О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов
Experimental dependences of the cyclic durability of microlayered and dispersion-hardened materials and aluminum alloys on the parameters of their microstructure are considered. On the basis of the ideas of the kinetic theory of strength, an equation describing the dependence of the durability on th...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6103 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов / С.А. Фирстов, Ю.Ф. Луговской // Доп. НАН України. — 2008. — № 10. — С. 112-117. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6103 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Фирстов, С.А. Луговской, Ю.Ф. 2010-02-16T16:45:10Z 2010-02-16T16:45:10Z 2008 О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов / С.А. Фирстов, Ю.Ф. Луговской // Доп. НАН України. — 2008. — № 10. — С. 112-117. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6103 539.3 Experimental dependences of the cyclic durability of microlayered and dispersion-hardened materials and aluminum alloys on the parameters of their microstructure are considered. On the basis of the ideas of the kinetic theory of strength, an equation describing the dependence of the durability on the parameters of a structure in the form of the Thompson–Beckofen equation is got. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Матеріалознавство О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов |
| spellingShingle |
О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов Фирстов, С.А. Луговской, Ю.Ф. Матеріалознавство |
| title_short |
О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов |
| title_full |
О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов |
| title_fullStr |
О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов |
| title_full_unstemmed |
О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов |
| title_sort |
о влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых fe/cu, mo/cu и дисперсно-упрочненных ni–cr–al2o3 материалов |
| author |
Фирстов, С.А. Луговской, Ю.Ф. |
| author_facet |
Фирстов, С.А. Луговской, Ю.Ф. |
| topic |
Матеріалознавство |
| topic_facet |
Матеріалознавство |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| description |
Experimental dependences of the cyclic durability of microlayered and dispersion-hardened materials and aluminum alloys on the parameters of their microstructure are considered. On the basis of the ideas of the kinetic theory of strength, an equation describing the dependence of the durability on the parameters of a structure in the form of the Thompson–Beckofen equation is got.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6103 |
| citation_txt |
О влиянии микроструктуры на циклическую долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu и дисперсно-упрочненных Ni–Cr–Al2O3 материалов / С.А. Фирстов, Ю.Ф. Луговской // Доп. НАН України. — 2008. — № 10. — С. 112-117. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT firstovsa ovliâniimikrostrukturynacikličeskuûdolgovečnostʹmikrosloistyhfecumocuidispersnoupročnennyhnicral2o3materialov AT lugovskoiûf ovliâniimikrostrukturynacikličeskuûdolgovečnostʹmikrosloistyhfecumocuidispersnoupročnennyhnicral2o3materialov |
| first_indexed |
2025-11-27T05:27:39Z |
| last_indexed |
2025-11-27T05:27:39Z |
| _version_ |
1850801682929156096 |
| fulltext |
УДК 539.3
© 2008
Академик НАН Украины С. А. Фирстов, Ю. Ф. Луговской
О влиянии микроструктуры на циклическую
долговечность микрослоистых Fe/Cu, Mo/Cu
и дисперсно-упрочненных Ni−Cr−Al2O3 материалов
Experimental dependences of the cyclic durability of microlayered and dispersion-hardened
materials and aluminum alloys on the parameters of their microstructure are considered. On
the basis of the ideas of the kinetic theory of strength, an equation describing the dependence of
the durability on the parameters of a structure in the form of the Thompson–Beckofen equation
is got.
Важной характеристикой сопротивления усталости материалов является их циклическая
долговечность. Однако влияние на нее микроструктуры исследовано недостаточно. В из-
вестных работах [1, 2], посвященных этому вопросу, исследовалось влияние среднего разме-
ра зерна (d) на предел выносливости (σ
−1) и циклическую долговечность (N) материалов
с различным значением d на основе железа, стали, латуни. При этом было установлено, что
для ограниченного σ
−1 достаточно хорошо выполняется уравнение типа Холла–Петча:
σ
−1 = σ0f + Kfd−1/2, (1)
где σ0f и Kf — коэффициенты.
В работах [3, 4] на слоистых и дисперсно-упрочненных материалах также было пока-
зано, что размер структурного элемента (толщина бислоя композита или d) влияет на σ
−1
в соответствии с уравнением (1), причем в широком диапазоне изменения циклической
долговечности.
