Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения
Исследована взаимосвязь между дислокационной структурой в зоне разрушения и фрактографическими особенностями развития магистральной трещины в сплаве системы Ti-5%Al-5%V, испытанного на циклическую трещиностойкость в условиях симметричного растяжения-сжатия с частотами 140, 600 Гц и 3, 10 кГц. Показа...
Gespeichert in:
| Datum: | 2001 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2001
|
| Schriftenreihe: | Проблемы прочности |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46704 |
| 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: | Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения / Т.Ю. Яковлева // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 65-75. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-46704 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-467042013-07-06T11:23:49Z Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения Яковлева, Т.Ю. Научно-технический раздел Исследована взаимосвязь между дислокационной структурой в зоне разрушения и фрактографическими особенностями развития магистральной трещины в сплаве системы Ti-5%Al-5%V, испытанного на циклическую трещиностойкость в условиях симметричного растяжения-сжатия с частотами 140, 600 Гц и 3, 10 кГц. Показано, что преобладающими типами дислокационной структуры являются ячеистая в припороговой области значений ΔК и полосовая в остальном интервале величин коэффициента интенсивности напряжений. Этому типу структуры при всех частотах нагружения соответствует наиболее характерный для исследованного сплава микромеханизм разрушения - путем формирования усталостных бороздок. В области низких значений ΔК формирование указанных типов субструктуры и, как следствие, бороздок усталости чаще всего осуществляется вдоль определенных кристаллографических плоскостей и направлений. По мере роста значений ΔК кристаллографическая чувствительность трещины снижается. Влияние частоты нагружения на закономерности и механизмы роста усталостной трещины определяется двумя основными факторами: процессами пластической деформации в вершине трещины в период подготовки материала к разрушению и взаимодействием фронта трещины с исходными и сформировавшимися элементами структуры и субструктуры. Появление элементов хрупкого разрушения с увеличением частоты нагружения обусловлено повышенной чувствительностью β-фазы к скорости нагружения. Досліджено взаємозв’язок між дислокаційною структурою в зоні руйнування і фрактографічними особливостями розвитку магістральної тріщини в сплаві системи Ti-5%Al-5%V, що випробовували на циклічну тріщино- стійкість за умов симетричного розтягу-стиску з частотами 140, 600 Гц та 3, 10 кГц. Показано, що переважаючими типами дислокаційної структури є комірчаста в припороговій області значень ΔК та полосова в решті інтервалу величин коефіцієнта інтенсивності напружень. Цьому типу дислокаційної структури в усьому інтервалі частот навантаження відповідає найбільш характерний для даного сплаву мікромеханізм руйнування - шляхом формування втомних борозенок. В області низьких значень ΔК формування вказаних типів субструктури та, як наслідок, борозенок втоми найчастіше спостерігається уздовж визначених кристалографічних площин та напрямків. По мірі росту значень ΔК кристалографічна чутливість тріщини знижується. Вплив частоти навантажування на закономірності та механізми росту втомної тріщини визначається двома основними факторами: процесами пластичної деформації у вістрі тріщини в період підготовки матеріалу до руйнування і взаємодією фронту тріщини з початковими і сформованими під час навантажування елементами структури та субструктури. Поява елементів крихкого руйнування за умов високої частоти навантажування пов’язана з підвищеною чутливістю β-фази до швидкості навантажування. A relation between the dislocation structure in the fracture zone and fractographic features of main-crack propagation was studied for a Ti-5%Al-5%V alloy upon cyclic crack-propagation resistance tests with symmetrical tension-compression loading with frequencies of 140 Hz, 600 Hz, 3 kHz, and 10 kHz. Honeycomb and band-type dislocation structures were demonstrated to prevail in the near-threshold region of the ΔK values and in the remaining region of the stress-intensity factor, respectively. The structure this type features the fracture micromechanism by forming fatigue striations, characteristic of the alloy studied. Over the range of low values of ΔK, substructures of the indicated types and thus fatigue striations are most often formed along certain crystallographic planes and directions. With an increase in the ΔK values crystallographic sensitivity of a crack decreases. The influence of loading frequency on the regularities and mechanisms of fatigue crack growth is determined by two basic factors, namely, the processes of plastic deformation at the crack tip during the preparation of a material to fracture and interaction of the crack front with the initial and formed structural and substructural elements. The occurrence of elements of brittle fracture when increasing loading frequency is explained here by an increased sensitivity of the β-phase to loading rate. 2001 Article Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения / Т.Ю. Яковлева // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 65-75. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46704 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. Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения Проблемы прочности |
