Ударная вязкость и усталостная прочность металлических материалов после равноканального углового прессования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Фесенюк, Максим Викторович

• Фесенюк, Максим Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Фесенюк, Максим Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Аналитический обзор. Кинетика и механизмы разрушения металлических материалов при различных видах нагружения

1.1 Механизмы разрушения металлических материалов при однократных видах нагружения

1.2 Стадийность и механизмы усталостного разрушения

1.3 Технология получения и свойства металлических материалов после равноканального углового прессования

2 Материалы и методики исследования

2.1 Исследуемые материалы

2.2 Исследование микроструктуры

2.2.1 Методика металлографических исследований

2.2.2 Исследование структуры стали 10 после РКУП на просвечивающем электронном микроскопе до и после отжига

2.3 Механические испытания

2.3.1 Испытание материалов на твердость и микротвердость

2.3.2 Испытание образцов на растяжение

2.3.3 Испытания на ударный изгиб

2.3.4 Усталостные испытания титана Grade 2, титанового сплава системы Ti-6A1-4V и магниевого сплава АМ60

2.3.5 Методика усталостных испытаний титана Grade 4 на трухточечный изгиб и построение кинетической диаграммы усталостного разрушения

2.3.6 Установка для усталостных испытаний образцов при различном значении коэффициента асимметрии цикла нагружения

2.4 Определение времени до зарождения усталостной трещины в образцах с использованием акустической эмиссии

2.5 Макро- и микрофрактографические исследования

2.6 Методика рентгеноструктурного анализа

2.6.1 Определение глубины пластических зон под поверхностью изломов методом послойного стравливания поверхности излома

2.6.2 Метод последовательной съемки шлифа, расположенного нормально к поверхности излома

2.6.3 Погрешности определения глубины пластических зон под поверхностью разрушения

2.6.4 Определение количества мартенсита на поверхности образцов и в пластических зонах

2.6.5 Оценка локального напряженного состояния материала у вершины трещины рентгеновским методом

3 Ударная вязкость и особенности строения ударных изломов металлических материалов после равноканальпого углового прессования

3.1 Прочность и особенности строения ударных изломов материала с ОЦК решеткой в интервале вязко-хрупкого перехода

3.1.1 Разрушение стали 10 в исходном состоянии и после различных режимов РКУП

3.1.2 Повышение ударной вязкости стали 10 после РКУП

3.2 Прочность и особенности строения ударных изломов материала с ГЦК решеткой

3.2.1 Разрушение аустенитной стали АШ 321 при комнатной и низкой температурах

3.2.2 Ударное разрушение алюминиевого сплава Д16 после различных видов термической обработки и РКУП

3.3 Прочность и особенности строения ударных изломов материалов с ГПУ решеткой

3.3.1 Статическое разрушение магниевого сплава АМ60

3.3.2 Прочность и строение ударных изломов титанового сплава ВТ6 с двухфазной структурой после различных видов обработки

Выводы по разделу 3

4 Усталостная прочность и особенности строения усталостных изломов металлических материалов после равноканального углового прессования

4.1 Повышение усталостной прочности и изучение особенностей строения усталостных изломов титана и титанового сплава после РКУП

4.1.1 Усталостное разрушение титана и титанового сплава в микроструктурном и субмикрокристаллическом состояниях

4.1.2 Результаты исследования влияния РКУП-конформ на усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения образцов из титана Grade 4

4.2 Усталостное разрушение магниевого сплава АМ60 в субмикрокристаллическом состоянии

Выводы по разделу 4

Общие выводы

Список использованных источников

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ударная вязкость и усталостная прочность металлических материалов после равноканального углового прессования»

ВВЕДЕНИЕ

Необходимые требования к современным изделиям во многих областях человеческой деятельности - это, прежде всего, прочность, малый вес и материалоемкость. Поэтому в последнее время значительно возросли требования к прочностным характеристикам материалов и методам их упрочнения. При этом особое внимание уделяется разработке физически обоснованных критериев конструктивной прочности используемых материалов, основанных на глубоком изучении явлений, лежащих в основе процессов деформации и разрушения.

В последнее время интенсивно разрабатываются технологии получения наноструктурированных объемных металлических материалов с субмикрокристаллической структурой. Для получения данного класса материалов широко использует технология равноканалыюго углового прессования (РКУП). Материалы, полученные путем РКУП, привлекают внимание специалистов благодаря ряду уникальных свойств, прежде всего высокой твердости и прочности при растяжении. Однако данных об ударной вязкость и усталостной прочности таких материалов крайне мало. Поэтому широкое использование в машиностроении материалов с субмикрокристаллической структурой предполагает расширение наших представлений об их поведении при различных условиях нагружения и механизмах разрушения на различном масштабном уровне.

Настоящая работа выполнялась в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (проекты № 1383 и 9687), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 16.513.11.3018), грантов РФФИ (проект 08-08-99122р_офи, № 11-0800208).

Цель работы. Установление закономерностей влияния РКУП и последующей обработки на ударную вязкость, усталостную прочность, макро- и микростроение изломов материалов в субмикрокристаллическом состоянии с различным типом кристаллической решетки, а также экспериментальное обоснование путей повышения прочностных свойств данных материалов.

Задачи исследования:

1. Определить ударную вязкость и исследовать макро- и микростроение изломов стали 10 с субмикрокристаллической структурой (материал с ОЦК решеткой) в интервале вязко-хрупкого перехода после различных режимов РКУП.

2. Экспериментально обосновать пути повышения ударной вязкости стали 10 с субмикрокристаллической структурой путем оптимизации режимов РКУП и последующей обработки.

3. Определить ударную вязкость и исследовать макро- и микростроение изломов аустенитной стали AISI 321, алюминиевого сплава Д16 (материалы с ГЦК решеткой), магниевого сплава АМ60 (материал с ГПУ решеткой) и титанового сплава ВТ6 (материал с ГПУ+ОЦК решеткой) с субмикрокристаллической структурой, полученной путем РКУП.

4. Определить рентгеновским методом количество и глубину пластических зон под поверхностью ударных изломов стали 10 и аустенитной стали AISI 321с субмикрокристаллической структурой, оценить трещиностойкость данных материалов по глубине пластических зон и исследовать распределение мартенситной фазы в пластических зонах аустенитной стали AISI 321.

5. Исследовать усталостную прочность и кинетику усталостного разрушения материалов с субмикрокристаллической структурой (на примере титана Grade 4, Grade 2, титанового сплава системы Ti-6A1-4V, магниевого сплава АМ60), а также исследовать макро- и микростроение усталостных изломов.

Объект исследования. Конструкционные металлические материалы с различными типами кристаллических решеток в исходном микроструктурном состоянии и после равноканального углового прессования с субмикрокристаллической структурой.

Предмет исследования. Прочностные характеристики, макро- и микростроение изломов металлических материалов, полученных при однократном и циклическом видах нагружения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применяли металлографический анализ, просвечивающую электронную микроскопию, механические испытания образцов, макро- и микрофрактографический анализ (растровая электронная и лазерная микроскопия), рентгеноструктурный анализ.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что РКУП при 200 °С стали 10, формируя субмикрокристаллическую структуру, практически не изменяет порог хладноломкости стали по сравнению с исходным состоянием, однако сужает интервал вязко-хрупкого перехода; повышение температуры РКУП до 400 °С смещает данный интервал в сторону низких температур, повышая тем самым конструктивную прочность материала.

2. Установлено, что трещиностойкость стали 10 и аустенитной стали А181 321 после РКУП не уменьшается по сравнению с исходным состоянием.

3. Установлено, что РКУП стабилизирует аустенитную структуру стали АШ 321 в пластических зонах под поверхностью изломов по отношению к у—>а превращениям.

4. Показана (на примере стали 10 и титанового сплава ВТ6) принципиальная возможность повышения ударной вязкости материалов с субмикрокристаллической структурой без существенного снижения твердости и прочности за счет формирования более равновесной структуры

путем совершенствования технологических процессов РКУП и последующей обработки материалов.

5. Установлено, что повышение предела усталости титана Grade 4 с субмикрокристаллической структурой, полученной путем РКУП, происходит за счет увеличения времени до зарождения усталостной трещины и более низкой скорости ее распространения, при этом коэффициент п в уравнении Пэриса практически в 2 раза больше, чем в случае с титаном в исходном состоянии.

6. Установлены закономерности формирования макро- и микростроения изломов материалов с субмикрокристаллической структурой, полученных при различных видах нагружения и температурах испытания.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Разработаны и экспериментально обоснованы режимы РКУП и последующей термической обработки стали 10 с субмикрокристаллической структурой, позволяющие повысить ее конструктивную прочность за счет повышения ударной вязкости при сохранении высоких значений твердости, пределов прочности и текучести.

2. Полученные при выполнении диссертации результаты внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» при подготовке магистров по направлению магистратуры 150600.68 - Материаловедение и технология новых материалов. Разработанный способ идентификации полезных сигналов акустической эмиссии по их профилю принят к внедрению на ОАО «ПО «Стрела» для проведения усталостных испытаний.

Положения, выносимые на защиту:

1. Механические свойства и особенности макро- и микростроения изломов материалов в субмикрокристаллическом состояниях с различным типом кристаллической решетки, определенные при различных видах нагружения и температурах испытания.

2. Установленные закономерности сужения после РКУП интервала вязко-хрупкого перехода стали 10 по сравнению с исходным состоянием.

3. Разработанные режимы проведения РКУП и последующей термической обработки стали 10, позволяющие, при незначительном уменьшении твердости и прочности стали, увеличить ее ударную вязкость.

4. Кинетические диаграммы усталостного разрушения и уравнения Периса для титана Grade 4 в исходном состоянии и после РКУП-конформ.

1 Аналитический обзор. Кинетика разрушения и строение изломов металлических материалов при различных видах нагружения

1.1 Механизмы разрушения металлических материалов при однократных видах нагружения

К основным видам разрушения металлических материалов при однократных видах нагружения относят вязкое, квазихрупкое, хрупкое, вязкохрупкое и смешанное разрушения.

Рассмотрим механизмы разрушения, свойственные каждому виду разрушения.

Характерной особенностью вязкого разрушения является медленное развитие трещины и высокая энергоемкость разрушения как на стадии зарождения, так и на стадии распространения трещины. Последнее обусловлено необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины вязкой трещины. Вязкое разрушение является преимущественно внутрезеренным, хотя может быть и межзеренным. Зарождение вязкого разрушения в технических металлических материалах связано с образованием в области локализованной пластической деформации (утяжки) микропор [5, 12].

Микропоры обычно зарождаются в процессе пластического течения на включениях, нерастворенных частицах вторых фаз (например, карбидах), границах зерен, в полосах деформации или в любых других местах, где наличие несплошности приводит к концентрации пластического течения. Декогезия материала в месте зарождения микропоры может происходить через частицу второй фазы или вдоль границы раздела частица - матрица. По мере увеличения пластической деформации микропоры растут, зарождаются новые; расстояние между крупными микропорами уменьшается, тонкие

гребни, разделяющие микропоры, разрываются, и происходит разрушение. Образованные таким образом поверхности излома содержат многочисленные чашеподобные углубления в виде ямок (рис. 1.1).

а 6 в

Рисунок 1.1 - Схема вязкого разрушения с образованием ямочного микрорельефа [61]: а- одноосное растяжение, б- внецентренное растяжение, в- ямки, возникшие при срезе

Рассмотренный микромеханизм вязкого разрушения определяет макрофрактографическое строение вязких изломов. Вязкий излом имеет волокнистое строение и большую шероховатость; металлический блеск отсутствует. Излом состоит из относительно плоской центральной части, а в периферийной части образуются губы среза.

Образованные таким образом поверхности излома содержат многочисленные чашеподобные углубления (ямки). Размеры и форма ямок вязких изломов редко бывают однородными. В технических материалах с характерными для них заметными колебаниями размеров и распределений дисперсных частиц может наблюдаться широкий диапазон размеров и форм ямок [56]. По данным Бичема [4] имеется 14 вариантов формирования ямок в зависимости от напряженного состояния вблизи вершины трещины, что позволяет путем детального анализа их формы реконструировать возможные условия нагружения.

