CC BY
143
Ротационная неустойчивость деформации и разрушения металлов при распространении усталостных трещин на мезоскопическом масштабном уровне. I. Процессы пластической деформации
в вершине трещины
A.A. Шанявский
Государственный центр «Безопасность полетов на воздушном транспорте», Москва, 103340, Россия
Приведено синергетическое описание процесса роста усталостных трещин, в рамках которого выделен мезоскопический масштабный уровень эволюции открытой системы металл - усталостная трещина и дано обоснование причины самоорганизо-ванного перехода от процессов скольжения к ротационным механизмам деформации и разрушения металла при подрастании трещины. Приведены систематизированные данные о последовательности процессов пластической деформации в пределах зоны пластической деформации, которая рассмотрена как эволюционирующая открытая система, осуществляющая обмен энергией с окружающим ее металлом как на восходящей, так и нисходящей ветвях циклической нагрузки.
1. Введение
С момента возникновения усталостной трещины в элементе конструкции и до момента его окончательного разрушения в районе вершины трещины при любом виде циклического нагружения реализуются два процесса поглощения энергии — пластическая деформация материала перед вершиной трещины и разрушение материала непосредственно в ее вершине. Процессы пластической деформации первичны, и они регулируют темп возрастания интенсивности накопления необратимых повреждений. После того как материал исчерпал возможность поглощать различным способом без нарушения сплошности энергию, поступающую от внешнего источника, происходит формирование свободной поверхности — разрушение. Это следующий по иерархии способ поглощения избыточной энергии не только за счет пластической деформации, локального разогрева материала или рассеяния ее в окружающую среду иным способом, но и за счет увеличения размера несплош-ности — трещины.
Формирование свободной поверхности связано с предварительным созданием в материале определенной фрагментированной структуры, которая в той или иной мере отражает динамику процессов пластической де-
формации. Они локализованы в вершине трещины в пределах возникающей при нагружении зоны пластической деформации. Ее размер возрастает в направлении развития трещины в соответствии с увеличением скорости развития разрушения материала [1, 2].
Процессы пластической деформации оказывают решающее влияние на механизмы разрушения материала. Поэтому, прежде чем рассмотреть процессы разрушения, необходимо указать, в какой последовательности и на каких масштабных уровнях реализуются процессы пластической деформации, предшествующие разрушению материала в вершине распространяющейся усталостной трещины. Элементарными единичными и коллективными носителями информации о несовершенстве кристаллической решетки при пластической деформации металлов являются два типа дефектов: дислокации и дисклинации [3-6]. Они обеспечивают два разномасштабных способа поглощения энергии при пластической деформации — трансляции (плоские перемещения или сдвиги) и ротации (вращение объемов металла). Далее будут рассмотрены механизмы и последовательность процессов пластической деформации на основе современных представлений физики пластичности, в которых используют эти два типа дефектов
© Шанявский A.A., 2001
кристаллической решетки металла. Более подробно типы дефектов кристаллической решетки и теории пластичности в различных аспектах современной физики изложены, например, в работах [7-16].
2. Синергетика процессов пластической деформации
В процессе активного деформирования металлов с различной кристаллической решеткой, когда могут быть реализованы последовательно все виды дефектной структуры, выделяют несколько ее типов [3-8]. Важнейшим условием формирования различных типов структур является принцип их самоорганизации. Процесс эволюции в связи с увеличением степени деформации развивается в строго упорядоченной последовательности переходов от менее сложных к более сложным типам дефектных структур, когда металл претерпевает чередующиеся состояния перехода от неупорядоченного к упорядоченному и далее новому неупорядоченному состоянию дефектной структуры. Каждая из возникающих дефектных структур материала является неустойчивой по отношению к внешним возбуждениям, и поэтому структурообразование в процессе пластической деформации является способом существования кристаллического материала как целого до наступления катастрофы—разрушения, представляющего собой потерю устойчивости к внешнему воздействию в процессе эволюции состояния материала с развивающейся в нем трещиной.