| description |
Исследована взаимосвязь между дислокационной структурой в зоне разрушения и фрактографическими особенностями развития магистральной трещины в сплаве системы Ti-5%Al-5%V, испытанного на циклическую трещиностойкость в условиях симметричного растяжения-сжатия с частотами 140, 600 Гц и 3, 10 кГц. Показано, что преобладающими типами дислокационной структуры являются ячеистая в припороговой области значений ΔК и полосовая в остальном интервале величин коэффициента интенсивности напряжений. Этому типу структуры при всех частотах нагружения соответствует наиболее характерный для исследованного сплава микромеханизм разрушения - путем формирования усталостных бороздок. В области низких значений ΔК формирование указанных типов субструктуры и, как следствие, бороздок усталости чаще всего осуществляется вдоль определенных кристаллографических плоскостей и направлений. По мере роста значений ΔК кристаллографическая чувствительность трещины снижается. Влияние частоты нагружения на закономерности и механизмы роста усталостной трещины определяется двумя основными факторами: процессами пластической деформации в вершине трещины в период подготовки материала к разрушению и взаимодействием фронта трещины с исходными и сформировавшимися элементами структуры и субструктуры. Появление элементов хрупкого разрушения с увеличением частоты нагружения обусловлено повышенной чувствительностью β-фазы к скорости нагружения. |
| format |
Article |
| author |
Яковлева, Т.Ю. |
| author_facet |
Яковлева, Т.Ю. |
| author_sort |
Яковлева, Т.Ю. |
| title |
Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения |
| title_short |
Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения |
| title_full |
Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения |
| title_fullStr |
Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения |
| title_full_unstemmed |
Закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при различных частотах циклического нагружения |
| title_sort |
закономерности развития магистральной трещины и эволюции дислокационной структуры в зоне разрушения сплава вт22 при различных частотах циклического нагружения |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2001 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46704 |
| citation_txt |
Закономерности развития магистральной трещины и эволюции
дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при
различных частотах циклического нагружения / Т.Ю. Яковлева // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 65-75. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT âkovlevatû zakonomernostirazvitiâmagistralʹnojtreŝinyiévolûciidislokacionnojstrukturyvzonerazrušeniâsplavavt22prirazličnyhčastotahcikličeskogonagruženiâ |
| first_indexed |
2025-07-04T06:08:46Z |
| last_indexed |
2025-07-04T06:08:46Z |
| _version_ |
1836695502146502656 |
| fulltext |
УДК 539.4
Закономерности развития магистральной трещины и эволюции
дислокационной структуры в зоне разрушения сплава ВТ22 при
различных частотах циклического нагружения
Т. Ю . Я ковлева
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Исследована взаимосвязь между дислокационной структурой в зоне разрушения и фракто-
графическими особенностями развития магистральной трещины в сплаве системы П -
5%Л!-5%¥, испытанного на циклическую трещиностойкость в условиях симметричного
растяжения-сжатия с частотами 140, 600 Гц и 3, 10 кГц. Показано, что преобладающими
типами дислокационной структуры являются ячеистая в припороговой области значений
АК и полосовая в остальном интервале величин коэффициента интенсивности напря
жений. Этому типу структуры при всех частотах нагружения соответствует наиболее
характерный для исследованного сплава микромеханизм разрушения - путем формирования
усталостных бороздок. В области низких значений АК формирование указанных типов суб
структуры и, как следствие, бороздок усталости чаще всего осуществляется вдоль опреде
ленных кристаллографических плоскостей и направлений. По мере роста значений АК
кристаллографическая чувствительность трещины снижается. Влияние частоты нагру
жения на закономерности и механизмы роста усталостной трещины определяется двумя
основными факторами: процессами пластической деформации в вершине трещины в период
подготовки материала к разрушению и взаимодействием фронта трещины с исходными и
сформировавшимися элементами структуры и субструктуры. Появление элементов хруп
кого разрушения с увеличением частоты нагружения обусловлено повышенной чувстви
тельностью в-фазы к скорости нагружения.
