» » Влияние числа предшествовавших циклов
05.01.2015

В многочисленных исследованиях, посвященных изучению роста металлов, вызванного релаксацией напряжений, которые возникают из-за температурных градиентов, показано, что формоизменение в целом тем ярче выражено, чем больше перемен температуры претерпел материал. В простейших случаях коэффициент роста практически не зависит от числа предшествовавших циклов, так что приращение характерных размеров тела оказывается им пропорциональным. В качестве примера, подтверждающего сказанное, на фиг. 66 приведены опытные данные для алюминиевых цилиндров разного диаметра, испытавших циклическое термическое воздействие в интервале от 10 до 460° С. Легко видеть, что несмотря на значительное увеличение длины, составившее, например, для цилиндров диаметром 20 мм до 6% за 175 теплосмен, коэффициент роста практически остается постоянным (хотя и неодинаковым для образцов разного диаметра). Аналогичные наблюдения были сделаны также В. Д. Кузнецовым, А. И. Лоскутовым и А. Н. Голозубцевой на алюминии чистоты 99,90%, Л. А. Гликманом на различных марках конструкционной стали, А. А. Бочваром с сотрудниками на жаропрочных сплавах, силумине, никеле и некоторых других материалах, А. А. Зуйковой на бронзе и латунях разного состава и т. п.
На фиг. 67, взятой из работы, показано, как меняется длина пластины из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т при циклотермическом воздействии путем сравнительно спокойных нагревов до 800° С и последующих резких охлаждений до 15° С. Фиг. 67 свидетельствует, что коэффициент роста за 250 теплосмен совершенно не меняется.
У никеля он остается постоянным по крайней мере до 500 циклов в интервале температур от 15 до 600° С. Это видно из фиг. 68, построенной по данным уже цитированной работы. Правда, кривая 2 на фиг. 68, показывающая увеличение ширины пластины, отличается от прямой, но отклонение невелико и кажется второстепенным на фоне отчетливых пропорциональных зависимостей для изменения длины (кривая 1) и толщины (кривая 3). Незначительно отклонение от линейной зависимости и для силумина при термоциклировании от 20° С до 300 или 500° С. На фиг. 69, взятой из доклада А. А. Бочвара в Женеве, показаны соответствующие опытные данные.
Влияние числа предшествовавших циклов

α- и β-латуни также иногда меняют свои размеры с постоянным коэффициентом роста. Фиг. 70 и 71 хорошо иллюстрируют сказанное.
Можно было бы привести еще немало примеров, когда по наблюдениям авторов оригинальных исследований коэффициент роста оставался неизменным на протяжении сотен, а иногда и нескольких тысяч термических воздействий. И все же более внимательный анализ показывает, что для формоизменения, обусловленного релаксацией температурных напряжений, созданных градиентами, характерно не столько постоянство коэффициента роста, сколько зависимость последнего от числа предшествовавших перемен температуры. Иногда общая картина бывает настолько запутанной, что ее не удается до конца расшифровать. Кроме того, наличие многочисленных побочных причин, о которых мы еще скажем ниже, затрудняет выявление наиболее характерных и свойственных большинству материалов особенностей на кривых «коэффициент роста — число циклов»; к тому же сами эти особенности не всегда имеют место, так как требуют выполнения определенных критериев в отношении параметров температурного воздействия, состояния материала и масштаба и формы изделий.
Анализ общей зависимости коэффициента роста от числа циклов был проведен в диссертационных работах В. М. Степанова и В. А. Лихачева. Результаты его сводятся в основном к следующему.
Влияние числа предшествовавших циклов

В начале циклического термического воздействия коэффициент роста хорошо отожженных металлов как правило в несколько раз (иногда на порядок) больше, чем по истечении некоторого числа теплосмен. С каждым циклом он снижается, пока не будет достигнуто состояние, при котором устанавливается неизменный режим формоизменения, характеризующейся относительным постоянством коэффициента роста (по крайней мере на протяжении последующих десятков или сотен циклов). Причины, ответственные за постепенное затухание темпа формоизменения, представляются почти тривиальными. С одной стороны, они заключаются в изменении поля действующих напряжений из-за приспособляемости к данному циклическому термическому воздействию, с другой — в достижении такого установившегося режима, при котором хотя бы в ограниченном интервале циклов упрочнение за одну теплосмену нейтрализуется равным ему разупрочнением. Постепенное изменение поля действующих напряжений может быть легко учтено теорией, развитой во второй главе. Например, как показано в работе, деформация формоизменения хорошо отожженных металлов за первый цикл составляет
Влияние числа предшествовавших циклов

