме того, рассчитывали остаточное значение интенсивности деформации сдвига у' как величину, по® 0 лученную для образца в свободном состоянии р+1 по
отношению к значению интенсивности деформации сдвига, полученному на предыдущем цикле нагружения ртах. развитие усталостной трещины контролировали визуально во время устойчивого подрастания с помощью предварительно нанесенной на поверхность маркерной сетки. Для измерения приращения линейных размеров трещины использовали оптический микроскоп МБС-10 (х70).
Экспериментально определенные зависимости развития усталостных трещин описывали соотношением Пэриса: da
dN
= (СКтхУ
(2)
где С и т — константы материала.
Коэффициент интенсивности напряжений плоского призматического образца определяли по формуле [7]:
для = 4:
(3)
/ Л -
Ж
= 0.288 + 3.779----
Ж
-1.985
Ж
+ 3.662
Ж
где а — длина трещины; N — количество циклов нагружения; W — ширина образца; старр — напряжение в брутто-сечении образца; L — расстояние между захватами испытательной машины.
С целью детального изучения механизмов усталостного разрушения стали 25Х1М1Ф проводили фрак-тографический анализ поверхности разрушения образца с помощью растрового электронного микроскопа РЭМ-106И. Это позволило наблюдать кинетику трансформации зоны локализации разрушения и смену механизмов роста усталостных трещин в процессе циклического нагружения.
3. Результаты исследований
На рис. 2, а представлены результаты сопоставления остаточной циклической долговечности при частотах нагружения 0.1 и 1.0Гц. В качестве количественных показателей остаточной долговечности (живучести) поврежденных образцов рассматривали число циклов (или время) до разрушения (рис. 2, б).
На основании результатов ранее проведенных исследований [7, 8], а также анализа полученных в настоящей работе данных можно выделить несколько участков, при переходе через которые происходит смена закономерностей усталостного разрушения. На кривых долговечности они характеризуются изменением угла наклона касательной (рис. 2).
Стадия I (определяемая в рамках подходов физической мезомеханики [9] лидирующей ролью микромасштабного уровня) реализуется в условиях микроупругого
Рис. 2. Кинетика роста усталостной трещины в стали 25Х1М1Ф в координатах а = f (Н) и а = f (/). Стадии развития трещины: квазихрупкое (I), вязкохрупкое (II) и вязкое разрушение (III)
(упругопластического) деформирования при наличии микропластических деформаций (сдвигов) фронта трещины. Рост трещины носит квазихрупкий характер, который практически не сопровождается ее ветвлением, а вдоль берегов трещины наблюдаются слабо выраженные следы развития пластической деформации, что видно на рис. 4. Кроме того, на основании данных, представленных на рис. 2, а, видно, что трещина растет с постоянной минимальной скоростью, что подтверждает тот факт, что механизмы пластической деформации ме-зомасштабного уровня не вовлекаются (не сопровождают рост усталостных трещин). Для данного материала и геометрии образца такие условия соблюдаются для длины трещины а < 4 мм.
Стадия II (которая в соответствии с методологией [9] соответствует лидирующей роли мезомасштабного уровня) наступает, когда пластическая деформация начинает развиваться в более крупных по размеру областях поликристалла — конгломератах зерен (4 < а < < 7 мм). Необходимо отметить, что вовлечение нового масштабного уровня пластической деформации (мезо) экспериментально подтверждается заметным увеличением скорости роста трещины на стадии II.
Стадия III (протекающая при лидирующей роли макромасштабного уровня) может быть охарактеризована взаимным ротационным смещением частей образца, что определяется соответствующей компонентой деформации сдвига [6], которая зависит от значений тензора пластических деформаций в пределах сформированных макрообъемов (а > 7 мм).
