Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения

Исследована дислокационная структура псевдо-α-сплава системы Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si, испытанного на усталость и циклическую трещиностойкость в идентичных условиях симметричного растяжения-сжатия с частотами 100, 500, 3000 и 10000 Гц. Показано, что эволюция структуры сплава в период накопления усталост...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2000
1. Verfasser:	Яковлева, Т.Ю.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2000
Schriftenreihe:	Проблемы прочности
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46369
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения / Т.Ю. Яковлева // Проблемы прочности. — 2000. — № 6. — С. 73-83. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-46369
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-463692013-06-29T19:43:38Z Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения Яковлева, Т.Ю. Научно-технический раздел Исследована дислокационная структура псевдо-α-сплава системы Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si, испытанного на усталость и циклическую трещиностойкость в идентичных условиях симметричного растяжения-сжатия с частотами 100, 500, 3000 и 10000 Гц. Показано, что эволюция структуры сплава в период накопления усталостных повреждений наблюдается в ограниченном числе микрообъемов в области локальных концентраторов напряжений на фоне значительного количества возникающих, но не развивающихся зон структурных изменений и практически неизменного состояния остального материала. На стадии развития магистральной трещины структура зоны пластической деформации в ее вершине представляет собой дальнейшее логическое развитие структуры, сформированной на стадии накопления усталостных повреждений. Однако значительно более высокий, чем в основном объеме материала уровень напряжений приводит к формированию дополнительных структурных элементов и ослаблению роли локальных концентраторов напряжений. Указанные закономерности справедливы во всем исследованном диапазоне частот циклического нагружения. Изменение скорости циклического нагружения несущественно уменьшает размеры микрообластей максимальных структурных изменений в период накопления усталостных повреждений и элементов ячеистой структуры на стадии развития магистральной трещины. Досліджена дислокаційна структура псевдо-α-сплаву системи Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si, який випробовували на втому та циклічну тріщиностійкість в ідентичних умовах симетричного розтягу-стиску з частотами 100, 500, 3000 і 10000 Гц. Показано, що еволюція структури сплаву в період накопичення втомних пошкоджень спостерігається в обмеженій кількості мікрооб’ємів в області локальних концентраторів напружень на тлі значно більшої кількості зон структурних змін, що виникають, але не розвиваються, і практично незмінного стану решти матеріалу. На стадії розвитку магістральної тріщини структура зони пластичної деформації в її вістрі представляє собою подальший логічний розвиток структури, сформованої на стадії накопи чення втомних пошкоджень. Однак значно вищий, ніж в основному об’ємі матеріалу рівень напружень приводить до формування додаткових структурних елементів та послаблення ролі локальних концентраторів напружень. Вказані закономірності справедливі для всього досліджуваного діапазону частот циклічного навантаження. Зміна швидкості циклічного навантаження в незначній мірі зменшує розміри мікрообластей максимальних структурних змін у період накопичення втомних пошкоджень та розмір елементів комірчастої структури на стадії розвитку магістральної тріщини. We study the dislocation structure of quasi-α-alloy of the Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si system subjected to fatigue and crack propagation resistance tests under the identical symmetrical tension-compression conditions with frequencies of 100, 500, 3000 and 10000 Hz. It is shown that at the fatigue-damage accumulation stage, evolution of the alloy structure manifests itself in a limited number of microvolumes located in the region of local stress concentrators with the background of much more numerous emerging but nonpropagating zones of structural changes, while