К лю ч е в ы е с ло в а : циклическое нагружение, частота, усталостная трещина,
зона разрушения, дислокационная структура, микромеханизмы разрушения.
Введение. Известно, что скорость циклического нагружения оказывает
существенное влияние на характеристики усталостной прочности и цикли
ческой трещиностойкости [1]. С другой стороны, установленным фактом
является влияние параметров зоны пластической деформации в вершине
трещины на характеристики усталостного разрушения [2]. Поэтому для ана
лиза механизмов, контролирующих частотную зависимость характеристик
циклической трещиностойкости, необходимы совместные исследования па
раметров зоны пластической деформации в вершине трещины, в частности
дислокационной структуры и микромеханизмов разрушения.
Анализ структурного состояния зоны пластической деформации обыч
но проводят в сечении, параллельном либо перпендикулярном плоскости
излома. Фольги для этого вырезают из основного металла на некотором
(0,1...0,2 мм) расстоянии от поверхности разрушения или от вершины тре
щины [3] либо поверхность разрушения сполировывают [4]. В таком случае
непосредственное сопоставление вида поверхности разрушения и соответ
ствующей дислокационной структуры не всегда возможно. В связи с этим в
настоящей работе использована методика прицельного одновременного по
лучения фольг и оксидных реплик из неповрежденной (не подвергавшейся
обработке) поверхности разрушения титанового сплава ВТ22, испытанного в
© Т. Ю. ЯКОВЛЕВА, 2001
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, N 5 65
Т. Ю. Яковлева
диапазоне частот нагружения 140 Гц ... 10 КГц. Это позволило провести
анализ дислокационной структуры непосредственно в зоне усталостного
разрушения и сопоставление с микромеханизмами развития магистральной
трещины.
М атериал и методики исследований. Материалом для исследований
служил конструкционный двухфазный (а + в)-титановый сплав переходного
класса ВТ22, содержащий 5%А1-5%Мо-5%У-1%Сг-1%Ре [5]. В стабиль
ном состоянии сплав содержит от 45 до 50% в-фазы и обладает достаточно
высокой степенью гетерогенности структуры. Режим термообработки ука
занного сплава приведен в [1]. Его механические свойства следующие:
о в = 1189 МПа, о 0>2 =1090 МПа, д = 11,9%, гр = 23,4%, Е = 1 ,12105 МПа.
Испытания осуществляли при 140, 600 Гц, а также 3 и 10 КГц. Для
испытаний на всех частотах нагружения использовали образцы одинаковых
размеров и формы (рис. 1,а). Геометрия образцов обеспечивала выполнение
условия плоской деформации в устье трещины в течение всего исследуемого
периода ее распространения. Постоянная влажность воздуха и коррозионная
стойкость сплава позволили исключить влияние окружающей среды на
частотную зависимость скорости роста трещины.
С целью изучения влияния частоты циклического нагружения на меха
низмы усталостного разрушения проведены макро- и микрофрактографи-
ческие исследования, а также анализ дислокационной структуры непосред
ственно в зоне разрушения. Макрорельеф изломов изучали на оптическом и
растровом электронном микроскопе. Микроособенности строения поверх
ности разрушения исследовали на растровом микроскопе СашБсап, с ис
пользованием оксидных реплик - на просвечивающем микроскопе 1еш-200.
Поверхность разрушения анализировали в направлении от боковой поверх
ности образца к центру излома (на рис. 1,г координата X ) при фикси
рованных значениях АК (на рис. 1,г координата У). Шаг усталостных
бороздок определяли методом секущей путем обработки изображений всех
микрообластей (от трех до десяти) с бороздчатым рельефом в пределах зоны
сканирования. В каждой микрообласти шаг определяли как среднее для 5-20
бороздок. При наклоне образца относительно пучка электронов делали
соответствующую поправку на угол наклона.
Для анализа дислокационной структуры из выбранного участка поверх
ности разрушения образца вырезали трехмиллиметровые диски (рис. 1,6) с
координатами центра X 0 , У0 относительно края излома и расстояния от дна
надреза соответственно (рис. 1, д), которые затем подвергали односторон
ней шлифовке и электрополировке [6]. Вторую сторону дисков, представ
ляющую собой поверхность разрушения, покрывали специальной защитной
пленкой, которую после электрополировки удаляли растворителем. Метка в
области касания края фольги и образца (на рис. 1,д точка А) служила
репером при установке образца в микроскоп и определении координат X 1,
У1 “прозрачной” области относительно центра фольги.
Суммарные значения X 0 + X 1 и У0 + У1 близки к координатам X , У ,
что дало возможность установить ориентацию исследуемой области отно
сительно направления развития магистральной трещины и сопоставить ее с
РЭМ-изображением. Режимы электрополировки позволяли на одном и том
66 ISSN 0556-17^. Проблемы прочности, 2001, № 5
Закономерности развития магистральной трещины ...
же диске получать достаточно “прозрачные” области для исследования
дислокационной структуры и участки оксидных реплик (рис. 1,в), исполь
зовавшиеся для детального анализа рельефа поверхности разрушения.
- I
а
г д
Рис. 1. Образец для испытаний на усталость (а) и соответствующие схемы вырезки фольг (б,
д), ориентации анализируемых РЭМ-изображений на поверхности разрушения (г), участков
оксидной реплики в фольге для просвечивающей микроскопии (в): 1 - реплика; 2 - “про
зрачный” участок фольги.
Полученные фольги просматривали в электронном микроскопе
Ш 0Ь-1000000 с ускоряющим напряжением 1000 кВ, а некоторые участки
оксидных реплик - в электронном микроскопе ШМ-200 с ускоряющим
напряжением 150 кВ.
0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 67
Т. Ю. Яковлева
Структурные и фрактографические исследования проводили на образ
цах при фиксированных значениях коэффициента интенсивности напряже
ний, соответствующих различным участкам кинетических диаграмм уста
лостного разрушения (рис. 2).
с1ШЫ, м/цикл
107
10'8
ю-9
10-1°
10-'1
10'12
6 10 20 АК,МПал1м
Рис. 2. Кинетические диаграммы усталостного разрушения титанового сплава ВТ22 [1],
испытанного при различных частотах нагружения: 1 - / = 140 Гц; 2 - / = 600 Гц; 3 -
/ = 3 кГц; 4 - / = 10 кГц.
Результаты исследований. Во всем исследованном диапазоне частот
нагружения макроизломы сплава обладают развитым, хорошо выраженным
рельефом (рис. 3). Для припорогового интервала скоростей роста трещины
характерно наличие мелких фасеток (на рис. 3,а ,г,ж ,к стрелки), которые по
мере роста значений АК увеличиваются, становятся более четко ограни
ченными (рис. 3 ,б ,д ,зл ). При этом чем крупнее фасетки, тем менее остры их
грани, и излом постепенно приобретает волнистое строение (рис. 3,в,е,и,м ).
Увеличение частоты нагружения сопровождается появлением мелких
внутризеренных фасеток на фоне рельефа, характерного для низкочастот
ного нагружения, что свидетельствует о некотором охрупчивании матери
ала. Поверхность фасеток, представляющих собой участки а-фазы, иногда
покрыта системами полос скольжения, расположенными под углом к на
правлению распространения трещины (рис. 4,а). Однако чаще всего разру
шение а-фазы осуществляется за счет формирования усталостных бороздок
(рис. 4 ,б -г ,ж ). В интервале значений АК, близких к припороговым участ
кам диаграмм, величина шага усталостных бороздок и их направление в
большой степени зависят от фазовой составляющей, по которой происходит
разрушение, и ее кристаллографической ориентации относительно прикла
дываемой нагрузки (рис. 4,6). Последнее обстоятельство позволяет контро
лировать величину локальной скорости роста усталостной трещины и поро
говых значений коэффициента интенсивности напряжений [7]. Разрушение
путем разъединения по межфазной поверхности и сколом, как правило,
осуществляется в местах выхода частиц мартенситной ^-фазы, а также
68 ШБМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5
Закономерности развития магистральной трещины
вдоль межфазных а /в прослоек со стороны в-фазы (рис. 4Де,и). Если
линия фронта трещины перпендикулярна к оси двойников, то разрушение
происходит вдоль поверхности двойниковых пластин (рис. 4,з).
