О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости
Рассмотрены различия в механизмах накопления разрушений при малоцикловой и многоцикловой усталости с точки зрения эффективности метода коэрцитивной силы для диагностики степени дефектности металла в условиях циклического нагружения. Отмечено, что при циклическом нагружении с высокими амплитудами с б...
Saved in:
| Published in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80976 |
| 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 различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости / В.М. Мацевитый, К.В. Вакуленко, И.Б. Казак // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 1. — С. 60-67. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860099853358465024 |
|---|---|
| author | Мацевитый, В.М. Вакуленко, К.В. Казак, И.Б. |
| author_facet | Мацевитый, В.М. Вакуленко, К.В. Казак, И.Б. |
| citation_txt | О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости / В.М. Мацевитый, К.В. Вакуленко, И.Б. Казак // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 1. — С. 60-67. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | Рассмотрены различия в механизмах накопления разрушений при малоцикловой и многоцикловой усталости с точки зрения эффективности метода коэрцитивной силы для диагностики степени дефектности металла в условиях циклического нагружения. Отмечено, что при циклическом нагружении с высокими амплитудами с большей вероятностью протекает разрушение по границам зерен, что вызывает наиболее грубые разрушения. При малых амплитудах нагружения наиболее вероятен механизм внутризеренного разрушения. Сделан вывод, что с этими различиями связана высокая чувствительность метода коэрцитивной силы к развитию малоцикловой усталости и значительно меньшая – к многоцикловой усталости.
Розглянуто відмінності у механізмах накопичення руйнувань при малоцикловій і багатоцикловій втомі з точки зору ефективності методу коерцитивної сили для діагностики ступеня дефектності металу в умовах циклічного навантаження. Відзначено, що за циклічного навантаження з високими амплітудами з більшою ймовірністю протікає руйнування межами зерен, що викликає найбільш грубі руйнування. За малих амплітуд навантаження найбільш вірогідний механізм внутрішньозеренного руйнування. Зроблено висновок, що з цими відмінностями пов'язана висока чутливість методу коерцитивної сили до розвитку малоциклової втоми і значно менша – до багатоциклової втоми.
Differences in mechanisms of damage accumulation for low-cycle and high-cycle fatigue in terms of efficiency of use of the coercive force method in diagnostics of presence of defects in metal under cyclic loading are considered. It is pointed out that, depending on level of loading amplitude, different kinds of fracture are dominant with different probability. In case of low loading amplitudes, the most probable mechanism comprises an intracrystalline fracture. In case of cyclic loading with high amplitudes, there is a high probability of fracture along crystal boundaries, which causes accumulation of more coarse fracture elements and leads to greater nonuniformity of metal. Therefore energy consumption required for shifting the domain boundaries during remagnetization is increased. A substantial change in coercive force as one of the most important characteristics of the hysteretic loop, which area represents energy consumption for metal remagnetization, results from more coarse change of magnetic structure. It is concluded that a high sensitivity of the coercive force method to development of low-cycle fatigue and far lesser sensitivity to high-cycle fatigue is connected with the said differences in metal fracture.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:27:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 60
УДК: 537.624.8: 539.388.1, 539.422.24
В. М. Мацевитый, д-р. техн. наук
К. В. Вакуленко, канд. техн. наук
И. Б. Казак, канд. техн. наук
Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины
(г. Харьков, e-mail: matsevlad@ipmach.kharkov.ua)
О РАЗЛИЧИЯХ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
В УСЛОВИЯХ МАЛОЦИКЛОВОЙ И МНОГОЦИКЛОВОЙ
УСТАЛОСТИ
Рассмотрены различия в механизмах накопления разрушений при малоцикловой и много-
цикловой усталости с точки зрения эффективности метода коэрцитивной силы для
диагностики степени дефектности металла в условиях циклического нагружения. От-
мечено, что при циклическом нагружении с высокими амплитудами с большей вероят-
ностью протекает разрушение по границам зерен, что вызывает наиболее грубые раз-
рушения. При малых амплитудах нагружения наиболее вероятен механизм внутризе-
ренного разрушения. Сделан вывод, что с этими различиями связана высокая чувстви-
тельность метода коэрцитивной силы к развитию малоцикловой усталости и значи-
тельно меньшая – к многоцикловой усталости.
Розглянуто відмінності у механізмах накопичення руйнувань при малоцикловій і багато-
цикловій втомі з точки зору ефективності методу коерцитивної сили для діагностики
ступеня дефектності металу в умовах циклічного навантаження. Відзначено, що за ци-
клічного навантаження з високими амплітудами з більшою ймовірністю протікає руй-
нування межами зерен, що викликає найбільш грубі руйнування. За малих амплітуд на-
вантаження найбільш вірогідний механізм внутрішньозеренного руйнування. Зроблено
висновок, що з цими відмінностями пов'язана висока чутливість методу коерцитивної
сили до розвитку малоциклової втоми і значно менша – до багатоциклової втоми.
Ключевые слова: малоцикловая усталость, многоцикловая усталость, межзеренное ра-
зрушение, внутризеренное разрушение, субмикротрещины, накопление разрушений, коэ-
рцитивная сила
Введение
Процесс пластической деформации металла – это, как известно, процесс относитель-
ного перемещения его элементарных объемов под воздействием нагрузки, при котором из-
меняется форма тела, но не появляется существенных нарушений его сплошности, приво-
дящих к макроскопическому разрушению. На наш взгляд, если не принимать во внимание
самых начальных стадий пластической деформации, можно говорить о диалектическом
единстве пластической деформации и разрушения: пластической деформации не бывает без
разрушения, а разрушения – без пластической деформации. Несплошности в металле (пре-
вышающие по размерам межатомные расстояния) появляются практически сразу же после
начала пластической деформации и связаны прежде всего с её неоднородностью, которая на
разных масштабных уровнях связана с дислокациями, дисклинациями, границами зерен и
блоков, поверхностью металлов. Неоднородности пластической деформации вызывают пе-
ренапряжения, следствием которых является разрыв межатомных связей и образование не-
сплошностей различных размеров.
Изменению структуры и физико-механических свойств металла при пластической
деформации посвящено очень много работ. В частности, исследовано влияние циклического
нагружения при разных амплитудах на прочность и пластичность, твердость и микротвер-
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 61
дость, критерии хрупкой прочности, электропроводность, внутреннее трение, модуль упру-
гости, магнитные свойства [1].
Анализ этих работ показывает, что перечисленные свойства «реагируют» на цикли-
ческое нагружение, однако основные их изменения происходят на самой начальной стадии
нагружения и далее уже непосредственно перед разрушением.
Значительные перспективы, на наш взгляд, имеют также такие неразрушающие ме-
тоды, как метод электросопротивления, акустические методы и метод микроидентирования
[2], который, по-видимому, можно было бы модифицировать применительно к задачам ди-
агностики состояния материала дорогостоящих изделий.
Одним из немногих свойств, которые изменяются заметно в течение всего периода
«жизни» металла, является коэрцитивная сила Нс. Именно это обстоятельство вызвало появ-
ление соответствующего направления диагностики структурного состояния деформирован-
ных ферромагнетиков. Обзор работ, посвященных физике влияния структуры ферромагне-
тика на его магнитные свойства, изложен в [3]. В частности, отмечается, что весьма важным
фактором влияния на Нс является взаимодействие границ блоков с дефектами металла. Об
этом также говорится в работе [4]. Очень важно, что дефекты типа несплошностей кристал-
лической решетки можно рассматривать как магнитные неоднородности, вследствие чего
эти дефекты должны оказывать тормозящее влияние на стенки доменов при перемагничива-
нии ферромагнетиков.
Необходимо обратить внимание на то, что все результаты полезного практического
использования метода коэрцитивной силы, как правило, касаются зон концентрации напря-
жений при статическом и циклическом нагружениях с большими амплитудами (малоцикло-
вая усталость), а также использования сталей, имеющих в исходном состоянии значитель-
ную пластичность [5, 6]. Именно для этих условий величина коэрцитивной силы изменяется
при нагружении металла в несколько раз, что и обеспечивает высокую разрешающую спо-
собность метода с возможностью надежного определения остаточного ресурса изделия.
