Межзеренного проскальзывания

При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким. Надо отметить, что межзеренное разрушение присутствует всегда, но больше проявляется при хрупком разрушении.

Межзеренное разрушение облегчается при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы.

1,2- межзеренное разрушение (Mo и Fe соответственно); 3 - фасетка сдвига (нержавеющая сталь); 4, 5 - комбинация хрупкого и вязкого

в) скол и межзеренное разрушение; г) межзеренное разрушение пористого

Разрушение по границам элементов структуры — межзеренное или межъячеистое разрушение, при котором трещина идет по границам зерен или дислокационных ячеек. Различают хрупкое межзеренное разрушение, которому предшествует пластическая деформация" внутренних объемов зерен и пластичное межзеренное разрушение. Указанные типы межзеренного разрушения обычно относят к низкотемпературным типам разрушения. Кроме того, существуют высокотемпературное межзеренное разрушение и межзеренное разрушение при ползучести. Эти механизмы обусловлены высокотемпературным проскальзыванием по границам зерен и диффузионным зарождением-пор на границах. Они подробно изложены в обзорах Эшби с сотрудниками [404].

Хрупкое межзеренное разрушение ОЦК-металлов связывается; обычно с сегрегациями примесей или пленочными выделениями, ослабляющими межзеренное сцепление и понижающими поверхностную энергию границ.

>а — хрупкое межзеренное разрушение ниобия (Х500); 6 -- хрупкое межзеренное разрушение поликристаллического железа, обусловленное двойникованием тела зерен (ХЗООО)З в — хрупкое межзеренное разрушение поликристаллического железа, обусловленное вы-жодом полос скольжения на границы зерен (ХЗООО); ё, д — пластическое межзеренное разрушение ниобия при двух увеличениях (Х50 а Х5000); е —. скол и хрупкое межъячеистое разрушение монокристалла молибдена [100] при 400 °С (ХЗООО).

пластической деформации ступеньки несоответствия накапливаются и при некотором уровне пластической деформации может произойти межзеренное разрушение. Рельеф такого межзеренного разрушения представляет собой картину развитой пластической деформации (рис. 5.11, в).

Пластичное межзеренное разрушение происходит путем слияния пор. Морфологически такое разрушение при малых увеличениях типично для межзеренного разрушения (рис. 5.11, г), однако при больших увеличениях отчетливо обнаруживаются мелкие ямки, иногда с частицами (рис. 5.11,5).

В материалах с ослабленными границами зерен разрушению сколом предшествует межзеренное разрушение. Вследствие того, что на современном этапе развития фрактографии невозможно различать межзеренные трещины, предшествующие сколу, и межзеренные трещины, возникшие одновременно со сколом, в качестве эффективной межзеренной трещины удобно пользоваться долей межзеренного разрушения. Доля межзеренного разрушения — выраженное в процентах отношение площади межзеренного разрушения к площади всего излома -

межзеренное разрушение после незначительной (3—5 %) пластической деформации. Ширина этого интервала существенно изменяется от сплава к сплаву. Например, в сплаве ВТАН-54 [433] она составляет почти 700 °С. Ширина интервала также зависит не только от таких факторов, как пластичность матрицы и прочность границы раздела фаз, но и состояния границ зерен. В сплаве МТАН границы зерен ослаблены, по-видимому, сегрегациями азота и поэтому межзеренное разрушение в нем хорошо выражено. Границы зерен в сплавах ВТАН-54 и НЦАВ8 упрочнены пограничными выделениями очень сложной формы, что приводит не только к сужению этого интервала (НЦАВ8) [431], но и к практически полному его исчезновению (ВТАН-54) [433].

