Дислокаций достигает

Синергетическое описание дискретно-непрерывного процесса усталостного

4.5. Диаграмма дискретно-непрерывного роста усталостной трещины....................... 219

СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

ГЛАВА 4. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

ГЛАВА 4. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

ГЛАВА 4. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

ГЛАВА 4. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

ГЛАВА 4. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

ГЛАВА 4. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

Каждое из уравнений применимо к описанию роста усталостных трещин в определенных интервалах скоростей, задаваемых граничными условиями. Одно из них соответствует величине коэффициента A w = (da/dN)is, характеризующего границу перехода от уравнения (4.20) к уравнению. (4.21). Другие граничные условия будут введены в следующих разделах. Ниже даны представления о плотности энергии разрушения и уровне эквивалентного напряжения, на основе которых представляется возможным осуществить единое описание дискретно-непрерывного процесса роста усталостных трещин.

ГЛАВА 4. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

Источниками дислокаций (до деформации) являются; сегрегация примесей; напряжение и дислокационные центры кристаллизации; срастание различно ориентированных зерен и субзерен; межзеренное общение и др. В отоженном металле число дислокаций достигает 105/см2. Пластическая деформация способствует увеличению плотности дислокаций на 5-6 порядков, движению дислокаций и их групп, включая границы зерен. В результате они приобретают сложную форму, увеличивается их длина, общая энергия и сопротивление скольжению. Выход дислокации на поверхность кристалла приводит к сдвигу на одно межатомное расстояние. Следовательно, суммарный сдвиг при начальной плотности дислокаций No = 105/см2 составит: At = 10s- 105- Ю-8 = Ю-3, что соот-

Разрушение может быть хрупким (в металлах — квазихрупким) и (пли) вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение4 микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед всевозможными включениями и т. д.). При большой плотности дислокаций происходит их слияние с образованием микротрещины. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012—1013 см"2, а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G. При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина (при заданном напряжении) превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую (по радиусу у вершины) с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи. При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Краевая дислокация распространяется на тысячи параметров кристаллической решетки; в 1 см3 кристалла число дислокаций достигает миллиона. Протяженность промежуточной области К называется шириной дислокации. Вектор Ь, или отрезок разомкнутости, определяет одновременно величину и направление смещения и называется вектором Бюргерса. Вектор Бюргерса в случае краевой дислокации перпендикулярен линии дислокации. На рис. 19 вектор Бюргерса по величине равен параметру решетки; если вектор Бюргерса равен половине параметра

с ростом степени наклепа будет уменьшаться. В предельном случае, когда в процессе предварительного наклепа плотность дислокаций достигает критической величины (р = ркрит и га = 1), Т — Ts и

ности 1,6 • 104 Вт/см2 плотность дислокаций достигает 10е см 2-Наблюдаются одиночные дислокации и сплетения дислокаций, свидетельствующие об их взаимодействии. Подобную дислокационную структуру имеет закаленное железо [25]. С ростом плотности мощности излучения до 2,7 • НО4 Вт/см2 средняя плотность дислокаций возрастает до 1010 см~2 и более, причем наблюдается образование дислокационных сеток. При дальнейшем повышении плотности мощности до 8 • 104 Вт/см2 (уровень, соответствующий плавлению материала) в материале возникает ячеистая дислокационная структура с плотностью дислокаций в границах ячеек до 1011—1012 см~2. Подобная структура характерна для сильно деформированных металлов. В переходной зоне, расположенной между расплавленным и основным материалом, плотность дислокаций составляет примерно 109 см~2.

с другими дислокациями скопления. В результате этого на головной дислокации концентрируется большая сила, пропорциональная приложенному давлению и числу дислокаций в скоплении, под действием которой в голове скопления могут возникнуть упругие напряжения, превышающие теоретическую прочность на сдвиг, и зародить трещину на границе. В поликристаллах эти явления наиболее вероятны ввиду большой протяженности межзеренных границ. Помимо этого, микротрещины могут образовываться в любых локальных областях металла, где исчерпывается возможность упругого деформирования решетки и плотность дислокаций достигает критической величины [55].

для повышения прочности этим методом служит образование трещин в случае, когда местная плотность дислокаций достигает значений, близких к 1014/с.и2. При такой высокой плотности дислокаций практически полностью нарушается правильное строение кристаллической решетки, т. е. в металле образуются трещинки. Путем повышения плотности дислокаций в железных сплавах в принципе возможно повысить временное сопротивление до 350—400 кГ/мм2. . Повышение прочности возможно также путем получения бездефектных металлических кристаллов. Этим путем прочность железа можно повысить до 1 200—1 400 кГ/мм2, что очень заманчиво. Однако пока это можно осуществить только в лабораторных условиях: из паров металлов или их химических соединений получают так называемые усы — кристаллы длиной в несколько миллиметров

В кристаллах диаметром 10 мк плотность дислокаций достигает 106 см~2 [6]. С увеличением толщины металлических «усов» плотность дислокаций значительно возрастает, и вместе с этим значительно снижается прочность металла.

на (рис. 55). Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012 — 1013 см~2, а касательные напряжения у вершины их скопления *••••••••

Рассмотрим характер разрушения материала и тип образующейся стружки в зависимости от его пластичности при неизменных скорости и температуре резания. При обработке вязких пластичных материалов плотность дислокаций перед режущим лезвием не достигает критических значений, при которых материал, упрочняясь, охрупчивается, поэтому трещина перемещается одновременно с инструментом в плоскости резания. В результате происходит обтекание металлом режущего клина и формируется сливная стружка. Она представляет собой сплошную ленту без разрывов и больших трещин с гладкой прирезцовой стороной. В том случае, если перед режущим лезвием плотность дислокаций достигает критических значений и материал охрупчивается, перед режущим клином образуется несколько микротрещин. В вязких материалах, у которых на развитие трещины необходимо затрачивать работу, развитие получает только трещина, совпадающая с направлением движения инструмента. При этом трещины, имеющие другие направления, не развиваются, образуя на поверхности обработанной детали сетку микротрещин. В этом случае образуются суставчатые стружки в виде ленты с гладкой прирезцовой стороной и трещинами по краям стружки. В обоих случаях процесс стружкообразования не вызывает изменения сил резания.

Соотношение ао,г = f(d) не может быть строгим, поскольку влияние зерна должно возрастать с уменьшением его размера. Фактор размера имеет большое значение для очень мелких зерен (~ 1 мкм). Электронномикроскопические исследования1 Варфингтона показали, что в результате сильной пластической1 деформации меди получаются ячейки размером 0,5 мкм с относительно совершенной структурой, на границе которых плотность-дислокаций достигает ~ 1012 см~2. Между сто,2 и d (напряжение течения и размер ячейки) существует линейная связь. Теоретическая прочность ~ — G может быть достигнута, как показы-