Важно при этом также заметить, что основные результаты получены на сталях, имеющих
слабый эффект магнитострикции, что упрощает влияние развития дефектной структуры на
коэрцитивную силу и облегчает интерпретацию результатов.
Результаты использования метода коэрцитивной силы для анализа степени дефект-
ности структуры металла, находящегося под воздействием циклического нагружения с ма-
лыми амплитудами (многоцикловая усталость) свидетельствуют о том, что в этом случае
прирост коэрцитивной силы меньше, чем при высоких амплитудах [7].
В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является выяснение различий
механизмов разрушения металлов при малоцикловой и многоцикловой усталости.
Механизмы накопления усталостного разрушения при изменении амплитуды
напряжения
Гипотетический механизм любого процесса не должен противоречить наиболее дос-
товерным особенностям его проявления. Пожалуй, важнейшей особенностью накопления
усталостного разрушения металлов является зависимость интенсивности разрушения от на-
личия кислорода в окружающей среде. Интенсивность усталостного разрушения существен-
но снижается по мере уменьшения содержания кислорода в среде, что свидетельствует о
важной роли кислородных атомов в механизме накопления разрушений.
Второй важной особенностью проявления механизма накопления разрушений при
усталости является существенное влияние на усталость состояния поверхности образцов,
наличия концентраторов напряжений (это влияние при циклическом нагружении сущест-
венно более серьезное, чем при статическом). С учетом того что долговечность образца в
условиях циклического нагружения можно увеличить во много раз путем многократного
удаления (через определенные периоды времени) тонких поверхностных слоев образца,
можно утверждать, что разрушение зарождается и накапливается прежде всего на поверхно-
сти образца (в опасном его сечении) и со временем распространяется по направлению к его
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 62
центру. Можно также утверждать, что зарождению разрушений способствуют поверхност-
ные дефекты, выполняющие роль концентраторов напряжений.
Третьей важной особенностью проявления механизма накопления усталостного раз-
рушения является поведение напряжений II рода, которые при усталости полностью или
частично снимаются. К этому следует добавить упрочнение и разупрочнение металла при
усталости, о чем можно судить по зависимости механических свойств при статических ис-
пытаниях металла от числа циклов предварительного нагружения: при увеличении числа
циклов вслед за упрочнением металла следует его разупрочнение. Эти обстоятельства сви-
детельствуют о том, что при усталости серьезную роль играет конкуренция процессов уп-
рочнения и разупрочнения, причем разупрочнение при усталости проявляется значительно
сильнее, чем при статическом нагружении.
По-видимому, следует говорить о высокой интенсивности динамического отдыха
металла при циклическом нагружении, чему может способствовать изменение направления
деформации в каждом цикле и связанное с этим "обратное" движение дислокаций с частич-
ной аннигиляцией дислокаций противоположного знака, облегчение поперечного скольже-
ния и переползания в связи с локальным повышением температуры в деформированных
объемах, увеличение концентрации точечных дефектов, вызванное как самой деформацией,
так и повышением температуры металла в микрообъемах. Кроме того, разрушению может
способствовать массовое образование зародышевых трещин (этот процесс некоторые иссле-
дователи считают основным релаксационным процессом, благодаря которому возможна по-
следующая деформация).
Необходимо также отметить, что циклическое нагружение, особенно при больших
частотах и амплитудах, можно рассматривать как динамическое, импульсное нагружение, в
связи с чем, как следует из работ [8, 9], при циклическом нагружении можно ожидать значи-
тельного снижения модуля упругости (и это действительно наблюдается [9]), что является
следствием уменьшения сил межатомного взаимодействия при импульсном нагружении.
Чем выше растягивающее импульсное напряжение, тем существеннее уменьшение сил меж-
атомной связи в соответствующем объеме твердого тела.
Это должно приводить к весьма кратковременному (связанному с малой продолжи-
тельностью импульса), но значительному облегчению разрыва межатомных связей и увели-
чению подвижности атомов.