На форму ямок влияет относительное направление максимального напряжения, вызвавшего разрушение. Различают (рис. 1.2) равноосные ямки (ямки растяжения), ямки сдвига, ямки отрыва [56, 57].

в) г)

Рисунок 1.2 - Ямочный микрорельеф поверхности излома аустенитных сталей [56, 40]. а- равноосные ямки (сталь Н26ТЗ); б- ямки сдвига (сталь НЭ2ТЗ); в- ямки отрыва (сталь 40Х4Г18Н8Ф); г- межзеренное вязкое разрушение (сталь 40Г18Ф). а-г- хЮОО

Равноосные ямки (рис. 1.2 а) образуются, например, в центральной части излома образца, испытанного при одноосном растяжении. На поверхности губ среза можно наблюдать ямки, вытянутые в одном направлении. Такие ямки называют ямками сдвига (рис. 1.2 б). Ямки сдвига на поверхности разрушения вытянуты в одном направлении, а па сопряженной поверхности разрушения - в противоположном. Для ямок сдвига трудно идентифицировать место зарождения микропоры, т.к. карбидная частица или ответственное за нее включение могут быть спрятаны под ее поверхностью, которая может быть деформирована или сглажена в результате сдвигового смещения в процессе разрушения.

Ямки отрыва (рис. 1.2 в) образуются в результате внецентренного напряженного состояния, присущего, например, образцам с надрезом, испытанным на вязкость разрушения или на ударную вязкость. Сильно вытянутые микропоры, которые превращаются в ямки отрыва, как правило, формируются в начальной области роста трещины (в очаге разрушения).

Размер ямок зависит от числа мест зарождения микропор и относительной пластичности матрицы. На поверхности ямок видны признаки деформации: скольжение, волнистость, зоны вытяжки. Скольжение происходит по нескольким почти параллельным благоприятно ориентированным плоскостям. По мере развития деформации отдельные плоскости скольжения сглаживаются и образуют волнистую поверхность ямки. Дальнейшая деформация иногда «стирает» детали рельефа и возникает безрельефная поверхность боковой стенки ямки. Вязкое разрушение является преимущественно внутрезеренным, хотя может быть и межзеренным (рис. 1.2 г).

Как правило, вязко разрушаются материалы с ГЦК решеткой (за исключением случая межзеренного хрупкого и смешанного разрушения), а также материалы с ОЦК решеткой при температурах выше верхней критической температуры хрупкости. Наличие вязкого излома всегда свидетельствует о высокой энергоемкости разрушения (высоких

разрушающих напряжениях) и хорошем сопротивлении материала развитию трещины.

Хрупкое разрушение - это быстро протекающий, неуправляемый процесс, который часто является причиной аварийного разрушения деталей и элементов конструкций. Зарождение и развитие хрупкой трещины может произойти вследствие понижения температуры эксплуатации изделия, увеличения скорости нагружения, большой толщины детали, наличия в изделии трещины или трещиноподобных дефектов, присутствия в структуре материала вредных примесей и некоторых других причин [12, 40]. Большинство из перечисленных факторов увеличивают стесненность пластической деформации, вызывая снижение пластических характеристик материала. Особое место занимают водородное охрупчивание, коррозия под напряжением, жидкометаллическое охрупчивание. В этом случае, независимо от структуры материала, разрушение происходит по межзеренному хрупкому механизму [12].

Хрупкие изломы обычно имеют кристаллическое строение. Они блестящие или имеют цвет фаз, расположенных по границам зерен. Как правило, изломы прямые, без видимых признаков пластической деформации (отсутствие скосов и зон среза, связанных с пластической деформацией). Утяжка материала вблизи излома отсутствует.

Хрупкое разрушение может быть как внутризеренным, так и межзеренным (рис. 1.3 а, б).

Внутризеренное (транскристаллитное) хрупкое разрушение происходит по механизму скола с образованием ручьистого микрорельефа (рис. 1.3 а) [61]. Скол представляет собой локальное расщепление по определенным кристаллографическим плоскостям, которое происходит в металлах, обнаруживающих слабую способность или полное отсутствие к поперечному скольжению.

Так могут разрушаться материалы с ОЦК и ГПУ решеткой. В материалах с ГЦК решеткой трещины скола, как правило, не наблюдаются.

шт. ш

а) б)

Рисунок 1.3 - Микрорельеф межзеренного (интеркристаллитного) (а) и внутризеренного (транскристаллитного) (б) хрупкого разрушения: а, б-х 1000

Для большинства материалов с ОЦК решеткой эта плоскость разрушения относится к семейству {100}. Разрушение сколом с образованием фасеток скола (или ручьистого микрорельефа), как правило, обнаруживается у металлов с ОЦК- или ГПУ-решеткой. Однако при некоторых условиях расщепление вдоль определенных кристаллографических плоскостей наблюдается и в металлах с ГЦК решеткой: в алюминиевых сплавах при растрескивании в результате контакта с ртутью, во многих сплавах при циклическом нагружении в присутствии коррозионной среды [56].

Разрушение сколом происходит обычно при низких температурах или больших скоростях нагружения, когда у вершины трещины реализуется условие плоской деформации.

Трещины скола зарождаются в местах, где затруднено кристаллографическое скольжение, т. е. на границах зерен, на пересечениях двойников, плоскостей скольжения, на включениях и частицах второй фазы. Фасетки с ручьистым узором наблюдаются внутри зерен в виде ступенек между участками трещины на параллельных плоскостях скола. По мере

распространения через зерно участки трещины растут в ширину и приближаются друг к другу. Ступеньки между плоскостями скола представляют собой места разрушения тонких перемычек, соединяющих сблизившиеся участки трещины скола. Эти ступеньки сходятся в одну точку, от которой начинается локальное развитие трещины, поэтому по их ориентации можно судить о направлении распространения трещины на данном локальном участке.

Важной деталью микрорельефа разрушения сколом, наблюдаемой в основном в железоуглеродистых сплавах, являются язычки скола и очаги вторичных трещин.