Анализ графиков на рис. 2, а позволяет заключить, что остаточная циклическая долговечность (АЫ) при частоте 1.0 Гц больше на 5000 циклов, чем при 0.1 Гц. В то же время физическая остаточная долговечность материала при частоте испытаний 0.1 Гц почти в 5 раз выше, чем при 1.0 Гц (рис. 2, б). Таким образом, можно предполагать, что снижение частоты нагружения реального объекта, сопровождаемое увеличением длительности его единовременного пребывания в нагруженном состоянии, будет уменьшать его остаточный ресурс.
Были построены зависимости роста усталостных трещин от максимального коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины в цикле нагружения в рамках силового подхода механики разрушения. В рамках данного подхода предполагается, что рост усталостных трещин происходит, когда локальное напряжение в вершине трещины достигает или превышает предел его прочности. При этом временные характеристики нагружения практически не учитываются [7, 8].
Согласно данным, приведенным на кинетической диаграмме усталостного разрушения (рис. 3, а), видно, что увеличение частоты нагружения от 0.1 до 1.0 Гц практически не влияет на скорость роста усталостных трещин на участке до Ктах < 38 МПа • м1/2. На участке Ктах от 40 до 80 МПа • м1/2 скорость роста усталостных трещин при частоте 1.0 Гц в 2.0-2.5 раза ниже, чем при 0.1Гц (рис. 3, а). Это связано с низкой чувствительностью силовых параметров механики разрушения к развитию пластических деформаций около вершины трещины.
Интересные результаты получены с использованием параметров физической мезомеханики. Для частоты 1.0 Гц значения интенсивности деформации сдвига и ее остаточного значения практически совпадают, это свидетельствует о том, что остаточная деформация материала в данном случае невысока, а время активного нагружения незначительно. С другой стороны, для низкой частоты нагружения эти параметры отличаются в 1.2-3 раза. Это значит, что во втором случае вклад пластической деформации весьма высок, что обусловлено более длительным нагружением материала и развитием локализованной пластичности в вершине трещины. Полученные результаты имеют принципиальное значение, поскольку эти количественные данные дополнительно подтверждают активную роль процессов пластической деформации при низкой частоте испытаний.
Для графика остаточной интенсивности деформации сдвига для обеих исследованных частот прослеживаются два участка, причем граница между ними соответствует ранее определенному значению 38 МПа • м1/2. Таким
Рис. 3. Зависимость скорости роста усталостной трещины от максимального значения коэффициента интенсивности напряжений (а) и график, отражающий взаимосвязь параметров Ктах и (3, 4), Ктах и у'а^ (5) (б) при частотах нагружения 0.1 (1, 3, 4) и 1.0 Гц (2, 5)
образом, стадийность роста усталостной трещины, описанная на рис. 3 на основании параметров механики разрушения и физической мезомеханики, является взаимодополняющей.
Кроме того, необходимо отметить, что для 1.0 Гц зависимости К тах - У тХ и К тах - У^ могут быть удовлетворительно описаны линейной аппроксимацией, в то время как для частоты 0.1 Гц они имеют выраженный S-образный вид. Очевидно, это связано с интенсификацией развития процессов пластической деформации в вершине трещины для данной частоты, придающих нелинейный характер отклику образца на сопротивление циклической нагрузке в процессе роста усталостной трещины (рис. 3, б).
Согласно методологии физической мезомеханики, разрушение является стадийным процессом, связанным с масштабными уровнями накопления повреждаемости. При использовании подобного подхода необходимо учитывать временные особенности протекания процессов деформации и разрушения, или, согласно использованной выше терминологии, продолжительность единовременного пребывания материала в нагруженном состоянии (рис. 2, б). Так, увеличение частоты нагружения с 0.1 до 1.0 Гц привело к значительному уменьшению уаУё: для частоты f = 1.0 Гц это значение в 3-6 раз меньше, чем для частоты f = 0.1 Гц. Это может быть объяснено в рамках обсуждаемой концепции длительности единовременного пребывания материала в нагруженном состоянии. Поскольку при более низкой частоте приложения нагрузки последняя в течение более длительного времени прикладывается к образцу, это успевает вызывать развитие необратимых процессов пластического деформирования, релаксирующих концентратор напряжений в вершине трещины. По этой причине интенсивность деформации сдвига для этой частоты нагружения значительно выше, чем для образца, испытывавшегося при частоте 1.0 Гц, особенно при больших длинах трещины (см. рис. 3, б).