Четвертой особенностью проявления механизма накопления усталостного разруше-
ния можно считать вероятность межзеренного разрушения. При этом замечено, что вероят-
нее проявление межзеренного разрушения при больших амплитудах, причем в данном слу-
чае отрицательное влияние кислорода атмосферы на разрушение выше, чем при низких ам-
плитудах. При малых амплитудах более вероятно внутризеренное разрушение.
Мы считаем, что можно говорить о быстрой деградации границ при больших ампли-
тудах циклического нагружения, что следует понимать как быстрое накопление разорван-
ных межатомных связей между атомами соприкасающихся поверхностей соседних зерен с
постепенным ослаблением связи приповерхностных зерен друг с другом и зарождением на
межзеренной границе субмикротрещины. Нужно заметить, что межзеренное разрушение
характерно и для условий высокотемпературной ползучести, когда вдоль границ идет актив-
ная самодиффузия.
Пятой особенностью механизма накопления усталостного разрушения, по-видимому,
можно считать параллельное протекание разрушения по границам зерен и по телу зерен при
любой амплитуде напряжения, однако с разной вероятностью проявления этих видов разру-
шения (рис. 1).
Мы разделяем точку зрения Ивановой В. С., что свидетельством перехода от одного
механизма накопления разрушения к другому при изменении амплитуды деформации может
служить сама кривая Веллера, которую можно разделить на два прямолинейных участка,
при этом каждому участку соответствует свой наклон и, по-видимому, своя энергия актива-
ции процесса.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 63
Некоторые счита-
ют, что при низких ампли-
тудах напряжений наряду с
дислокационным механиз-
мом развития внутризерен-
ного разрушения опреде-
ленную роль играет и ва-
кансионный механизм, ко-
торый заключается в кон-
денсации на границах суб-
зерен образующихся при
усталости вакансий, а так-
же в их объединении в
микропоры или микротре-
щины.
При рассмотрении
возможного механизма накопления усталостного разрушения, кроме перечисленных обстоя-
тельств, нужно иметь в виду, что в соответствии с работами [10, 11] пластичность металла
зависит от его способности залечивать образующиеся при деформации субмикротрещины.
Мы считаем, что основные положения механизма адгезии металлов друг к другу [12]
полностью справедливы и для случая аутогезии, т.е. по существу для случая залечивания
субмикротрещин в металле в процессе самой деформации.
Учитывая изложенное, мы видим процесс накопления разрушения при малоцикло-
вой усталости следующим образом.
При циклическом нагружении с высокими амплитудами напряжений (например, при
растяжении-сжатии) процесс упругой и пластической деформаций металла в опасном сече-
нии приводит, прежде всего, к увеличению плотности дислокаций в плоскостях скольжения
в пределах приповерхностных зерен образца, а также к относительному перемещению этих
зерен относительно друг друга, в том числе и к некоторому их развороту, что, по-видимому,
определяется избытком дислокаций одного знака. На этот процесс накладывается другой,
заключающийся в стремлении внешней нагрузки оторвать одну часть образца от другой.
Поскольку сильно разориентированные зерна имеют несколько разрыхленные границы (с
чем, кстати говоря, связана более высокая скорость граничной диффузии по сравнению с
объемной), то нагрузка, приходящаяся на участок границы двух связанных между собой зе-
рен, расположенный перпендикулярно оси образца, распределяется на ограниченное число
межатомных связей в пределах указанной поверхности (рис. 2). Это приводит к высоким
удельным, приходящимся на одну связь напряжениям. Как уже отмечалось, при высоких
растягивающих напряжениях, прилагаемых в импульсном режиме, межатомные связи осла-
бевают и могут даже разорваться. Повторяющиеся импульсные нагружения приводят в ре-
зультате к постепенному, но весьма быстрому раскрытию границы и образованию на ее мес-
те сначала субмикротрещины, а затем и микротрещины.