к л м
Рис. 3. Макроизломы образцов после испытаний: а - / = 140 Гц, АК = 8,0...8,5 МПа- м1/2;
б - / = 140 Гц, АК = 9...14 МПа- м1/2; в - / = 140 Гц, АК = 15...20 МПа- м1/2; г - / = 600
Гц, АК = 8,5...9,0 МПа- м1/2; д - / = 600 Гц, АК = 9,5...14,0 МПа-м1/2; е - / = 600 Гц,
АК = 15...18 МПа-м1/2; ж - / = 3 кГц, АК = 9,5...10,0 МПа- м1/2; з - / = 3 кГц,
АК = 10,5...14,0 МПа- м1/2; и - / = 3кГц, АК = 15...18 МПа- м1/2; к - / = 10 кГц,
АК = 10,5...11,0 МПа-м1/2; л - / = 10 кГц, АК = 11,5...14,0 МПа-м1/2; м - / = 10 кГц,
АК = 15...20 МПа-м1/2.
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2001, № 5 69
Т. Ю. Яковлева
ж з и
1/2Рис. 4. Микрофрактограммы образцов после испытаний: а - / = 140 Гц, АК = 9 МПа- м ;
б - / = 140 Гц, АК = 11 МПа- м1/2; в, г - / = 140 Гц, АК = 14 МПа- м1/2; д - / = 600 Гц,
АК = 10,2 МПа- м1/2; е - / = 600 Гц, АК = 12 МПа- м1/2; ж - / = 3 кГц, АК = 8,2
МПа- м1/2; з - / = 10 кГц, АК = 10 МПа- м1/2; и - / = 10 кГц, АК = 16 МПа- м1/2.
(Стрелками указано направление развития магистральной трещины.)
Применение дифракционной микроскопии непосредственно в зоне раз
рушения показало (рис. 5), что сплав характеризуется разнообразными ви
дами дислокационных структур, которым соответствуют конкретные микро
механизмы разрушения. Поскольку размер анализируемой области при ис
пользованном увеличении (например, 65000 для рис. 5,а) не превышал 1 мкм,
изменение толщины фольги, связанное с микрорельефом поверхности раз
рушения в пределах этой области, также было незначительным и не оказы
вало существенного влияния на качественную картину дислокационной
структуры. Так, при разрушении по крупным а-пластинам, особенно в
припороговой области значений А К , наблюдается обычное чередование
областей с высокой и низкой плотностью дислокаций (рис. 5,а), характерное
70 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5
Закономерности развития магистральной трещины
для а-титана [8]. Областям разрушения сколом и путем разъединения по
межфазным поверхностям отвечают выходы на поверхность изломов “ре
бер” крупных а-пластин и мелких а-частиц, двойников отжига а-фазы,
которым чаще всего соответствует характерная дислокационная структура,
приведенная на рис. 5,6. Причиной разрушения по межфазным поверх
ностям является наличие внутренних напряжений на межфазных границах,
возникающих за счет разницы между термическими и упругими свойствами
фаз [9].
в г
Рис. 5. Дислокационная структура материала в зоне разрушения образцов: а - / = 600 Гц,
АК = 8,7 МПа- м1/2; 6 - / = 10 кГц, АК = 14 МПа- м1/2; в - / = 600 Гц, АК = 8,5 МПа- м1/2;
г - / = 140 Гц, АК = 14 МПа- м1/2.
