Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом

Экспериментально доказана возможность повышения трещиностойкости конструкционных материалов путем использования слоистых композиций, имеющих в своей структуре барьеры – границы слоев, созданные сваркой взрывом....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автори:	Дидык, Р.П., Олишевская, В.Е., Олишевский, Г.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2006
Теми:	Енергозберігаючі технології в гірничо-металургійному та паливно-енергетичному комплексах України
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/113726
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом / Р.П. Дидык, В.Е. Олишевская, Г.С. Олишевский // Наука та інновації. — 2006. — Т. 2, № 3. — С. 59-68. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-113726
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1137262017-02-19T20:52:16Z Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом Дидык, Р.П. Олишевская, В.Е. Олишевский, Г.С. Енергозберігаючі технології в гірничо-металургійному та паливно-енергетичному комплексах України Экспериментально доказана возможность повышения трещиностойкости конструкционных материалов путем использования слоистых композиций, имеющих в своей структуре барьеры – границы слоев, созданные сваркой взрывом. Експериментально доведена можливість підвищення тріщиностійкості конструкційних матеріалів шляхом використання шаруватих композицій, що мають у своїй структурі бар'єри – межі шарів, створені зварюванням вибухом. The experimental study of laminated materials showed that laminated compositions having definite relation of layers' physical and mechanical properties allow to increase the crack resistance under the conditions of multi-cycle loading. 2006 Article Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом / Р.П. Дидык, В.Е. Олишевская, Г.С. Олишевский // Наука та інновації. — 2006. — Т. 2, № 3. — С. 59-68. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin2.03.059 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/113726 ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Енергозберігаючі технології в гірничо-металургійному та паливно-енергетичному комплексах України Енергозберігаючі технології в гірничо-металургійному та паливно-енергетичному комплексах України
spellingShingle	Енергозберігаючі технології в гірничо-металургійному та паливно-енергетичному комплексах України Енергозберігаючі технології в гірничо-металургійному та паливно-енергетичному комплексах України Дидык, Р.П. Олишевская, В.Е. Олишевский, Г.С. Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом
description	Экспериментально доказана возможность повышения трещиностойкости конструкционных материалов путем использования слоистых композиций, имеющих в своей структуре барьеры – границы слоев, созданные сваркой взрывом.
format	Article
author	Дидык, Р.П. Олишевская, В.Е. Олишевский, Г.С.
author_facet	Дидык, Р.П. Олишевская, В.Е. Олишевский, Г.С.
author_sort	Дидык, Р.П.
title	Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом
title_short	Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом
title_full	Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом
title_fullStr	Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом
title_full_unstemmed	Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом
title_sort	пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Енергозберігаючі технології в гірничо-металургійному та паливно-енергетичному комплексах України
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/113726
citation_txt	Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом / Р.П. Дидык, В.Е. Олишевская, Г.С. Олишевский // Наука та інновації. — 2006. — Т. 2, № 3. — С. 59-68. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT didykrp plastičeskaâdeformaciâirasprostranenieustalostnyhtreŝinvsloistyhmetalličeskihkompoziciâhpolučennyhsvarkojvzryvom AT oliševskaâve plastičeskaâdeformaciâirasprostranenieustalostnyhtreŝinvsloistyhmetalličeskihkompoziciâhpolučennyhsvarkojvzryvom AT oliševskijgs plastičeskaâdeformaciâirasprostranenieustalostnyhtreŝinvsloistyhmetalličeskihkompoziciâhpolučennyhsvarkojvzryvom
first_indexed	2025-07-08T06:18:10Z
last_indexed	2025-07-08T06:18:10Z
_version_	1837058481354440704