Отметим, что разрушение на указанных площадках границ зерен осуществляется
предположительно не по дислокационному механизму, а синхронным разрывом атомных
связей на некоторой площади межзеренной поверхности. На участках границ зерен, распо-
ложенных параллельно приложенной нагрузке (либо под малым углом к этому направле-
нию) должно происходить проскальзывание, что может осуществляться по дислокационно-
му механизму пластического среза соответствующих мостиков адгезионного зерногранич-
ного шва. Ситуация при разрушении обостряется еще и тем, что в образовавшуюся полость
(щель между зернами, которая выходит на поверхность образца) проникают атомы кислоро-
да, которые окисляют свободную поверхность полости и делают невозможным её залечива-
ние при снижении растягивающих напряжений и даже при приложении сжимающих напря-
Рис. 1. Схема зависимости вероятности разрушения по зерну (1)
и по границам зерен (2) от амплитуды циклического нагружения
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 64
жений*). Все это, безусловно, ускоряет процесс разру-
шения. Разрушение по границам протекает сущест-
венно быстрее, чем процесс образования дислокаци-
онных скоплений внутри зерна, который мог бы при-
вести к внутризеренному разрушению. Если внутризе-
ренное разрушение при больших амплитудах и проис-
ходит в каком-то объеме материала, то оно не стано-
вится определяющим: процесс межзеренного разру-
шения его опережает (см. рис. 1).
В связи с изложенным уместно привести сле-
дующий пример: долговечность свинца при цикличе-
ских нагрузках в условиях вакуума не только увеличи-
вается, но при этом происходит и переход от межзе-
ренного разрушения в условиях воздуха атмосферы к
внутреннему разрушению в вакууме [13].
При малых амплитудах нагружения межзерен-
ное разрушение замедляется, поскольку приложенного
уровня напряжений не хватает для существенного ос-
лабления межатомных связей между соприкасающи-
мися зернами. Что касается внутризеренного разруше-
ния, то оно, безусловно, происходит, правда, с мень-
шей скоростью, чем при высоких напряжениях.
Известно, что предварительное малоамплитудное нагружение упрочняет границы
зерен и делает невозможным межзеренное разрушение при последующем циклировании в
условиях действия больших амплитуд. Мы связываем это упрочнение границ зерен с увели-
чением плотности межатомных связей ме-
жду атомами поверхностей сопряженных
зерен, что является результатом образова-
ния новых адгезионных связей между зер-
нами. Этот процесс инициируется выходом
на рассматриваемую границу внутризерен-
ных дислокаций (рис. 3).
Быстрое накопление разрушений на
границах зерен при больших амплитудах
определяет процесс дальнейшего разруше-
ния: разрыв между двумя соседними зер-
нами – это по существу появление микро-
трещины. Соединение нескольких микро-
трещин существенно ослабляет сечение
образца, что приводит к увеличению фак-
тических циклических напряжений и обес-
печивает ускорение дальнейшего разруше-
ния и появления в результате уже такой
макротрещины, которая может распростра-
няться самостоятельно, причем не обяза-
тельно по границам зерен.
При циклическом нагружении с ма-
лыми амплитудами дислокации скаплива-
ются в плоскостях скольжения перед эле-
*) Появление атомарного кислорода в полости трещины связано с тем, что молекулы кислорода, попа-
дая на активированную разрушением поверхность, диссоциируют.
Рис. 2. Схема развития разрушения
внутри зерна и на его границе
Рис. 3. Схема деформационного залечивания
несплошности на границе зерен:
точкой А обозначено восстановление межатомных
связей в области выхода дислокаций на границу)
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 65
ментами структуры, которые служат барьерами для их дальнейшего продвижения. Внутрен-
ние напряжения в микрообъемах металла вблизи этих дислокационных скоплений создают
условия, благоприятные для постепенного растрескивания (превращения указанных скопле-
ний в субмикротрещины). Это происходит благодаря термофлуктуационному (медленному!)
накоплению элементарных разрывов атомных связей, что поддерживается растягивающими
суммарными напряжениями (суммой внутренних напряжений и напряжений, возникающих
в каждом цикле от внешней нагрузки). Такие напряжения являются своеобразным вентилем,
обеспечивающим «целевое направление» разрушающей работы термических флуктуаций.