Язычки скола образуются в результате локального отклонения трещины от плоскости скола при пересечении границы между двойником деформации и матрицей. Эти отщепления обычно имеют четко выраженные кристаллографические направления и обусловлены сколом вдоль микродвойников, образованных пластической деформацией у вершины распространяющейся макротрещины.

При межзеренном (интеркристаллитном) хрупком разрушении трещина распространяется в однофазных материалах по поверхности граней зерен, а при наличии на границах второй фазы - вдоль межфазной поверхности или вдоль поверхности скола внутри данной фазы. В результате чего, на изломе наблюдаются отдельные зерна в виде межзеренных фасеток, которые имеют форму многогранников (рис. 1.3 б). Очень часто такое разрушение сопровождается образованием вторичных трещин по границам зерен.

Развитие интеркристаллитного (межзеренного) хрупкого разрушения сталей связано с ослаблением границ зерен, вызванным металлургическими, физическими и химическими факторами: присутствием в структуре вредных примесей, водородным охрупчиванием, коррозией под напряжением, контактом с жидкими металлами и рядом других причин. Кроме того, причиной межзеренного хрупкого разрушения могут служить последствия

механического воздействия на материал высокоскоростного импульсного нагружения, приводящего к растрескиванию границ зерен.

Межзеренное хрупкое разрушение можно наблюдать как в материалах с ОЦК и ГПУ решеткой, так и с ГЦК решеткой.

Квазихрупкое (квазивязкое) разрушение по своему механизму близко к вязкому и содержит признаки предшествовавшей пластической деформации, хотя по своей энергоемкости является скорее хрупким, чем вязким, т.к. обладает низким сопротивлением разрушению. Такое разрушение называют квазисколом с образованием розеточного излома. Розеточный излом с плоскими или слегка изогнутыми поверхностями или фасетками образуется за счет слияния отдельных трещин (рис. 1.4 а).

а)

Рисунок 1.4 - Схема образования (а) и характерный микрорельеф (б) квазискола [61]: 1 - поверхность сдвига; 2 - отрывные гребни; б- х1500

Каждая трещина распространяется концентрически. При этом округлый фронт трещин под действием пластической деформации расширяется и образуется пора в виде линзы. При слиянии трещин образуются острые гребни, называемые гребнями отрыва. Образующийся таким образом микрорельеф представлен на рисунке 1.4 б.

Участки квазискола часто смешиваются с ямками отрыва при вязком разрушении, что указывает на схожую природу этих видов разрушения. Определить размер и ориентировку плоскостей скола внутри зерен очень трудно, т.к. разрушение происходит сочетанием механизма слияния микропор и скола. Вместо истинных плоскостей скола слабо различимы фасетки скола меньшего размера, которые, как правило, инициированы карбидными или иными включениями. Эти небольшие фасетки скола рассматривают [12] как плоскости квазискола, так как они похожи на фасетки скола с ручьистыми узорами, исходящими из мест зарождения трещин. Однако четко идентифицировать их кристаллографические плоскости не удается.

Этот механизм нельзя путать с тем случаем, когда одновременно наблюдаются участки скола по хрупким вторым фазам и ямки в матрице. При квазисколе нет выраженной границы между фасеткой скола и участками с ямками, обрамляющими эту фасетку. Разрушение путем квазискола зарождается внутри фасеток в отличие от скола, который зарождается на границе зерна. Ступеньки скола при квазисколе непосредственно переходят в гребни отрыва соседних ямочных участков.

По механизму квазискола разрушаются, как правило, закаленные и отпущенные стали, в структуре которых имеются дисперсные карбидные включения, а также некоторые высокопрочные металлические материалы.

Разрушение материалов с ОЦК решеткой в интервале вязко-хрупкого перехода называют вязко-хрупким. При визуальном осмотре на поверхности изломов вязко-хрупкого разрушения можно наблюдать как вязкую, так и хрупкую составляющие. Соотношение площади, занимаемой на поверхности

излома вязкой и хрупкой составляющими, зависит от температуры разрушения образца или детали по отношению к критическим температурам хрупкости исследуемого материала.

По характеру распределения вязкой и хрупкой составляющих на поверхности изломов различают [32]:

- сосредоточенный излом (макронеоднородный излом, образованный при сосредоточенном разрушении) (рис. 1.5 а);

- рассредоточенный излом (макрооднородный излом, образованный при рассредоточенном разрушении) (рис. 1.5 б).

Рисунок 1.5 - Общий вид вязко-хрупких изломов стальных образцов, а - сосредоточенный; б - рассредоточенный

При сосредоточенном разрушении на поверхности вязко-хрупких изломов образуются локализованные области вязкого и хрупкого разрушения, выявляемые при визуальном наблюдении. Хрупкое разрушение может локализироваться в центральной части излома, образуя так называемый «хрупкий квадрат» (рис. 1.5 а), размер которого зависит от температуры разрушения по отношению к критическим температурам хрупкости. Вязкое разрушение на поверхности сосредоточенных вязко-хрупких изломов может локализоваться вблизи очага разрушения, образуя вязкую зону 1С [5].

При рассредоточенном разрушении металлических материалов в интервале вязко-хрупкого перехода поверхность образовавшегося (рассредоточенного) излома визуально выглядит волокнистой с более или менее равномерно распределенными хрупкими «блёстками» (участками скола) (рис. 1.5 б). Микрорельеф таких изломов состоит из чередующихся областей ямок и фасеток скола (рис. 1.6) [57]. Поэтому нередко рассредоточенное вязко-хрупкое разрушение относят [61] к разновидности смешанного разрушения.

При разрушении материалов в интервале вязко-хрупкого перехода как по сосредоточенному, так и по рассредоточенному механизмам, в очаге разрушения, как правило, образуется зона сдвига 9 [5], а в периферийной области - губы среза.

