Структурно-кинетические механизмы разрушения металлов в режимах много- и гигацикловой усталости

• Автор: Банников, Михаил Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
Глава 1 Усталостное разрушение
1.1 Разрушение в режиме многоцикловой усталости
1.1.1 Зарождение усталостной трещины
1.1.2 Рост усталостной трещины
1.1.3 Фрактальные характеристики роста трещин
1.2 Особенности усталостного разрушения в режиме гигацикловой усталости.ЗЗ
1.2.1 Факторы, влияющие на зарождение и рост трещины в режиме гигацикловой усталости
1.3 Гигацикловая усталость титановых сплавов
1.4 Заключение к главе
Глава 2 Структурно-кинетические механизмы усталостного разрушения металлов в режиме многоцикловой усталости
2.1 Эффекты термоупругости при циклической деформации металлов
2.2 Материалы и условия эксперимента
2.2.2 Изменение температуры при упругом деформировании
2.2.3 Тепловые эффекты на берегах трещины при изменении
ее траектории
2.2.4 Особенности формирования зоны пластической деформации при прямолинейном распространении трещины
2.2.5 Форма зоны пластической деформации в вершине трещины
2.3 Методика определения коэффициента интенсивности напряжений по температурному полю в вершине усталостной трещины
2.4 Выводы по главе
Глава 3 Исследование закономерностей разрушения субмикрокристаллических и крупнокристаллических материалов в режиме гигацикловой усталости
3.1 Методика эксперимента на гигацикловую усталость
3.1.1 Экспериментальные установки для проведения испытаний на гигацикловую усталость и принцип их работы
3.1.2 Исследуемые материалы
3.1.3 Применение метода Ризитано-Люонга для определения влияния микроструктуры материала на значение предела усталости
3.1.4 Установка для испытаний в режиме гигацикловой усталости
3.1.5 Калибровка системы
3.2 Результаты испытаний титана и его сплавов в режиме гигациклового нагружения
3.2.1 Оценка усталостной долговечности в режиме гигацикловой усталости
3.2.2 Кинетика роста трещины в режиме гигацикловой усталости
3.3 Выводы по главе
Г лава 4 Анализ морфологии поверхностей разрушения
4.1 Методы качественного и количественного анализа морфологии поверхностей разрушения
4.1.1 Электронная микроскопия поверхностей разрушения
4.1.2 Количественный анализ морфологии поверхностей разрушения по
данным интерферометра New View 5
4.2 Методика определения масштабного инварианта (показателя Херста)
4.2.1 Анализ условий инициирования усталостной трещины с использованием масштабного инварианта
4.3 Выводы по главе
Основные результаты исследований
Список цитируемой литературы

Введение
Актуальность темы. Механические компоненты машин и конструкций во время эксплуатации неизбежно подвержены циклическим напряжениям ниже предела текучести. Такие циклические нагрузки могут быть результатом ротаций, растяжений-сжатий материала или вибраций. При напряжениях существенно ниже, чем предел статической прочности материала разрушение происходит по достижению определенного числа циклов. Это явление называют усталостью материалов. Еще до 80-х годов считалось, что такие материалы, как высокопрочные стали, титан и его сплавы обладают пределом усталости при напряжениях, ниже которого материал может служить неограниченно долго. Однако ряд исследователей Bathias С., Wang Z., Murakami Y., Zuo J., Mughrabi H. показали отсутствие такого предела, в том числе при сверхмалых амплитудах нагружения, в области, так называемой, гигацикловой усталости. Современные требования к долговечности машин и конструкций предполагают достижение базы нагружения до 109 циклов, что делает актуальной задачу по созданию новых конструкционных материалов, отвечающих современным условиям эксплуатации, а также разработку методов комплексной оценки и прогнозирования их временного ресурса.
Повышение прочностных свойств конструкционных материалов в последнее время достигается за счет формирования микро- и нанокристаллической структуры. Однако традиционные методики не обеспечивают оценку усталостного ресурса в области гигацикловых режимов нагружения, что привело к появлению новых методов, основанных на применении инфракрасных камер высокого разрешения, ультразвуковых испытательных машин и исследованию морфологии поверхностей разрушения современными методами структурного анализа.
Работы А. А. Шанявского, С. Bathias, Y.Murakami, H. Mughrabi, T. Sakai показывают, механизмы инициирования трещин в режиме гигацикловой

Рисунок 1.10 — Общая концепция усталости в гигацикловом режиме нагружения [13]
ВабпаБ и др. [36] представили Я-И кривые для сталей и железа, нагруженных в режиме растяжения-сжатия базой нагружения до 109 циклов. Замечена разница в усталостной прочности среди различных материалов, которые могут быть разделены на два класса. Для первого класса сплавов разница между усталостной прочностью в 106 и 109 циклов составила несколько МПа -низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь 304, сталь 720 и чугун с-шаровидным графитом, обнаруживали такое поведение. Тогда как материалы второго класса: сталь 4240, подшипниковые стали, рельсовые стали, пружинные и мартенситные нержавеющие стали, демонстрируют наклон б'-ТУ кривой в гигацикловом режиме с существенной разницей в усталостной прочности между 106 и 109 циклов - от 50 до 200 МПа.
В ходе усталостных испытаний образцов из высокопрочных пружинных легированных сталей в условиях симметричного растяжения-сжатия с частотой 20 кГц была отмечена следующая особенность [37]: при разрушении образцов на базе 107 циклов усталостные трещины зарождались в поверхностном слое материала. На базах испытаний, превышающих 107 циклов, зарождение трещин происходит под поверхностным слоем (см. Рисунок 1.11). Анализ разрывов и перегибов кривых усталости, показывает, что это явление возникает из-за различий механизмов либо зарождения трещины, либо её распространения, либо зарождения и распространения вместе при различных уровнях циклического