4. Закономерности распространения трещины
Согласно концепции физической мезомеханики, носителями пластической деформации на мезоуровне являются структурные элементы деформации материала (мезообъемы), перемещение которых происходит по схеме «сдвиг + поворот» [10, 11]. В рамках проведенных исследований выявлено, что при частоте нагружения 0.1Гц увеличивается интенсивность деформации около вершины трещины, о чем свидетельствуют данные анализа оптических изображений деформационного рельефа (рис. 4, а-в). В результате в области наблюдения выявляется формирование зон локальной пластической де формации [12]. Механизм роста усталостных трещин имеет как усталостную, так и квазистатическую природу. Возрастание интенсивности деформации сдвига материала сопровождается увеличением вязкой составляющей в изломе образца (рис. 5, а, б).
При частоте нагружения 1.0 Гц фактором, определяющим циклическую трещиностойкость, является механизм роста усталостных трещин, который контролируется микропластическими сдвигами около ее вершины и носит, преимущественно, усталостный характер. Существование разориентировок мезообъемов пластически деформируемого материала было многократно продемонстрировано в предыдущих работах, в частности в [13], путем изучения направлений смещения и разворотов векторов перемещения участков поверхности около вершины трещины, а также образования развитого фрактографического рельефа на поверхности разрушения [13-15].
Дальнейшее подрастание магистральной трещины (что соответствует стадии II, согласно введенной классификации) активирует механизм образования вторичных трещин. При этом вторичные микротрещины могут влиять на напряженно-деформированное состояние в ее вершине [16]. Очевидно, что увеличение интенсивности пластических сдвигов (см. рис. 4, б, з) способствует частичной релаксации локальных напряжений, что
* 1- 'М'МИд.
г я
- * 7» 71 Л * Я е < * я * И 7* Я Я Я 7> \ ^
> *
л ХЯЯ'АЯЯЯЯЯЯ
г *
;* ;* ;* Я ?М /* Я /* 7* Я я/яяяя
• • *1 ,.
. -, ф’1 » * * •г*'
. 1 . . - •■■•**
* 41 - ' • *(р|ВГ>И;
I4
* ^
11 ^ I4
^ Т 'Г-
7 /ц ^ /|ч
т Л 11 ТА4 “Р 'Ь 'Р 'Р Ф
? ? ь ^ I , .
1- т ? 1
1 ? Т’ Т ? 1
<1 ‘Т ? ■? ^ +
???■}+ ♦ •/'/'** + л ♦ * ч
Рис. 4. Оптические изображения (а-в, ж-и) и соответствующие им поля векторов (г-е, к-м) при частоте 0.1 (а-е) и 1.0 Гц (ж-м), полученные при длине трещины 4 (а, г, ж, к), 7.1 (б, д, з, л) и 12 мм (в, е, и, м). Размер изображений — 1400x900 мкм2. Для всех векторных полей масштабный множитель для визуализации равен 5
приводит к увеличению скорости роста усталостных трещин (рис. 3). Уменьшение частоты нагружения с 1.0 до 0.1 Гц обусловливает интенсификацию ротационных процессов (рис. 4, г, д), что создает предпосылку для полного исчерпания ресурса пластичности в вершине усталостной трещины [17].
Развитие трещины при больших значениях Ктах (стадия III) сопровождалось образованием множества областей локализованной пластической деформации в
окрестности вершины трещины (см. рис. 4, б, в, з, и) и множественных микротрещин. Причем рост трещины в пределах этих зон происходил путем чередования локального сдвига (по смежным плоскостям) и отрыва.