the rest of material remains practically unchanged. At the stage of macrocrack propagation, structure of the plastic strain zone at the crack tip is a further logically justified development of the structure formed at the fatigue-damage accumulation stage. However, the level of stresses that significantly exceeds the one observed in the bulk material results in formation of additional structural elements and decreases the effect of the local stress concentrators. The above behavior is observed for the whole investigated frequency range of cycling loading. Change in the cycling rate results in the insignificant size reduction of microvolumes with maximal structural changes at the stage of fatigue-damage accumulation and of cell-structure elements at the stage of macrocrack propagation. 2000 Article Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения / Т.Ю. Яковлева // Проблемы прочности. — 2000. — № 6. — С. 73-83. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46369 669:539.4 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Яковлева, Т.Ю. Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения Проблемы прочности
description	Исследована дислокационная структура псевдо-α-сплава системы Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si, испытанного на усталость и циклическую трещиностойкость в идентичных условиях симметричного растяжения-сжатия с частотами 100, 500, 3000 и 10000 Гц. Показано, что эволюция структуры сплава в период накопления усталостных повреждений наблюдается в ограниченном числе микрообъемов в области локальных концентраторов напряжений на фоне значительного количества возникающих, но не развивающихся зон структурных изменений и практически неизменного состояния остального материала. На стадии развития магистральной трещины структура зоны пластической деформации в ее вершине представляет собой дальнейшее логическое развитие структуры, сформированной на стадии накопления усталостных повреждений. Однако значительно более высокий, чем в основном объеме материала уровень напряжений приводит к формированию дополнительных структурных элементов и ослаблению роли локальных концентраторов напряжений. Указанные закономерности справедливы во всем исследованном диапазоне частот циклического нагружения. Изменение скорости циклического нагружения несущественно уменьшает размеры микрообластей максимальных структурных изменений в период накопления усталостных повреждений и элементов ячеистой структуры на стадии развития магистральной трещины.
format	Article
author	Яковлева, Т.Ю.
author_facet	Яковлева, Т.Ю.
author_sort	Яковлева, Т.Ю.
title	Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения
title_short	Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения
title_full	Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения
title_fullStr	Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения
title_full_unstemmed	Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения
title_sort	взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава вт18у в процессе усталостного разрушения
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2000
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46369
citation_txt	Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения / Т.Ю. Яковлева // Проблемы прочности. — 2000. — № 6. — С. 73-83. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT âkovlevatû vzaimosvâzʹmikromehanizmovstrukturnojperestrojkititanovogosplavavt18uvprocesseustalostnogorazrušeniâ
first_indexed	2025-07-04T05:36:23Z
last_indexed	2025-07-04T05:36:23Z
_version_	1836693463902453760
fulltext	УДК 669:539.4 Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения Т. Ю . Я ковлева Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина Исследована дислокационная структура псевдо-а-сплава системы Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si, испытанного на усталость и циклическую трещиностойкость в идентичных условиях симметричного растяжения-сжатия с частотами 100, 500, 3000 и 10000 Гц. Показано, что эволюция структуры сплава в период накопления усталостных повреждений наблю дается в ограниченном числе микрообъемов в области локальных концентраторов напря жений на фоне значительного количества возникающих, но не развивающихся