Формирование ячеистой (рис. 5,в) и полосовой (рис. 5,г) структуры
осуществляется в микрообъемах, впоследствии разрушающихся по меха
низму бороздчатости. Детальный анализ внутреннего строения полос пока
зал, что при низкочастотном нагружении они представляют собой протя
женные области шириной от нескольких ячеек до десятка и более, разориен-
тированные относительно друг друга. С увеличением частоты нагружения, а
в некоторых случаях и с ростом значений АК, плотность дислокаций внутри
полос возрастает и в отдельных микрообъемах становится настолько велика,
что ячейки вообще не различаются. Повышение частоты нагружения сопро
вождается уменьшением ширины полос полосовой структуры и шага уста
лостных бороздок. Изменение величины коэффициента интенсивности на
пряжений, как правило, не влияет на средний размер ячеек в исследованном
диапазоне частот нагружения.
Прерывистые и разориентированные элементы структуры внутри быв
ших в-зерен приводят к нелинейному развитию магистральной трещины и
вторичному растрескиванию, вызывающим в итоге уменьшение скорости
трещины. Подобный механизм разрушения не связан непосредственно с
0556-171Х. Проблемыг прочности, 2001, № 5 71
Т. Ю. Яковлева
общей пластичностью материала [10]. В частности, если трещина распрост
раняется из “жесткой” фазы в “мягкую”, то максимальные напряжения
достигаются на поверхности раздела фаз со стороны фазы, содержащей
трещину, и могут быть во много раз больше, чем напряжения непосред
ственно перед вершиной трещины. Благодаря этому облегчается возмож
ность образования вторичных трещин на границе раздела. Различие между
упругими свойствами а- и в-фаз, находящихся в равновесии, является
следствием одновременного легирования сплава алюминием и в-изоморф-
ными стабилизаторами [11]. В целом фазовое и структурное состояние
материала оказывает влияние на тип дислокационной структуры в зоне
разрушения в случае, если разница в характеристиках упругости и пластич
ности структурных и фазовых составляющих достаточно велика, а рассто
яние между ними сопоставимо с локальной скоростью роста трещины,
определенной по шагу усталостных бороздок.
Обсуждение результатов. Сопоставление вида поверхности разруше
ния и характеристик соответствующей дислокационной структуры исследу
емого сплава, испытанного при различных частотах нагружения, свиде
тельствует о следующем. Независимо от частоты нагружения разрушению
по механизму бороздчатости соответствует ячеистая структура в припоро-
говом интервале скоростей роста трещины и полосовая на остальной части
кинетической диаграммы усталостного разрушения. Формирование элемен
тов ячеистой структуры в а-пластинах подтверждает, что уровень напряже
ний в зоне пластической деформации магистральной трещины даже в при-
пороговом интервале значений АК намного выше, чем в основном объеме,
и достаточен для активизации поперечного скольжения, несмотря на срав
нительно малую величину энергии дефекта упаковки (80 эрг/см [12]). По
явление ячеистой структуры в легированной в-фазе, обладающей еще более
низкой (около 15 эрг/см [12]) чем а-фаза величиной энергии дефекта
упаковки, - следствие увеличения локальных напряжений в вершине тре
щины по мере роста значений АК. Наличие в припороговом интервале
значений коэффициента интенсивности напряжений наряду с ячеистой
структурой слабодеформированных областей, соответствующих плоскостям
кристаллографического скола, свидетельствует о том, что на данном участке
диаграммы подготовка материала к разрушению в течение длительного
периода нагружения осуществляется лишь на некоторых участках фронта,
характеризующихся благоприятной кристаллографией, пониженной проч
ностью, локально высокими значениями АК за счет внутренних микро
напряжений и т.д. Завершается этот процесс разрушением указанных микро
объемов по механизму формирования усталостных бороздок и “подтяги
ванием перемычек” путем кристаллографического скола. С ростом частоты
циклического нагружения пороговые значения АК возрастают, что связано
с частотной зависимостью процесса пластической деформации в вершине
трещины [13].