Старт трещины и ее дальнейшее подрастание могут происходить только в результате развития кинетических процессов, связанных с развитием дефектов перед ее вершиной [18]. При этом выявлены два механизма развития трещины: при частоте нагружения 1.0 Гц образец
Рис. 5. Поверхности разрушения образцов стали 25Х1М1Ф при 0.1 (а, б) и 1.0 Гц (в, г), характеризующие особенности роста усталостной трещины длиной I = 4.0 (а, в) и 12.0 мм (б, г)
разрушается с большей долей хрупкой составляющей и заметно менее выраженной пластичностью. При частоте циклирования 0.1 Гц для образца стали 25Х1М1Ф выявлено разрушение по смешанному механизму «усталость + развитая пластичность». В этом случае деформация в вершине трещины накапливается по механизму накопления локализованной (циклической) пластической деформации с последующим вязким подрастанием трещины. Фрактографические исследования указывают также на общие черты излома образцов и способа распространения макротрещин в стали 25Х1М1Ф для длины 2.0 < а < 7.0 мм (рис. 4).
В основе закономерностей, определяющих рост усталостной трещины для исследованных частот, лежит смешанный механизм. Необходимо отметить, что на поверхности разрушения (рис. 5) выявлены плоские чешуйчатые фасетки (показаны стрелкой), покрытые короткими усталостными бороздками с шагом не более 1 мкм (рис. 5, а, в). При этом для частоты нагружения 0.1 Гц характерны более выраженное проявление скольжения в материале и более развитый рельеф поверхности разрушения.
При частоте 1.0 Гц наблюдали локальные отклонения в распространении фронта трещины. Начиная от значений Ктах = 40 МПа • м1/2 хорошо видны очаги повторного зарождения трещины (рис. 5, г), а также участки, испытывавшие действие локальных сдвигов. При этом для частоты 0.1Гц характерным является увеличение площади ямочного отрыва, а также формирова-
ние ряда микротрещин (рис. 5, а), что свидетельствует об интенсификации пластического деформирования.
С ростом усталостной трещины происходит переход от плоскодеформированного состояния к плоскому напряженному состоянию, что увеличивает интенсивность накопления пластических деформаций в материале [19].
5. Обсуждение результатов. Иерархические уровни роста усталостной трещины для различных частот нагружения
Известно, что циклическая микропластическая деформация обусловлена движением дислокационных ансамблей в условиях доминирования скольжения [20]. Возрастание длины трещины активизирует процессы циклической текучести [21], а также увеличивает объем материала в окрестности вершины трещины, вовлекаемого в сопротивление ее распространению. Таким образом, при более низкой частоте испытаний размер такой области должен быть больше за счет большего времени активного нагружения образца.
Однако в стали 25Х1М1Ф эта схема деформирования дополняется другими механизмами. Интенсивность скольжения в отдельных зернах материала может существенно отличаться, т.е. ориентация систем множественного скольжения носит стохастический характер, что обусловливает возникновение локальных поворотов конгломератов зерен [21]. Основой этого механизма являются повороты структурных элементов материала, а
Рис. 6. Схема определяющих стадий развития усталостной трещины при частотах 0.1 и 1.0 Гц: стадия I (а, г), II (б, д), III (в, е)
если аккомодационной способности механизмов микроуровня недостаточно, вовлекаются таковые на более высоком мезомасштабном уровне. Рост трещины происходит в результате чередования локальных сдвигов (по смежным плоскостям) и отрывов.
5.1. Частота нагружения 0.1 Гц
Стадия I. Циклическое нагружение приводит к многократному чередованию процессов формирования пластических зон и последующего хрупкопластического подрастания трещины. При этом, как показано ранее, локализация пластической деформации вблизи включений [4] должна способствовать микроразрушению и разрыву когерентных связей включений и матрицы, что, по-видимому, и объясняет образование зон ямочного отрыва.
Стадия II. При достижении определенной длины вершина трещины притупляется посредством пластических сдвигов. Возникновение этих неизбежных барьеров-затуплений приводит к локальным «сбросам» скорости роста трещины, что отражает отклонение экспериментальных данных от данных аппроксимации линейной зависимостью (см. рис. 3, а). В то же время повышение продолжительности единовременного пребывания в нагруженном состоянии не способно кардинально изменить механизмы разрушения, поэтому проявление этого механизма отражается преимущественно на траектории роста трещины, что обусловливает активное ветвление ее вершины.
При нагружении материала с трещиной вокруг ее вершины создается область интенсивных пластических деформаций. Развитие этих деформаций приводит к
образованию в материале зон циклических пластических деформаций [22], которые могут являться очагами возникновения вторичных микротрещин.
Стадия III. Заметное увеличение интенсивности ветвления вершины свидетельствует об увеличении концентрации напряжений по мере циклического нагружения образца, что соответствует данным на рис. 3, б. Развитие трещины происходит на фоне выраженного скольжения материала, вызванного увеличением многоуровневой пластичности в ее вершине, перед которой развиваются сдвиги материала в направлении действия касательных напряжений.
5.2. Частота нагружения 1.0 Гц
Стадия I. В окрестности магистральной трещины пластическая деформация материала визуально практически не фиксируется. Заметны только отдельные области, испытывающие локализованную микропластичес-кую деформацию. В процессе нагружения интенсивность деформирования в уже существующих зонах мик-ропластической деформации снижается, в то же время возникают новые, что приводит к слабо выраженному ветвлению фронта трещины и квазихрупкому механизму ее распространения.
Стадия II. В нагруженном материале перед фронтом трещины формируется характерная фрагментированная мезосубструктура [22], выявляемая по распределению векторов перемещений на рис. 4. Необходимо отметить, что вследствие меньшей по сравнению с предыдущим случаем (частота 0.1 Гц) длительностью единовременного пребывания образца в нагруженном состоянии признаки развития пластической деформации на мезо-
Рис. 7. Зависимость интенсивности деформации сдвига уаУв от ее остаточного значения у'а^ в образцах стали 25Х1М1Ф при частоте 0.1 (а) и 1.0 Гц (б)
масштабном уровне при распространении трещины менее выражены. Смещения мезофрагментов имеют локальный сдвиговый характер по сравнению с таковыми при частоте нагружения 0.1 Гц.
Стадия III. Переход на макроуровень деформации и разрушения связан с формированием у вершины магистральной трещины зон локализованной пластической деформации. Разрушение реализуется последовательными пластическими сдвигами в направлении максимальных касательных напряжений. Эволюция распространения усталостной трещины, по мнению авторов, определяется квазипериодическим чередованием цикла «продольный сдвиг - поворот» [6]. Масштаб ме-зовихря возрастает по мере продвижения трещины [23]. На основании полученных изображений видно, что траектории развития трещины на локальных участках связаны с формой и размером пластической зоны в вершине трещины. Продвижение последней происходит в результате слияния смежных структурных микродефектов в области, испытавшей значительные пластические деформации вследствие циклического нагружения. При этом участки локального сдвига чередуются с участками локального отрыва. Выявленные механизмы роста трещины согласуются с известными схемами ее распространения [23].
Представленная на рис. 6 схема демонстрирует очевидное различие кинетики разрушения стали 25Х1М1Ф при различных частотах. Так, хотя циклическое нагружение привело к многократному чередованию формирования пластической зоны и скачкообразного продвижения вершины трещины (путем отрыва на микроуровне и локального сдвига и отрыва на мезоуровне), интенсивность этого процесса при частоте 0.1 Гц почти в 36 раз выше, чем при 1.0 Гц. Эти процессы сопровождаются формированием зон локализованной деформации, которые отражаются в изменении значений у аУё.
Сравнивая полученные закономерности, необходимо отметить различную кинетику деформирования материала. Если при частоте 0.1 Гц заметны значительные
мезопластические деформации в цикле нагружения и интенсивное развитие пластичности в вершине трещины, то при частоте 1.0 Гц их значения значительно ниже, при этом зоны локализованной деформации имеют небольшой размер и стохастически распределены на поверхности образца.