зон струк турных изменений и практически неизменного состояния остального материала. На стадии развития магистральной трещины структура зоны пластической деформации в ее вершине представляет собой дальнейшее логическое развитие структуры, сформированной на ста дии накопления усталостных повреждений. Однако значительно более высокий, чем в основном объеме материала уровень напряжений приводит к формированию дополнитель ных структурных элементов и ослаблению роли локальных концентраторов напряжений. Указанные закономерности справедливы во всем исследованном диапазоне частот цикли ческого нагружения. Изменение скорости циклического нагружения несущественно умень шает размеры микрообластей максимальных структурных изменений в период накопления усталостных повреждений и элементов ячеистой структуры на стадии развития магист ральной трещины. К лю ч е вы е слова: циклическое нагружение, частота, накопление повреж дений, усталостная трещина, зона пластической деформации, дислокаци онная структура Введение. Структурная перестройка материала представляет собой от ветную реакцию последнего на любые внешние воздействия, приводящие к разрушению. В случае циклического деформирования процесс структурной перестройки развивается в течение определенного периода времени, со ответствующего числу циклов деформирования, предшествующих началу развития магистральной трещины. Продолжительность этого периода, назы ваемого инкубационным, или периодом накопления усталостных повреж дений, зависит от свойств материала и условий нагружения. Поэтому иссле дование эволюции дислокационной структуры материала в зависимости от числа циклов нагружения используют в научных и практических целях. Такого рода исследования достаточно широко применяют как для анализа функциональных свойств материалов, так и для изучения влияния условий циклического нагружения на величины предела выносливости и цикли ческой долговечности металлов и сплавов [1-5]. Закономерности развития усталостной трещины все чаще рассматри ваются с позиций микроструктурой механики разрушения, учитывающей состояние материала в зоне пластической деформации [6-9]. Однако объем экспериментальных исследований дислокационной структуры в зоне плас тической деформации магистральной трещины значительно меньше, чем в основном материале в период накопления усталостных повреждений. В © Т. Ю. ЯКОВЛЕВА, 2000 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, N 6 73 Т. Ю. Яковлева первую очередь это связано с методическими трудностями получения фольг из областей металла, примыкающих к зоне разрушения. Кроме того, по давляющее большинство результатов получено на металлах с кубической решеткой. Анализ известных данных показывает, что на фоне большого внимания, уделяемого изучению структурных характеристик как в течение инкуба ционного периода, так и на стадии распространения магистральной тре щины, указанные области исследований рассматриваются как самостоятель ные и практически не пересекаются. Несмотря на то что накопление уста лостных повреждений и развитие трещины являются взаимосвязанными стадиями единого процесса - усталостного разрушения, исследование дис локационных структур, формирующихся в процессе циклического нагруже ния, включая период развития магистральной трещины, и анализ полу ченных результатов с единой методологической точки зрения представляют значительный научный и практический интерес. Использование с этой це лью титановых сплавов обусловлено, с одной стороны, их широким про мышленным применением, а с другой - тем, что они менее изучены по сравнению с металлами кубической сингонии. М атериал и методики исследований. Материалом для исследований служил деформируемый жаропрочный псевдо-а-сплав ВТ18У системы Ті- А І^г-Б п -М о-Н Ь -Б і в отожженном состояния. Механические характерис тики сплава [4] следующие: о в = 1071 МПа, о 02 = 939 МПа, 6 = 14,8%, ^ = 30,3%, Е = 1 , 2105 МПа. Для получения сопоставимых результатов исследований дислокацион ной структуры в течение инкубационного периода, предшествующего появ лению макротрещины и на стадии ее развития, испытания на циклическую прочность и трещиностойкость проводили на образцах, изготовленных из материала одной плавки. Испытания осуществляли в тщательно контролируемых