и далее она снижается от цикла к циклу, пока по истечении 10—20 теплосмен коэффициент роста не примет установившееся значение, отвечающее выражению (I. 42). В общем, постепенное уменьшение коэффициента роста в первые циклы имеет ту же причину, что и при формоизменении, связанном с анизотропией коэффициента термического расширения. Естественно также, что коэффициент роста в своем стремлении к стационарности в состоянии как возрастать, так и снижаться в зависимости от того, каково исходное значение параметров, характеризующих материал.
Область постепенного изменения скорости деформации в начале термоциклирования обычно называют первым участком (периодом) на кривых «коэффициент роста—число циклов». На этом участке происходит особенно заметное увеличение или уменьшение интенсивности роста, в иных случаях до одного—двух порядков величины, а чаще в 5—6 раз. Его продолжительность обычно ограничена двумя десятками теплосмен, хотя известны и такие случаи, когда переходный режим затягивался на несколько сот или даже тысяч циклов. С точки зрения деформации формоизменения в целом первый участок играет незначительную роль, если по условиям службы ожидается много теплосмен. Во всяком случае отвечающее ему формоизменение обычно составляет не более 0,1 % и в наиболее неблагоприятных вариантах почти никогда не превышает одного процента. Однако он определяет характер и срок годности деталей и узлов машин, если последние претерпевают ограниченное количество очень «жестких» теплосмен. В силу сказанного исследование закономерностей роста в первые теплосмены приобретает практический смысл.
Анализ кривых «коэффициент роста—число циклов» показывает, что после завершения первого участка, как правило, наступает такой режим формоизменения, когда деформация за каждую теплосмену резко уменьшается и практически перестает зависеть от их числа (второй участок).
Этот второй участок проявляет себя обычно на протяжении нескольких сот циклов. Он характерен не только и не столько постоянством коэффициента роста, сколько аномально низкой скоростью формоизменения. Известны опытные данные, когда на протяжении двухсот—трехсот теплосмен размеры образцов совершенно не изменялись.
В качестве примера на фиг. 72 приведены опытные данные для алюминия. Они относятся к цилиндрическим образцам диаметром 6 мм и длиной 100 мм, которые были подвергнуты медленным нагревам в воздухе и последующим охлаждениям в холодной воде до 10° C. Легко видеть, что при интервалах температур в 370 и 440° С после относительно быстрого роста, характерного для начала термоциклирования, наступило состояние, при котором коэффициент роста весьма значительно снижался и оставался на новом уровне до 100—150 теплосмен. Интересно, что при ΔТ=370° С длина образцов сохранялась постоянной (т. е. коэффициент роста вообще был равен нулю) примерно до 150 циклов термического воздействия.
Влияние числа предшествовавших циклов

В настоящее время почти ничего не известно о том, какому физическому состоянию материала соответствует второй участок. Причиной этого является как сложность самого явления, так и повышенная чувствительность его к большому количеству переменных, характеризующих и материал, и само циклическое термическое воздействие, и даже масштаб и геометрию образцов. Так, в одном из опытов у алюминия второй участок отсутствовал при выдержке образцов в низкотемпературной зоне (10° С) меньше 5 мин., но был ярко выражен при больших выдержках. В другом случае было замечено, что алюминиевые цилиндры, катанные реверсивно, не имели второго участка, в то время как катанные в одну сторону показали совершенно отчетливую «площадку» на кривых «коэффициент роста—число циклов». По данным работы, второй участок у полых: цилиндров из β-латуни диаметром 10 мм и длиной 100 мм (внутреннее отверстие диаметром 4 мм) примерно вдвое продолжительнее, чем у таких же образцов, но без сверления. Кроме того, в указанной: области у них противоположен знак коэффициента роста. Графически это изображено на диаграмме (фиг. 73). У полого образца за первые 120 циклов укорочение составляет около 1,2%; далее же наступает вторая стадия, так что на протяжении последующих 180 теплосмен размеры совершенно не изменяются, и лишь после 300 циклов опять, появляется заметный рост. У сплошного цилиндра второй участок исчезает после всего лишь 140 термических воздействий, т. е. уже тогда, когда у полого он только еще появляется.
Влияние числа предшествовавших циклов