Рост усталостной трещины в поликристалле при циклическом растяжении происходит в результате исчерпания запаса пластичности в вершине трещины и возможностей данного механизма деформации как релаксационного процесса на микро- и мезоуровнях. При этом необходимо отметить, что при частоте 0.1 Гц пластические деформации охватывают большие участки материала (рис. 6, а), что приводит к активизации релаксационных процессов и притуплению трещины, о чем свидетельствует увеличение значения у'^. Для данной частоты роста трещины интенсификация пластичности способствует релаксации напряжений в вершине трещины (рис. 6, а).
При частоте 1.0 Гц трещина (рис. 6, б) распространяется в направлении максимальных касательных напряжений (сдвиг) либо перпендикулярно оси растяжения (отрыв), что зависит от характера самосогласования аккомодационных процессов пластического течения в ее вершине [24].
Таким образом, стадийность усталостного разрушения в значительной степени определяется масштабом локализации взаимосвязанных процессов пластической деформации на различных структурных уровнях [23]. Все описанные закономерности можно обобщить в виде табл. 1.
6. Заключение
На основании анализа кинетической диаграммы усталостного разрушения стали 25Х1М1Ф, а также фрактографического анализа установлено, что усталостное разрушение стали независимо от частоты нагружения развивается стадийно. При увеличении частоты нагружения от 0.1 до 1.0 Гц стадийный характер
Таблица 1
Структурные уровни, особенности и механизмы деформирования и разрушения при росте усталостной трещины
в стали 25Х1М1Ф при частотах 0.1 и 1.0 Гц
Стадии деформации и разрушения Закономерности деформации Механизмы разрушения при различных частотах
/ = 0.1 Гц / = 1.0 Гц
Стадия I Квазиупругие локализованные деформации в пределах отдельных зерен, расположенных вдоль берегов трещины Квазихрупкий скол, завершающий развитие микропластических деформаций в отдельных зернах Формирование усталостного квазиизлома по сдвиговому механизму, активное развитие линий сдвига (см. рис. 3)
Стадия II Развитие самосогласованной деформация в пределах конгломератов зерен впереди вершины трещины, сопровождающееся формированием полос локализованного сдвига и вовлечением поворотных мод деформации на мезо-масштабном уровне Формирование бороздок усталости [5], увеличение ветвления магистральной трещины вследствие развития локализованных деформаций и квазихрупких вторичных микротрещин Хрупкопластическое разрушение
Стадия III Вовлечение в пластическое течение значительных объемов материала с формированием макрообласти в виде «пластического шарнира» Вязкий и квазивязкий характер разрушения, сопровождающийся формированием ямочного фрактографического рельефа вследствие отрыва. Схема разрушения «многоуровневые сдвиги -кристаллографические повороты -отрыв» Разрушение по квазивязкому механизму с формированием ямок на поверхности путем отрыва материала. Схема разрушения «локализованный сдвиг -материальный поворот - отрыв»
сохраняется, хотя значения удельной и абсолютной продолжительности стадий изменяются. Более высокая частота нагружения обусловливает снижение продолжительности единовременного пребывания в нагруженном состоянии, что при значениях коэффициента интенсивности напряжений до 40 МПа • м1/2 не влияет на скорость роста усталостной трещины, а при больших его величинах приводит к увеличению скорости ее роста в 2.0-2.5 раза. Увеличение частоты нагружения также проявляется в снижении влияния процессов на мезо-уровне, при этом значении у аУ8 для частоты /' = 1.0 Гц в 3.0-6.0 раз меньше, чем для частоты/' = 0.1 Гц.
Увеличение частоты нагружения до 1.0 Гц снижает интенсивность развития пластической деформации в вершине усталостной трещины, доминирующим механизмом на всех участках разрушения является хрупкопластический. При частоте нагружения 0.1 Гц подрастанию усталостной трещины предшествует активное развитие полос локализованной пластической деформации, которые снижают концентрацию напряжений в вершине трещины и уменьшают скорость ее роста.