fulltext	59© НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. 2006 Енергозберігаючі технології Современное развитие машиностроения тре бует создания новых технологических процес сов, обеспечивающих изготовление конструк ций, надежно работающих в экстремальных условиях действия высоких температур и дав лений. Удовлетворить этим требованиям мож но при условии создания новых конструкцион ных материалов, сочетающих в себе высокий уровень эксплуатационных характеристик с по казателями надежности работы конструкций. Одним из путей решения проблемы по вышения надежности и долговечности кон струкций и деталей машин, работающих в жестких условиях нагружения, может быть ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЯХ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ Р. П. Дидык, В. Е. Олишевская, Г. С. Олишевский Национальный горный университет, Днепропетровск Надійшла до редакції 28.03.06 Резюме: Экспериментально доказана возможность повышения трещиностойкости конструкционных материалов путем использования слоистых композиций, имеющих в своей структуре барьеры – гра ницы слоев, созданные сваркой взрывом. Ключевые слова: слоистый композиционный материал, сварка взрывом, граница раздела, трещина, трещиностойкость, кинетика усталостного разрушения, механизм разрушения. Р. П. Дідик, В. Є. Олішевська, Г. С. Олішевський. ПЛАСТИЧНА ДЕФОРМАЦІЯ І ПОШИРЕННЯ ВТОМЛЕНИХ ТРІЩИН У ШАРОВИХ МЕТАЛЕВИХ КОМПОЗИЦІЯХ, ОТРИМАНИХ ЗВА� РЮВАННЯМ ВИБУХОМ. Резюме: Експериментально доведена можливість підвищення тріщиностійкості конструкційних ма теріалів шляхом використання шаруватих композицій, що мають у своїй структурі бар'єри – межі ша рів, створені зварюванням вибухом. Ключові слова: шаровий композиційний матеріал, зварювання вибухом, межа розділу, тріщина, трі щиностійкість, кінетика руйнування від утомленості, механізм руйнування. R. P. Didyk, V. E. Olishevska, G. S. Olishevsky. PLASTIC DEFORMATION AND GROWTH OF FATIGUE CRACKS IN LAMINATED METAL COMPOSITIONS PRODUCED BY MEANS OF EXPLOSION WELDING. Abstract: The experimental study of laminated materials showed that laminated compositions having defi nite relation of layers' physical and mechanical properties allow to increase the crack resistance under the conditions of multi cycle loading. Keywords: laminated composite material, explosion welding, separation border, crack, crack resistance, kinetics of fatigue failure, mechanism of destruction. Наука та інновації.2006.Т 2.№ 3.С. 59–68. 60 Енергозберігаючі технології НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 создание слоистых композиционных материа лов, позволяющих формировать структуру и границы раздела слоев композитов в соответ ствии с условиями эксплуатации деталей. Изготовление слоистых композиционных материалов осуществляется горячей и холод ной пластической деформацией заготовок прокаткой, прессованием, диффузионной сваркой, литьем, различными видами осаж дения на поверхность одного или нескольких компонентов, либо сочетанием этих методов. Однако существенным недостатком перечис ленных способов является их избиратель ность, связанная с проблемой получения прочной физической связи металлов и спла вов, резко отличающихся по комплексу фи зико механических и химических свойств. В этой связи актуальность технологичес ких процессов, основанных на возможности получения прочных металлических компози ций практически из любых сочетаний, и уп равления строением и свойствами границы соединений не вызывает сомнений. К таким процессам можно отнести сварку взрывом. Следует отметить, что уникальные воз можности сварки взрывом в основном были реализованы как эффективное средство в тех нологии производства различной поли и би металлической продукции с целью экономии дефицитных цветных металлов и сплавов. Нами впервые рассмотрена возможность использования сварки взрывом для получе ния многослойных конструкций, обладаю щих высоким ресурсом трещиностойкости. При создании трещиностойких слоистых композиций была рассмотрена возможность управления свойствами зоны соединения пу тем введения барьерных слоев. Применение барьерных слоев при создании слоистых ма териалов для химически взаимодействующих компонентов является достаточно известным методом [1]. В этом случае барьерный слой играет роль инертной прослойки, не позволя ющей взаимодействовать свариваемым слоям. В нашем случае в задачу исследования вхо дила оценка возможности использования вязкой прослойки в качестве барьера, пре пятствующего развитию трещины, изучение взаимодействия трещины с прослойкой и со здание рациональной структуры композици онного материала, способствующей снижению скорости распространения трещин, измене нию ее направления и остановке. С целью исследования возможности по вышения трещиностойкости конструкцион ных материалов были изготовлены сваркой взрывом би и трехслойные (с промежуточной пластичной прослойкой) композиции на осно ве конструкционной стали. В качестве мате риала слоев композиций выбрана широко применяемая сталь 45. В качестве барьерного слоя желательно использовать металлы, не взаимодействующие в твердом состоянии или образующие твердые растворы замещения: ванадий, медь, никель. Наиболее перспектив ным материалом барьерного слоя является медь, которая в определенных условиях исклю чает возможность образования интерметал лидных и карбидных соединений. Сварные образцы получены по схеме параллельного пла кирования [2, 3]. Биметалл сталь 45–сталь 45 изготовлен плакированием листа стали раз мером 300×200×30 мм листом меди М3 тол щиной 8 мм (режим 1: скорость метания пла стины VС = 286,9 м/с, скорость движения точ ки контакта Vк = 1950 м/с, угол соударения γ = 8°20′, давление на границе соударения Р = 6,7 ГПа). Триметалл сталь 45–медь М3–сталь 45 получен сваркой взрывом в два этапа: на первом этапе – плакировали лист стали 45 размером 300×200×30 мм листом меди М3 толщиной 1 мм (режим 2: скорость метания пластины VС = 352,9 м/с, скорость движения точки контакта Vк = 1562 м/с, угол соударения γ = 12°, давление на границе со ударения Р = 7,7 ГПа), на втором этапе – би металл сталь 45–медь М3 плакировали лис том стали 45 толщиной 8 мм (по режиму 1). 61НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 Енергозберігаючі технології Сварка взрывом имеет ряд особенностей, являющихся следствием высокой интенсив ности пластического течения свариваемых металлов и кратковременности действия вы соких давлений и температур в приконтакт ных слоях соударяющихся пластин. В специ фических условиях сварки взрывом наиболее выгодной формой перехода кинетической энергии соударяющихся тел в работу пласти ческой деформации является процесс волно образования, который существенно влияет на строение сварного шва и околошовной зоны и, соответственно, на свойства и работоспо собность композиционных изделий в целом. Структура и свойства неоднородной по составу зоны соединения формируются в про цессе сварки взрывом за счет расплавления поверхностных слоев, их перемешивания и диффузии элементов. При этом в зоне соеди нения возможны формирование переходных слоев с пониженной или повышенной (отно сительно исходных материалов) микротвер достью, образование хрупких интерметалли дов и т. д. В зависимости от этого меняется характер разрушения переходной зоны: от вязко пластичного к сколу с участками по верхности вязкого разрушения или хрупкому сколу [4]. Металлографические исследования биме таллических соединений сталь 45–сталь 45 показали, что в зоне соединения слоев, полу ченных при выбранных режимах сварки, на блюдаются регулярные волны, оплавленные участки отсутствуют. Исследование трехслойных композиций сталь 45–медь М3–сталь 45 показало, что вдоль границ раздела сталь–медь (граница А) и медь–сталь (граница Б) расположены зоны, включающие вихревые области, где одновре менно присутствуют медь и сталь (рис. 1) [5]. Такие зоны называют "зонами перемешива( ния", определяя этим термином процессы взаимного перемещения слоев металла при пластических деформациях волнообразова ния. Эти зоны характеризуются высокой сте пенью измельчения зерна. Слои меди, приле гающие к зонам перемешивания, в отдельных участках имеют мелкое равновесное недефор мированное зерно. Участки с мелкими неде формированными зернами образовались пу тем рекристаллизации, обусловленной высо кой степенью деформации и интенсивным выделением тепла в зоне перемешивания. Далее в меди располагается зона сильно де формированных зерен, ориентированная по границе зоны перемешивания. Примерно аналогичная картина наблюдается и в стали, где вдоль зоны перемешивания располагает ся узкая полоса мелкого равновесного зерна феррита, которая сменяется зоной сплошно го деформирования. Сварка взрывом сопровождается значи тельным упрочнением металлов в зоне соуда рения. Измерение микротвердости в биме талле сталь 45–сталь 45 показало резкое по вышение твердости в зоне соединения. Если сталь в исходном состоянии имела микро твердость Н50–2300–2600, то в зоне соедине ния – примерно Н50–4400. На участках шири ной 0,2–0,3 мм, прилегающих к зоне переме Рис. 1. Микроструктура зоны соединения сталь 45– медь М3, ×× 50 62 Енергозберігаючі технології НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 шивания, твердость быстро снижалась [5]. Измерение микротвердости в триметалле сталь 45–медь М3–сталь 45 показало, что если в исходном состоянии микротвердость промы шленной меди М3 была порядка Н50–1000, а стали 45 – Н50–2300–2600, то микротвер дость упрочненных пластической деформа цией металлов в зонах перемешивания до стигала следующих значений: на границе сталь–медь (граница А) сталь упрочнилась до Н50–3740, медь – до Н50–1710, на границе медь–сталь (граница Б) сталь упрочнилась до Н50–4900, медь – до Н50–1400 [5]. Скачок твердости на границе А составил Н50–2030, на границе Б – Н50–3500. Исследования распространения устало стных трещин в слоистых материалах прово дились на машине УРМ 2000 по схеме пуль сирующего растяжения с максимальным на пряжением цикла 250 МПа, коэффициентом асимметрии цикла 0,2 и частотой нагружения 400 цикл/мин. Испытания проводили при постоянной нагрузке, т. е. с развитием устало стной трещины в оставшейся части сечения напряжения возрастали. Процесс роста уста лостной трещины исследовали на плоских прямоугольных образцах с боковым надрезом. Наличие острого бокового надреза предопре деляло зарождение и распространение тре щины в интересующем поперечном направ лении. Надрез производился в стали 45, дно надреза в биметаллах располагалось на рас стоянии 3 мм от границы соединения слоев, в триметаллах – на расстоянии 2,5 мм. При од них и тех же условиях испытывали не менее шести образцов. Для наблюдения за движе нием усталостной трещины лицевые поверх ности образцов полировали от вершины ини циирующего надреза в направлении будущей усталостной трещины (шероховатость в мес тах полировки составляла 0,05–0,08 мкм), а затем на пути роста трещины наносили изме рительную шкалу с ценой деления 1 мм. На блюдение за развитием усталостной трещины осуществлялось с помощью микроскопа типа МВТ, установленном на специальном крон штейне на станине машины. Длину трещины, которую она приобрела за определенное число циклов нагружения образца, измеряли при остановке машины, перемещая по горизонта ли и вертикали объектив микроскопа с помо щью микрометрических винтов. Замер длины трещины производился по лимбу микроско па с точностью 0,01 мм. Анализ полученных результатов показал, что начальная усталостная трещина в стали 45 зарождалась за время 9⋅104 циклов. Период распространения трещин усталости до грани цы раздела сталь–сталь в биметалле и сталь– медь (граница А) в триметалле практически одинаков и составил 140 700 циклов. После перехода усталостной трещины через границу раздела во второй слой в биметалле быстро наступал долом образца, а триметалл простоял еще 122 262 цикла, из которых 18 962 цикла трещина распространялась по медной прослой ке и 103 300 циклов потребовалось на расслое ние по границе медь–сталь (граница Б) и на зарождение усталостной трещины во втором Рис. 2. Кинетика роста усталостной трещины в слоис� тых образцах на основе стали 45 при испытании в ус� ловиях пульсирующего растяжения: 1 – сталь 45– сталь 45; 2 – сталь 45–медь–сталь 45; А – граница соединения в биметалле сталь 45–сталь 45; А–Б – медная прослойка в триметалле сталь 45–медь–сталь 45 63НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 Енергозберігаючі технології стальном слое. Долговечность трехслойных образцов составила 348 000 циклов, а двух слойных – 237 700 циклов. Результаты экспериментов, обработанные на ПЭВМ и приведенные на рис. 2, позволили установить кинетику роста усталостных тре щин. Полученная зависимость длины уста лостной трещины от числа циклов нагруже ния показывает, что развитие трещин в пер вом стальном слое (до границы А, рис. 2) как в биметалле, так и в триметалле происходит идентично. Однако при достижении трещи ной границы соединения слоев кинетика раз рушения композитов принципиально меняет ся. В биметалле трещина переходит во второй слой и распространяется с возрастающей ско ростью вплоть до разрушения образца (кри вая 1, рис. 2). В триметалле наблюдается из менение угла наклона на кинетической кри вой 2 (рис. 2), которое отражает торможение усталостной трещины пластичной прослой кой (участок А–Б), и образование горизон тального участка (на линии Б), вызванное остановкой магистральной усталостной тре щины на границе медь–сталь. Анализ кривых зависимости скорости роста усталостной трещины от ее длины (рис. 3) показывает, что скорость распростра нения трещины не остается постоянной, а сна чала медленно, а затем все быстрее возраста ет, достигая в момент окончательного разру шения максимального значения. Изменение скорости распространения трещины до грани цы соединения слоев в биметалле совпадает с изменением скорости до границы сталь– медь (граница А) в триметалле (рис. 2, 3). В момент перехода границы А в биметалле скорость ус талостной трещины достигала значения 6,86⋅10–8 м/цикл, а в триметалле на границе сталь–медь (граница А) – 6,97⋅10–8 м/цикл. В