Смешанным называют такой механизм, когда разрушение металлических материалов осуществляется под действием двух и более механизмов. Смешанный механизм имеет место при разрушении материалов с ГЦК решеткой, например, аустенитных сталей, некоторых цветных сплавов, в переходной области от плоской деформации к плоскому напряженному состоянию, а также при разрушении некоторых закаленных

Рисунок 1.6 - Микрорельеф рассредоточенного ударного излома стали 45, полученного в интервале вязко-хрупкого

перехода. хЮОО

инструментальных сталей. В материалах с ГЦК решеткой такое состояние может быть получено, например, при низких температурах, высоких скоростях нагружения и т.д. Полученные изломы имеют матовую, «бархатистую» поверхность; они ровные, без губ среза или имеют небольшие губы среза (рис. 1.7 а) и небольшую шероховатость; металлический блеск отсутствует.

а) б)

Рисунок 1.7 - Общий виз излома (а) и микрорельеф смешанного разрушения аустенитной стали 40Х4Г18Ф [46]. б- хЮОО

Смешанный механизм разрушения следует отличать от последовательной смены различных механизмов разрушения, которые можно рассматривать каждый в отдельности. Разрушение по смешанному механизму обычно означает, что взаимодействующее влияние различных факторов (локального напряженного состояния материала, микроструктуры, окружающей среды и т. д.) заставило разрушение отклониться от одного какого-то определенного механизма [56], а сами микрорельефы не всегда ярко выражены (рис. 1.7 б).

К наиболее часто встречающимся сочетаниям микромеханизмов при смешанном разрушении можно отнести [56, 61]: - скол в сочетании со слиянием микропор;

- скол в сочетании с отрывом;

- скол в сочетании с межзеренным разрушением;

- сочетание слияния микропор с отрывом;

- сочетание слияния микропор с межзеренным разрушением;

- отрыв в сочетании с межзеренным разрушением;

Возможно таюке сочетание одновременно нескольких микромеханизмов разрушения.

1.2 Стадийность и механизмы усталостного разрушения

Процесс разрушения металлических материалов при циклическом нагружении отличен от разрушения при однократных видах нагружения. Усталостное разрушение происходит при напряжениях, меньших предела прочности при статическом нагружении. Однако многократно приложенные циклические нагрузки приводят к постепенному накапливанию локальных повреждений в металле, переходящих в субмикроскопические трещины, которые, подрастая, объединяются в макроскопическую трещину. Дальнейшей рост усталостной трещины контролируется коэффициентами интенсивности напряжения у её вершины. По мере возрастания коэффициентов интенсивности напряжения, изменяется локальное напряженное состояние материала у вершины трещины, а, следовательно, и механизм усталостного разрушения. В этом проявляется один из элементов стадийности усталостного разрушения.

Зарождение усталостной трещины происходит, как правило, на поверхности или вблизи поверхности образцов или деталей, где напряжения от внешней нагрузки достигают максимальных значений. Трещины могут зарождаться па совершенно гладких полированных поверхностях, однако их возникновение в значительной степени облегчается при наличии различного рода концентраторов напряжения: неровностей от механической обработки, включений, точечной коррозии, локального износа и т. д.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фесенюк, Максим Викторович, 2013 год

Список использованных источников

1. Акустико-эмиссионный метод регистрации трещинообразования в реальных конструкциях / В. С. Куксенко, К. Е. Нагинаев, В. Н. Савельев, М. 3. Рустамова // Деформация и разрушение материалов. 2009. №9. -С.45 -48.

2. Ахмадеев H.A., Валиев Р.З., Копылов В.И., Мулюков Р.Р // Известия РАН. Металлы. 1992.- № 5.- С.96.

3. Барсов, А. И. Технология изготовления режущего инструмента / А.И. Барсов, A.B. Иванов, К.И Кладова.- М.: Машиностроение, 2002. - 136 с.

4. Бичем К. Д. Микропроцессы разрушения // Разрушения.- М.: Мир, 1973, Т.1.- С. 265-275.

5. Ботвина, Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов / JI.P. Ботвина.- М.: Наука, 1989. - 230 с.

6. Будилов, В. В. Ионное азотирование в тлеющем разряде с эффектом полого катода / В. В. Будилов, Р. Д. Агзамов, К. Н. Рамазанов // МиТОМ. 2007. №7.- С. 33-36.

7. Валиев Р.З. Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства.-М.:ИКЦ «Академкнига», 2007.- 398 с.

8. Валиев Р.З. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства / Р. 3. Валиев, И. В. Александров.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.- 398 с.

9. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материала, полученные интенсивной пластической деформацией.- Логос, 2000. 272 с.

10. Валкер, Д. Д. Контроль наличия и характера остаточных напряжений при производстве ультрапрецизионных полимерных оптических изделий. / Д.Д. Валкер [и др.] // Резание и инструмент в технологических системах. - 2000.- № 57,- С. 24-28.

11. Вишняков, Я. Д. Современные методы исследования структуры деформированных кристаллов / Я. Д. Вишняков. — М.: Металлургия, 1975. —480 с.

12. Владимиров, В. И. Физическая природа разрушения материалов / В. И. Владимиров. - М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

13. Выбойщик, JI. М. Исследование структуры, механических свойств и коррозионной стойкости сварных соединений нефтепромысловых труб при различных режимах термической обработки / Л. М Выбойщик , Р. С Лучкин , С. Ю. Платонов // Деформация и разрушение материалов. 2009. №3.- С.24-29.

14. Высокоскоростное деформирование металлических материалов методом канально-углового прессования для получения ультрамелкозернистой структуры / Е. В. Шорохов, И. П. Жгилев, И. В. Хомская, И. Г. Бродова, В. И. Зельдович, Д. В. Гундеров, Н. Ю. Фролова, А. А. Гуров и др. // Деформация и разрушение материалов. 2009. №2.- С.36 - 40.

15. Головин Ю.И. Введение в наиотехнику.-М.: Машиностроение, 2007.- 496 с.

16. Горбань, А.И. Микрохирургия глаза. Ошибки и осложнения / А.И. Горбань, O.A. Джалиашвили,- Санкт Петербург: Медицина, 2003. - С. 110-235.

17. Грешников, В. Л. Акустическая эмиссия / В. Л. Грешников, Ю. Б. Дробот.- М.: Изд-во стандартов, 1976.-276 с.