нышевой было показано, что деформация металла шва в зоне ТИХ осуществляется по механизму межзеренного проскальзывания и горячие трещины возникают в результате исчерпания ресурса пластичности материала в ТИХ. Появление современной аппаратуры для механических испытаний и для структурных исследований РЭМ, в особенности развитие метода in situ РЭМ, позволяющего совместить механические испытания со структурными исследованиями процессов деформирования и разрушения, дает новые возможности для изучения технологической прочности материалов на основе концепции Н. Н. Прохорова. В развитой нами методике образец исследуемого на свариваемость металла нагружается предварительно до некоторого фиксированного уровня напряжений, после чого привод машины отключается. В образце наблюдается развитие релаксации напряжений. В этот период на поверхность образца с помощью дугового разряда наносится сварная точка. Ее появление сопровождается протеканием в образце волны разгрузки из-за нагрева образца теплом дуги. Величина разгрузки регистрируется иа диаграммной ленте. После выравнивания температуры и охлаждения образца до комнатной температуры продолжается процесс релаксации напряжений, но с уровня напряжений меньшего, чем до горения дуги. Экстраполяция уровней напряжения к моменту зажигания дуги позволяет установить разницу этих напряжений, а по ней можно определить величину деформаций, накопившуюся зп время горения дуги. Рассчитав термический цикл сварки в приближении плоского теплового источника в бесконечном стержне постоянного сечения, можно оценить время пребывания сварного металла в ТИХ. Этих данных достаточно, чтобы определить скорость деформации металла шва в ТИХ, которую принимают за критерий образования горячих трещин, если она соответствует появлению трещин в шве. Наличие трещин устанавливается при изучении поверхности оплавленного металла в растровом электронном микроскопе. Экспериментальная часть работы была проведена на образцах стали 10 на испытательной машине «Инстрон-2520». Образцы нагружали до начального уровня напряжений б, 10, 20, 30. 30 кг/мм2. Сварные точки наносились с помощью дуги от плавящегося электрода со стержнем ив стали Св-08 Температура измерялась в контрольной точке с помощью термопары, а распространение температурного Поля по образцу после зажигания дуги рассчитывалось аналитически. Время горения дугового разряда 1 сек. Поверхность оплавленного металла изучалась в растровом электронном микроскопе «Cambridge-360. Наблюдались следы меж-зеренных проскальзываний. При 6 - 2,1*10-' 1/сэк в оплавленном металле не наблюдалось трещин (О ~ б кг/мм2), при других уровнях напряжений они обнаружены.

Переход к разрушению элементов авиационных конструкций на заключительной фазе развития усталостной трещины может быть осуществлен в широком диапазоне температурно-скорост-ных условий нагружения. Возможны разнообразные ситуации по интенсивности напряженного состояния материала в зоне страгивания трещины применительно к широкому классу конструкционных материалов на основе железа, титана, алюминия, магния и никеля. Поэтому в условиях эксплуатации могут быть достигнуты ситуации с минимально реализованной вязкостью разрушения вплоть до межзеренного проскальзывания или, напротив, может произойти высокопластичное разрушение, в котором сочетаются процессы внутризеренного скольжения и межзеренной ползучести. Вся совокупность реализуемых таким образом ситуаций в условиях эксплуатации должна рассматриваться с единых энергетических позиций с привлечением карт или диаграмм областей устойчивого поведения материала [40-42].

области скоростей разрушения с частотой нагружения 5 и 55 Гц [11]. Компактные образцы толщиной 10 мм нагружались с асимметрией цикла 0,1, 0,33,0,5 и 0,7 по специальной методике путем варьирования скорости изменения максимального коэффициента интенсивности напряжения [12]. Исследован диапазон скоростей роста трещины S-IO"11— 5-10"8 м/цикл. Фрактографическое исследование показало, что по мере нарастания скорости роста трещины имеет место последовательно трехкратная смена механизма разрушения от первоначально внутризеренного с мелкими фасетками, разориентированными в пространстве, а также со следами окисления излома в процессе роста трещины, до фрагментов межзеренного проскальзывания. В завершение происходил переход к внутризеренному разрушению с формированием рельефа типа строчечности. Всем этапам формирования рельефа излома соответствовал различный наклон кинетических кривых при всех уровнях асимметрии цикла (рис. 7.4). Возрастание асимметрии цикла при частоте нагружения 55 Гц вызвало эквидистантное смещение кинетических кривых. При этом переход к асимметрии цикла с 0,33 к 0,5 приводил к резкому снижению доли участков межзеренного проскальзывания с 22 до 4 % и их исчезновению при асимметрии 0,7. Характер кинетических кривых при этом оставался неизменным,

В условиях нагружения стали марейнджинг [11] скорость роста трещины нарастала, поэтому формирующиеся окислы не вызывали задержки трещины. Наблюдаемое окисление излома и появление межзеренного проскальзывания трещины при снижении асимметрии цикла и возрастании частоты нагружения указывает на возрастание влияния окислительных процессов на скорость роста трещины. Тем не менее при прочих равных условиях нагружения скорость роста трещины была ниже при возрастании частоты нагружения.