Следует отметить, что термические флуктуации способствуют и восстановлению ра-
зорванных связей до тех пор, пока расстояние между берегами субмикротрещины могут
преодолеваться валентными электронами поверхностных атомов (атомов на противополож-
ных берегах субмикротрещины). Проникновение атомов кислорода в эти зоны затруднено
по сравнению с границами зерен. В результате кислород в меньшей степени влияет на внут-
ризеренное разрушение. Данные факторы замедляют процесс разрушения. Но это происхо-
дит до момента, когда перекрытие валентных орбиталей даже при воздействии термических
флуктуаций становится невозможным. После этого рост субмикротрещины ускоряется, и
она быстро выходит на уровень микротрещины – необратимого элемента разрушения. Даль-
нейшее разрушение происходит в результате развития микротрещин и объединения их в ма-
гистральную макротрещину, распространение которой приводит к полному разрушению об-
разца. Скорость этого процесса должна во многом определяться как напряженным состояни-
ем твердого тела, так и его структурой. Сильно упрочненная структура металла, насыщенная
дислокациями, будет требовать малой работы внешних сил для развития микротрещин, и
процесс разрушения будет идти быстро (хрупкое разрушение). И, наоборот, при слабом уп-
рочнении развитие микротрещины потребует значительной работы внешних сил (вязкое раз-
рушение).
Механизм внутризеренного разрушения в целом, по-видимому, соответствует схеме
усталостного разрушения Ивановой В. С. [1], которая привязывает эволюцию дефектной
структуры металла к четырем стадиям усталости.
В соответствии с этой схемой на первой стадии происходит рост плотности дислока-
ций и концентрации других дефектов кристаллического строения, что сопровождается уп-
рочнением металла.
На второй стадии скорость упрочнения металла существенно уменьшается, и появ-
ляются субмикротрещины. Это трещины, которые по своему размеру таковы, что не могут
служить концентраторами напряжений. Субмикротрещины являются обратимыми дефекта-
ми, которые могут быть «залечены» существенным нагревом металла (при рекристаллиза-
ционном отжиге, например, или путем сильной деформации в условиях высоких сжимаю-
щих напряжений). На протяжении второй стадии количество субмикротрещин увеличивает-
ся, и они взаимодействуют друг с другом, что приводит к образованию микротрещины, т.е.
дефекта, который уже является необратимым (этим заканчивается вторая и начинается тре-
тья стадия).
На третьей стадии идет взаимодействие и подрастание микротрещин, их слияние,
что приводит к образованию макротрещины. Это конец третьей и начало четвертой послед-
ней стадии – стадии окончательного разрушения, в течение которой макротрещина подрас-
тает до критического размера и далее быстро распространяется в металле (хрупкая фаза раз-
рушения), после чего следует фаза долома, когда металл доламывается вязко.
Важным обстоятельством является то, что уверенно регистрировать появление оча-
гов разрушения металла с помощью методов дефектоскопии можно лишь тогда, когда в теле
появилась макротрещина, т.е. на четвертой стадии усталости, и весьма ненадежно – на
третьей стадии, когда в теле уже есть микротрещины, но найти их очень трудно. Получается,
что надежно определять наличие элементов разрушения можно лишь в самом конце «жиз-
ни» металла. Такая ситуация, конечно, затрудняет оценку остаточного ресурса металла кон-
кретных изделий, работающих в условиях многоциклового нагружения, при этом не всегда
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 66
удается вовремя прекратить эксплуатацию изделия, не доводя его до разрушения, что, как
правило, является причиной несчастных случаев и больших экономических потерь.
В случае малоцикловой усталости (в отличие от многоцикловой) накопление разру-
шений достаточно уверенно регистрируется практически в течение всей жизни металла ме-
тодом коэрцитивной силы. Причем высокая чувствительность коэрцитивной силы к накоп-
лению разрушения в случае малоцикловой усталости, на наш взгляд, связана с различием в
структурных проявлениях процесса накопления разрушений при больших и малых амплиту-
дах, о чем речь шла выше. В частности, межзеренное разрушение может способствовать
большему пластическому деформированию металла в результате межзеренного проскальзы-
вания и поворотных мод макроскопической деформации вблизи границ зерен. Высокая чув-
ствительность коэрцитивной силы к значительной пластической деформации имеет место
также при статическом растяжении металлов.