Одним из важных результатов в [1] являются экспериментальные зависимости N от d
на основе латуни, имеющие вид отрезков прямых в координатах lg N − d−1/2. Они полу-
чены при различных уровнях амплитуды циклической нагрузки (σa), пересекают ось lg N
в различных точках, но все могут быть описаны эмпирической зависимостью (уравнением
Томпсона–Бэкофена)
lg N = A + Bd−1/2 (2)
(здесь A и B — параметры). Однако физической интерпретации уравнения (2) дано не было.
В настоящем сообщении мы попытались выяснить природу уравнения (2) и общности
его выполнения не только для однофазных поликристаллов, но и для композиционных
материалов (слоистых, дисперсно-упрочненных).
Предмет и методики испытаний. Исследованы материалы двух типов структуры —
микрослойные Fe/Cu и Мо/Cu, а также дисперсно-упрочненные материалы Ni−Cr−Al2O3,
полученные методом электронно-лучевого испарения и конденсации компонентов в вакууме
на горячую подложку [5]. Некоторые результаты по изучению сопротивления усталости
опубликованы в [3, 4].
Усталостные испытания первой и второй группы материалов вели при консольном изги-
бе на частоте 1 кГц в диапазоне долговечности от 0,2 · 107 до 5 · 107 циклов [6].
112 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №10
Рис. 1. Усталостные изломы МСК: а — Fe/Cu; б — Mo/Cu
Параметром структуры микрослойных материалов, как и в работе [3], выбрана сум-
марная толщина пары соседних слоев: h1 + h2. Для системы Fe/Cu толщины слоев этих
компонентов были одинаковы и изменялись от 300 до 5 мкм. Для системы Мо/Cu толщина
слоев Мо — постоянна и составляла 2 мкм, а толщина слоев Cu изменялась в диапазоне
от 1 до 7 мкм. Толщины слоев контролировались на изломах образцов с помощью ра-
стрового микроскопа. Типичная структура изломов приведена на рис. 1. При этом было
установлено, что расслоение на усталостных изломах микрослойных материалов Мо/Cu
выражено значительно сильнее по сравнению с материалами Fe/Cu. Это свидетельству-
ет о пониженной межслойной прочности в композитах Мо/Cu, по сравнению с компо-
зитами Fe/Cu.
Концентрация дисперсных частиц Al2O3 в материалах Ni−Cr−Al2O3 изменялась от 0,2
до 0,9% (об.). С ростом содержания частиц их средний диаметр увеличивался от 0,012 до
0,04 мкм, а средний размер зерна уменьшался от 8,5 до 3,5 мкм соответственно.
Результаты экспериментов и их анализ. Для всех изученных материалов были
получены усталостные кривые в координатах σa − lg N . Типичные кривые приведены на
рис. 2. Для экстраполяции усталостных кривых в необходимых случаях экспериментальные
данные были аппроксимированы зависимостью Т.Ю. Яковлевой [7] — σa = σ0 + C/(N)0,5,
где σ0 и C — коэффициенты.
По данным табл. 1 установлено, что для исследуемых материалов достаточно хорошо
выполняются уравнения (1), а по данным последней колонки этой таблицы — уравнения (2),
если вместо размера зерна в случае слоистых материалов подставить толщину пары слоев
(h1 + h2). Результаты расчетов коэффициентов уравнения (1) представлены в табл. 2, а ко-
эффициентов уравнения (2) — в табл. 3.
Более высокое значение вторых коэффициентов уравнений (1) и (2) в случае слоисто-
го композита с ослабленной межслоевой прочностью (Mo/Cu), по-видимому, связано с по-
вышением сопротивления разрушения по механизму Гордона–Кука в результате затупления
вершины усталостной трещины на межфазной поверхности.
Из полученных данных также следует, что в случае материала Ni−Cr−Al2O3 введе-
ние частиц второй фазы не столько вызывает собственно дисперсное упрочнение, сколько
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №10 113
Рис. 2. Кривые усталости при изгибе микрослойных материалов Fe/Cu с различной толщиной слоев ком-
понентов h, мкм: 1 — 300; 2 — 220; 3 — 40; 4 — 26; 5 — 5,0
способствует измельчению размера зерна. Уменьшение размера зерна вызывает увеличение
сопротивления усталости.