В другом исследовании было показано, что наличие или отсутствие второго участка зависит от формы и размеров образцов. Из фиг. 74 очень хорошо видно, что если пластины, а также прутки с квадратным и шестигранным сечением не показывают присутствия второго участка, то у цилиндров он очень отчетлив и тем продолжительнее, чем больше диаметр.
Анализ литературных данных дает основания полагать, что продолжительность и само присутствие второго участка может иметь несколько причин. По мнению В. М. Степанова, для второго участка характерно постепенное ослабление границ зерен и последующее возникновение большого количества микротрещин, что было им подтверждено непосредственными наблюдениями на некоторых специальных материалах. Пока микротрещины еще не появились в достаточном количестве, имеет место установившийся режим, для которого упрочнение равно разупрочнению; когда же их становится много, создаются благоприятные предпосылки для перехода в новый квазиустановившийся режим, и второй участок исчезает. Нам представляется, однако, что такая точка зрения не объясняет, почему для одних и тех же материалов в зависимости от их состояния и других параметров второй участок может быть, а может и не быть, несмотря на богатый набор всевозможных микротрещин термической усталости и сходные изменения в структуре внутренних поверхностей раздела.
Влияние числа предшествовавших циклов

Авторы работы подчеркивают, что конец второго периода на кривых «коэффициент роста—число циклов» совпадает с началом интенсивной рекристаллизации. Например, у β-латуни при циклическом термическом воздействии от 20 до 600° С значительный рост зерна имеет место примерно после 140 циклов, т. е. как раз к тому времени, когда начинается резкое укорочение образцов (кривая I на фиг. 73). Такое толкование также не очень убедительно. Как будет показано ниже, крупнозернистые образцы иногда действительно-имеют больший коэффициент роста, нежели мелкозернистые, но различие обычно невелико. При особо «жестких» режимах термического цикла почти никогда не удается выявить разницу в формоизменении изделий с большим и малым зерном. В указанном смысле необходимо специально объяснить, каков механизм воздействия рекристаллизации на величину коэффициента роста. Кроме того, соображения авторов не соответствуют многим опытным данным, согласно которым рекристаллизация не всегда имеет место даже в тех случаях, когда второй участок очень хорошо выявлен. Так, у алюминия, у которого он частый спутник (фиг. 72), рекристаллизация и изменение величины зерна наблюдаются редко.
He исключено, что порождаемая теплосменами рекристаллизация чем-то отличается от обычной, вызванной отжигом при постоянной температуре.
Если это так, то структурное состояние тела даже при одинаковом конечном зерне может оказаться разным, приводя тем самым и к отличию в коэффициентах роста. К тому есть веские основания, так как рекристаллизация, вызываемая термическими циклами имеет целый ряд специфических особенностей.
Достаточно сказать, что она наблюдается у материалов, предварительно хорошо отожженных, и в условиях не только изменяющейся температуры, но и при непрерывно возникающих и релаксирующих напряжениях. По некоторым предварительным наблюдениям, она иногда сопровождается развитием специфической текстуры. По другим данным изменения на рентгенограммах отмечались и при отсутствии рекристаллизации. В силу сказанного еще неясно, является ли последняя (хотя бы в ограниченных пределах) причиной окончания второго участка, или служит только сопровождающим фактором.
Влияние числа предшествовавших циклов