уровень локальных напряжений в приграничных зонах. Длительное выдерживание материала под нагрузкой приводит к медленному нарастанию процесса межзеренного проскальзывания хрупких трещин, их соединения и в последующем быстрого разрушения материала по границам зерен на все сечение. Отсутствие выделений по границам зерен, отрицательно влияющих на межзеренную прочность материала, а также отсутствие иного отрицательного влияния на прочность границ раздела материала устраняет его чувствительность к его выдержке под нагрузкой. В связи с этим далее будут рассмотрены только те ситуации, когда влияние выдержки под нагрузкой в цикле нагружения проявляется в активизации тех или иных механизмов развития усталостных трещин, вызывающих более активное повреждение материала за цикл нагружения, чем в случае обычного синусоидального цикла нагружения.

накопления повреждении по границам зерен. Достижение критических условий по температур-но-скоростному (частотному) нагружению приводит к смене механизма разрушения, что и определяет ускорение процесса роста трещин. Величина критической частоты нагружения для этого перехода зависит от температуры испытания и размера зерен [44]. Форма цикла нагружения оказывает дополнительное влияние на активизацию механизмов межзеренного проскальзывания.

Микроморфология разрушения в зоне магистральной трещины носит двойственный характер. В основном разрушение идет по границам зерен за счет образования клиновидных трещин. С другой стороны, в зоне клиновидных трещин впереди фронта магистральной трещины и рядом с ней имеется значительное количество пор ползучести. В металле диска далее по периметру вне зоны видимой трещины и микротрещин имеются зародыши пор, выявляемые методами оптической и электронной микроскопии. Следовательно, в зоне концентрации напряжений идет процесс порообразования. При периодических перегрузках, которые могут иметь место в пусковой период работы ротора, в металле, пораженном порами, происходит образование клиновидных межзеренных трещин в пределах зерна. В устье трещины за счет ускорения процессов диффузий в поле повышенных напряжений и межзеренного проскальзывания происходит образование крупных карбидов и снижается трещиностойкость стали. В дальнейшем процесс разрушения идет с ускорением и завершается смешанным разрушением.

Эти изменения приводят к тому, что при длительной эксплуатации происходит значительное возрастание неоднородности свойств матрицы и приграничных объемов. В матрице протекают как разупрочняющие, так и упрочняющие процессы. Рост и коалесценция карбидных частиц, а также миграция границ зерен вызывают появление разупрочненных приграничных зон, относительно свободных от дислокаций и дисперсных карбидов, в которых облегчено протекание релаксационных процессов. Закрепление границ карбидами, извилистая форма границ приводят к затруднению межзеренного проскальзывания. Все это определяет уменьшение вероятности зарождения пограничных пор.

2. Величина межзеренного проскальзывания повышается с увеличением верхней температуры цикла и продолжительности нагрева образца при этой температуре.

Для предотвращения окисления поверхности при сварке предварительно полированные пластины проплавлялись в среде аргона. Определение межзеренного проскальзывания на образцах, выре-зованных из сварных соединений, производилось на высокотемпературной установке типа ИМАШ-5С-65 и с использованием интерференционной микроскопии. Исследовались сварные соединения стали 1Х18Н9Т, сплава ЭЙ 893 и технического никеля Н2.

Первым этапом исследования была оценка деформации, развивающейся в процессе сварки в околошовной зоне и реализующейся за счет межзеренного проскальзывания. С этой целью определялась величина вертикальной составляющей проскальзывания по границам зерен йгр.