По мере роста значений АК количество слабодеформированных объе
мов уменьшается, появляются элементы полосовой структуры, ширина по
лос которой совпадает с шагом усталостных бороздок. Изменяется соотно
шение между относительными значениями площади излома, соответству
72 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2001, № 5
Закономерности развития магистральной трещины
ющей разрушению за счет разных микромеханизмов (кристаллографичес
кий скол, бороздки, разрушение по двойниковым и межфазным поверх
ностям, по границам матрица-дефект упаковки и пр.). При величинах ДК,
близких к указанным ниже, по-видимому, реализуется некоторое критичес
кое соотношение микромеханизмов разрушения. Изменяется угол наклона
касательной к кинетической диаграмме усталостного разрушения относитель
но оси абсцисс, а гладкая поверхность макроизлома сменяется более разви
той.
Значения Д К , соответствующие изменению угла наклона касательной к
кинетической диаграмме усталостного разрушения относительно оси абс
цисс, приведены ниже.
/ , Гц 140 600 3000 10000
ДК , МПа-м1/2 8,8 9,2 10,0 11,5
Область значений ДК, соответствующая выпуклой части диаграммы,
характеризуется наиболее “пестрой” дислокационной структурой и смешан
ным механизмом разрушения, включающим появление элементов ямочного
рельефа. Заканчивается этот участок диаграммы при близких для всех
1 /2частот нагружения значениях Д К = 14 МПа -м , соответствующих началу
области совпадения макроскопической скорости роста трещины и шага
усталостных бороздок. Для участка диаграммы, соответствую щ его
1 /2
Д К > 14 МПа -м , характерна преимущественная трансформация ячеистой
структуры в полосовую и максимальная по сравнению с другими участками
диаграммы доля разрушения за счет формирования усталостных бороздок.
Разброс величины шага бороздок в этой части диаграммы минимален, что
свидетельствует о сравнительно равномерном продвижении фронта трещи
ны. Строение макроизлома волокнистое, с направлением “волокон”, близ
ким к направлению роста макротрещины.
Основные микромеханизмы развития трещины сохраняются во всем
исследованном диапазоне скоростей циклического нагружения. Однако с
повышением частоты нагружения уменьшается ширина полос в полосовой
дислокационной структуре и соответственно величина шага усталостных
бороздок. Одновременно появляются элементы хрупкого разрушения. Эф
фект охрупчивания сплава ВТ22 может быть связан как с присутствием
в-фазы, для которой характерен более высокий по сравнению с а-титаном
рост и сближение величин о 02 и о в при увеличении скорости нагружения
[12], так и с локализацией деформации вблизи межфазных границ.
Заключение. Исключительно высокий уровень напряжений в вершине
трещины приводит к реализации механизмов поперечного скольжения в
зоне разрушения даже тех фазовых составляющих, в которых низкое значе
ние энергии дефекта упаковки затрудняет этот процесс. Результатом явля
ется преобладание характерных типов дислокационной структуры: ячеистой
в припороговой области значений Д К и полосовой в остальном интервале
величин коэффициента интенсивности напряжений. Такому типу структуры
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 73
Т. Ю. Яковлева
при всех частотах нагружения соответствует наиболее характерный для
исследованного сплава микромеханизм разрушения - путем формирования
усталостных бороздок. В области низких значений ДК формирование
указанных типов субструктуры и, как следствие, бороздок усталости чаще
всего осуществляется вдоль определенных кристаллографических плоскостей
и направлений. По мере роста значений ДК кристаллографическая чувстви
тельность трещины снижается.
Влияние частоты нагружения на закономерности и механизмы роста
усталостной трещины определяется двумя основными факторами: процес
сами пластической деформации в вершине трещины в период подготовки
материала к разрушению и взаимодействием фронта трещины с исходными
и сформировавшимися элементами структуры и субструктуры. Появление
элементов хрупкого разрушения с увеличением частоты нагружения обуслов
лено повышенной чувствительностью в-фазы к скорости нагружения.