В некоторых двухфазных сплавах, например у α + β-латуни, на втором участке происходит изменение относительного содержания фаз, а сам он может иметь как положительный, так. и отрицательный коэффициент роста, независимо от знака последнего на первом и третьем участках. Интересный пример приведен на фиг. 75. Здесь показано, как изменяется длина цилиндрических образцов из α-латуни (32% Zn), β-латуни (47% Zn) и α + β-латуни при нагревах в селитре до 510° С и последующих охлаждениях в проточной воде до 10° С. Кривая 3 относится к образцам примерно равного содержания α- и β-фаз, а кривая 4 — с несколько повышенной концентрацией α-фазы. Как видно, чистые α- и β-латуни имеют противоположный знак коэффициента роста. Двухфазная латунь по направлению своего формоизменения тяготеет к β-латуни, так как у последней коэффициент роста на порядок с лишним больше, чем у α-латуни. Однако на втором участке (т. е. в пределах до 180 циклов) кривая 4, относящаяся к материалу с большим содержанием a-фазы, в отличие ют кривой 3 имеет положительный коэффициент роста, который после 180 термических воздействий снова меняет знак. Как было показано специальными опытами, это происходит из-за постепенного растворения α-фазы в β-фазе. Такой процесс изменения фазового содержания разыгрывается в основном на протяжении второго участка.
В качестве иллюстрации в табл. 17 приведены результаты нескольких измерений плотности образцов α+β-латуни при теплосменах. Плотность измерялась точным дифференциальным гидростатическим способом. Из таблицы следует, что всего лишь за 55 циклов количество β-фазы увеличивается на 3,8% (на столько же уменьшается количество a-фазы). Указанный процесс продолжается и дальше, и соответствующие опытные данные не выписаны только потому, что они становятся недостаточно точными из-за уменьшения кажущейся плотности, вызываемого развитием микротрещин термической усталости.
Влияние числа предшествовавших циклов

Перечисленные выше соображения о причинах, ограничивающих второй участок по числу циклов, относились к изменению структурного состояния материала. Однако, как показывает анализ экспериментов, не следует упускать из виду и чисто внешние обстоятельства, например, методического характера. Здесь нужно указать по крайней мере на два важных фактора.
Во-первых, конец второго периода может быть связан с окислением или вообще с изменением качества поверхности. Дело в том, что исходные образцы, как правило, имеют хорошо механически обработанную блестящую поверхность. По истечении же некоторого количества теплосмен — порядка нескольких десятков или сотен — появляется как окисная пленка, так и характерная «жеванность», поверхность приобретает вид «лимонной корки». Это немедленно сказывается на теплообмене с окружающей средой, а следовательно, на температурных градиентах и поле действующих напряжений, т. е. в конечном счете на величине коэффициента роста. Указанное обстоятельство некоторыми авторами должным образом не учитывалось и, несмотря на очевидную элементарность, было источником курьезных недоразумений.
Чтобы показать, насколько важно учитывать изменение качества поверхности, можно привести такой пример. Тонкие полированные алюминиевые цилиндры при спокойных нагревах в воздухе (температура в печи 250—350° С) в течение 2 мин. и последующих охлаждениях в воде в первые сотни циклов совершенно не «растут», но потом, когда поверхность окислится, как бы неожиданно начинают удлиняться.
Влияние числа предшествовавших циклов

