3.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

Рассмотрим результаты экспериментов, характеризующие влияние скорости деформирования на критические параметры, контролирующие предельное состояние материала, и сопоставим их с механизмами накопления повреждений и разрушения. Основная закономерность, которая наблюдается при различных схемах деформирования в условиях, когда скоростные параметры нагружения влияют на характеристики разрушения, состоит в уменьшении критических значений этих характеристик при снижении эффективной скорости деформирования. Так, при испытании на ползучесть в определенном температурном интервале снижение скорости установившейся ползучести, вызванное уменьшением приложенных напряжений, может приводить к уменьшению деформации соответствующей разрушению образца. В качествее примера на рис. 3.1, а приведены результаты опытов на ползучесть для ферритной стали, содержащей , при и напряжении [342]. При скорости установившейся ползучести порядка деформация до разрушения образца составляет всего несколько процентов.

В условиях циклического нагружения уменьшение эффективной скорости деформирования, обусловленное либо уменьшением частоты, либо выдержкой в цикле, либо формой цикла, может вызвать существенное снижение числа циклов до разрушения, как показано на рис. на примере нержавеющей стали типа 304, испытанной при и размахе деформации Аналогичные данные получены для бейнитной стали [286]: при и выдержка в циклах растяжения и сжатия до 6 мин приводит к снижению усталостной долговечности в три-четыре раза по сравнению с непрерывным циклированием со скоростью деформирования Подобное влияние скорости деформирования на повреждаемость материала наблюдается и на стадии роста усталостной трещины. Например, для никелевого сплава уменьшение частоты нагружения до 0,1 Гц

при приводит к возрастанию скорости усталостной трещины на порядок (рис. 3.1, в).

Аналогичные тенденции влияния скорости деформирования на характеристики разрушения наблюдаются, как установлено многочисленными экспериментальными исследованиями 341, 392, 394, 433], для различных материалов, в том числе для аустенитных и перлитных сталей.

Рис. 3.1. (см. скан) Влияние скорости деформирования и частоты нагружения на характеристики разрушения в условиях ползучести (ферритная сталь при С [342]), при циклическом нагружении [сталь типа при ] и при росте усталостной трещины со скоростью (сплав при и III — области межзеренного, смешанного и внутризеренного разрушения

Приведенные здесь и многие другие результаты, таким образом, показывают, что во многих случаях критические значения параметров, определяющих предельное состояние материала, становятся зависимыми от условий нагружения. Формулировка критерия разрушения, разумеется, может быть выполнена традиционным способом — введением эмпирических зависимостей критических параметров от скорости (или времени) деформирования [4, 170, 199, 227, 269, 319].

Однако такие феноменологические модели малопригодны для экстраполяции результатов относительно кратковременных лабораторных опытов на реальные длительные сроки эксплуатации, а также для описания разрушения в условиях ОНС при сложных программах нагружения. В этой связи многие исследователи обращаются к анализу физических механизмов и моделей накопления повреждений при разрушениях, зависящих от времени. Выполненный во многих работах [240, 256, 306, 318, 324, 342, 392, 433] металлографический и фрактографический анализ показал, что снижение долговечности при уменьшении скорости деформирования при различных схемах

нагружения обусловлено переходом от внутреннего к межзеренному разрушению. Другими словами, для материала, проявляющего при длительном статическом, и. циклическом нагружении склонность к межзеренному разрушению, следует ожидать чувствительности характеристик предельного состояния к скоростным параметрам деформирования (рис. 3.1).

Межзеренное разрушение в, указанных условиях связано с развитием повреждений по, границам зерен по механизму зарождения и роста пор; опережающим процесс накопления повреждений в теле зерна по механизму, характерному для данного вида деформирования.

Рис. 3.2. Зависимости критических характеристик от скорости деформирования при внутризерен-. ном (1) и межзереином (2) разрушениях (схема)

Следует отметить, что полученные в настоящее время уравнения, описывающие меж и внутризеренноё накопление повреждений, между собой практически, никак не связаны. Обусловлено это тем, что процесс накопления повреждений Описывают в терминах механики сплошной среды, когда любой параметр повреждения относится к бесконечно малому объему материала. Отказ от такой интерпретации повреждения, как показано в главах 2, 4, в ряде случаев может быть Продуктивным [74, 76]. Рассмотрение повреждения. в конечном объеме материала дает возможность анализировать зарождение и развитие разрушения как в теле, так и на границе зерна. При этом процесс разрушения можно представить как конкуренцию между повреждениями по границам и в теле зёрна: какое из указанных повреждений раньше достигнет своего критического значения, такой механизм разрушения и будет определяющим.