двухслойной композиции, в которой и основ ной, и плакирующий слои выполнены из ста ли 45, прочное соединение слоев, исключаю щее возможность расслоений по границе раз дела, обеспечило переход трещины из одного слоя в другой без задержки. В трехслойной композиции скорость усталостной трещины, перешедшей в медную прослойку, сразу пада ла до значения 5,82⋅10–8 м/цикл. Трещина, достигшая середины медной прослойки, имела Рис. 3. Зависимость скорости роста усталостной трещины от ее длины: 1 – сталь 45–сталь 45; 2 – сталь 45 –медь М3–сталь 45; А – граница соединения в биметалле сталь 45–сталь 45; А–Б – медная прослойка в триме� талле сталь 45–медь–сталь 45 64 Енергозберігаючі технології НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 скорость 4,08⋅10–8 м/цикл, т. е. уменьшилась на 42 % по сравнению со скоростью трещины на границе сталь–медь. По мере приближения трещины к границе медь–сталь (граница Б, рис. 3) ее скорость постоянно падала, проис ходило торможение трещины и на границе медь–сталь средняя скорость составляла уже 0,48⋅10–8 м/цикл, что соответствовало началу роста трещины в первом слое стали 45. Про цесс разрушения второго слоя стали происхо дил аналогично разрушению в первом слое. Циклическую деформацию и разрушение сопровождают сложные конкурирующие про цессы: разблокировка дислокаций и возник новение новых дислокаций (деформационное упрочнение); возникновение повреждаемос ти (пор, субмикротрещин, микротрещин); вторичная блокировка дислокаций (динами ческое деформационное старение) [1, 6], кото рые определяются не только условиями на гружения, но и сформировавшейся структу рой материала. Существующие представления о разруше нии как дискретном процессе основаны на скочкообразности роста трещины при исчерпа нии пластичности у ее вершины, что сопрово ждается эмиссией волн напряжений [7]. Ме ханизм исчерпания пластичности зависит от локального напряженного состояния у вер шины трещины, характеризуемого наличием трех зон с различным уровнем напряжений: в зоне 1 существуют сжимающие, а в зонах 2, 3 – растягивающие напряжения (рис. 4). Физическая природа разрушения металла при циклическом нагружении связана с накап ливаемой пластической деформацией [1, 6]. Формирование зон локальной пластической деформации у вершины надреза при испыта ниях образцов в условиях пульсирующего растяжения изучалось визуальным наблюде нием шлифованной поверхности. Зона дефор мации и поверхность разрушения дополни тельно исследовались с помощью оптическо го микроскопа. Установлены следующие закономерности формирования зон локальной пластической деформации: в процессе пластической дефор мации локальная деформация у вершины трещины, где значения локальных напряже ний превышают предел текучести материала, формирует две симметричные области плос кой деформации в форме лепестков, располо Рис. 4. Распределение напряжений в зоне у вершины трещины: 1 – сжимающие; 2, 3 – растягивающие Рис. 5. Вид пластической зоны у вершины трещины в соединении, ×× 500 65НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 Енергозберігаючі технології женных под углом примерно 45° относитель но оси приложения нагрузки (рис. 5), в кото рых характерно появление микропор и де формационных полос (складок) на поверх ности (рис. 6). Развитие зон до момента до стижения нагрузкой величины, близкой к максимальной, происходит симметрично, за тем рост одной из них замедляется, а второй – интенсивно увеличивается (рис. 7) и в ней начинает формироваться магистральная тре щина (рис. 8). В соответствии с напряжения ми, возникающими в этой зоне (рис. 4), ло кальная пластическая деформация развивает ся в поверхностных слоях с выдавливанием бугра деформации и образованием впадины. В переходной области бугор деформации – впадина, являющейся зоной интенсивного пластического течения, при достижении пре дельных для данного материала локальных пластических деформаций происходит обра зование начальной трещины путем выхода дислокаций на поверхность, образования ми кропор в форме тетраэдров, слияние которых и формирует магистральную трещину (рис. 9). Более интенсивная деформация поверхност ного слоя по толщине у вершины надреза при водит к превышению скорости распростране Рис. 6. Формирование микропор в зоне деформации, ×× 2000 Рис. 7. Рост пластической зоны у вершины трещины, ×× 500 Рис. 8. Формирование трещины в соединении, ×× 500 Рис. 9. Соединение пор и разрывов в трещине, ×× 500 66 Енергозберігаючі технології НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 ния трещины вглубь образца над скоростью ее перемещения по наружной поверхности. Разрушение носит дискретный характер и представляет собой соединение пор и разры вов в области локальной пластической де формации. Траектория движения усталостной тре щины в слоистом материале имеет сложную конфигурацию, обусловленную изменением характера разрушения различных слоев ком позиций, из которых большее значение при обретает зона соединения слоев. Изменение траектории распространения усталостной трещины рассмотрено на примере разрушения триметалла сталь 45–медь М3–сталь 45. Раз рушение слоя стали носит характер хрупкого разрушения в виде скола. Перешедшая в мед ную прослойку трещина изменяет направле ние своего распространения: отклоняется от плоскости влияния максимальных растяги вающих напряжений и развивается в направ лении влияния максимальных касательных напряжений. Изменение направления распро странения усталостной трещины в медной прослойке вызвано изменением типа устало стного трещинообразования. Медь – материал с большой энергией дефектов упаковки, у ко торого в связи с высокой способностью пере ползания винтовых дислокаций из одной кристаллографической плоскости в другую обеспечено поперечное скольжение. Микро трещины усталости возникают в полосах скольжения и продолжают развиваться в пре делах этих полос в направлении влияния максимальных касательных напряжений. При одноосном нагружении растяжением это на правление соответствует плоскостям, распо ложенным под углом 45° к боковой поверх ности образца. Совпадение плоскости рас пространения трещины с направлением влия ния максимальных касательных напряжений объясняется тем, что в каждом отдельном зерне поликристалла имеется достаточное количество потенциальных систем активно го скольжения, позволяющих задействовать плоскости, наиболее благоприятно ориенти рованные для реализации сдвига. В медной прослойке при циклическом нагружении происходит ветвление трещины, наблюдается значительное количество микротрещин, боль шинство из которых прекращает расти, одна ко часть микротрещин продолжает разви ваться, объединяясь между собой и образуя магистральную макротрещину. Рис. 10. Схема развития пластической зоны у вершины трещины а) б) 67НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 Енергозберігаючі технології Кроме того, с ростом длины происходит повторная переориентация сдвиговой тре щины в плоскость влияния максимальных растягивающих напряжений. На этом закан чивается первая стадия разрушения медной прослойки – кристаллографического распро странения трещины. Вторая стадия – субкри тическое распространение трещины – проте кает по схеме нормального отрыва. Приблизившись к границе медь–сталь, усталостная трещина отклоняется от перво начального направления движения и распро страняется в обе стороны вдоль границы раз дела. При этом рост магистральной трещины прекращается, т. е. процесс разрушения вдоль ширины образца останавливается (горизон тальный участок кривой 2 на рис. 2). Проведенные исследования показали, что траектория усталостной трещины, распро страняющейся в слоистом материале, имеет сложную конфигурацию, вызванную ее ветв лением по промежуточной прослойке и тор можением трещины у препятствия (границы раздела слоев). Наблюдаемое в эксперименте поведение усталостной трещины согласуется с числен ными результатами профессора В. Н. Ковалев ского [4] по определению направления дви жения трещины на границе раздела, пред ставленными на рис. 10. Анализ полученных экспериментальных результатов и результа тов численного расчета [4] позволяет сделать следующие выводы: – при переходе трещины из материала с бо лее высоким модулем упругости (сталь 45) в материал с более низким значением (медь) пластическая зона развивается впереди трещины и наиболее вероятен переход трещины через границу раздела в другой материал (рис. 10, а), – при переходе трещины из материала с бо лее низким модулем упругости в материал с более высоким модулем упругости раз витие пластической зоны идет вдоль гра ницы соединения, что делает более веро ятным движение трещины по границе раздела (рис. 10, б). Для меди разрушение обусловлено ло кальной концентрацией пластической дефор мации в процессе циклического нагружения. В процессе локализованного пластического сдвига в связи с накоплением остаточных сме щений из за необратимой пластической де формации в монолитных медных образцах развивается рельеф на первоначально гладкой поверхности [8]. По мере увеличения коли чества циклов идет накопление на поверхно сти вертикальных смещений с образованием пакетно распределенных впадин и выступов, служащих местами больших концентраций деформаций, что ведет к возникновению раз рывов – микротрещин. Формирование мик ротрещины происходит, когда концентрация напряжений в поверхностной впадине не мо жет больше релаксировать за счет пластичес кого сдвига и является достаточно высокой для разрыва межатомных связей. Таким об разом, появляются тонкослойные разделен ные участки металла, выступающие на по верхность (экструзии), а также вдавленные в нее (интрузии). На формирование микротрещин в мед ной прослойке слоистой композиции боль шое влияние оказывает прочное соединение меди со сталью, обеспеченное сваркой взры вом, которое препятствует образованию эск трузий и интрузий и существенно увеличи вает сопротивление медной прослойки рас пространению трещины. Задержка движения магистральной тре щины при переходе из медного в стальной слой, по видимому, связана не только с дви жением трещины вдоль границы медь–сталь, но и с механизмом ее зарождения в стальном слое. Для дальнейшего разрушения триме талла необходимо, чтобы трещина зароди лась во втором стальном слое, что требует до 68 Енергозберігаючі технології НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 3, 2006 полнительного количества циклов нагруже ния. Таким образом, установлены следующие закономерности формирования зон локальной пластической деформации и движения тре щины в условиях усталостного нагружения: – в процессе нагружения у вершины надре за под углом 45° относительно оси прило жения нагрузки формируются две сим метричные зоны локальной пластической деформации в форме лепестков, представ ляющие собой концентрацию фронта пластической деформации, размеры ко торых возрастают с ростом нагрузки; – развитие зон до момента достижения на грузкой величины, близкой к максималь ной, происходит симметрично, затем рост одной из них замедляется, а второй – ин тенсивно увеличивается и в ней начинает формироваться магистральная трещина; – локальная пластическая деформация раз вивается в поверхностных слоях с обра зованием бугра деформации и впадины; – возникновение трещины наблюдается на поверхности образца у кромки надреза в области максимального течения металла (переход от бугра деформации во впадину); – разрушение носит дискретный характер и представляет собой соединение пор и разрывов в области локальной пластиче ской деформации; – траектория движения трещины имеет сложную конфигурацию, вызванную ее ветвлением и торможением трещины у препятствия (границы раздела), и зависит от количества и свойств слоев; – при переходе трещины из материала с бо лее высоким модулем упругости в мате риал с более низким значением наблюда ется переход трещины через границу раз дела в другой материал без изменения направления распространения; – переход трещины из материала с более низким модулем упругости в материал с более высоким модулем затруднен, на блюдается длительное движение трещи ны по границе раздела; – введение в структуру композиции проме жуточного металлического слоя, облада ющего резко отличными физико механи ческими свойствами и повышенной вяз костью, приводит к повышению трещи ностойкости материала. Установленные закономерности пласти ческого деформирования и распространения усталостных трещин в слоистых композицион ных материалах, полученных сваркой взры вом, позволяют управлять формированием структуры композитов и их сопротивлением распространению трещин. ЛИТЕРАТУРА 1. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа устало сти металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 455 с. 2. Дидык Р. П. Исследование возможности исполь зования взрыва для получения биметаллических и бислойных труб: Дис... канд. техн. наук. – Днепро петровск, 1965. – 221 с. 3. Захаренко И. Д. Сварка металлов взрывом. – Минск: Навука і тэхніка, 1990.–204 с. 4. Ковалевский В. Н. Принципы создания эрозион ностойких слоистых композиционных материалов методами импульсного нагружения и технология производства труб для изделий новой техники: Дис... д ра техн. наук. – Минск, 1989. – 492 с. 5. Олишевская В. Е. Исследование вязкости разру шения слоистых композиционных материалов. // Науковий вісник НГАУ. – 2001. – № 6. – С. 54–57. 6. Иванова В. С. Разрушение металлов. – М.: Метал лургия, 1979. – 167 с. 7. Статья на специальную тему / Н. Г. Минаев, В. Н. Ковалевский, В. Д. Харитонов, Г. И. Киселе ва // ЖОТ. – 1983. – № 9. – С. 12–17. 8. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие: В 4 т. / Под общей ред. В. В. Пана сюка. – К.: Наук. думка, 1988.

Пластическая деформация и распространение усталостных трещин в слоистых металлических композициях, полученных сваркой взрывом

Репозитарії

Схожі ресурси