Общим для процесса перестройки дефектной структуры материала в процессе пластической деформации является ее эволюция в соответствии с принципами синергетики, которые могут быть охарактеризованы следующим образом [5-9].
1. Процессы пластической деформации реализуются последовательно в результате переходов от единичных актов движения дислокаций к их коллективному движению с дальнейшим переходом к единичным актам движения дисклинаций, а затем к коллективным процессам ротационной неустойчивости деформации (отдельным и коллективным поворотам объемов материала). При этом процесс скольжения (сдвиговая деформация) сосуществует с вращением объемов металла.
2. Все переходы в новое регулярное состояние (переходы через точки бифуркации) осуществляются после наступления неустойчивости реализованного предыдущего состояния, которое сохраняет свою устойчивость до достижения критического уровня вносимых возмущений в кристаллическую решетку. При этом в зависимости от уровня вносимого возмущения и скорости поступления энергии могут происходить переходы через имеющие место устойчивые структурные состояния (некоторые из них могут быть пропущены). После снятия нагрузки наблюдаемая дефектная структура может
не соответствовать достигнутому в момент нагружения уровню повреждений в результате аккомодации энергии при снятии нагрузки с металла.
3. Упорядоченность дефектной структуры проявляется в формировании определенных типов структур, которые присущи металлам с различным типом кристаллической решетки по мере развития пластической деформации на разных масштабных уровнях — микроскопическом, мезоскопическом и макроскопическом. Переход к большему масштабному уровню сопровождается сменой ведущего способа поглощения энергии. На каждом масштабном уровне доминирует один ведущий механизм пластической деформации, обеспечивающий поглощение материалом энергии, поступающей от внешнего источника. Разрушение любого объема материала наступает только после того, как будут исчерпаны разрешенные в данных условиях нагружения масштабные уровни поглощения энергии за счет пластической деформации. В зависимости от степени стеснения пластической деформации разрушение может наступить на любом масштабном уровне пластической деформации.
4. Процесс пластического течения в кристалле осуществляется эстафетным механизмом в результате возникновения механического поля вихревой природы. Механическое поле в кристалле распространяется в виде волн смещений и поворотов. Поэтому в кристалле в любые, произвольно выбранные моменты времени, могут существовать места разрядки, где полностью прошла релаксация напряжений от внешнего источника, и места с наиболее ярко протекающими процессами пластической деформации. Там, где сдвиг заторможен, и там, где активно реализуется деформация, возникает эффект взаимодействия зон с разным градиентом накопленных дефектов. Это приводит к возникновению мод вращения объемов материала и фрагментированию кристалла на малые объемы. Границы возникающих областей служат зонами заторможенного сдвига, где возникает наибольшая плотность дефектов. В этих областях происходит самоорганизованный процесс аккомодации энергии из условия сохранения сплошности. Эстафетное распространение деформации характеризуется тем, что любой сдвиг сопровождается эффектом поворота.
5. Вся совокупность или последовательность процессов пластической деформации кристалла представляет собой «генетически заложенную в него» иерархию разрешенных структурных состояний. Поэтому реализация любого структурного состояния связана с переходом к одному из существующих в электронно-энергетическом спектре кристалла способов релаксации подводимой энергии, который не привносится извне, а характеризует достижение определенного уровня поглощенной им энергии.
6. Кристалл в результате возникающих флуктуаций приходит в сильновозбужденное состояние в моменты
переходов из одного структурного состояния в другое, в которое он попадает при достижении определенного уровня запасенной энергии. Переход к упорядоченному состоянию осуществляется в тот момент, когда предыдущий вид структурного состояния не позволяет сохранять устойчивость кристаллической решетки и сохранять сплошность. В процессе пластической деформации металл представляет собой открытую энергетическую систему, находящуюся вдали от положения равновесия при непрерывном обмене энергией с окружающей средой, и все переходы от одного структурного состояния к другому обусловлены минимумом производства энтропии при переходе объема кристалла из неравновесного состояния к равновесному.