18. Грешников, В.А. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий / В.А. Грешников, Ю.Б. Дробот- М.: Изд-во стандартов, 1976.- 272 с.

19. Дашевский, Е.М. Компьютерное моделирование процесса разрушения образца при алмазном шлифовании. Резание и инструмент в технологических системах / Е.М. Дашевский, Л.П. Калафатова.- Харьков: ХГПУ, 1997. - Вып. № 51.- С. 83-85.

20. Динамическое деформирование алюминия для получения ультрамелкозернистой структуры / Деформация и разрушение материалов: Труды I Межд. конф. (Москва, ноябрь 2006) / Е. В. Шорохов, И. Н. Жгилев, И. Г. Бродова и др. — М.: Интерконтакт Наука, 2006.- С.-249-251.

21. Динамическое прессование титана для получения ультрамелкозернистой структуры / Е. В. Шорохов, И. Н. Жгилев, Д. В. Гундеров, А. А. Гуров // Химическая физика. 2008. Т. 27. № 3.- С. 77-80.

22. Дробот, Ю.Б. Неразрушающий контроль усталостных трещин акустико-эмиссионным методом / Ю.Б. Дробот, A.M. Лазарев. - М.: Изд-во стандартов, 1987.- 128 с.

23. Жеребцов, С. В. Механические свойства субмикрокристаллического титанового сплава ВТ6 / С. В. Жеребцов, Г. А. Салищев, Р. М. Галлеев // Структура и свойства нанокристаллических материалов: Сборник науч. тр. Екатеринбург: УрО РАН. 1999.- С. 195-203.

24. Зельдович, В. И. Высокоскоростная деформация титана при динамическом канально-угловом прессовании / В. И. Зельдович, Е. В. Шорохов, Н. Ю. Фролова и др. // Физика металлов и металловедение. 2008. Т. 105. № 4.- С. 431—437.

25. Использование ионно-плазменных покрытий для повышения прочности и коррозионной стойкости изделий / Л. Л. Ильичев, Г. В. Клевцов, Ш. Г. Насыров, В. И. Рудаков, Н. А. Клевцова. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007.- 197 с.

26. Калафатова, Л.П. Диагностика дефектности обработанной поверхности технических металлов. Прогрессивные технологии и системы машиностроения / Л.П. Калафатова // Собрание научных трудов Донецкого государственного технического университета.- Донецк, 1997. - Вып. № 4. - С. 66-74.

27. Кащук, В.А. Справочник заточника / В.А. Кащук, Д.А. Мелехин, Б.П. Бармин.- М.: Машиностроение, 1992. - 232 с.

28. Кинетика залечивания поверхностного дефекта в аустенитной стали в условиях фазового перехода / Тезисы докладов VI Всероссийской конференции «Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов» к 100-летию со дня рождения К. А. Малышева / В. В. Никитин, II. А. Клевцова, Г. В. Клевцов. - Екатеринбург, 2001.- С. 34.

29. Клевцов Г. В., Швец Г. Б., Жижерин А. Г. // Заводская лаборатория, 1983, Т. 49. №11.- С. 58-60.

30. Клевцов, Г. В. Анализ как метод исследования изломов / Г. В. Клевцов, Г. Б. Швец. — Д.: Машиностроение, 1986. Вып. 35.- С. 3—11.

31. Клевцов, Г. В. Микро- и макрозона пластической деформации как критерии предельного состояния материала при разрушении / Г. В. Клевцов, Л. Р. Ботвина // Проблемы прочности. - 1984. - № 4. - С. 24-28.

32. Клевцов, Г. В. Пластические зоны и диагностика разрушения металлических материалов/ Г. В. Клевцов. - М.: МИСИС, 1999. - 112 с.

33. Клевцова H.A., Валиев Р.З., Клевцов Г.В., Семенова И.П., Фесешок М.В.Усталостное разрушение образцов из титана и титанового сплава в микрокристаллическом и субмикрокристаллическом состояниях // Вестник Оренбургского государственного университета. 2010. № 1. С. 134-138.

34. Коцаньда, С. Усталостное растрескивание металлов / С. Коцаньда. -М.: Металлургия, 1990. 622 с.

35. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, Л. Н. Расторгуев. — М.: Металлургия, 1982. - 632 с.

36. Лаборатория металлографии / Е. В. Панченко, Ю. А. Скаков, К. В. Попов, Б. И. Кример, П. П. Арсентьев, Я. Д. Хорин. - М.: Типография Металлургиздата, 1957. - 698 с.

37. Лавриненко, С.Н. Исследование и моделирование режущей кромки прецизионных алмазных инструментов. Резание и инструмент в

технологических системах / С.Н. Лавриненко.- Харьков: ХГПУ, 2000,-Вып. №56.-С. 117-120.

38. Механизмы разрушения металлических материалов и пластические зоны под поверхностью изломов / Г. В. Клевцов, Н. А. Клевцова, Л. Р. Ботвина, Р. Г. Клевцов, О. А. Фролова. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - 159 с.

39. Моделирование процесса интенсивной пластической деформации при высокоскоростном нагружении металлов / Деформация и разрушение материалов: Труды I Межд. конф. (Москва, ноябрь 2006)/ И. В. Минаев, А. В. Абрамов, Е. В. Шорохов, И. Н. Жгилев. — М.: Интерконтакт Наука, 2006.- С. 745-746.

40. Мороз Л. С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов. -Л.: Машиностроение, 1984. -224 с.

41. Морохов И.Д., Трусов Л.Д., Лаповок В.И. Физические явления в ультрадисперсных средах.- М.: Наука, 1984. 472 с.

42. Новиков, И. И. Рентгеноструктурный анализ изломов. Препринт/ И. И. Новиков, Л. Р. Ботвина, Г. В. Клевцов. - М.: АН СССР. 1983. - 31 с.

43. Плитас, П.С. Уход за медицинским инструментарием/ П.С. Плитас.- Киев: Здоровье, 1992.- С. 10-82.

44. Р 50-54-52/2-94. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгепоструктурного анализа изломов. Определение характеристик разрушения металлических материалов рентгеновским методом. — М.: ВНИИНМАШ Госстандарта России, 1994. - 28 с.