Предложена схема стадийности развития деформации и разрушения при двух использованных в работе частотах приложения циклической нагрузки, которая согласуется как с подходами механики разрушения, так и представляет многомасштабный подход физической ме-зомеханики к рассмотрению самосогласованных процессов деформации и разрушения. Показано, что более интенсивное развитие пластической деформации при меньшей частоте циклирования обусловливает развитие процессов по схеме «многоуровневый сдвиг - кристал-
лографические повороты - отрыв», в то время как при частоте 1.0 Гц их можно описать схемой «локализованный сдвиг - материальный поворот - отрыв».
Литература
1. Циклические деформации и усталость металлов / Под ред. В.Т. Тро-
щенко. - Киев: Наукова думка, 1985. - 562 с.
2. Иванова B.C., ТерентьевВ.Ф. Природа усталости металлов. - М.:
Металлургия, 1975. - 255 с.
3. Yasniy P.V, Maruschak P.O., Hlado VB. Effect of Temperature, Frequency and Loading Waveform on Fatigue Crack Growth in Bimaterial of the Roll for Continuous Casting Machines // Proc. Int. Conf. “Progressive Technologies and Materials in Engineering”, 28-30 June 2005, Rzeszow-Bezmiechowa, Poland. - Rzeszow: RUT, 2005. - P. 117124.
4. ЯснийП.В., МарущакП.О. Микромеханизмы усталостного разру-
шения стали 25Х1М1Фл // Труды II Межд. научно-техн. конф. «Современные проблемы машиностроения», Томск, 8-10 октября 2004 г. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - С. 90-93.
5. Быдзан А.Ю., Панин C.B., Почивалов Ю.И. Механизм формирования мезоскопической деформационной структуры в образцах поликристаллических материалов при знакопеременном плоском изгибе // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 43-52.
6. Yasniy P.O., Maruschak P.O., Panin S.V, Lyubutin PS. Investigations of Fatigue Crack Growth Stages in 25Cr1Mo1V Steel within the Framework of Physical Mesomechanics Concept // Proc. 12th Int. Congress on Mesomechanics, 21-25 June 2010, Taipei, Taiwan. - Taipei: NTUST Press, 2010. - P. 215-218.
7. Yasniy P., Maruschak P., Lapusta Y. Experimental study of crack growth in a bimetal under fatigue and fatigue-creep conditions // Int. J. Fract. -2006. - V. 139. - No. 3-4. - P. 545-552.
8. Yasniy P. V, Maruschak P. O. The Influence of the Loading Cycle Frequency and Form on the High-Temperature Crack Resistance of Bimetal // Proc. IV Int. Congress “Mechanical Engineering Technolo-gies’04”, 23-25 September 2004, Varna. - Varna: The Scientific-Technical Union of Mechanical Engineering, 2004. - V. 3. - P. 206-209.
9. Панин В.Е. Физическая мезомеханика как методологическая основа
компьютерного конструирования материалов // Изв. вузов. Физика. - 1995. - Т. 38. - № 11. - С. 6-25.
10. Панин В.Е., Плешанов B.C., Кибиткин В.В. Эволюция деформационных доменов и кинетика усталостного разрушения поликристаллов дуралюмина на мезоуровне // Письма в ЖТФ. - 1997. -Т. 23. - № 24. - С. 51-57.
11. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В. Волновой характер распространения усталостных трещин на поверхности поликристал-лического алюминия при циклическом нагружении // Физ. мезо-мех. - 2002. - Т.5. - № 3. - С. 93-99.
12. Панин С.В., Любутин П.С., Стефанов Ю.П., Марущак П.О. Оценка деформаций на мезоуровне при распространении усталостной трещины с использованием метода построения полей векторов перемещений // C6. тр. Межд. конф. «Повреждение материалов при эксплуатации, методы его диагностики и прогнозирования», Тернополь, 21-24 сентября 2009 г. - Тернополь: ТГТУ им. И. Пу-люя, 2009. - С. 186-193.
