Накопления повреждаемости

счет прерывистого течения в локальных объемах. На стадии установившейся ползучести накопления пластической деформа-з ции не происходит даже при напряжениях,

Сопоставление кривых, характеризующих относительную по-врежденность количеством накопленных пор в двух партиях металла стали 12Х1МФ, с соответствующими расчетными кривыми (сплошные и пунктирные линии на рис. 3.22) подтвердило целесообразность применения формулы (3.23) для оценки степени поврежденное™ металла на разных стадиях исчерпания ресурса. Кривые накопления повреждений, рассчитанные по формуле (3.23), для роторной стали Р2М в полной мере отражают закономерности накопления пластической деформации (соответственно повреждений) в условиях ползучести (см. рис. 3.24). Аналогичная обработка результатов испытаний на длительную прочность стали 15ХМ в интервале температур 550—625 °С подтвердила возможность использования формулы (3.23): расчетная кривая в достаточной мере отражает процесс накопления деформации ползучести (см. рис. 3.25,6).

Для упрощения задачи изучения закономерностей накопления пластической деформации и повреждений в одних случаях определяют влияние температурных колебаний, в других при постоянной температуре дискретно меняют нагрузки, наконец, многие исследователи изучают поведение материала при комбинированных изменениях температурно-силовых режимов работы как при одноосном нагружении, так и в условиях сложного напряженного состояния.

При контактных давлениях, превышающих предел текучести исследуемого материала, периодический характер накопления пластической деформации, связанный с упрочнением и разрушением поверхностного слоя, сохраняется в широком диапазоне условий трения. Начальная стадия процесса изнашивания связана с образованием микротрещин. По мере роста числа воздействий инден-тора число микротрещин увеличивается, в результате чего отделяются частицы износа. Микротрещвны образуются тем быстрее, чем больше контактное давление. Таким образом, установлена общность механизма разрушения лри трении в условиях пластического контакта и при объемной малоцикловой усталости.

Дальнейшее циклическое нагружение приводит к постепенному уменьшению микротвердости слоя стали Ст. 3 и обезуглеро-женного слоя. Микротвердость карбидной зоны не изменяется в процессе нагружения, что свидетельствует об ограничении процессов накопления пластической деформации. В слое стали Х18Н10Т наблюдается незначительное увеличение микротвердости по мере возрастания числа циклов нагружения.

Металлографическое изучение деформации биметаллов целесообразно проводить с использованием комплексной методики экспериментирования, основанной на применении автоматических телевизионных анализаторов изображения. Это позволяет осуществлять количественную оценку накопления пластической деформации по числу полос скольжения в анализируемых участках материала, измерять длину трещин и площадь пластической деформации в их вершинах. Наряду с анализом деформационной структуры методика предусматривает проведение микрорентгеноспектраль-ного анализа и фрактографическое изучение изломов с помощью растровой электронной микроскопии. Ниже приведены примеры исследования процесса накопления пластической деформации в переходных зонах образцов биметалла Ст. 3+Х18Н10Т, подвергнутых циклическому нагружению на установке ИМАШ-10-68. Подсчет числа полос скольжения производится с помощью телевизионного анализатора изображения на площади, заключенной в рамку сканирования (рис. 1). Образец, размещенный на предметном столике автоматического количественного микроскопа «РМС», перемещался по заданной программе вдоль выбранной базы измерения, ширина которой была равна высоте, а длина соответствовала ширине рамки сканирования, умноженной на число перемещений столика.

Приведены результаты исследования процесса накопления пластической деформации в переходных зонах образцов биметалла Ст. 3+Х18Н10Т в условиях циклического нагружения в установке ИМАШ-10-68, выполненного с использованием комплексной методики, основанной на применении автоматических анализаторов изображения.

Как следует из рис. 135, а и б, границы крупных зерен мягкой обезугле-роженной зоны являются участками преимущественного накопления пластической деформации. Наряду с деформацией, локализующейся в теле зерен, при циклическом нагружении и нагреве до 800° С в обезуглероженной зоне развиваются также процессы, протекающие по границам зерен и вызывающие интенсивное разрыхление поверхности (рис. 135, б). В этом случае большое значение имеют процессы, приводящие к возникновению микрорельефов характеризуемых образованием межзеренных трещин, миграцией границ и развитием фрагментации зерен. 225

Однако этот метод мало пригоден для исследования кинетики накопления пластической деформации в поверхностных слоях материала, так как требует разрушения образцов (изготовление поперечных шлифов). В этом смысле метод контроля за структурными изменениями поверхностных слоев в процессе работы имеет гораздо большие возможности.