идентичных условиях комнатной температуры на воздухе при симметричных циклах осевого растяжения-сжатия образцов (рис. 1). Размеры образцов и методика испытаний [4] аналогичны для всех частот нагружения, приведенных в таблице. Размеры образцов для исследований циклической трещиностой- кости обеспечивали выполнение условия плоской деформации в вершине трещины на протяжении всего периода ее распространения. Пределы выносливости и пороговые коэффициенты интенсивности напряжений при различных частотах нагружения I , Гц о_ 1, МПа ДКЛ, МПал/м 100...150 355 6,20 500...600 360 6,36 3000 375 6,62 10000 400 7,08 ст-1 - предел выносливости на базе 2-107 циклов; ДКЙ - пороговый коэффициент интенсивности напряжений при скорости 3 • 10-10 м/цикл 74 НБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6 Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки а . 1 2 0 „ ___ ^ ' ! ' - _ < ф э ! \ 1 А т}- 1 М , > 1 > -■ А в ► — - I I М . б г Рис. 1. Образцы для испытаний на усталость (а) и циклическую трещиностойкость (в), а также соответствующие схемы вырезки исследуемых участков (б, г). В течение инкубационного периода электронно-микроскопические ис следования осуществляли на фольгах, вырезанных из образцов в исходном состоянии и испытанных при одинаковом для всех частот уровне напря жений 495 МПа. Анализировали структуру образцов, испытания которых были прекращены по достижении числа циклов Ы, равного 0,1; 0,5; 0,9 числа циклов до появления макротрещины, а также в разрушенном состо янии. Структуру последних исследовали на расстоянии 0,5...0,7 мм от поверхности излома, т.е. поверхность разрушения удаляли. Таким образом, влияние концентратора напряжений (вершины трещины) на состояние ма териала отсутствовало. Для анализа дислокационной структуры на стадии развития магист ральной трещины была разработана специальная методика одновременного прицельного получения фольг и оксидных реплик из неповрежденной по верхности разрушения. Диски размером 3 мм вырезали из заданного участка поверхности разрушения, соответствующего фиксированному значению коэффициента интенсивности напряжений (Д ^). Затем их подвергали односторонней шли фовке и электрополировке. Вторую сторону дисков, представляющую собой излом, покрывали специальной защитой пленкой, которую после электро полировки удаляли растворителем. Режимы электрополировки позволяли на одном и том же диске одновременно получать достаточно “прозрачные” области для исследования дислокационной структуры и участки оксидных реплик, используемые для детального анализа рельефа поверхности раз рушения. Полученные фольги просматривали в высоковольтном (1000 кВ) электронном микроскопе. Результаты исследований. В исходном состоянии исследуемый сплав имеет структуру “корзиночного плетения” с размерами а-пластин 5 . 7 мкм. Вдоль границ раздела а - и в-фаз присутствует большое количество ко агулированных выделений - частиц а 2-фазы (интерметаллида Т13А1), а также незначительное количество гидридов, расположенных главным обра 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6 75 Т. Ю. Яковлева зом в плоскостях {1011} и {1 2 1 2 } по субграницам и а / ^-границам (рис. 2,а). В небольшом количестве частицы интерметаллида встречаются на фоне а-твердого раствора. Для дислокационной структуры характерны сет ки и двойники в а-фазе. Распределение дислокаций по объему неравно мерное, хотя встречаются отдельные а-зерна со сравнительно равномерным распределением линейных и слегка изогнутых коротких дислокационных отрезков. Рис. 2. Эволюция дислокационной структуры сплава в течение инкубационного периода: а - исходное состояние; б - N = 0,1^р, / = 100 Гц; в - N = 0,5N р, / = 500 Гц; г - N = 0,5N р, / = 10000 Гц; д - N = 0,9N р, / = 100 Гц; е - N = 0,9N р, / = 500 Гц. Анализ эволюции дислокационной структуры на стадии, предшеству ющей появлению макротрещины, показал прежде всего не только локаль ный [3, 4], но и неравномерный как по объему, так и периоду нагружения характер структурных изменений. Эволюция структурных параметров на блюдается в ограниченном числе микрообъемов на фоне значительно боль шего количества возникающих, но не развивающихся областей структурных изменений и практически стабильного состояния остального материала. В исследованном диапазоне частот