45. Р 50-54-52-88. Расчеты и испытания на прочность. Метод рентгеноструктурного анализа изломов. Определение глубины зон пластической деформации под поверхностью разрушения. — М.: ВНИИНМАШ Госстандарта СССР, 1988. - 24 с.

46. Разрушение аустенитных сталей и мартенситные превращения в пластических зонах / Н. А. Клевцова, О. А. Фролова, Г. В. Клевцов, - М.: Изд-во Академии Естествознания, 2005. - 155 с.

47. Салищев Г.А., Валиахметов О.Р., Галеев P.M., Малышева С.П. // Металлы, 1996. № 4. С.86.

48. Семашко, Н. А. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении / Н. А. Семашко, В. И. Шпорт, Б. Н. Марьин.- М.: Машиностроение, 2002. 240 с.

49. Семенова И.П. Прочность и повышенные усталостные свойства ультрамелкозернистых титановых полуфабрикатов, полученных интенсивной пластической деформацией // Металлы, 2010.- № 5.- С. 8794.

50. Сенчишин, В.Г. Технология производства полимерных оптических изделий / Сенчишин В.Г., Н.В. Верезуб, С.Н. Лавриненко.- Ки1в: Техшка, 1992. - 79 с.

51. Сергиенко, Н.М. Офтальмологическая оптика / Н.М Сергиенко. - Киев: Здоровье, 1991.- 144 с.

52. Степаненко, В. А. Стереофрактографическое исследование зоны статического страгивания и динамического скачка усталостной трещины в корпусной стали / В. А. Степаненко, А. С. Штукатурова, П. В. Ясний // Физико-химическая механика материалов. 1983. Т. 19. № 6.- С. 71—78.

53. Теория образования текстур в металлах и сплавах / под ред. Агеева Н. В. — М.: Наука, 1979.-344 с.

54. Терентьев, В. Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов.- М.: Интермет инжиниринг, 2002. - 287 с.

55. Усталостная прочность аустенитной стали Х18Н10Т после равноканального углового прессования / В. Ф. Терентьев, С. В. Добаткин, Д. В. Просвирнин, И. О. Банных, Г. И. Рааб // Деформация и разрушение материалов. 2008. №10.- С.30-38.

56. Фрактография и атлас фрактограмм : Справочник: Пер. с англ. / Пер. Е.А. Шур, Ред. М.Л. Бернштейн. - М.: Металлургия, 1982. - 489 с.: ил.

57. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций / Г. В. Клевцов, JI. Р.Ботвина, Н. А. Клевцова, J1. В. Лимарь.-М.: МИСиС, 2007.-264 с.

58. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций / Г.В. Клевцов, Л.Р. Ботвина, H.A. Клевцова, Л.В. Лимарь. -М.: Наука, 2007.- 251с.

59. Хомская, И. В. Особенности формирования структуры в меди при динамическом канально-угловом прессовании / И. В. Хомская, В. И. Зельдович, Е. В. Шорохов и др. // Физика металлов и металловедение. 2008. Т. 105. № 6.- С. 621-629.

60. Школьник, Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник.- М.: Металлургия, 1978.- 304 с.

61. Энгель, Л. Растровая электронная микроскопия: Справочник / Л. Энгель, Г. Клингеле. —■ М.: Металлургия, 1986. — 232 с.

62. Янчишин, Ф. П. Охлаждающее и коррозионное воздействие рабочих сред на циклическую прочность стали XI8Н10Т с различной величиной зерна / Ф. П. Янчишин, Г. Г Максимович, Я. С. Щепанский // Физико-химическая механика материалов. 1975. Т. 11. № 5.- С. 74-76.

63. Chakkingal U., Suriadi A.B., Thomson P.F. // Scripta Mater., 1998. V. 39. P. 677.

64. Chokshi A.H., Mukherjee A.K., Langdon T.G. // Mater. Sei. Ing., 1993. V. RIO. P. 237.

65. Clavel M., Fournier D., Pineau A. // Met. Trans., 1975. A 6. N 12. P. 23052307.

66. Cottrell, A. H., Extrusion and intrusion by cyclic slip in copper / A. H. Cottrell, D. Hull.- Proc. Roy. Society A242, (1957) pp. 211-217.

67. Forsyth, P. J. E. //Metals Technol. 1978. V. 5. N 10. P. 351-357.

68. Furukawa M., Ma Y., Horita Z., Nemoto M. et al. - In: Proc. Int. Conf. on Thermomechanical Processing of Steels & Other Materials (edit. T. Chandra, T. Sakai), 1997. P. 1875.

69. Gleiter H. Nanostructured materials // Progress in Materials Science. 1989. Vol.33. P. 233-315.

70. Kaiser, J. An Investigation into the Occurrence of Noises in Tensile Tests or a Study of Acoustic Phenomena in Tensile Tests / J. Kaiser.-: Ph. D Thesis. Tech. Hosch. Munchen, Munich Germany, 1950.

71.Korznikov A.V., Ivanisenko YU.V., Laptionok D.V. et al. // Nanoctructured Materials, 1994. V. 4. P. 159.

72. Kurmanaeva L., Ivanisenko Yu., Markmann J., Kiibel C., Chuvilin A., Doyle S., Valiev R.Z., Fecht H.-J. Grain refinement and mechanical properties in ultrafine-grained Pd and Pd - Ag alloys produced by HPT, Mater. Sci. Eng. A, vol. 527, issues 7-8 (2010). P. 1776-1783.

73. Lane, G. S. // Pergamon Press, New York, 1972. Ch 11. P. 219.

74. Liu M., Roven H.J., Liu X., Murashkin M., Valiev R.Z., Unga'r T., Balogh L. Grain refinement in nanostructured Al-Mg alloys subjected to high pressure torsion // J. Mater. Sci. (2010) 45. P.4659-4664.

75. Liu M., Roven H.J., Liu X., Murashkin M., Valiev R.Z., Ungar T., Balogh L. Special structures in Al-Mg alloys subjected to high pressure torsion, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol. 20 (2010). P.2051-2056.