Аналогичная по форме зависимость для малоцикловой усталости прессованных про-
мышленных алюминиевых сплавов получен в работе [8] lg N = 0,15 ± 0,0032m−1/2 (rxy =
= 0,945) между числом циклов до зарождения усталостной макротрещины N (циклической
Таблица 1. Структура, ограниченный предел выносливости, циклическая долговечность микрослоистых
и дисперсно-упрочненных материалов
Материал
Параметр
структуры, мкм
σa, МПа при N циклов N циклов
при σa5 · 10
6
1 · 10
7
5 · 10
7
Fe/Cu 440 215 225 240 7 · 10
6∗
52 195 213 232 2 · 10
7
10 178 185 215 1 · 10
8
Mo/Cu 12 175 203 220 1 · 10
6
9 170 190 205 5,5 · 10
6
7 150 170 178 1 · 10
7
Ni−Cr−Al2O3 8,5 322 348 408 1,7 · 10
5∗∗
5,8 315 343 400 3,1 · 10
5
3,8 300 330 385 7,1 · 10
5
3,5 322 348 408 5 · 10
7
Пр и м е ч а н и е . Заданные уровни: ∗200 МПа; ∗∗430 МПа.
Таблица 2. Параметры (σ0f и Kf ) уравнения (1) и коэффициенты парной корреляции исследованных ма-
териалов при N = 1 · 10
7, цикл
Материал σ0f , МПа Kf , МПа ·м1/2
rxy
Fe/Cu 165 0,136 0,917
Mo/Cu 57 0,393 0,996
Ni−Cr−Al2O3 79 0,674 0,9122
114 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №10
долговечностью) и m — средней толщиной всех нерастворимых фаз AlFeMnCuSi перемен-
ного состава (частиц) в направлении по толщине образца.
Таким образом, уравнение вида (2) достаточно хорошо описывает усталостную долговеч-
ность не только поликристаллических (что было установлено в [1]), но и композиционных
материалов.
Форма уравнения (2) указывает на его связь с известным уравнением Холла–Петча.
Однако модель Холла–Петча не содержит переменную время или число циклов до разру-
шения. Время может быть учтено при использовании известных подходов кинетической
теории прочности [2, 9–12].
Известно, что долговечность τ при одноосном статическом растяжении от величины
разрушающего σ и температуры T различных материалов можно описать зависимостью
С.Н. Журкова [9]:
τ = τ0 exp
[
U0 − γσ
RT
]
, (3)
где τ0, γ и U0 — параметры, зависящие от материала; R — универсальная газовая постоян-
ная. Согласно [10], в параметре γ заключена информация о структуре испытуемого мате-
риала. Постоянная τ0 ≈ 10−13 с близка к периоду тепловых колебаний атомов в твердых те-
лах. Величина энергии активации в опытах при одноосном статическом растяжении близка
к энергии сублимации металлов и составляет единицы электрон-вольт, что свидетельствует
о том, что процессом, контролирующим разрушение, является разрыв межатомных связей.
Поскольку при циклическом нагружении время и число циклов до разрушения N свя-
заны через частоту нагружения прямо пропорциональной зависимостью, то можно для
циклической долговечности N уравнение (3) записать так:
ln
N
N0
=
UУ
0
− γУσa
RT
, (4)
где σa — амплитуда циклической нагрузки; UУ
0 и γУ — энергия активации и активацион-
ный объем при усталости; N0 — некоторая постоянная. С использованием такого подхода
в работе [10] была предпринята попытка применить представления кинетической теории
прочности для описания долговечности при циклическом нагружении τц полимеров и алю-
миния. Однако влияние структуры в этих работах не исследовалось. В то же время авто-
ры отметили, что при циклическом нагружении величина энергии активации существенно
меньше энергии сублимации.
Это представляется достаточно естественным, поскольку, если при статическом нагру-
жении долговечность контролируется накоплением повреждений за счет разрыва меж-
атомных связей, то при усталостном нагружении время жизни определяется в основном
дислокационными процессами и, соответственно, энергия активации должна отвечать тер-
мически активируемому преодолению дислокациями барьеров при их движении (барьеры
Таблица 3. Параметры (A, B) уравнения (2) и коэффициенты парной корреляции материалов
Материал σa, МПа A B, м1/2
rxy
Fe/Cu 200 6,5 0,004 0,948
Mo/Cu 200 2,2 0,0132 0,989
Ni−Cr−Al2O3 430 2,3 0,009 0,835
Алюминиевые сплавы [8] 160 0,15 0,0032 0,945
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №10 115
Пайерлса–Набарро, дислокации “леса”, примесные атомы и др.). Анализ температурной за-
висимости напряжения течения, выполненный в работе Г. Конрада (1967), а также В. Тре-
филова с соавторами в работе [11], привел к заключению, что в этом случае из общей
величины напряжения течения целесообразно вычитать атермическую часть, связанную
с барьерами, преодоление которых с помощью термических флуктуаций невозможно.