Р е з ю м е
Досліджено взаємозв’язок між дислокаційною структурою в зоні руйну
вання і фрактографічними особливостями розвитку магістральної тріщини в
сплаві системи Ti-5% Al-5%V, що випробовували на циклічну тріщино-
стійкість за умов симетричного розтягу-стиску з частотами 140, 600 Гц та 3,
10 кГц. Показано, що переважаючими типами дислокаційної структури є
комірчаста в припороговій області значень ДК та полосова в решті інтер
валу величин коефіцієнта інтенсивності напружень. Цьому типу дислока
ційної структури в усьому інтервалі частот навантаження відповідає най
більш характерний для даного сплаву мікромеханізм руйнування - шляхом
формування втомних борозенок. В області низьких значень ДК формуван
ня вказаних типів субструктури та, як наслідок, борозенок втоми найчастіше
спостерігається уздовж визначених кристалографічних площин та напрям
ків. По мірі росту значень ДК кристалографічна чутливість тріщини знижу
ється. Вплив частоти навантажування на закономірності та механізми росту
втомної тріщини визначається двома основними факторами: процесами
пластичної деформації у вістрі тріщини в період підготовки матеріалу до
руйнування і взаємодією фронту тріщини з початковими і сформованими
під час навантажування елементами структури та субструктури. Поява еле
ментів крихкого руйнування за умов високої частоти навантажування пов’я
зана з підвищеною чутливістю в-фази до швидкості навантажування.
1. М ат охню к Л. Е . Ускоренные усталостные испытания высокочастотным
нагружением. - Киев: Наук. думка, 1988. - 200 с.
2. Трощ енко В. Т., П окровский В. В., П рокопенко А. В. Трещиностойкость
металлов при циклическом нагружении. - Киев: Наук. думка, 1987. -
256 с.
3. L ukas P. Models for Д К Л and near-threshold fatigue crack growth //
Fatigue’84: Proc. 2th Int. Conf. Fatigue and Fatigue Thresholds. -
Birmingham, 3-7 Sept., 1984. - Vol 2. - Warley, 1984. - P. 479 - 495.
74 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 5
Закономерности развития магистральной трещины
4. A h m ed J., W ilkinson A. J., a n d R oberts S. G. Examination of dislocation
substructures in fatigued Cu using electron channeling contrast imaging //
Fatigue’99.: Proc. 7th Int. Congress. - Beijing, China, 8-12 June, 1999. -
Vol. 1. - Beijing: Higher Education Press, 1999. - P. 223 - 228.
5. Тит ановы е сплавы. Металлография титановых сплавов. - М.: Метал
лургия, 1980. - 464 с.
6. Б адан В. Е., В арзонов И. В., Н адеж дин Г. Н. и др. Методика получения
фольг а- и (а + в)-титана для электронной микроскопии // Завод. лаб. -
1981. - № 12. - С. 67 - 68.
7. 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.
8. Vandre Velde G. P. a n d K on D. A . Stage I fatigue crack propagation in
titanium alloy single crystals // Fatigue 84: Proc. 2th Int. Conf. Fatigue and
Fatigue Thresholds. - Birmingham, 3-7 Sept., 1984. - Vol 2. - Warley,
1984. - P. 411 - 421.
9. L avren tev F. F., P o ch il Yu. A., and D udko P. P. Structure and work
hardening of titanium alloys in the temperature range 4.2 to 300 K // Czechs.
J. Phys. - 1986. - 36, No. 3. - P. 478 - 486.
10. К олачев Б. А ., М альков А. В. Физические основы разрушения титана. -
М.: Металлургия, 1983. - 160 с.
11. Sw enson D. O. a n d R au C. A . Investigation of (а + ^)-titanium // Int. J.
Fract. Mech. - 1970. - 6, No. 4. - P. 365 - 377.
12. К олачев Б. А . Физическое металловедение титана. - М.: Металлургия,
1976. - 184 с.
13. Я ковлева Т. Ю . Дислокационная структура титанового сплава ВТ22 в
условиях циклического нагружения с различными частотами // Пробл.
прочности. - 2000. - № 4. - С. 33 - 44.
Поступила 20. 02. 2001
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 5 75
|