13. Ясний П.В., Панин С.В., Марущак П.О. и др. Иерархия масштабных уровней деформации при усталостном разрушении стали 25Х1М1Ф // Матер. Межд. научно-техн. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современных технологий», Тернополь, 19-21 мая 2010 г. - Тернополь: ТНТУ им. И. Пулюя, 2010. - С. 40.
14. Марущак П.О., Бищaк Р.Т., Фостыгк В.Б. Методика и некоторые результаты исследования циклической трещиностойкости стали 25Х1М1Ф // Сб. научн. трудов Межд. научн. форума «Механика — машиностроению» / Под ред. М.С. Высоцкого. - Минск: ОИМ НАН Беларуси, 2010. - C. 389-392.
15. Ясний П.В., Марущак П.О., Панин С.В., ЛюбутинП.С. Взаимосвязь фрактальной размерности и мезомеханизмов пластического деформирования материала в вершине усталостной трещины // Обработка материалов давлением: Сб. научн. трудов. - Краматорск: ДГМА, 2010. - № 1(22). - С. 200-204.
16. Zhang J. A shear band decohesion model for small fatigue crack growth in an ultra-fine aluminium alloy // Eng. Fract. Mech. - 2000. -V. 65. - P. 665-681.
17. Pleshanov VS., Kibitkin VV, Panin VE. Mesomechanics of fatigue fracture for polycrystals with macroconcentrators // Theor. Appl. Fract. Mech. - 1998. - V. 30. - No. l. - P. 13-18.
18. Марущак П.О., Баран Д.Я., Бревус В.Н. Высокотемпературная циклическая трещиностойкость теплостойкой стали в низкочастотном диапазоне // Труды XI Межд. научно-техн. конф. «Инженерия поверхности и реновация изделий», Ялта, 23-27 мая 2011 г. -Ялта: АТМ Украины, 2011. - С. 141-143.
19. Pokluda J., Sandera P. Micromechanisms of Fracture and Fatigue in a Multi-Scale Context. - Dordrecht: Springer, 2010. - 295 p.
20. ШанявскийА.А. Ротационная неустойчивость деформации и разрушения металлов при распространении усталостных трещин на мезоскопическом масштабном уровне. I. Процессы пластической деформации в вершине трещины. II. Механизмы разрушения // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 1. - С. 73-95.
21. Ботвина Л.P, Клевцов Г.В. Кинетика развития зон пластической деформации при усталостном разрушении стали 20 // Физ.-хим. механика материалов. - 1983. - № 1. - С. 39-44.
22. Марголин Б.З., Швецова В.А., Балакин С.М. О связи механизмов роста усталостной трещины с направлением ее развития в поликристаллах // Вопросы материаловедения. - 2007. - № 2. - С. 101118.
23. Романив O.H., Андрусив Б.Н., Борсукевич В.И. Трещинообразова-ние при усталости металлов (обзор) // Физ.-хим. механика материалов. - 1988. - Т. 24. - № 1. - С. 3-13.
24. Марущак П. О. Вплив частоти та форми циклу навантажування на високотемпературну ци^чну трщиностшкють бiматерiалу / Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Тернопшь: ТДТУ iм. I. Пулюя, 2004. - 20 с.
Поступила в редакцию O9.O6.2O11 г.
Сведения об авторах
Ясний Петр Владимирович, д.т.н., проф., ректор ТНТУ им. И. Пулюя, [email protected] Марущак Павел Орестович, к.т.н., доц., доц. ТНТУ им. И. Пулюя, [email protected] Панин Сергей Викторович, д.т.н., доц., зав. лаб. ИФПМ СО РАН, проф. ТПУ, [email protected] Любутин Павел Степанович, к.т.н., мнс ИФПМ СО РАН, [email protected] Баран Денис Ярославович, инж. ТНТУ им. И. Пулюя, [email protected] Овечкин Борис Борисович, к.т.н., доц. ТПУ, [email protected]