Для анализа критических параметров и характера разрушения материала при длительном статическом и циклическом нагружениях целесообразно суммировать рассмотренные здесь механические и физические особенности процёсса разрушения в виде схемй, приведенной на рис. 3.2, где линия 1 соответствует внутризеренному характеру разрушения по механизму, свойственному данному виду нагружения. При этом критические параметры (количество циклов до разрушения при циклическом нагружении или пластическая деформация при статическом нагружении) не зависят от скорости деформирования Кривая 2 соответствует межзеренному разрущению для которого характерна чувствительность критических

параметров к скорости деформирования. В соответствии с предложенной схемой разрушение будет определяться тем процессом, который дает меньшие значения критических параметров. При скорости деформации происходит переход от внутризеренного к межзеренному разрушению: для предельное состояние контролируется процессами накопления повреждения в теле зерна и характеристики разрушения не зависят от Для определяющим является межзеренное повреждение, критические параметры разрушения становятся зависящими от

Причина различной скоростной зависимости критических параметров при внутри- и межзеренном разрушении заключается в разной природе физических процессов, приводящих к накоплению меж- и внутризеренных повреждений. Как уже отмечалось, межзеренное разрушение в рассматриваемых условиях связано с зарождением, ростом и объединением пор по границам зерен. Следует подчеркнуть, что во многих работах [199, 256] разрушение по границам зерен связывается с ростом микротрещин, зародившихся в стыках трех зерен. Однако выполненные в последнее время фрактографические исследования [256] достаточно убедительно показали, что указанные механизмы не являются альтернативными: в обоих случаях процесс развития повреждений является кавитационным [256, 326]. Более легкое зарождение пор в тройных стыках приводит к неоднородному развитию повреждений и формированию клиновидных микротрещин, которые в процессе роста поглощают мелкие поры, зарождающиеся по всей поверхности границ зерен [256]. Таким образом, указанная дифференциация межзеренных повреждений является достаточно условной и при описании процессов накопления повреждений на границах зерен целесообразно исходить из моделирования их кавитационными механизмами.

Зарождение и рост пор на границах зерен обеспечиваются двумя процессами: зернограничной диффузией и пластической деформацией, причем их соотношение существенно изменяется при изменении скорости деформирования [296, 382]. При уменьшении относительный вклад диффузионных процессов увеличивается, поэтому при деформировании с двумя различными скоростями скорость накопления повреждений, которую можно выразить параметром площадь пор на единичной площади грани зерна), будет больше при

Следовательно, при меньшей скорости деформирования критическое состояние материала будет достигнуто быстрее и значения макроскопических параметров разрушения или уменьшатся (рис. 3.2, кривая 2). При внутризеренном накоплении повреждений роль диффузионных механизмов

незначительна. Например, зарождение и рост пор в теле зерна связаны с дислокационными, а не с диффузионными процессами [256]. Критическое состояние материала в этом случае не зависит от времени его достижения, а критические параметры нечувствительны к (рис. 3.2, кривая Скорость деформации, при которой диффузионным ростом пор по границам зерен можно пренебречь в отличие от их пластического роста, т. е. накопление как внутри-, так и межзеренных повреждений обусловлено процессами пластической деформации, будет определять значение Напряжение, обеспечивающее скорость деформации достаточно велико — пластическая деформация материала осуществляется в основном внутризеренным скольжением, проскальзывания по границам не происходит, т. е. физически границы зерен не выделены. Следовательно, наиболее вероятно внутризеренное разрушение, поскольку границы занимают намного меньший объем, чем тело зерна.

Изложенные здесь основные закономерности межзеренного разрушения в условиях длительного статического и циклического нагружений положены в основу рассматриваемой ниже физико-механической модели. Анализ влияния скорости деформирования на критические параметры, контролирующие предельное состояние материала, может быть выполнен исходя из схемы, приведенной на рис. 3.2. Для этого значения критической деформации или долговечности при межзеренном накоплении повреждений, рассчитанные по предлагаемой ниже модели, должны сравниваться с аналогичными параметрами, полученными в предположении внутризеренного характера зарождения макроразрушения по одной из ранее разработанных методик (см. гл. 2).