по достижении числа циклов нагру жения, равного 10% долговечности (рис. 2 ,б), для микрообластей разви вающихся структурных изменений характерно повышение плотности дис локаций и распад частиц а 2-фазы. Дальнейшее нагружение вплоть до N = 0,5 N р (рис. 2,в,г) сопровождается деформацией межфазных границ с формированием ГЦК-прослоек, повышением плотности дислокаций в при 76 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 6 Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки мыкающих к межфазным границам областях а-фазы. Состояние предраз- рушения, соответствующее N = 0,9 N р (рис. 2,д,е), и разрушения (рис. 3) характеризуется кроме указанных особенностей распадом сеток и форми рованием плоских дислокационных скоплений в микрообъемах с понижен ным содержанием интерметаллида Т13Л1. В то же время вблизи частиц интерметаллида сетки сохранены. ̂ ЧИ ■! г ■ * Д В Ь Ь вм . и "" ? ■ Е В ь Н Е * 1.1 а . У ■■ о Рис. 3. Дислокационная структура материала, разрушенного в результате усталостных испы таний: а - / = 500 Гц; б - / = 3000 Гц; в - / = 10000 Гц. Следует отметить, что каждому периоду нагружения (от N = 0,1 N р до N = N р) соответствует структурное состояние, включающее в себя всю “предысторию нагружения”. Например, при N = 0,9 N p структурное состо яние характеризуется наличием не только микрообъемов видоизмененной структуры, но и микрообластей как исходной структуры, так и соответ ствующей 0,1 N р и 0,5 N р. Влияние частоты нагружения на дислокационную структуру выража ется в менее заметном повышении плотности дислокаций в а-фазе и не котором увеличении ширины межфазных прослоек. Хотя представляющие собой сдвойникованную ОЦК-решетку одиночные широкие прослойки на блюдали и в условиях низкочастотного нагружения. Из приведенных в таблице величин базы испытаний при определении пределов выносливости и скорости роста трещины при определении поро гового значения коэффициента интенсивности напряжений следует, что в обоих случаях число циклов нагружения, которому материал был подверг нут, приблизительно одинаковое. Учитывая практически одинаковые часто ты нагружения, одну и ту же форму цикла и температуру, можно говорить о приблизительно одинаковых припороговых условиях развития макротрещи ны при испытаниях на усталость и циклическую трещиностойкость. Применение просвечивающей электронной микроскопии непосредст венно в зоне разрушения показало, что в исследованном материале рост усталостной трещины во всем диапазоне значений АК сопровождается формированием нескольких основных типов дислокационной структуры: ячеистой, полосовой, скоплений дислокационных петель, сочетания петель дефектов упаковки с элементами ячеистой структуры. В припороговой обла сти скоростей роста трещины преобладает чередование зон высокой и ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6 77 Т. Ю. Яковлева низкой плотности дислокаций (рис. 4,а,б). По мере увеличения значений АК отдельные области ячеистой структуры трансформируются в полосо вую структуру, соответствующую разрушению по механизму формирования усталостных бороздок. Для полосовой структуры характерно отсутствие непрерывной дислокационной границы, отделяющей внутренние объемы полос от основного объема металла или смежной полосы (рис. 4,в). Вид ячеистой структуры, формирующейся в этом сплаве (рис. 4,г), отличается от таковой в области разрушения технически чистого титана [9, 11]. Стенки ячеек более широкие и не всегда замкнуты. Рядом с ячейками расположены области плоских дислокационных скоплений с очень высокой плотностью дислокаций в них. В то же время в данном сплаве обнаружены области с типом ячеистой структуры, характерной для технически чистого титана [9]. Причем если в основном объеме металла области с пониженным содер жанием алюминия обычно располагались вблизи частиц интерметаллида Т13Л1, то в зоне разрушения эти частицы вообще обнаружить не удалось. Следует отметить, что полосовая структура в этом сплаве не всегда фор мировалась не только в диапазоне значений АК, соответствующих при- пороговому участку кинетической диаграммы, но и в области достаточно больших величин коэффициента интенсивности напряжений. Так, в случае разрушения по а-пластинам, если трещина распространялась вдоль “ребер” пластин (рис. 4,д), она отсутствовала. Рис. 4. Дислокационная структура материала в зоне разрушения образцов, испытанных на циклическую трещиностойкость: а - / = 140 Гц, АК = 6,3 МПал/м; б - / = 10000 Гц, АК = 7,3 МПал/м; в - / = 140 Гц, АК = 15,5 МПал/м; г - / = 600 Гц, АК = 17 МПал/м; д - / = 3000 Гц, АК = 7 МПаТм. 78 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, N2 6 Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки Изменение частоты нагружения мало влияет на характер дислокаци онной структуры, что иллюстрируют рис. 2-4. Обсуждение результатов. Сопоставление характера структурных из менений на различных стадиях накопления усталостных повреждений пока зывает, что развивающаяся пластическая деформация наблюдается в огра ниченном количестве локальных микрообъемов. Специфическим отличием этих микрообъемов от остального материала является, прежде всего, ло кальная концентрация напряжений. В связи с тем что в полуциклах растя жения и сжатия активны различные системы скольжения [12], влияние знака напряжений в условиях симметричного нагружения существенного значе ния не имеет. Так, например, сжимающие напряжения, снижая локальные результирующие напряжения в полуцикле растяжения, в большей или мень шей степени активизируют скольжение по соответствующим системам в полуцикле сжатия. Поэтому вторая важная характеристика микрообластей максимальных структурных изменений - благоприятная локальная кристал лографическая ориентировка по отношению к оси приложения нагрузки в комплексе с локальным химическим составом твердого раствора. В част ности, преимущественное формирование плоских дислокационных скопле ний в микрообъемах с пониженным содержанием интерметаллида Т13Л1 связано с локальным понижением величины энергии дефекта упаковки при переходе алюминия в твердый раствор в результате распада частиц а 2- фазы. Обогащение матрицы алюминием затрудняет поперечное скольжение и образование сеток, способствуя формированию плоских скоплений. Фор мирование как плоских скоплений, так и сеток осуществляется главным образом в плоскостях призмы, скольжение по которым в системах Т1-Л1 инициируется в первую очередь [13]. Анализ темнопольных изображений, полученных при разных углах наклона фольги [14], показывает, что степень сравнительного развития структурных изменений в указанных микрообъемах по мере увеличения числа циклов нагружения также существенно зависит от ориентации дейст вующей системы скольжения относительно оси приложения нагрузки. Меж- фазные границы, обогащенные частицами интерметаллида Т13Л1, менее чув ствительны к ориентации относительно оси приложения нагрузки, чем де формируемая скольжением а-фаза. Вероятно, это обусловлено тремя ос новными факторами: более высокой прочностью а-твердого раствора по сравнению с в-фазой, о чем свидетельствует образование двойниковых межфазных прослоек; локальной концентрацией напряжений вблизи частиц а 2-фазы, связанной с микроструктурной и концентрационной по алюми нию неоднородностью, и более высоким уровнем критических скалыва ющих напряжений по сравнению с напряжениями, необходимыми для раз рушения интерметаллида. Последнее подтверждается преимущественным разрушением частиц а 2-фазы и низким для сплава данного класса уровнем пластичности. По-видимому, проявление ориентационной и кристаллографической чувствительности вследствие низкого уровня внешней нагрузки, соответ ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6 19 Т. Ю. Яковлева ствующей макроупругой области, - одно из объяснений наличия сравни тельно большого количества “замороженных” в структурном отношении микрообъемов, т.е. прекративших свое развитие на определенной стадии нагружения (например, при N = 0,1 или 0,5М р). Структура зоны пластической деформации магистральной трещины в припороговой области значений АК представляет собой дальнейшее логи ческое развитие структуры, сформированной на стадии накопления уста лостных повреждений в основном объеме. Однако значительно более высо кий, чем в основном объеме материала, локальный уровень напряжений даже в припороговом интервале значений АК, обусловленный влиянием такого мощного концентратора, как вершина трещины, предопределяет осо бенности этой зоны. Свидетельством исключительно высокого уровня напряжений в вер шине трещины служит