Во-вторых, завершение и даже само существование второго участка в ряде случаев связано с неучетом концевого эффекта. У толстых коротких образцов в начале термоциклирования появляются характерные выпуклости или впадины, обусловленные специфическими местными условиями релаксации напряжений. Величина и направление локальной концевой деформации обычно совершенно не похожи на таковые в основном объеме, поэтому результаты обмера образцов без учета и с учетом концевого эффекта могут дать противоречивые результаты. По-видимому, такой методической ошибкой можно отчасти объяснить странные результаты, полученные А. А. Зуйковой в до 600°С. опытах с β-латунью. Ее данные уже были приведены на фиг. 74. He исключено, что резкое увеличение в первые сотни циклов длины толстых цилиндров (вместо ожидаемого укорочения) связано с появлением выпуклостей на торцах, изменение расстояния между которыми А. А. Зуйкова выбрала в качестве меры формоизменения. В нецелесообразности этого способа оценки роста легко убедиться, сопоставив внешний вид образцов до и после 610 циклов термического воздействия (фиг. 76). Легко видеть, что суммарная высота одних только выпуклостей (не считая деформации концов) сравнима с общим укорочением цилиндров. Приведенный на фиг. 74 и 76 пример показывает, насколько важно учитывать концевой эффект. Его роль в формоизменении, связанном с температурными градиентами, гораздо больше, чем у металлов, рост которых вызывается анизотропией коэффициента термического расширения. Дело в том, что если у некубических поликристаллов своеобразие явлений, разыгрывающихся вблизи поверхности изделия, связано в основном с условиями релаксации напряжений, а термический режим имеет меньшее значение, то в обсуждаемом механизме роста оба фактора стоят на первом плане.
С сожалением приходится констатировать, что почти ни в одной из оригинальных работ влияние торцов не было учтено, хотя для этого было бы достаточно производить измерения, не между краями образца, а между рисками, нанесенными на некотором удалении от концов.
Второй участок на кривых «коэффициент роста—число теплосмен» весьма ограничен. Он редко простирается более чем на несколько сот циклов, или даже меньше. Кроме того, он требует настолько своеобразного сочетания свойств материала, характера температурного воздействия и геометрии образцов, что часто перечисленные условия остаются неуловимыми для экспериментатора, вследствие чего исчезает и видимая воспроизводимость результатов опыта. Поэтому, а также в силу ряда иных причин непринципиального характера сейчас почти ничего нельзя сказать о том физическом состоянии материала, которому соответствует второй участок. С достаточным основанием можно лишь утверждать, что он является как бы переходным подготовительным периодом для следующего, третьего участка, играющего основную роль в формоизменении и наиболее продолжительного по количеству циклов.
Третий участок характеризуется, во-первых, относительным постоянством коэффициента роста и, во-вторых, как правило, максимальной установившейся деформацией за цикл для данных условий опыта. Характерно также, что на третьем участке коэффициент роста лучше всего воспроизводится от образца к образцу. Как легко видеть из фиг. 72 и 73, переход от второго к третьему участку является достаточно быстрым — для этого требуется всего лишь около нескольких десятков циклов.
Существование третьего участка есть неотъемлемая черта всего формоизменения. Собственно говоря, именно здесь выявляются наиболее фундаментальные законы роста; именно здесь формоизменение протекает на протяжении сотен и тысяч теплосмен с одинаковой интенсивностью, не обнаруживая никаких признаков затухания; наконец, третьему участку свойственна максимальная стабильность структуры материала. Все сказанное дает основания принять его в качестве основы для обсуждения проблемы роста, вызываемого циклически, повторяемыми температурными напряжениями. Ниже везде, где будет возможно, все рассуждения будут отнесены к третьему периоду формоизменения.
Разумеется, разделение на участки, особенно на второй и третий, — операция условная, так как между ними нельзя провести четкой границы. Однако она оправдана, так как позволяет легче и глубже понять закономерности роста, тем более что даже в таких неблагоприятных обстоятельствах, когда на кривых «коэффициент роста—число циклов» нет видимых перегибов и переломов, опытный исследователь всегда в состоянии определить, находится ли материал еще во второй стадии или последней вообще не было, а наступила сразу третья.
Третий участок не является последним. При более или менее продолжительном термоциклировании всегда наступает такая стадия, когда коэффициент роста начинает снижаться, иногда быстро и резко, иногда постепенно, иногда со все возрастающим темпом. Фиг. 77 показывает, как он проявляется в алюминии. При интервале температур в 425° С третий период оканчивается примерно после 800 циклов; при 600° С — вдвое раньше, а при 400° С и 540° С даже 1000 теплосмен недостаточно для начала снижения коэффициента роста. Данные фиг. 77 показывают, что совершенно нецелесообразно в качестве характеристики склонности материала к формоизменению принимать приращение длины за данное число циклов.
Влияние числа предшествовавших циклов

Без полного анализа законов изменения коэффициента роста здесь могут быть получены противоречивые результаты. Например, до 500 теплосмен, как и следовало ожидать, формоизменение тем больше, чем выше интервал температур. Однако, при более продолжительном термоциклировании картина изменяется так, что, скажем, при ΔT = 600° С приращение длины превышает таковое для интервала температур в 540° С. В отношении причин снижения коэффициента роста сейчас, кажется, нет существенных разногласий. По мнению В. М. Степанова и других авторов, четвертый участок связан с развитием макроскопических трещин термической усталости. Ко времени его появления образец настолько растрескивается, что растягивающие тепловые напряжения не могут реализоваться из-за раскрытия трещин. При «мягких» режимах термического цикла макроскопическое разрушение образца происходит постепенно и переход от третьего к четвертому участку получается плавным (кривая 2 на фиг. 77); при более жестких условиях трещины появляются неожиданно, давая на соответствующих кривых характерный излом (кривая 4 на фиг. 77).
Нужно сказать, что разрушение от термической усталости есть совершенно неизбежный спутник рассматриваемого механизма формоизменения. По этому вопросу имеется много экспериментальных данных, но их обсуждение выходит за рамки настоящей монографии. Следует лишь подчеркнуть, что растрескивание от термической усталости в состоянии вывести из строя даже такие высокопластичные материалы, как алюминий. Насколько сильно при этом изменяются физические свойства вещества, можно видеть на фиг. 78, на которой показано уменьшение кажущейся плотности тех же алюминиевых образцов, о которых шла речь при обсуждении фиг. 77.
Влияние числа предшествовавших циклов

Фиг. 77 не позволяет усмотреть первый и второй периоды формоизменения из-за огромного общего роста, достигающего 8% за 2500 теплосмен. Более наглядна фиг. 79, где представлены данные для алюминия, подвергнутого нагревам и охлаждениям в интервале температур от 10 до 360° С. Как видно, все четыре периода выражены достаточно отчетливо. Для удобства они обозначены римскими цифрами. Еще нагляднее существование нескольких участков вырисовывается при рассмотрении кривых «коэффициент роста — число циклов». Одна из них представлена на фиг. 80 для алюминия. Так же, как и на фиг. 79, различные участки здесь отмечены римскими цифрами. Приведенный выше анализ не исчерпывает, конечно, всех деталей зависимости коэффициента роста от числа циклов. Он относится лишь к наиболее характерным и наиболее часто наблюдаемым эффектам. Однако практически приходится сталкиваться и с многими другими эффектами, прячем наложение нескольких из них друг на друга делает подчас трудной, если не невозможной, правильную расшифровку опытных данных. Некоторые из дополнительных причин действуют с меняющейся интенсивностью на протяжении всего циклического термического воздействия, другие — на ограниченном по числу циклов участке. Примером постоянно действующего фактора может служить форма образца. При огромных общих деформациях формоизменения, достигающих иногда десятков и сотен процентов, исходные образцы настолько коробятся, что температурный режим у них становится непохожим на первоначальный. Это немедленно сказывается на коэффициенте роста. Соответствующий пример уже был приведен на фиг. 76. Еще более интересный случай показан на фиг. 81. Поскольку, как будет показано ниже, форма и размер образца играют огромную роль в формоизменении, обусловленном релаксацией созданных температурными градиентами напряжений, становится совершенно очевидным, насколько сильно коэффициент роста может зависеть от числа циклов.
Влияние числа предшествовавших циклов

Конечно, такие внешние причины, как влияние формы образцов, легко учитываются в экспериментах. Гораздо сложнее обстоит дело, когда в роли ответственного фактора выступает изменение структуры. На этом пути сделано еще очень мало.
Влияние числа предшествовавших циклов

Между тем, уже сейчас приходится сталкиваться с совершенно неожиданными явлениями. Так, например, замечено, что мелкозернистая β-латунь после продолжительного термоциклирования от 10 до 600° С в состоянии превратиться почти в монокристалл (!)
Пожалуй, наиболее поразительные наблюдения были сделаны в опытах с органическим стеклом. Оказалось, что цилиндры диаметром 8 мм иногда по нескольку раз то увеличивают, то вновь уменьшают коэффициент роста (фиг. 82), а иногда даже меняют знак деформации (фиг. 83). Огромные колебания длины, показанные на фиг. 83, не связаны с ошибками эксперимента. Они отражают какие-то сложные внутренние изменения структуры. К сожалению, их до сих пор не удалось расшифровать.
Влияние числа предшествовавших циклов