7. Наблюдаемые дефектные структуры металла после снятия нагрузки не отражают всей совокупности и последовательности структур, присущих кристаллической решетке. Неустойчивость дефектной структуры любого масштабного уровня наступает при определенном критическом уровне поступающей энергии или соотношении возмущений. Неоднородности определенного масштабного уровня зависят от скорости перемещения дефектов и ее соотношения с коэффициентом диффузии. Поэтому к одному и тому же типу дефектной структуры металла можно прийти при разном соотношении параметров внешнего воздействия. Более того, при достижении мезоскопического масштабного уровня реализуемые типы дефектных структур тождественны для металлов с различным типом кристаллической решетки (ГЦК, ОЦК и ГПУ).
Приведенные представления об эволюции дислока-ционно-дисклинационной структуры металлов отражают факт упорядоченности и самоорганизованности всей совокупности реализуемых ситуаций в кристалле в процессе накопления дефектов в его кристаллической решетке. Последовательность их возникновения направлена на поддержание устойчивости кристаллической решетки, чтобы наибольшую энергию при внешнем воздействии запасти без нарушения сплошности. Масштабные уровни процессов определяются величинами параметров дефектной структуры, при достижении которых не может быть устойчивым ведущий механизм ее образования и происходит сначала распад структуры, а затем дискретный переход через точку бифуркации к новому типу структуры в результате реализации нового способа формирования дефектной структуры.
Рассмотрим некоторые, наиболее характерные типы дефектных структур, которые классифицированы для ГЦК- [8] и ОЦК-металлов [9] (рис. 1, а). Как уже сказано выше, с возрастанием степени деформации в металле может быть выявлен только определенный тип дефектной структуры, характерный для реализованного масштабного уровня процесса пластической деформации. Однако при возрастании температуры при одной и той же степени деформации могут быть реализованы все
1/ч 'г У ,— 2 ш
V-'*” / X / ^ / ш
щ '0
& Щ
Р > 7 \ \
/ш \ ^
/ \ V
/ \
И N. \ I л... [ -
20 40 60 80 £, %
Рис. 1. Схема последовательности возникновения дислокационных структур в металлах при монотонном растяжении (а) и диаграмма областей по уровню деформации, где могут наблюдаться указанные структуры (б)
типы дефектных структур, присущие металлу. Поэтому, как и в случае рассмотрения видов и механизмов разрушения металла, наблюдаемый тип дефектной структуры может быть получен различными способами при деформировании материала при различной комбинации параметров внешнего воздействия и разной степени деформации. Однако при достижении определенной плотности дефектов неизбежно наступление предельного состояния, когда в решетке появляется трещина.
Возникновение усталостной трещины происходит на фоне сформированной полосовой дислокационной структуры (тип 9,10 на рис. 1, а), а в вершине распространяющейся трещины происходит формирование ячеистой дислокационной структуры [10]. При циклическом нагружении металла в его решетке последовательно реализуются те же механизмы формирования дефектной структуры, что и в случае деформирования растяжением или сжатием. Причем масштабы протекания процессов накопления повреждений определяют стадийность развития процесса разрушения, в том числе и стадийность процесса развития усталостной трещины.
Упорядоченность формирования дефектной структуры в кристаллической решетке представляется таким образом, что даже на малых масштабных уровнях в кристалле могут возникать единичные ротационные структуры с небольшими разориентировками [12]. Они составляют величину менее одного градуса и поэтому на ранних стадиях накопления повреждений при циклическом нагружении могут соответствовать структурам типа 3-5 (рис. 1, а). По мере увеличения уровня деформации в кристалле может быть реализован разномасштабный процесс ротационной деформации, когда одновременно имеют место малоугловые разориентировки, средние (1^10°) и большеугловые ротации (>10°).
Существование разориентировок объемов пластически деформируемого материала было многократно продемонстрировано путем изучения направлений перемещения и разворотов векторов, имевших первоначально фиксируемую ориентировку [12]. Благодаря этому удалось разделить мезоскопический уровень протекания пластической деформации с разворотами объемов материала на мезо-1 и мезо-П с учетом интенсивности релаксации накопленных дефектов [13, 14]. Предложенная классификация процессов пластической деформации с разделением масштабных уровней и подуровней относится не только к мезоскопическому масштабному уровню, но аналогичный подход имеет место и для других (микро и макро) масштабных уровней.
Циклическое нагружение материала, при котором происходит распространение усталостной трещины, приводит к более сложной картине развития пластической деформации у вершины трещины. Оно сопровождается нарастанием потока дефектов и формированием разрешенной для металла последовательности диссипативных структур в каждом цикле на восходящей ветви нагрузки, тогда как при снятии нагрузки происходит частичная релаксация и распад некоторых из возникающих дефектных структур. Поэтому поток энтропии применительно к циклическому нагружению в зоне пластической деформации следует рассматривать отдельно на восходящей и нисходящей ветвях нагружения как характеристику поддержания устойчивости открытой системы, находящейся вдали от термодинамического равновесия.
На восходящей ветви нагрузки происходит прямое течение материала, которое можно рассматривать по аналогии с деформацией образца при его монотонном растяжении с переходом через предел текучести [2, 17, 18]. Высокая концентрация нагружений в вершине трещины создает перед вершиной трещины зону пластической деформации значительного размера. Ее размер при достижении максимального напряжения в цикле определяется по расстоянию от вершины трещины, где достигается предел текучести материала. Эта зона получила название статической. Переход к нисходящей ветви нагружения сопровождается сжатием материала
вплоть до достижения напряжения течения, что приводит к созданию зоны пластической деформации меньшего размера внутри зоны растяжения. Эту зону принято называть зоной сжатия или циклической зоной. Между указанными зонами имеет место почти трехкратное различие в размерах.
Итак, распространение усталостных трещин в широком диапазоне условий нагружения в металлах на различной основе сопровождается формированием зоны пластической деформации в две стадии. На восходящей ветви нагрузки у вершины трещины имеет место пластическое деформирование материала в пределах некоторого объема, представляющего собой цилиндр с уширяющимися к поверхностям элемента конструкции краями. На нисходящей ветви внутри этой зоны у вершины трещины происходит дополнительный наклеп материала в пределах области меньшего размера. Согласно уравнениям механики разрушения форма зоны растяжения в сечении, перпендикулярном фронту трещины, соответствует двум лепесткам, замкнутым на вершину трещины. Однако у поверхности элемента конструкции такая форма зоны не фиксируется из-за реализуемого процесса формирования скосов от пластической деформации (рис. 2). Точка вершины трещины на поверхности принадлежит на одной части элемента основанию скоса, а на другой — вершине по его высоте. Фактически, часть зоны с одной стороны от наблюдаемой трещины скрыта высотой скоса, а другая часть хорошо видна на поверхности. Этот эффект отчетливо виден на поверхности пластины из алюминиевого сплава Д16Т, подвергнутой циклическому растяжению-сжатию [14, 16]. По положению векторов смещения отчетливо видно, что у вершины трещины сформировался только один «лепесток» пластической зоны (рис. 3). Схематическое представление контуров зон в вершине трещины показывает, что по положению одного ее лепестка на поверхности элемента можно диагностировать, с какой стороны от траектории (линии) трещины располагается скос от пластической деформации. В представленном случае он находится слева от наблюдателя, который смотрит на рис. 3.
Таким образом, применительно к распространению усталостной трещины процессы пластической деформации, присущие материалу на разных масштабных уровнях, локализованы в пределах зоны пластической деформации, реализуются в определенной последовательности при распространении трещины и протекают неоднородно вдоль ее фронта.
3. Эволюция зоны пластической деформации в вершине трещины
Рассмотрим зону пластической деформации в вершине распространяющейся усталостной трещины, которая формируется в каждом цикле приложения внешней нагрузки, как открытую систему, чья эволюция про-
плоскость трещины внутри образца
1% I | зона скоса от пластической деформации
/72/^7^
граница зоны пластической деформации
'трещина на поверхности образца
Рис. 2. Геометрия поверхности разрушения со скосами от пластической деформации при регулярном нагружении плоского элемента конструкции (а) и при однократной перегрузке (б)
исходит самоорганизованно и упорядоченно путем формирования некоторой последовательности диссипативных структур в процессе непрерывного обмена энергией с окружающей средой. Предпосылкой для такого рассмотрения является не только неоднородность процесса деформации в пределах указанной зоны при ее расположении непосредственно у свободной поверхности образца или элемента конструкции, но и формирование поверхности разрушения внутри зоны в результате исчерпания пластической деформации в каждом цикле приложения нагрузки.
Для такой системы поток энтропии йБ за интервал времени Ж характеризуется суммой потока в результате обмена энергией с окружающей средой dSp и производства энтропии внутри самой системы dSi (внутри зоны пластической деформации) [19, 20]. Применительно к формированию зоны пластической деформации принципиальное значение имеет скорость протекания процесса, которая полностью зависит от частоты приложения нагрузки. Поэтому далее будем иметь в виду поток энтропии за интервал времени йМ, понимая, что реализуемая последовательность диссипативных струк-
тур будет зависеть не только от длины трещины и способа подвода энергии к вершине трещины (условий нагружения), но и от скорости приложения нагрузки.
Реализуемое в цикле нагружения производство энтропии связано с поддержанием устойчивости процесса подрастания трещины, что позволяет включить в процесс эволюции всю последовательность диссипативных (дефектных) структур в цикле нагружения с учетом их масштабной иерархии. Увеличение размеров области материала, в которой реализуется процесс пластической деформации, приводит к объективной возможности формирования диссипативных структур все большего масштабного уровня. Достижение критического размера зоны вызывает дискретный переход к новому механизму пластической деформации, доминирующему в определенном интервале масштабов диссипативных структур. После достижения критической плотности дефектов одноименного типа происходит спонтанное, самоорганизованное изменение способа поглощения энергии путем создания новых упорядоченных структур. После перехода через точку бифуркации возникает коллективное поведение дефектов внутри зоны.
При возрастании нагрузки цикла поток энтропии возрастает немонотонно, и в момент достижения максимального напряжения цикла имеет место положение неустойчивого равновесия, при котором первая производная от потока энтропии по времени меньше нуля. Далее система стремится занять устойчивое положение вплоть до полного снятия нагрузки, что соответствует положительной производной от потока энтропии. Из приведенного рассмотрения становится понятным, например, почему в циклическом нагружении такую важную роль играют траектории восходящей и нисходящей ветвей нагрузки — форма цикла. При несимметричности (различии времен) восходящей и нисходящей ветвей нагрузки возникает различие в реализуемой иерархии
Рис. 3. Поле векторов смещений на поверхности образца у кончика усталостной трещины [14, 16]. Очевидна асимметрия зоны пластической деформации, в пределах которой происходит наиболее интенсивное вращение материала
дефектных структур в цикле нагружения. С возрастанием скорости нагружения на восходящей ветви доминируют ротационные процессы, которые могут быть реализованы вплоть до 103^104 с-1 [21]. Но не менее важно, что при снятии нагрузки происходят релаксационные процессы, полнота реализации которых также в значительной степени зависит от времени, а значит от формы нисходящей ветви нагрузки. В этой части полу-цикла нагружения также протекают ротационные процессы, которые могут вызывать интенсивный наклеп и создают предпосылку для полного исчерпания пластической деформации в вершине усталостной трещины.
При циклическом нагружениии в процессе формирования зоны пластической деформации возникающие дефектные структуры в полосах скольжения на восходящей ветви нагрузки в одном направлении релаксиру-ют нагрузку по другим направлениям на нисходящей ветви нагрузки [14]. В результате этого происходит чередование ориентаций каналов, по которым происходит формирование дефектных структур, а это, в свою очередь, является предпосылкой для возникновения поворотов в пределах зоны пластической деформации. Реализованный сдвиг на восходящей ветви нагрузки в одной системе плоскостей скольжения блокируется на нисходящей ветви нагрузки. В результате этого при переменной нагрузке реализуется ситуация, когда работает не одна, а две системы скольжения. Причем они задействованы в разных полуциклах приложения нагрузки. Вследствие такого поведения материала возникает сильная анизотропия локализации пластической деформации, приводящая к доминированию ротационных эффектов неустойчивости не только деформации в пределах рассматриваемой зоны, но и реализации процесса разрушения материала у вершины трещины, где происходит полное исчерпание пластической деформации в каждом цикле приложения нагрузки. Возникающая анизотропия накопленной пластической деформации вызывает не только ротационные эффекты как акты аккомодации (компенсации избытка энергии), но сам факт разрешенного скольжения на нисходящей ветви нагрузки приводит к тому, что момент формирования свободной поверхности может отвечать как восходящей, так и нисходящей ветвям нагрузки. Возможности реализовать подрастание трещины внутри зоны пластической деформации на той или иной ветви нагружения обусловлены, в первую очередь, масштабным уровнем формирования диссипативных структур в условиях локализации деформации.
Переход к ротационным эффектам у вершины трещины на мезоскопическом масштабном уровне при образовании свободной поверхности подтверждается результатами исследования in situ процесса деформации материала у вершины усталостной трещины по мере растяжения пластины в колонне электронного микроскопа [22]. Пластина имела толщину несколько десятых
2
циклы
Рис. 4. Формирование двух полос скольжения в предкритический момент (1) и поворот объема материала между полосами скольжения в момент образования трещины по одной из полос (2) при монотонном растяжении фольги в электронном микроскопе
долей миллиметра, что обеспечивало реализацию макроскопического процесса пластической деформации. Из полученной при растяжении пластины серии фотографий следует, что в предкритический момент образуются две полосы скольжения по границам растянутого элемента материала в вершине трещины (рис. 4). Одновременно с этим имеет место небольшое пластическое затупление вершины трещины. Образование трещины по одной из полос скольжения происходит в результате потери устойчивости растягиваемого элемента внутри образованных полос скольжения в результате поворота его объема. Выполненные измерения по фотографиям, представленным в работе [22], свидетельствуют об угле поворота около 15°. Подрастание трещины в момент растяжения обусловлено статическим разрушением и не связано с формированием усталостных бороздок.
Рассмотрение зоны пластической деформации как открытой системы, в пределах которой реализуется вся иерархия процессов деформации, присущих материалу при распространении усталостной трещины, позволяет применить к ней представления о масштабных уровнях и последовательности самоорганизованных переходов от одного процесса к другому, которые выявлены при монотонном растяжении или сжатии кристаллов [15, 16, 23, 24]. Следует только еще раз подчеркнуть, что в зоне пластической деформации при распространении усталостной трещины все наблюдаемые процессы реализуются как на восходящей, так и на нисходящей ветвях нагрузки.
На микроскопическом масштабном уровне, когда протекание процессов деформации ограничено разме-
рами пластической зоны в пределах отдельных зерен, реализуются коллективные процессы движения дислокаций при доминировании скольжения. Вихревые потоки с малоугловыми разориентировками локализованы, и они не определяют доминирующий способ поглощения энергии при создании дефектных структур. Это тип структур 1-4 и стадии 1-11 пластической деформации (см. рис. 1). Микромасштабный уровень формирования зоны пластической деформации связан с низкими скоростями роста трещины.
Переход на следующий, мезоскопический, масштабный уровень отвечает началу доминирования ротационных мод деформации с возрастающими разориентиров-ками фрагментированной структуры вплоть до типа 11. Самоорганизованный переход на этот уровень определяется размером около 0.1 мкм [12]. Дефектная структура, например ОЦК-металлов, при переходе на рассматриваемый масштабный уровень состоит из дислокационных листов [12]. Толщина листов составляет 0.05^0.1 мкм. Поэтому можно считать, что до перехода на новый масштабный уровень основную роль в накоплении повреждений играют процессы внутри листов. Далее происходит взаимодействие между ними, и созданная избыточная плотность дислокаций является предпосылкой для возникновения разориентировок в дефектной структуре порядка 20^40° [12].
Характеристический размер масштаба протекания пластической деформации определяется (ограничен сверху) объемом, однородно заполненным дислокациями. При нагружении возникают мезодефекты — конфигурации неоднородных дислокационных ансамблей. В ансамбле дислокаций, в силу неоднородности реализуемого процесса деформации по мере удаления от вершины усталостной трещины и вдоль фронта трещины, а также в силу различий, связанных с разными ветвями нагружения и разгрузки, возникают ротационные моды. Частичные дисклинации фрагментируют зону на ряд разориентированных областей с увеличением размера фрагмента вплоть до 2-10-7 м. Фрагментирование структуры при пониженных температурах в условиях деформации различными способами для широкого спектра материалов происходит путем создания микрополос шириной около 2-10-7 м [25, 26]. Развитие этих полос может происходить в дефектной структуре 4-5 и далее (рис. 1). Области поворачиваются относительно друг друга пропорционально деформации, и при достижении некоторых предельных углов поворота происходит переход через точку бифуркации к развитию новых более разориентированных областей — ножевых границ. Это определяет смену кинетического процесса. Происходит нарушение принципа однозначного соответствия — образ структурообразования остается тем же, но изменяется качественно.
Все сказанное выше позволяет заключить, что с позиций синергетики, после достижения максимального
размера фрагментов около 0.2 мкм, далее реализуется процесс увеличения их разориентировки при активном разноуровневом накоплении дефектов, преимущественно по границам фрагментов, что приводит к нарушению принципа однозначного соответствия. Указанный размер субструктурного элемента дефектной структуры разделяет на мезоскопическом масштабном уровне стадии мезо-1 и мезо-П. Деформация определяется микросдвигами и микровихрями с нарастающими раз-ориентировками. Созданная таким образом фрагментированная структура с большими углами разориенти-ровки (ножевые границы) отражает изменение в способе поглощения энергии, когда внутри зоны пластической деформации возникают предпосылки для локального нарушения сплошности материала (статического проскальзывания трещины) при незавершенных (заторможенных) поворотах отдельных фрагментов. По-видимому, происходит взаимодействие субструктурных и мезоскопических ротаций, когда они протекают одновременно, и происходит постепенное доминирование суб-структурных ротаций вплоть до перехода к следующему структурному уровню при достижении характеристического размера около 3 мкм. Фактически, нарушение принципа однозначного соответствия может быть отнесено к переходу в процессе ротационной деформации к кооперативным эффектам ансамбля мезодефектов, т.е. переходу от стадии мезо-1 к мезо-П.
Далее происходит резкое возрастание разориенти-ровок конгломератов фрагментов, возникают повороты типа дисклинационных сбросов. Этим объясняется увеличение большеугловой части спектра разориентировок фрагментов с увеличением степени деформации в результате подрастания усталостной трещины и приближения к предельной величине коэффициента интенсивности напряжений, отвечающего вязкости разрушения материала. Возникновение пространственных структур с разориентировками на макроскопическом масштабном уровне относится к макропроцессам, что применительно к распространению усталостных трещин связано с переходом в область нестабильного развития разрушения. Все перечисленные процессы рассматриваются применительно к зоне пластической деформации, расположенной перед вершиной трещины и находящейся в динамическом равновесии с окружающим материалом, который не претерпевает пластического деформирования.