формирование, начиная с припороговых значений А К , ячеистой структуры в материале с низким значением энергии дефекта упаковки, каковым является сплав ВТ18У. Активизация поперечного сколь жения, в свою очередь, обеспечивает существенное повышение плотности дислокационных петель по сравнению с основным объемом. Присутствие в смежных микрообъемах плоских дислокационных скоплений, а также эле ментов ячеистой структуры различного вида, очевидно, связано с концент рационной неоднородностью алюминия. Кроме того, уровень локальных напряжений достаточно высок, чтобы ослабить факторы, игравшие замет ную роль в течение инкубационного периода. Так, анализ общего характера структурных изменений показывает, что основной объем материала на стадии накопления усталостных повреждений обладает большим числом “степеней свободы” - вероятных слабых мест в достаточно далеко отсто ящих друг от друга различно ориентированных кристаллитах. В то время как в области разрушения в процессе пластической деформации вынужден принимать участие практически весь микрообъем, попадающий в зону влия ния вершины трещины. Например, по сравнению с периодом накопления усталостных повреждений на стадии развития усталостной трещины со хранена, но за счет высокого уровня напряжений значительно ослаблена роль локальных концентраторов напряжений и ориентационного соотно шения кристаллографических плоскостей по отношению к оси приложения нагрузки. В частности, с одной стороны, отсутствие полосовой структуры в случае разрушения вдоль “ребер” а-пластин независимо от величины АК - свидетельство существенного влияния ориентации а-колоний на вид дис локационной структуры. Однако, с другой стороны, практически полное отсутствие а 2-фазы в зоне разрушения означает, что уровень напряжений в вершине трещины достаточен для ее разрушения независимо от ориентации плоскости залегания. Отсутствие достаточно ярко выраженного влияния частоты нагружения на прочностные характеристики данного сплава по сравнению с технически чистым титаном и сплавом ВТ22 [4], вероятно, связано с охрупчивающим влиянием а 2-фазы. 80 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6 Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки В ы в о д ы 1. Эволюция структурных параметров сплава ВТ18У в период накоп ления усталостных повреждений, обусловленная главным образом форми рованием межфазных двойниковых прослоек и разрушением частиц а 2-фазы, наблюдается в ограниченном числе микрообъемов на фоне боль шего количества возникающих, но не развивающихся областей структурных изменений и практически стабильного состояния остального материала. Ха рактерной особенностью микрообъемов максимальных структурных изме нений является их повышенная чувствительность к внешним нагрузкам, обусловленная благоприятной локальной кристаллографической ориенти ровкой, локальной концентрацией напряжений, повышенной структурной и концентрационной неоднородностью по алюминию. 2. Степень сравнительного развития структурных изменений в указан ных микрообъемах по мере увеличения числа циклов нагружения сущест венно зависит от их кристаллографической чувствительности относительно оси приложения нагрузки, что обусловливает наличие сравнительно боль шого количества “замороженных” в структурном отношении микрообъемов, т.е. прекративших свое развитие на той или иной стадии нагружения. 3. Структура зоны пластической деформации магистральной трещины в припороговой области значений АК представляет собой дальнейшее логи ческое развитие структуры, сформированной на стадии накопления уста лостных повреждений в основном объеме. Однако значительно более вы сокий, чем в основном объеме материала локальный уровень напряжений, обусловленный влиянием вершины трещины, предопределяет особенности этой зоны. В частности, ослаблена роль локальных концентраторов напря жений и ориентационного соотношения кристаллографических плоскостей по отношению к оси приложения нагрузки. 4. Указанные закономерности справедливы в диапазоне частот цикли ческого нагружения 100...10000 Гц. Изменение скорости циклического на гружения не влияет на кинетику структурных изменений, незначительно уменьшая размеры микрообластей максимальных структурных изменений в период накопления усталостных повреждений и размер элементов ячеистой структуры на стадии развития магистральной трещины. Р е з ю м е Досліджена дислокаційна структура псевдо-а-сплаву системи Т і-А І^ г -Б п - М о-КЬ-Бі, який випробовували на втому та циклічну тріщиностійкість в ідентичних умовах симетричного розтягу-стиску з частотами 100, 500, 3000 і 10000 Гц. Показано, що еволюція структури сплаву в період накопичення втомних пошкоджень спостерігається в обмеженій кількості мікрооб’ємів в області локальних концентраторів напружень на тлі значно більшої кіль кості зон структурних змін, що виникають, але не розвиваються, і практично незмінного стану решти матеріалу. На стадії розвитку магістральної трі щини структура зони пластичної деформації в її вістрі представляє собою подальший логічний розвиток структури, сформованої на стадії накопи- ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 6 81 Т. Ю. Яковлева чення втомних пошкоджень. Однак значно вищий, ніж в основному об’ємі матеріалу рівень напружень приводить до формування додаткових струк турних елементів та послаблення ролі локальних концентраторів напружень. Вказані закономірності справедливі для всього досліджуваного діапазону частот циклічного навантаження. Зміна швидкості циклічного навантаження в незначній мірі зменшує розміри мікрообластей максимальних структурних змін у період накопичення втомних пошкоджень та розмір елементів комір частої структури на стадії розвитку магістральної тріщини. 1. K ocanda S. Zm^czeniowe niszczenie metali. - Warzawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1972. - 450 p. 2. И ванова В. С., Терент ьев В. Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с. 3. М ат охню к Л. Е., Н адеж дин Г. Н., Я ковлева Т. Ю ., В арзонов И. В. Исследование влияния частоты нагружения на дислокационную струк туру титанового сплава ВТ18У в процессе накопления усталостных повреждений // Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения: Докл. III Всесоюз. семинара. - Киев: Наук. думка, 1983. - С. 68 - 71. 4. М ат охню к Л. Е . Ускоренные усталостные испытания высокочастот ным нагружением. - Киев: Наук. думка, 1988. - 200 с. 5. E lsukova T .F ., P an in V. T., A ngelova G. V. Mesoscale level mechanisms of fatigue fracture of polycrystals // Int. Conf. “Math. Meth. Phys., Mech. and Mesomech/Fract” (Tomsk, 27-29 Aug., 1996): Abstr. - Tomsk, 1996. - P. 36 - 37. 6 . B row n M . W. Interfaces between short, long and non-propagation cracks // The Behavior of Short Fatigue Cracks / Eds. K. J. Miller, E. R. de los Rios. - EGF Publication. - London: MEP Institution Mechanical Engineers, 1986. - 1. - P. 423 - 439. 7. N avarro A., de los R ios E. R . A model for short fatigue crack propagation with an interpretation of the short-long crack transition // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. - 1987. - 10. - P. 169 - 186. 8. M iller K. J., A k id R. The application of microstructural fracture mechanics to various metal surface states // Proc. Roy. Soc. London. A. - 1996. - 452, N 1949. - P. 1411 - 1432. 9. Yakovleva T. Yu. Micromodel presentation of the fatigue crack propagation process in a-titanium // Механическая усталость металлов.: Тр. Меж- дунар. коллокв., Киев, 13-17 мая, 1991. - Киев, 1992. - Т. 2. - С. 132 - 139. 10. Тит ановы е сплавы. Металлография титановых сплавов. - М.: Метал лургия, 1980. - 464 с. 11. М ат охню к Л. Е., Я ковлева Т. Ю . Влияние частоты нагружения на закономерности и микромеханизмы роста усталостных трещин в тита новых сплавах // Пробл. прочности. - 1988. - № 1. - С. 21 - 31. 82 ISSN 0556-171X. Проблемы! прочности, 2000, № 6 Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки 12. Б ернш т ейн М . Л., Займ овский В. А. Структура и механические свой ства металлов. - М.: Металлургия, 1970. - 472 с. 13. К олачев Б. А . Физическое металловедение титана. - М.: Металлургия, 1976. - 184 с. 14. Э лект ронно-м икроскопические изображения дислокаций и дефектов упаковки: Справочное руководство / Под ред. В. М. Косевича, Л. С. Палатника. - М.: Наука, 1976. - 224 с. Поступила 30. 12. 99 ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2000, № 6 83

Взаимосвязь микромеханизмов структурной перестройки титанового сплава ВТ18У в процессе усталостного разрушения

Institution

Ähnliche Einträge