76. Meyer M. A., Mishra A., Benson D. J. Mechanical properties of nanocrystalline materials // Progress in Materials Science. 2006 Vol.51.P.427-556.

77. Mott, N. F. A theory of the origin of fatigue cracks. / N. F. Moot.- Ada Met., 6 (1958) pp. 195-197.

78. Mulyukov Kh.Ya., Khaphizov S.B., Valiev R.Z. // Phys. Stat. Sol. (a), 1992. V. 133. P. 447.

79. Popov A.A.// Scripta Mater. 1997. V. 37. P. 1089.

80. Prokofiev E.A., Burow J.A., Payton E.J., Zarnetta R., Frenzel J., Gunderov D.V., Valiev R.Z., Eggeler G. Suppression of Ni4Ti3 precipitation by grain size refinement in Ni-rich NiTi shape memory alloys, Adv. Eng. Mater., Vol. 12, issue 8 (2010). P. 747-753.

81. Sabirov I., Perez-Prado M.T., Murashkin M., Molina-Aldareguia J.M., Bobruk E.V., Yunusova N.F., Valiev R.Z. Application of ECAP-PC for grain refinement in aluminium alloys and its effect on deformation behavior // Int. J. Mater. Form. (2010) Vol. 3 Suppl 1. P.411^414.

82. Salichev G.A., Imaev R.M., Imarv V.M., Gabdulin N.K. // Mater. Sei. Forum, 1993. V. 113-115. P. 613.

83. Sawai Т., Matsuoka S., TsuzakiK. Low- and High-cycle Fatigue Properties of Ultrafine-grained Low Carbon Steels // J. Iron and Steel Inst. Jap. 2003. V. 89, No. 6. P. 726- 733.

84. Senkov O.N., Froes F.H., Stolyarov V.V. et al. // Scripta Mater., 1998. V. 38. P. 1511.

85. Shen H., Li Z., Guenther В., Korznikov A.V., Valiev R.Z. // Nanostructured Materials, 1995. V. 6, P. 385.

86. Siegel R.W., - In: Proc. Of the NATO ASI, Mechanical properties of ultrafine-grained materials (Eds. M. Nastasi, D.M. Parkin, H. Gleiter) -Dordrecht; Boston; London; Kluwerv Head. Publ., 1993. V. 233. P. 509.

87. Teplov V.A., Pilyugin V.P., Chernyshov E.G. //Phyl. Met. Metall., 1997. V. 84. P. 256.

88. Teplov V.A., Pilyugin V.P., Gavico V.S., Chernyshov E.G. // Phil. Mag. B, 1993. V. 68. P. 877.

89. Valiev R. Z., Rjrznikov A.V, Mulyukov R.R. //Mater.Sci.Eng., 1993. V. A 186. P. 141

90. Valiev R.Z., Alexandrov I.V., Enikeev N.A., Murashkin M.Yu., Semenova I.P. Towards enhancement of properties of UFG metals and alloys by grain boundary engeneering using SPD processing. Reviews on Advanced Materials Science. 25 (2010) 1-10.

91. Valiev R.Z., Ivanisenko Yu.V., Rauch E.F., Baudelet B. // Acta Mater., 1996. V. 44. P. 4705.

92. Valiev R.Z., Krasilnikov N.A., Tsenev N.K. // Mater.Sci.Eng., 1991. V.A 137. P. 35.

93. Valiev R.Z., Langdon T.G., The art and science of tailoring materials by nanostructuring for advanced properties using SPD techniques, Adv. Eng. Mater, (special issue: Bulk Nanostructured Materials, eds.: R.Z. Valiev, H. Hahn, T.G. Langdon), Vol. 12, issue 8 (2010), p. 677-691.

94. Valiev R.Z., Murashkin M.Yu., Kilmametov A., Straumal B., Chinh N.Q., Langdon T.G. Unusual super-ductility at room temperature in an ultrafine-grained aluminum alloy. J.Mater. Sei. 45 (2010). P. 4718-4724.

95. Valiev R.Z., Murashkin M.Yu., Semenova I.P. Grain Boundaries and Mechanical Properties of Ultrafine-Grained Metals. Metall. Mater. Trans. 41A (2010). P. 816-822.

96. Valiev R.Z., Murashkin M.Yu., Straumal B.B. Enhanced ductility in ultrafine-grained Al alloys produced by SPD techniques // Materials Science Forum. 633-634 (2010). P. 321-332.

97. Valiev R.Z., Tsenev N.K. - In: Hot deformation of aluminum alloys (ed/ by T.G. Langdon, H.D.Merchant, J.G. Morris, M.a. Zaidi). TMS. Warrendale, PA, 1991. P. 319.

98. Wang Y., Zhao Y., Liao X., Valiev R.Z., Ringer S., Zhu Y., Lavernia E. Grain size and reversible beta-to-omega phase transformation in a Ti alloy, Scripta Mater., Vol. 63 (2010). P. 613-616.

99. Weertman J.R. // Mater. Sei. Forum, 1993. V. 243-245. P. 767.

100. Wen H., Zhao Y., Li Y., Ertorer O., Nesterov K.M., Islamgaliev R.K., Valiev R.Z., Lavernia E.J. High-pressure torsion-induced grain growth and detwinning in cryomilled Cu powders. Phil. Mag. 90, 34 (2010). P. 45414546.

101. Wood, W. A., Recent observations on fatigue fracture in metals / W. A. Wood, ASTM STP 237, (1958) pp. 110-121.

102. Zherebtsov, S Mechanical Properties of Ti - 6A1 - 4V Titanium Alloy with Submicrocrystalline Structure Produced by Severe Plastic Deformation / S. Zherebtsov., G. Salishchev, R. Galeyev et. al. // Materials Transactions. 2005. V. 46, №. 9. P. 2020 - 2025.

103. Zhilyaev A.P., Lee S., Nurislamova G.V. et.al. // Scripta Mater., 2001. V. 44. P.2754.

104. Zhu Y., Valiev R.Z., Langdon T.G., Tsuji N., Lu K. Processing of nanostructured metals and alloys via plastic deformation, MRS Bulletin, Vol. 35 (2010). P. 977-981.