Итак, в процессе распространения усталостной трещины в ее вершине в материале реализуются последовательно все присущие ему способы поглощения и диссипации энергии в пределах зоны пластической деформации, как и в случае монотонного растяжения или сжатия. Разномасштабность процессов деформации внутри этой зоны, иерархическая упорядоченность, эволюция в соответствии с принципами синергетики, присущая открытым системам, находящимся вдали от равнове-
сия — все это приводит к стадийности процесса формирования свободной поверхности внутри этой зоны. Этот процесс реализуется на разных масштабных уровнях и соответствует последовательно сначала доминированию процессов скольжения, а далее процессов ротационной неустойчивости. Они развиваются таким образом, чтобы сумма поворотов для всех дефектов не приводила к нарушению сплошности материала. Это условие выполняется, когда сумма ротаций от всех дефектов равна нулю [16]. Когда сумма всех перемещений путем сдвигов не может быть компенсирована из условия равенства нулю указанной выше суммы, происходит образование свободной поверхности.
Далее будет показана неизбежность самоорганизо-ваного возникновения ротационных эффектов при развитии процесса распространения усталостной трещины не только как закономерности накопления дефектов без нарушения его сплошности, но и как формирования свободной поверхности путем образования сферических частиц и усталостных бороздок.
Литература
1. Иванова B.C., Шанявский A.A. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. - Челябинск: Металлургия, 1988. - 400 с.
2. Клевцов Г.В. Пластические зоны и диагностика разрушения метал-
лических материалов. - М.: МИСИС, 1999.
3. Лихачев B.A., Хайров Р.Ю. Введение в теорию дисклинаций. - Л.:
Изд-во Ленингр. ун-та, 1975. - 184 с.
4. Теоретическое и экспериментальное исследование дисклинаций / Под ред. В.И. Владимирова. - Л.: Изд-во ФТИ, 1986.
5. Панин В.Е., Лихачев B.A., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.
6. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.
7. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука,
1995. - Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
8. Конева H.A., Лычагин Д.В., Теплякова Л.A., Козлов Э.В. // Теоретическое и экспериментальное исследование дисклинаций. - Л.: Изд-во ФТИ, 1986. - С. 116-126.
9. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. - Киев: Наукова Думка, 1975.-315 с.
10. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -М.: Металлургия, 1975. - 456 с.
11. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургия, 1984. - 280 с.
12. ВладимировВ.И., РомановА.Е. Дисклинации в кристаллах. - Л.: Наука, 1986. - 223 с.
13. Панин В.Е., Коротаев А.Д., Макаров П.В., Кузнецов В.М. Физическая мезомеханика материалов // Изв. вузов. Физика. - 1998. -Т. 41. - № 9. - С. 8-36.
14. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.
15. Конева Н.А., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации // Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - С. 123-186.
16. Panin V.E. Overview on mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids // Theor. Appl. Fract. Mech. - 1998. - V. 30. - P. 1-11.
17. Wu J.X., Koul A.K., Krousz A.S. // Met. Trans. - 1993. - V. 24A. -P. 1373-1380.
18. Saxena A., Antolovich S.D. // Met. Trans. - 1975. - V. 6A. - P. 18091828.
19. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. - М.: Мир, 1973. - 280 с.
20. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979. - 512 с.
21. Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. и др. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. - Киев: Наукова Думка, 1989. - 320 с.
22. Schick E., Ude J., Michel F., Blumenauer H. // Proc. 11th Biennial Europ. Conf. Fract. - ECF11, Mechanisms and Mechanics of Damage and Failure / Ed. by J. Petit. - Poitiers-Futuroscope, France, 3-6 Sept.
1996, EMAS. - V I. - P. 157-162.
23. Приемский Н.Д., Романов А.Е. // Дисклинации. Экспериментальное исследование и теоретическое описание. - Л.: ФТИ, 1982. -С. 130-145.
24. Вергазов А.Н., Золотаревский Н.Ю., Рыбин В.В. // Экспериментальное исследование и теоретическое описание дисклинаций. -Л.: ФТИ, 1984. - С. 7-36.
25. Malin F.S., Hatherly M. // Met. Sci. - 1979. - V. 13. - No. 8. -P. 463-472.
26. Korbel A., Martin P. Microscopic versus macroscopic aspect of shear bands deformation // Acta Met. - 1986. - V. 34. - No. 10. - P. 19051909.