Заключение
Предполагаемое нами различие в механизмах усталостного разрушения при больших
и малых амплитудах напряжений должно приводить к тому, что при больших амплитудах
идет накопление более грубых (по сравнению с малыми амплитудами) элементов разруше-
ния, которые обеспечивают бóльшую магнитную неоднородность металла и, как следствие,
бóльшие энергетические затраты на передвижение границ доменов при перемагничивании.
Поскольку коэрцитивная сила является одной из важнейших характеристик петли гистере-
зиса, площадь которой отражает энергетические затраты на перемагничивание материала,
можно ожидать, что более грубые неоднородности магнитной структуры, возникающие при
малоцикловой усталости, обеспечивают и бóльшие изменения коэрцитивной силы. Мы счи-
таем, что именно с этим связана высокая «чувствительность» коэрцитивной силы к разви-
тию малоцикловой усталости и значительно меньшая – к многоцикловой усталости.
Литература
1. Иванова, В. С. Усталостное разрушение металлов / В. С. Иванова. – М.: Гос. науч.-техн. изд-во
лит. по чёрной и цветной металлургии, 1963. – 272 с.
2. Мильман, Ю. В. Новые методики микромеханических испытаний материалов методом локального
нагружения жестким индентором / Ю. В. Мильман. // Сучасне матеріалознавство XXI сторіччя. –
Киев: Наук. думка, 1998. – С. 637–656.
3. Михеев, М. Н. Связь магнитных свойств со структурным состоянием вещества – физическая осно-
ва магнитного структурного анализа: обзор / М. Н. Михеев, Э. С. Горкунов // Дефектоскопия. –
1981. – № 8. – С. 5–22.
4. Физическое металловедение. Вып. 1. Атомное строение металлов и сплавов / Под ред. Р. Кана. –
М.: Мир, 1967. – 334 с.
5. Безлюдько, Г. Я. Эксплуатационный контроль усталостного состояния и ресурса металлопродук-
ции неразрушающим магнитным (коэрцитиметрическим) методом / Г. Я. Безлюдько // Техн. диаг-
ностика и неразрушающий контроль. – 2003. – № 2. – С. 20–26.
6. Обзорная оценка состояния и детальная экспертиза усталости металла большеразмерных объектов
и конструкций неразрушающим магнитным методом / Г. Я. Безлюдько, О. П. Завальнюк,
В. Б. Нестеренко и др. // Техн. диагностика и неразрушающий контроль. – 2012. – № 3. – С. 57–65.
7. Способность к перемагничиванию стали 14Х17Н2 после термообработки, ковки и циклического
нагружения / В. М. Мацевитый, Г. Я. Безлюдько, Е. В. Белоус и др. // Пробл. машиностроения. –
2009. – Т. 12, № 4. – С. 79–85.
8. Lazan, B. Damping, elasticity and fatigue properties of unnotched and notched N-155 alloy at room and
elevated temperatures / B. Lazan, L. Demer // Proc. ASTM. – 1951. – Vol. 51. – P. 611–617.
9. Lazan, B. Damping fatigue and dynamic stress-strain prorerties of mild steel / B. Lazan, T. Wu // Proc.
ASTM. – 1951. – Vol. 51. – P. 649–655.
10. Лариков, Л. Н. Залечивание дефектов в металлах / Л. Н. Лариков– Киев: Наук. думка, 1980. – 280 с.
11. К физическому механизму разрушения металлов / В. М. Мацевитый, И. Б. Казак, К. В. Вакуленко и
др. // Пробл. машиностроения. – 2008. – Т. 11, № 5–6. – С. 87–96.
12. Вакуленко, К. В. Обобщенная концепция адгезии твердых тел / К. В. Вакуленко, И. Б. Казак,
В. М. Мацевитый // Восточ.-Европ. журн. передовых технологий. – 2008. – № 4. – С. 13–23.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 1 67
13. Snowden, K. U. Surface deformation differences between lead fatigued in air and in partial vacuum /
K. U. Snowden, J. N. Greenwood // Trans. Metallurgical Soc. AIME. – 1958. – P. 626–630.
Поступила в редакцию
07.02.14
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80976 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:27:39Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Мацевитый, В.М. Вакуленко, К.В. Казак, И.Б. 2015-04-29T16:53:17Z 2015-04-29T16:53:17Z 2014 О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости / В.М. Мацевитый, К.В. Вакуленко, И.Б. Казак // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 1. — С. 60-67. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80976 537.624.8: 539.388.1, 539.422.24 Рассмотрены различия в механизмах накопления разрушений при малоцикловой и многоцикловой усталости с точки зрения эффективности метода коэрцитивной силы для диагностики степени дефектности металла в условиях циклического нагружения. Отмечено, что при циклическом нагружении с высокими амплитудами с большей вероятностью протекает разрушение по границам зерен, что вызывает наиболее грубые разрушения. При малых амплитудах нагружения наиболее вероятен механизм внутризеренного разрушения. Сделан вывод, что с этими различиями связана высокая чувствительность метода коэрцитивной силы к развитию малоцикловой усталости и значительно меньшая – к многоцикловой усталости. Розглянуто відмінності у механізмах накопичення руйнувань при малоцикловій і багатоцикловій втомі з точки зору ефективності методу коерцитивної сили для діагностики ступеня дефектності металу в умовах циклічного навантаження. Відзначено, що за циклічного навантаження з високими амплітудами з більшою ймовірністю протікає руйнування межами зерен, що викликає найбільш грубі руйнування. За малих амплітуд навантаження найбільш вірогідний механізм внутрішньозеренного руйнування. Зроблено висновок, що з цими відмінностями пов'язана висока чутливість методу коерцитивної сили до розвитку малоциклової втоми і значно менша – до багатоциклової втоми. Differences in mechanisms of damage accumulation for low-cycle and high-cycle fatigue in terms of efficiency of use of the coercive force method in diagnostics of presence of defects in metal under cyclic loading are considered. It is pointed out that, depending on level of loading amplitude, different kinds of fracture are dominant with different probability. In case of low loading amplitudes, the most probable mechanism comprises an intracrystalline fracture. In case of cyclic loading with high amplitudes, there is a high probability of fracture along crystal boundaries, which causes accumulation of more coarse fracture elements and leads to greater nonuniformity of metal. Therefore energy consumption required for shifting the domain boundaries during remagnetization is increased. A substantial change in coercive force as one of the most important characteristics of the hysteretic loop, which area represents energy consumption for metal remagnetization, results from more coarse change of magnetic structure. It is concluded that a high sensitivity of the coercive force method to development of low-cycle fatigue and far lesser sensitivity to high-cycle fatigue is connected with the said differences in metal fracture. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Материаловедение в машиностроении О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости On differences in mechanisms of metal fracture in conditions of low-cycle and high-cycle fatigue Article published earlier |
| spellingShingle | О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости Мацевитый, В.М. Вакуленко, К.В. Казак, И.Б. Материаловедение в машиностроении |
| title | О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости |
| title_alt | On differences in mechanisms of metal fracture in conditions of low-cycle and high-cycle fatigue |
| title_full | О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости |
| title_fullStr | О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости |
| title_full_unstemmed | О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости |
| title_short | О различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости |
| title_sort | о различиях механизмов разрушения металлов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости |
| topic | Материаловедение в машиностроении |
| topic_facet | Материаловедение в машиностроении |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80976 |
| work_keys_str_mv | AT macevityivm orazličiâhmehanizmovrazrušeniâmetallovvusloviâhmalociklovoiimnogociklovoiustalosti AT vakulenkokv orazličiâhmehanizmovrazrušeniâmetallovvusloviâhmalociklovoiimnogociklovoiustalosti AT kazakib orazličiâhmehanizmovrazrušeniâmetallovvusloviâhmalociklovoiimnogociklovoiustalosti AT macevityivm ondifferencesinmechanismsofmetalfractureinconditionsoflowcycleandhighcyclefatigue AT vakulenkokv ondifferencesinmechanismsofmetalfractureinconditionsoflowcycleandhighcyclefatigue AT kazakib ondifferencesinmechanismsofmetalfractureinconditionsoflowcycleandhighcyclefatigue |