По этой причине в уравнении (4) вместо величины полной амплитуды циклического
нагружения следует подставлять не все напряжение, а только его термическую часть. Тер-
мическую составляющую σi выделим, вычитая из полной амплитуды σa атермическую со-
ставляющую, т. е. σ0f = (σa − Kfd−1/2), поскольку границы зерен, а также межфазные
границы относятся к барьерам, преодоление которых дислокациями с помощью термичес-
ких флуктуаций невозможно. В таком случае зависимость циклической долговечности N
материалов от параметров структуры будет иметь вид:
ln
N
N0
=
UУ
0
− γУ(σa − Kfd−1/2)
kT
=
UУ
0
− γУσa
kT
+
Kf
kT
d−1/2. (5)
Очевидно, что полученное уравнение описывает влияние размера зерна (структурного
элемента) на долговечность в форме, соответствующей эмпирическому уравнению (2), где
A = (UУ
0 − γУσa)/kT , а B = Kf/kT . Это содержит и влияние полного напряжения на N ,
предсказывая линейную зависимость логарифма циклической долговечности от амплитуды
напряжений, что согласуется со многими экспериментальными данными [12].
Таким образом, на основе представлений кинетической теории прочности получено урав-
нение, описывающее зависимость долговечности от параметров структуры в форме урав-
нения Томпсона–Бэкофена. Установлено, что эмпирическое уравнение Томпсона–Бэкофена
выполняется не только для однофазных поликристаллов, но и для композиционных ма-
териалов при подстановке в уравнение размера структурного элемента, ограничивающего
движение дислокаций.
Для слоистых материалов с низким уровнем межслоевой прочности второй коэффици-
ент уравнения существенно выше, чем для материала с высоким уравнением прочности
между слоями, что связано с возникновением расслаивающих трещин, которые повышают
сопротивление движению магистральной трещины по механизму Гордона–Кука.
1. Thompson A.W., Bаckofen W.A. Effect of grain size on fatigue // Acta metallurgica. – 1971. – 19, No 7. –
P. 597–606.
2. Экобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов: Пер. с яп. – Киев: Наук. думка,
1978. – 352 с.
3. Луговской Ю.Ф., Кузьменко В.А., Перепелкин А.В. и др. Влияние структуры и длительности ци-
клического нагружения на сопротивление усталости микрослойных конденсированных материалов
на основе меди. I. Экспериментальная зависимость // Порошк. металлургия. – 1996. – № 3./4. –
С. 97–1036.
4. Луговской Ю.Ф. Влияние структуры на сопротивление усталости дисперсно-упрочненных конденси-
рованных материалов при Ni – 20% Cr−Al2O3 // Там же. – 2000. – № 1./2. – С. 112–120.
5. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осажденные в вакууме. – Киев: Наук. думка,
1983. – 285 с.
6. Луговской Ю.Ф. Методика усталостных испытаний при изгибе композиционных материалов, по-
лученных электронно-лучевым испарением // Пробл. спец. электрометаллургии. – 1987. – № 4. –
С. 61–65.
7. Яковлева Т.Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металлов. – Киев: Наук. думка,
2003. – 236 с.
116 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №10
8. Луговской Ю.Ф. Прогнозирование влияния структуры на малоцикловую усталость сплавов на основе
алюминия // Металлофизика и новейш. технологии. – 2002. – 24, № 3. – С. 423–430.
9. Журков С.Н., Санфирова Т.П. Изучение временной и температурной зависимости прочности //
Физика тв. тела. – 1960. – 2, № 6. – С. 1033–1039.
10. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. –
Москва: Наука, 1974. – 560 с.
11. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких метал-
лов. – Киев: Наук. думка, 1975. – 316 с.
12. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Справочник. Ч. 1. –
Киев: Наук. думка, 1987. – 510 с.
Поступило в редакцию 09.04.2008Институт проблем материаловедения
им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №10 117
|