Уменьшение толщины образцов до 0,4 мм дает возможность надежно определить среднее увеличение ДЛ/Д в процессе трения для нагрузок 14 и 12 кгс. И в этом случае большему контактному давлению соответствует большее среднее значение &R/R, что может быть связано как со степенью развития пластической деформации в материале, так и с толщиной зоны, подвергающейся пластическому деформированию (рис. 30, б). Следует отметить, что-во всех случаях фиксируется периодическое изменение электросопротивления, соответствующее периодическому характеру накопления пластической деформации, зафиксированному методом рентгеновского анализа. С уменьшением толщины образцов амплитуда обратимой составляющей электросопротивления увеличивается, так как увеличивается вклад зоны разрушения в общий характер его изменения (рис. 30, в). Зависимость амплитуды обратимой составляющей электросопротивления от толщины образца приводит к тому, что при больших значениях последней выявляются не все максимумы пластической деформации. Так,

что свидетельствует о совпадении числа циклов до разрушения, зафиксированного двумя методами (рис. 31) [103], и правильности представлений о причинах, обусловливающих разрушение поверхностного слоя. Таким образом, интегральная информация об изменении состояния образца в процессе трения, полученная методом измерения электросопротивления, как качественно, так и количественно подтвердила характер накопления пластической деформации в поверхностных слоях стали 45, выявленный методами рентгеновского анализа. Следует отметить, что в отличие от ширины дифракционных линий электросопротивление очень чувствительно к нарушению сплошности материала. Любое уменьшение эффективного сечения образца (например, за счет образования микротрещин) приводит к увеличению электросопротивления. Некоторая тенденция к росту необратимой составляющей электросопротивления по мере роста числа воздействий индентора •свидетельствует о деструкции материала (см. рис. 30).

Однако возникающие звуковые сигналы можно улавливать на слух только в некоторых, частных случаях. В общем же случае требуется специальная аппаратура. Такая акустическая аппаратура создана. Ее используют для изучения накопления повреждаемости при деформации материалов и прогнозирования разрушений.

Рассмотрим теперь стадийность процессов пластической деформации и разрушения в условиях циклического деформирования. В дальнейшем мы будем рассматривать закономерности усталостного разрушения в основном в области многоцикловой усталости, хотя при рассмотрении многих аспектов проблемы мпогоцикловой и малоцикловой усталости бывает трудно разделить. Обобщенная диаграмма многоциюювой усталости, представленная на рис. 7, отражает основные закономерности накопления повреждаемости в основных периодах и стадиях процесса усталостного разрушения металлических материалов, имеющих на кривой статического растяжения физический предел текучести. В диапазоне циклических напряжений от стк до стти весь процесс усталости в зависимости от числа циклов нагружения можно разделить на два основных периода (по аналогии со стадийностью процессов пластической деформации и разрушения при статическом нагружении): зарождения усталостных трещин и распространения усталостных трещин (заштрихованная область на рис. 7).

лома. Динамика накопления повреждаемости материала при испытаниях в широком интервале температур может быть прослежена по диаграмме ИДТ, которая позволяет благодаря использованным в ней параметрам выделить конкретные области возникновения и роста не-сплошностей, их связь с изменением дислокационной структуры.

температуре и данных металлографического исследования позволил выделить три-области (А, Б, В), различающиеся характером накопления повреждаемости и механизмами разрушения. В области А сочетание параметров (температуры, нагрузки, амплитуды колебаний) обеспечивает надежную и устойчивую работу покрытий. Износ проявляется в виде пластической деформации и нивелирования микронеровностей поверхности.

Кинетика накопления повреждаемости и механизм разрушения определяются прежде всего уровнем амплитуды нагружения, в зависимости от которого на кривой усталости можно выделить следующие четыре области [71] (рис. 14):

В работах В. Л. Колмогорова и др. [41 — 43] разработана феноменологическая теория разрушения, представляющая собой модель накопления повреждаемости в металле при его пластической деформации.

Теория дислокаций позволяет ронять двойственную природу пластической деформации при обработке резанием: деформация приводит к упрочнению металла (увеличению напряжения течения с ростом степени пластической деформации), одновременно подготовляя условия для его разрушения (накопления повреждаемости).-

Необходимо теоретическое описание поведения ансамблей дефектов различного рода при действии полей напряжений, температур, при изменении градиентов химического потенциала с учетом механизмов накопления повреждаемости, зарождения и распространения очагов разрушения в приповерхностных и поверхностных слоях материалов при трении. В связи с этим должны быть усовершенствованы методологические принципы исследований, основанные на комплексном анализе физических, химических и механических процессов контактного взаимодействия. На базе комплексного исследования, моделирования процессов и свойств поверхности должны быть получены критериальные связи, позволяющие конструкторам, технологам и эксплуатационщикам иметь характеристики обобщенных оценок качества поверхности в целях применения их при выборе пар трения.

Примерно с 1943 г. встал вопрос об исследовании процессов накопления повреждаемости металла при циклических нагружениях. Интерес к этому вопросу был вызван тем. что большинство деталей машин ра-

В блок-схему определения накопления повреждаемости по данным о реальной эксплуатационной нагруженности включают мини-ЭВМ (см. рис. 3.15). ЭВМ содержит центральный процессор с программой обработки входной информации и оценки накопления повреждаемости на каждом режиме.

Аналитическое выражение, связывающее параметры ползучести и термической усталости при совместном их действии, было получено на основе гипотезы исчерпания срока службы при ползучести и накопления повреждаемости в материале под действием циклических термических напряжений. Согласно этой гипотезе разрушение наступает тогда, когда сумма относительных повреждений достигает критической величины в соответствии с линейной концепцией суммирования: