Привет студент

  

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
 
Влияние наноструктурирования на статическую трещиностойкость и механизм разрушения алюминиевого сплава АК4 – 1

 

Аннотация
 
 
В данной ВКР работе изложено исследование влияния наноструктурирования на статическую трещиностойкость и механизм разрушения алюминиевого сплава АК4-1 в сравнении со стандартной обработкой Т6.
Структура данной ВКР выглядит следующим образом.
В первом разделе рассмотрены теоритические основы механики разрушения, а так же методы получения, структура и свойства наноструктурированных материалов.
Во втором разделе сформулированы характеристики испытуемого материала и методология исследования.
Третий раздел содержит полученные результаты испытаний.
Работа выполнена печатным способом на 77 страницах с использованием 30 источников, содержит 5 таблиц.

 
Abstract
 
 
This paper describes a study WRC influence nanostructuring static fracture toughness and fracture mechanism of aluminum alloy AK4 -1 compared with the standard treatment T6.
Structure of the WRC as follows .
The first section covers the basics of fracture mechanics , theoretically , as well as methods for the preparation , structure and properties of nanostructured materials .
In the second section, we formulate the characteristics of the material being tested and the methodology of the study .
The third section contains the results of tests.
Work is done by means of printing 77 pages with 30 sources , contains 5 tables.

 
Содержание
 
 
Введение…………………………………………………………………………..8
1 Литературный обзор………………………………………………………….9
1.1   Основные виды и механизмы разрушения металлических материалов….9
1.1.1    Задачи механики разрушения……………………………………………..9
1.1.2    Виды разрушения и их причины………………………………………10
1.1.3    Классическая и неклассическая схемы разрушения………………….11
1.1.4    Механика разрушения……………………………………………………13
1.1.5    Пластическая зона при вершине трещины…………………………….20
1.1.6    Энергетический критерий Гриффитса…………………………………..22
1.1.7    J - интеграл……………………………………………………………….26
1.1.8    Скорость распространения трещины……………………………………28
1.1.9    Ветвление трещин………………………………………………………..29
1.1.10                       Понятие усталостного разрушения……………………………………..30
1.1.11                       Общие закономерности усталостного разрушения металлов………..32
1.1.12                       Докритический рост трещины………………………………………….33
1.1.13                       Долговечность по числу циклов при малоцикловой усталости……...36
1.1.14                       Расчёт элементов конструкций на долговечность……………………..39
1.1.15                       Усталостные трещины. Бороздки усталости……………………..…….44
1.2 Наноструктурированные металлические материалы. Получение, структура и свойства……………………………………………………………47
1.2.1 Основные методы получения наноструктурированных металлических материалов……………………………………………………………………….47
1.2.1.1 ИПД кручением………………………………………………………....49
1.2.1.2 Равноканальное угловое прессование………………………………..49
1.2.1.3 Новые методы ИПД…………………………………………………….51
1.2.2 Наноструктурированные металлы и сплавы…………………………….54
1.2.3 Свойства наноструктурированных материалов……………………….57
2 Характеристики исследуемого материал и методология испытания……..62
2.1 Исследуемый материал……………………………………………………..62
2.2 Механические испытания образцов……………………………………….63
2.2.1 Методики испытания на твердость………………………………………63
2.2.2 Испытания образцов на растяжение…………………………………….64
2.2.3 Испытание образцов на внецентренное растяжение……………………64
2.3 Расчет статической трещиностойкости сплава АК4-1 в условиях плоской деформации………………………………………………………………………67
2.4 Фрактографические исследования изломов………………………………..68
3 Результаты испытаний……………………………………………………….69
3.1 Механические свойства сплава АК4-1, определенные при температуре 20°C и –160°C……………………………………………………………….….69
3.2 Испытания образцов на внецентренное растяжение и определение статистической трещиностойкости сплава АК4-1…………………………….70
3.3 Макро- и микрофактографические исследование излома………………..71
Заключение……………………………………………………………………...76
Список используемых источников……………………………………………..77

 
Введение
 
 
В последние годы большой интерес исследователей-материаловедов вызывает новый класс наноструктурированных конструкционных и функциональных материалов с субмикрокристаллической (СМК) структурой. Измельчение структуры в таких материалах достигается воздействием интенсивной пластической деформации (ИПД). [1, 2] Это связано с тем, что формирование СМК структуры в данных материалах проводит к повышению уровня их механических и физических свойств, что в перспективе может быть использовано для различных практических приложений. [3, 4]
Наиболее распространённым методом ИПД является равноканальное угловое прессование (РКУП). Материалы, полученные методом ИПД, обладают уникальными свойствами; они уже применяются во многих областях медицины и техники. РКУП разработанное В.М. Сегалом с сотрудниками  [5], является в настоящее время одним из основных способов для реализации ИПД. Указанный метод позволяет получить достаточно массивные заготовки с субмикрокристаллическим (от 1 мк до 100 нм) размером зерен.
Несмотря на большое число работ по исследованию структуры и свойств наноструктурированных алюминиевых сплавов, полученных путем РКУП, практически отсутствуют данные о свойствах таких материалов в широком интервале температур и трещиностойкости материалов. Хотя именно эти свойства будут востребованы по мере широкого использования наноструктурированных материалов, т.к. именно этот класс материалов предназначен для работы в экстремальных условиях.
Цель работы: Исследовать влияние наноструктурирования на статическую трещиностойкость и механизм разрушения алюминиевого сплава АК4-1 в сравнение со стандартной обработкой Т6 (закалка + старение).

1 Литературный обзор
 
1.1 Основные виды и механизмы разрушения металлических материалов
 
1.1.1 Задача механики разрушения
 
 

а – кривая роста трещины; б – кривая остаточной прочности
 
Рисунок 1.1.1 – Инженерная задача [6]
 
Рассмотрим тела, в котором развивается трещина. При действии циклических нагрузок и окружаю­щей среды с течением времени эта трещина будет расти. Чем больше тре­щина, тем большую концентрацию напряжений она вызывает. Это означает, что скорость развития трещины с течением времени будет увеличиваться. Раз­витие трещины как функцию времени можно представить возрастающей кривой, как показано на рисунке 1.1.1, а. Из-за наличия трещины прочность тела уменьшается; она становится меньше, чем исходная прочность, на ко­торую была рассчитана. Прочность тела уменьшается с ростом размера трещины, как показано схематически на рисунке 1.1.1, б. Через некоторое время прочность настолько уменьшится, что тела уже не будет способно вы­держать нагрузки. Для обеспечения надёжности конструкции необходим выбор более подходящего материала, способного выдержать приложенные на тело нагрузки и другие причины образования трещин.
 
1.1.2 Виды разрушений и их причины
 
Механизм образования и развития трещин связан с законами разделения кристаллического или континуального тела на части под действием механи­ческих сил или иных внешних причин.
Разрушение относится к одному из видов нарушения прочности, кото­рые могут происходить в результате:
а) чрезмерной (упругой или пластиче­ской) деформации;
б) потери устойчивости
в) разрушения. [7]
Разрушения часто происходят при малом непрерывных воздействиях на тело, в ходе которых образуются разрушения частичного, а в дальнейшим и полного характера. При частичном раз­рушении в теле возникают повреждения материала в виде отдельных тре­щин по объёму материала, приводя­щих к уменьшению прочности материала. При полном разрушении происходит разделение тела на части.
Разрушения делятся на несколько основных видов:
а) усталостное разрушение. Происходит при циклическом (повторном) нагружении тела в результате накопления в нём необратимых повреждений, приводящих к образованию и развитию трещины. [7]
Усталость характеризуется номинальным напряжением, меньшим пределом текучести, повторное нагружение макроскопически происходит в уп­ругой области, число циклов до разрушения велико.
б) пластическое разрушение происходит после существенной пла­стической деформации, протекающей по всему (или почти по всему) объёму те­ла. [7]
в) хрупкое разрушение  происходит, когда упругая деформация элемента из хрупкого материала достигает такой величины, что разрушаются первичные межатомные связи и элемент разделяется на две или более части. Внутренние дефекты и образующиеся тре­щины быстро распространяются до полного разрушения. Разрушение может реализоваться сколом и срезом, отличающихся видом поверхностей разрушения. Разрушение срезом не имеет кристаллографически выраженной на­правленности. Поверх­ность разрушения при этом неровная, зернистая. [8]
г) разрушение при ползучести происходит, когда пластическая деформация тела, накопленная в течение некоторого времени действия напряжений и температуры, приводит к изменениям размеров, вследствие которых тело не может выдержать приложенную на него нагрузку. [9]
Процесс ползучести, как правило, можно разделить на три стадии:
1) неустановившуюся, или первичную, ползучесть, во время которой скорость деформации уменьшается;
2) установив­шуюся, или вторичную, ползучесть, во время которой скорость деформации практически постоянна;
3) третичную ползучесть, при которой скорость деформации ползучести увеличивается вплоть до разрушения; [8]
д) коррозионное разрушение. Трещина начинает развиваться задолго до полного разрушения, она возникает и даже распространяется до полного разрушения тела. [7]
 
1.1.3 Классическая и неклассическая схемы разрушения
 
«Цель исследований в механике разрушения — создание теории процессов деформации и разрушения твёрдых тел с учётом дефектности структу­ры и воздействия рабочей среды.» [7]

Рисунок 1.1.2 – Классический (а) и неклассический (б) подходы оценки прочности материалов [6]
 
Существует два подхода для оценки прочности материала: классический и неклассический. Классический исходит из того, что расчётной моделью реального твёрдого тела служит сплошная среда с заданными реоло­гическими свойствами, а элемент деформируемого тела находится в одном из таких состояний: сплошном или разрушенном, показанные на рисунке 1.1.2 а. Процессы разрушения осуществляются мгновенно, если только напряжён­но-деформированное состояния, вычисленные в рамках принятой реологиче­ской модели, достигают некоторых критических значений.
Такой классический подход к материалам не позволяет решить задачу об их прочности, поскольку в нём не учитывается особое напряженно-деформированное состояние материала около вершины остроконечного дефекта-трещины в процессе деформации тела.
Основная идея неклассического подхода , приведённого на рисунке 1.1.2 б, сводится к следующему к тому, что переход элемен­та деформируемого тела из сплошного состояния в состояние разрушения сопровождается промежуточным состоянием, которое следует обязательно учитывать при реше­нии задачи о прочности тела с дефектами типа трещин. Особенность этой области заключается в том, что материал в ней всегда деформирован за предел упругости и что именно в ней происходит наиболее интенсивное пластическое течение, взаимодействие с окружающей средой, диффузионные процессы, повреждаемость материала и другие явления, предопределяющие в конечном счёте локальное разрушение материала. [9]
Неклассическая схема разрушения предусматривает учёт промежуточного состояний около остроконечных дефектов в деформируемом теле (в первую очередь типа трещин) — концентраторов напряжений, радиус закруг­ления которых соизмерим с характерным линейным размером структурного элемента материала. Следовательно, при оценке прочности твёрдого тела не­обходимо учитывать его локальные физико-механические свойства, напри­мер, способность оказывать сопротивление распространению в нём трещины — его трещиностойкость. Учёт состояний П материала в рамках механики сплошных сред требует введения новых расчётных моделей и концепций. По­скольку основными характеристиками, контролирующими поведение мате­риала в вершине трещины, являются напряжения, деформации и энергия, то все критерии механики разрушения, аналогично классическим теориям прочности, делятся на энергетические, силовые и деформационные. [7]
 
1.1.4 Механизмы разрушения
 
«Процесс разрушения складывается из двух стадий — зарождения трещины и её распространения, причём каждая из этих стадий подчиняется сво­им законам». [7]
Для суждения о прочности материала необходимы ещё критерии прочности, которые устанавливают момент исчерпания несущей способности материала в точке или целом. К этим критериям относятся такие известные механические характе­ристики материала, как предел текучести, прочности, истинное сопротивле­ние разрыву и т.п. Среди критериев прочности есть, которые описывают условия зарождения трещины, а есть, которые распространения трещины. Первые из них фактически есть условия наступления опасного со­стояния в точке в рассматриваемый момент, вторые исходят из наличия в теле трещины.
Критерии начала распространения трещины, составляющий основу механики разрушения, не следует из уравнений равновесия и движения механики сплошной среды. Они являются дополнительными по отношению к уравнениям теории упругости.
Существует некое предельное состояние равновесия, по достижению которого трещиноподобный разрез получает возможность распространяться, тогда этом разрез и становится трещиной.
«Трещина — это есть тонкий разрез (щель), который способен распространяться (увеличивая свою поверхность) в объёме тела под действием внешних воздействий». [7]
Раскрытие трещины происходит тремя различными путями, как мы видим на рисунке 1.1.3, соответственно трем видам смещения берегов трещины:
а) разрыв;
б) сдвиг;
в) срез.
 
 
I — нормальный разрыв; II — поперечный сдвиг; III — продольный сдвиг [9]
 
Рисунок 1.1.3 – Основные виды смещений поверхности трещины
 
Первый тип трещины (разрыв) образуется при нормальный напряжениях, при которых берега трещины расходятся перпендикулярно относительно плоскости трещины. Второй тип (сдвиг), образуется при перемещение берегов трещины в ее плоскости и перпендикулярно фронтальной линии. И третий (срез) осуществляется перемещением берегов трещины, совпадающем с ее плоскостью, и параллельно ее направляющей кромке. [8]
Рассмотрим сквозную трещину типа I длиной 2l в бесконечной пластинке, как показано на рисунке 1.1.4.
 
 




Рисунок 1.1.4 – Трещина в бесконечной пластине [6]
 
Пластина находится под действием растягивающего напряжения , которое вызывается приложенными в бесконечности силами. Элемент dxdy пластины, расположенный на расстоянии r от вершины трещины и составляющий с плоскостью трещины угол  , находится под действием нормальных напряжений ax и аy, действующих в направлениях х и у, и касательного напряжения. Можно показать, что эти напряжения равны [6]:
 



(1.1)




 
В упругом случае напряжения, указанные в (1.1), пропорциональны внешнему напряжению а. Их величины пропорциональны корню квадратно­му из размера трещины и стремятся к бесконечности в вершине трещины при обращении r в нуль. Зависимость а от r при в = 0 показана на рисунке 1.1.5.

Рисунок 1.1.5 – Упругое напряжение ау при вершине трещины [6]
 
Для больших значений r величина ау стремится к нулю, в то время как она должна стремиться к а. Очевидно, уравнения (1.1) справедливы только в ограниченной области — вблизи вершины трещины. Каждое из уравнений представляет собой первый член ряда.
В окрестности вершины трещины эти первые члены достаточно точно описывают поля напряжений, поскольку остальные члены малы по сравнению с ними. На больших расстояниях от вершины трещины следует вводить боль­шее количество членов в уравнения.
В уравнениях (1.1) функции координат r и в имеют простой вид. В обобщённом виде эти уравнения можно записать так [6]:
 

(1.2)


 
«Коэффициент К называется коэффициентом интенсивности напряжений (КИН), где индекс I обозначает тип разрушения I. Когда известен КИН, поле напряжений при вершине трещины полностью определено». [6]
«Коэффициенты интенсивности напряжений Kj, Kn, Кш служат мерой сингулярности напряжений около вершины трещины, т. е. области предразрушения, и играют для этой области такую же роль, как коэффициенты концен­трации напряжений в сопротивлении материалов для макрообъёмов тела». [7]
KI есть мера всех напряжений и де­формаций. Расширение трещины происходит, когда напряжения и деформации при вершине трещины достига­ют критических значений. Силовой крите­рий Дж.Р. Ирвина начала роста трещины равен критическому [9]:
 

(1.3)


 
Это означает, что при достижении К1 критического значения KIC произойдет разрушение. Можно предполагать, что KIC есть константа материала, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений в момент раз­рушения [9]:
 

(1.4)

KIC=σc*(πa)1\2.
 
Выражение (1.4) для коэффициента интенсивности напряжений справедливо лишь для бесконечной пластины. Для пластины конечных размеров эта формула принимает вид [7]
 

(1.2)

KIC=σ*(πa)1\2*f(l\W),
 
где W — ширина пластины.
Для определения KIC необходимо знать функцию f(lW). Безусловно, f(l/W) для малых значений l/W стремится к единице.
«KIC есть мера трещиностойкости материала. Поэтому KIC называют «вязко­стью разрушения при ПДС»[7]
 
 
 
Таблица 1 – Коэффициенты интенсивности напряжения [7]



Номер схемы
Форма образования и схема нагружения
Условия нагружения
Формула для коэфициэнта интенсивности напряжения
1

Неограниченная плоскость с трещиной, растяжение перпендикулярно трещине
 
 

2
 

Неограниченная плоскость с трещиной, растяже­ние сосредоточен­ными силами
 
 

3

Полуплоскость с краевой поперечной трещиной, растяжение перпендикулярно трещине
 
 

5

 
Полоса с центральной поперечной трещиной, осевое растяжение
 
 
 
 


6

 
Цилиндр с внеш­ней кольцевой трещиной, осевое растяжение
 
 







 
7

 
Балка с краевой поперечной трещиной, изгиб сосредоточенной си­лой
 
 


8

 
«Компактный» образец, растяже­ние сосредоточен­ными силами
 
 


 
 
1.1.5 Пластическая зона при вершине трещины
 
Металлы при нормальных условиях имеют предел текучести; при напряжениях выше этого предела металлы испытывают пластические деформации. То есть в металлах, в окрестности вершины трещины, всегда имеется область, в ко­торой возникают пластические деформации. Эту область называют пластической зоной при вершине трещины.
 
Уравнение [6]
 

(1.6)


 
есть решение упругой задачи, но оно является неточным, так как не учитывает ограничения размеров трещины напряжением. Размер зоны пластичности при вершине трещины можно оценить, если определить расстояние от вершины трещины rp, на котором упругое напряжение σy превышает предел текучести σys, смотреть рисунок 1.1.6. [6]
 

Рисунок 1.1.6 – Зона пластичности при вершине трещины [6]
 
Подставляя σy = σys в уравнение  (1.1)  для σy и полагая ϴ = 0, получим.[6]
 

Рисунок 1.1.7 – Поправка Дж.Р. Ирвина на пластичность [6]
 

(1.7)


 
На самом деле зона пластичности несколько больше. Дж.Р. Ирвин пока­зал, что наличие пластичности приводит к тому, что трещина ведёт себя так, будто её длина больше, чем на самом деле. В результате пластических дефор­маций в окрестности вершины трещины перемещения в этой области больше, а жёсткость меньше, чем в упругом случае. [6]
Иными словами, пластина ведёт себя так, будто в ней имеется трещина несколько большего размера. Эффективная длина трещины lэфф= l + δ, где l - физический размер трещины, а δ - поправка. Выражение для δ получено в виде δ= rp, т. е. размер зоны пластичности вдвое превышает первую оценку rp, как показано на рисунке 1.1.7. [7]
 
1.1.6 Энергетический критерий А.А. Гриффитса
 
Роль энергии в процессе хрупкого разрушения состоит, по А.А.Гриффитсу, в следующем. Существует некий энергетический барьер – поверхностная энергия, которую необходимо преодолеть для продвижения трещины, и в тоже время при расширение трещины освобождается потенциальная энергия, которая может быть израсходована на разрушения. [10]
Рассмотрим бесконечную пластину единичной толщины с центральной поперечной трещиной длиной 2l, растянем её напряжением а и жёстко закрепим её края, как показано на рисунке 1.1.8 а. Длину и ширину пластинки считаем большими по сравнению с толщиной. На рисунке 1.1.8, б приведена диаграмма «нагрузка—удлинение». [6]
 

а — пластина с трещиной с неподвижными краями; б — энергия упругих деформаций пластины с трещиной длиной а и a+da
 
Рисунок 1.1.8 – Критерий А.А. Гриффитса при неподвижных захватах [6]
 
Запасённая в пластине упругая энергия представлена площадью ОАВ. Если длина трещины увеличится на величину dl, то жёсткость пластины уменьшится (линия ОС); это означает, что нагрузка несколько уменьшится, по­скольку края пластины неподвижны. Следовательно, упругая энергия, запасён­ная в пластине, уменьшится до величины, равной площади ОСВ. Увеличение длины трещины с l до l + Al приведёт к освобождению упругой энергии, рав­ной по величине площади ОАС. [6]
Установим, при каком значении внешнего напряжения а трещина дан­ной длины dl станет неустойчивой, т. е. начнёт быстро распространяться при постоянной внешней нагрузке. В результате наличия трещины потенциальная энергия пластинки уменьшается на величину [6]
 

 (1.8)


 
Результат получен из решения К. Инглиса (1912 г.) о растя­жении пластинки с тонким эллиптическим разрезом. [6]
Условие, необходимое для роста трещины, следующее
 

(1.9)


 
где W – энергия необходимая для роста трещины;
U – упругая энергия.
Для определения  Гриффитс основывался на расчет Иглиса для поля напряжений для эллиптического отверстия [6]
 

(1.10)


 
где Е – модуль Юнга.
Обычно величину  заменяют величиной
 

(1.11)


 
которую называют скоростью высвобождения упругой энергии, приходящейся на каждую вершину трещины. Величину G называют также трещинодвижущей си­лой; её размерность - энергия, делённая на единицу толщины пластины и на единицу изменения длины трещины. Увеличение длины трещины происходит тогда, когда величина G равна энергии, необходимой для роста трещины. [6]
Энергию, расходуемую на распространение трещины, обозначают через R = dW/dl и называют сопротивлением росту трещины. R — константа, так как в первом прибли­жении можно считать, что энергия, необходимая для образования трещины (для разрыва атомных связей), одинакова для любых приращений dl. [6]
Для распространения трещин необходимо, чтобы G было больше или равно R. Если R — константа, то, значит, величина G должна превысить некоторое критическое значение GIC. Следовательно, распростране­ние трещины происходит при следующем условии [9]:
 

(1.12)


 
Критическое значение GIC (критическую скорость высвобождения энергии) можно получить, измерив напряжение jc , необходимое для разрушения пластины с трещиной размером 2l, и вычислив из уравнения (1.12) величину GIC. Энергетический критерий есть необходимое условие распространения трещины, но не является достаточным. Что бы трещина начала расти, материал должен до конца исчерпать свою способность воспринимать нагрузку и продолжать деформироваться. [6]
Расчёт на прочность тел с трещинами по А.А. Гриффитсу, исходя из расчёта энергии деформаций всего тела, оказывается очень слож­ным и неудобным в вычислительном отношении.
 
1.1.7 Сопротивление росту трещины (R - кривая)
 
До сих пор величина R рассматривалась как не зависящая от длины трещины. Это приблизительно верно для трещин, находящихся в плоском дефор­мированном состоянии. В случае плоского напряжённого состояния сопротив­ление росту трещины изменяется.
R - кривая представляет собой энергию, необходимую для роста трещины. В вязком материале эта энергия слагается из работы, необходимой для об­разования новой зоны пластичности при вершине развивающейся трещины, и работы, необходимой для образования, роста и слияния микропустот. Наибо­лее вероятно, что последняя мала по сравнению с энергией, содержащейся в зоне пластичности. Поэтому R - кривая должна начинаться в нулевой точке: при нулевых напряжениях размер зоны пластичности равен нулю. Это также означает, что при любом напряжении, отличном от нуля, выполняется энерге­тический критерий. Однако трещина не растёт, поскольку напряжения и пла­стические деформации всё еще недостаточны. Энергетический критерий явля­ется критерием необходимым, но недостаточным. Материал при вершине тре­щины не будет готов к расцеплению, пока напряжения и деформации не станут достаточно велики, чтобы стало возможно образование и слияние пустот. К моменту, когда возникает такая ситуация, образуется довольно большая зона пластичности. Трещина может расти только в том случае, если в процессе ее роста выделяется достаточно энергии, чтобы совершить работу по образова­нию зоны пластичности при новой вершине трещины. [6]
В начале процесса роста трещины должен выполняться энергетический критерий. При стабильном росте трещины скорость выделения энергии в точности равна сопротивлению росту трещины (если она меньше, то трещина прекращает расти, если больше, то возникает нестабильность, предшествующая разрушению). Скорость выделения энергии  , и во время роста трещины увеличивается как σ , так и l. Это означает, что G увеличивается не пропорционально l, а быстрее. Так как G = R, то отсюда следует заключить, что R увеличивается так, как показано графически на рисунке 1.1.9. [6]
 

Рисунок 1.1.9 – R-кривая (ПНС) [7]
 
Пусть трещина размера li нагружена напряжением σх. Если длина трещи­ны увеличится до величины l1 = li + Δl1, то количество выделенной при этом энергии будет задано точкой А, при дальнейшем увеличении её длины при по­стоянном напряжении G будет увеличиваться по линии АС. Увеличение на­пряжения до величины σ2 приводит к изменению размера трещины: l2 = li + Δl2, при дальнейшем увеличении её длины при постоянном напряжении G будет изменяться от B к Н. Наконец, при напряжении σс длина трещины становится равной lс, а величины G и R доходят до точки D. Рост трещины при постоянном напряжении σс сопровождается увеличением G по линии DF. Эта линия лежит выше кривой. Поскольку G остается большим, чем R, происходит окончатель­ное разрушение в точке D, в которой [6]
 

(1.13)


 
Уравнение (1.13) является энергетическим крите­рием для разрушения при ПНС.
 
1.1.8 Скорость распространения трещины
 
Разрушение возникает тогда, когда интенсивность выделения энергии упругой деформации G постоянно превышает сопротивление росту трещины R, этот процесс сопровождается расширением трещины. Общее количество энергии, которое может перейти в кинетическую энергию, после того как размер трещины уве­личится на Δl, это интеграл от разности этих величин (1.14), который и является величиной определяющей скорость распространения трещины в среде.
 

(1.14)


 
Изображён­ный на рисунке 1.1.10 случай основан на трёх упрощающих предположениях:
1      Процесс распространения трещины происходит при постоянном на­пряжении;
2      Интенсивность выделения энергии упругих деформаций не зависит от скорости распространения трещины;
3      Сопротивление росту трещины постоянно. [7]
Материалы, свойства которых зависят от скорости деформирования, показанную на рисунке 1.1.10 штриховой линией.
 
 

l — R — кривая для материалов, свойства которых зависят от скорости деформирования
 
Рисунок 1.1.10 – Графическое представление кинетической энергии [6]
 
 
1.1.9 Ветвление трещин
 
Случай, когда значение R постоянно, изображен на рисунке 1.1.11. Здесь предполагается, что рост трещины происходит при постоянном напряжении, т. е. интенсивность выделения энер­гии линейно зависит от размера трещины.
В тот момент, когда размер трещины вдвое превышает исходный размер, при котором возникает нестабильность (А) (т. е. когда Δl= lc), интенсивность выделения энергии вдвое превышает (В) со­противление росту трещины R. Теоретически это означает, что высвобождает­ся достаточно энергии для роста двух трещин. Вследствие этого может про­изойти ветвление трещины. С дальнейшим ростом трещины до размера  l = 3lc ( аl = 2lс ) интенсивность выделения энергии G становится равной 3R. Это озна­чает, что одновременно могут расти три трещины, т.е. может возникать многократное ветвление. [6]
 

Рисунок 1.1.11 – Раздвоение трещин [6]
 
Согласно рисунку 1.1.11 раздвоение может произойти в том случае, если l/lc=2; 3 и т. д. С помощью уравнения (1.15) можно показать, что минимальная скорость распространения трещины, необходимая для ветвления, состав­ляет 0,19vs (первая ветвь возникает при lc/l = 0,5). [6]
 

(1.15)


 
Ветвление оказывает влияние на скорость распространения трещин. В момент ветвления увеличение кинетической энергии резко замедляется и становится равной площадям треугольников ABC и BHF, а не AHL, смотреть рисунок 1.1.11. Это означает, что раздвоенные трещины должны двигаться медленнее, чем оди­ночные. [7]
 
1.1.10 Понятие усталостного разрушения
 
Первый ученый, который занимался вопросами усталостного разрушения был немец Альберт, который в 1829 г. испытывал при повторных нагружениях железные цепи.
На практике особое значение приобрело пе­риодическое (циклическое) динамическое нагружение, приводящее к перио­дическим (циклическим) изменениям напряжений.
Материал, подверженный действию знакопеременной и повторной на­грузки, как показывает опыт, разрушается не только при действии напряже­ния ниже предела прочности, но и часто ниже предела текучести. При боль­шом числе повторных нагружений и сравнительно низких напряжениях на­блюдаются хрупкие разрушения даже у весьма пластичных металлов. По­ля напряжений могут вызываться переменными нагрузками или перемен­ными тепловыми полями (термическая усталость). [6]
Долговечность - число циклов, выдерживаемых образцом (деталью) до разрушения. [7]
Усталость - явление разрушения материалов под действием повторных или знакопеременных напряжений. Усталость охватывает две значи­тельно отличающиеся друг от друга области циклического нагружения и де­формирования, в каждой из которых разрушение является следствием дейст­вия различных физических механизмов. Малоцикловая усталость - цикли­ческое нагружение, при котором во время каждого цикла возникают значи­тельные пластические деформации. Эта область характеризуется большими по величине нагрузками и малыми долговечностями – 104 - 105 циклов.[11]
Другая область – многоцикловая усталость – циклическое нагружение, при котором деформация во время каждого цикла в значительной степе­ни упруга. Для этой области характерны малые нагрузки и большие долго­вечности – более 104  - 105 циклов. [6]
В связи с статистическим характером усталостных разрушений и индивидуальными особенностями образцов усталостные испытания характеризуются большим разбросом.
 

Рисунок 1.1.12 – Статистический характер усталостных разрушений [7]
 
При испытаниях большого числа «одинаковых» образцов данные испы­таний обычно описываются нормальной      кривой распределения, которые показаны на рисунке 1.1.12. [7]
 
1.1.11 Общие закономерности усталостного разрушения металлов
 
Под действием циклических нагрузок в результате циклических пластических деформаций могут образовываться трещины. Причем усталость металлов наблю­дается при напряжениях как выше, так и значительно ниже обычного предела текучести материалов. [6] Общепринято деление процесса усталостного разру­шения материалов на три стадии.
I Стадия — инкубационная – постепенное появление и накоплением микродефектов, размеры которых сравнимы с размерами микроструктуры (размером зерен). [11]
II Стадия — зарождения трещины – период  накопления обратимой повреждаемости в пределах отдельных зёрен, образование субмикротрещин в полосах скольжения, у границ блоков, зёрен и двойников, около частичек второй фазы, включений и т. п. в результате слияния дислокаций и вакан­сий, а также возникновения разрывов, обусловленных концентрацией напря­жений. Процесс протекает все более неравномерно — субмикротрещины рас­тут и сливаются, превращаясь в микротрещины. [7]
III Стадия — докритическое развитие трещины – период стабиль­ного роста трещины. Третья стадия начинается, когда одна из микротрещин, находящаяся в наиболее благоприятных условиях, пересекает границу одно­го, а затем нескольких зёрен и перерастает в макротрещину. Разрушение, ко­торое было вначале более или менее равномерно распределено в деформируе­мом материале (главным образом в его приповерхностном слое), постепенно концентрируется и наконец полностью локализуется у доминантной макро­трещины, развитие которой и есть усталостное разрушение тела. [7] Третья стадия оканчива­ется, когда макротрещина достигает критического размера.
IV Стадия — стадия долома – период нестабильного или ускоренного роста трещины, приводящий к окончательному разрушению. Трещина растёт спонтанно за счёт энергии деформации тела до полного разделения его на части. Продолжительность этой стадии обычно мала по сравнению с пред­шествующими, и поэтому её часто не принимают во внимание. [10]
Длительность периодов зарождения и развития трещины изменяется в широких пределах (по различным оценкам от 30 до 90 % общей долговечно­сти) в зависимости от материала, геометрии тела и условий нагружения.
 
1.1.12 Докритический рост трещины
 
Продолжительность докритического роста усталостной трещины опре­деляет долговечность конструкции. Скорость распространения усталостных трещин является важной характеристикой механических свойств материалов, необходимой для количественного анализа процесса развития трещин и расчёта долговечности, а также выбора материала для работы в заданных условиях.
Скорость докритического роста усталостных трещин зависит от мно­гих факторов:
а) механических — амплитуда напряжений, асимметрия цикла, вид и спектр нагрузки, частота и т. д.;
б) металлургических — структурное состояние материала, размер зерна, наличие включений, степень и характер легирования; [7]
в) физических и физико-химических — температура, облучение, среда;
г) геометрических — абсолютные размеры образца и т.п.
При растяжении плоских образцов с центральной сквозной трещиной перед наступлением критического состояния равновесия (когда трещина на­чинает быстро лавинообразно распространяться при постоянной внешней на­грузке) почти всегда наблюдается стадия медленного устойчивого докритического роста трещины. Это медленное подрастание трещины, хорошо из­вестное экспериментаторам, приводит к тому, что критическая длина трещи­ны lc превышает исходную длину l0 на 30, 50, а то и на 100 % в зависимости от свойств материала и длины исходной трещины. Зависимость напряжения в неослабленном сечении образца от длины устойчивой трещины принято на­зывать докритической диаграммой разрушения. Стадии медленного роста трещины придаётся настолько большое значение, что при исследовании ме­ханических свойств материалов предполагается дополнять диаграммы деформации диаграммами разрушения.
Докритическая диаграмма разрушения представляет собой характери­стику материала данной толщины, оценивающую способность материала тормозить трещину. Эта диаграмма отражает процесс разрушения, в то время как на обычных диаграммах деформации стадия разрушения отмечается только координатами концевой точки. Этой информации недостаточно для оценки такой важной стадии процесса сопротивления материала воздействию внешней нагрузки, как стадия разрушения.
Первая попытка математического описания докритического роста тре­щины была предпринята Дж.Р. Ирвином. Идея состояла в том, что с ростом длины трещины меняется также и сопротивление этому росту в виде работы разрушения R. Работа разрушения R измеряется работой, которую надо за­тратить для продвижения трещины на единицу длины в образце данной тол­щины. [8]
В каждый текущий момент освобождаемая энергия G в устойчивом со­стоянии равна работе R. Дальнейшее развитие этого метода состоит в пред­положении, что R – кривая есть характеристика материала, причём вид этой кривой зависит от подрастания трещины (но не от её начальной длины). Форма экспериментальной R - кривой определяет характер докритического роста трещины. На рисунке 1.1.13 показано, как по R - кривой можно получить до- критическую диаграмму разрушения или, наоборот, как по известной из опы­та диаграмме разрушения получить плотность энергии разрушения в функ­ции прироста длины трещины. По известной K - тарировке ) и формуле  строим для каждого фиксированного значения а кри­вую . (В случае трещины Гриффитса в неограниченой плоскости будет прямая ). Пересечение G - кривой с R – кривой [8]
 

(1.16)


 
определяет подрастание трещины при данном значении а. Критическое состояние наступает при таком ас, для которого G-кривая касается R-кривой. Условие касания
 

(1.17)


 
определяет критическую длину  трещины.

Рисунок 1.1.13 – Связь R – кривой (а) с докритической диаграммой разрушения (б) [7]
 
1.1.13 Долговечность по числу циклов при малоцикловой усталости
 
Известный интерес представляет оценка долговечности по числу цик­лов переменного нагружения на стадии роста трещины (т. е. определение числа циклов при увеличении длины трещины от начального значения l0 до критического lc). [11]
Для оценки скорости роста усталостных трещин использовались эмпи­рические формулы, в которые не входили параметры механики разрушения. Однако только введение в число параметров (влияющих на распространение трещины) коэффициента интенсивности напряжений позволило судить об общих закономерностях роста трещины при повторном (циклическом) нагружении. [7] Потому что, рост трещины усталости происходит на фоне упругих деформаций, когда справедливы критерии линейной механики разрушения.
С учётом этого было получено довольно много различных зависимостей для скорости роста трещин . Все эти зависимости практически сле­дуют из формулы П. Париса, которая основана на том, что все явления в трещине, а также и скорость dl/dN её распространения зависят от ко­эффициента интенсивности напряжений. Эта формула записывается в сле­дующем виде [12]:
 

(1.18)


 
здесь А и n — эмпирические коэффициенты;
 – перепад (размах) коэффициента интенсивности напряжений за один цикл нагружения;
N — число циклов.
Многочисленные экспериментальные исследования хо­рошо подтверждают эту формулу, причем показатель степени n для разных материалов располагается в интервале от 2 до 7 (чаще всего n = 4).
Более удобной следует считать модификацию записи формулы Париса в следующем виде [12]:
 

(1.19)


 
Удобство состоит в более ясной размерности эмпирических коэффициентов. Формула Париса описывает средний (линейный) участок полной диаграммы усталостного разрушения S-образного вида, смотреть рисунок 1.1.14. Для описания полной диаграммы усталостного разрушения можно следующую предложить зависимость [12]
 

(1.20)


 
здесь Co, q - эмпирические величины;
Kth - пороговый коэффициент интенсивности напряжений;
Kfc – вязкость раз­рушения при полном разрушении.
Предполагается, что если Kmax < Kth, то трещина не растёт.
 

1, 3 — области низких и высоких скоростей роста трещины, 2 — область справедливости формулы Париса
 
Рисунок 1.1.14 – Диаграмма усталостного разрушения в логарифмических координатах [11]
 
На кинетической диаграмме разрушения выделяют три характерных участка, соответствующих различным механизмам роста трещины. Первый криволинейный участок низких скоростей отвечает Kmax, близким к порого­вым значениям Kth. Он изучен мало, несмотря на большой практический ин­терес, так как на этот период роста трещины в конструкции приходится бо­лее 90% её долговечности. На данном этапе трещина растёт очень неравно­мерно: скачки прироста её длины чередуются с остановками. Поэтому на первом участке диаграммы представляются некоторые усреднённые значения скорости роста усталостной макротрещины. [11]
Второй участок диаграммы (участок Париса) — прямолинейный. При­нято считать, что здесь трещина растёт в основном равномерно за каждый цикл нагрузки. [12]
Третий участок диаграммы криволинейный, крутизна которого все увеличивается по мере приближения Kmax к критическому значению Kfs. Это значение Kfc, полученное при циклическом нагружении, может отличаться в ту или иную сторону (хотя оно обычно меньше) от критического значения коэффициента интенсивности напряжений Kc, определённого при статических испытаниях, и это сопровождается различиями в размере пластической зоны и микростроении изломов. На этом участке трещина развивается также скачкообразно. [11]
Механических свойств материала возможно изменение в процессе циклического нагружения (даже вдалеке от вершины трещины), поэтому вообще Kc < KIc (или Kc). Однако в связи с усложнением методов экспериментального определения этих характеристик допустимо считать, что Kc=KIc (или Kc для данной толщины).
 
1.1.14 Расчёт элементов конструкций на долговечность
 
Рассмотрим условия, определяющие долговечность элемента конст­рукции на стадии развития трещины. Как указывалось, число циклов, соот­ветствующее росту трещины от начальной длины  до критической , опре­деляет долговечность данного элемента конструкции по числу циклов. Чтобы обеспечить прочность конструкции, долговечность должна быть больше чис­ла перемен заданной нагрузки. Таким образом, наряду с оценкой материала по классической кривой Вёлера, существенную информацию о поведении элемента конструкции с трещиной в условиях усталости должна дать меха­ника разрушения. Следовательно, в данном случае, как обычно, надо исхо­дить из того, что начальный трещиноподобный дефект существует в конст­рукции с момента её изготовления (несмотря на дефектоскопический кон­троль, который, как известно, имеет определённый допуск на размер необнаруживаемых дефектов). [11]
 К сварным конструкциям это относится в большей мере, и в этом случае желательно иметь критические значения коэффициен­тов интенсивности напряжений (  или ) для основного материала, мате­риала шва и материала переходной, термически поврежденной, зоны. Кроме этого, для сварных конструкций желательно в области сварного шва знать величину и распределение остаточных напряжений. Всё это вместе взятое способствует уточнению расчётов. [7]
Число циклов, за которые появляется трещина, достаточно неопределённо, что схематично показано на рисунке 1.1.15 (область I). Эти начальные де­фекты могут быть дислокациями, микротрещинами, порами и прочими де­фектами структуры, определение которых затруднено. Область II соответст­вует дефектам, которые могут быть обнаружены инженерными методами (конкретная величина обнаруживаемого дефекта зависит от разрешающей способности аппаратуры). В этой области расположена граница, отделяющая зону начальных трещин от распространяющихся. Для области III рост трещины наблюдается визуально. [11]
 

Рисунок 1.1.15 – Схематическое изображение областей зарождения и распространения трещины [11]
 
Рекомендуется придерживаться следующего порядка расчёта на долговечность по числу циклов в связи с ростом трещины. [11]
а) выявить на основе количественной оценки возможностей дефектоскопического контроля максимальную длину (глубину) начальной трещины, существующей в элементе конструкции, и подобрать наиболее подходящее выражение (формулу) для коэффициента интенсивности напряжений К.
б) по вязкости разрушения или  (в зависимости от предполагаемой степени стеснения деформации вдоль фронта трещины) и номиналь­ного эксплуатационного (расчётного) напряжения  в сечении трещины, найти по критерию Ирвина (1.8) критическую длину трещины lc.
в) рассчитать параметры цикла  ,    по известным напряжениям цикла .
г) экспериментально получить соотношение для циклической ско­рости роста трещины  в функции параметров задачи, которую затем можно представить одной из зависимостей (1.18) — (1.20) [12]:
 

(1.21)


 
Вид функции  и значения постоянных материала  определяются при лабораторных испытаниях на усталость с регистрацией кривых роста трещины  в образцах, для которых известно решение для коэф­фициента интенсивности напряжений [11]:
 

(1.22)


 
где  — размах нагрузки.
Схема, иллюстрирующая получение эмпириче­ской зависимости (1.21) по результатам эксперимента, приведена на рисунке 1.1.16.
д) в соответствии с требованиями, предъявляемыми к данному эле­менту конструкции, решить одну из следующих задач прогнозирования роста усталостной трещины:
1) определить кривую роста трещины  в элементе конструкции, нагружаемом циклически изменяющимися силами . Для этого аналитическое выражение коэффициента интенсивности напряжений, выбранное для данного элемента конструкции [11]
 

(1.23)


 
нужно подставить в найденное эмпирическое соотношение. Тогда [12]
 

(1.24)


 
Интегрируя это уравнение, получим кривую    роста усталостной трещины;
2) найти число циклов (циклическую долговечность), за ко­торое известная исходная трещина или дефект  в элементе конструкции достигнет критической (заданной) величины . Для этого выражение для AK (1.23) нужно подставить в формулу (1.21) и полученное соотношение проин­тегрировать по длине трещины [12]:
 

(1.25)


 
В частности, если скорость роста усталостной трещины определяется формулой Париса (1.18) и коэффициентом интенсивности напряжений в виде обобщённого соотношения , легко получить следующее выра­жение для циклической долговечности:
для  [12]
 


(1.26)

 
для  [11]
 

(1.27)

 
 
здесь  — параметр, характеризующий геометрию элемента конструкции и форму трещины;
 — размах приложенного напряжения за один цикл нагружения.
 

Рисунок 1.1.16 – Схематическое изображение последовательности получения скорости  по результатам эксперимента [11]
 
 
 
 
 
 
1.1.15 Усталостные трещины. Бороздки усталости
 
Как уже говорилось ранее, под действием циклических нагрузок в результате циклических пласти­ческих деформаций могут образовываться трещины. Даже если номиналь­ные напряжения намного ниже предела упругости, локальные напряжения из-за наличия концентраций напряжений на включениях или механических по­вреждениях могут быть выше предела текучести, т.е. пластические деформации образуются локально. [6]
Наиболее подходящая модель, объясняющая зарождение усталостных трещин, это модель Вуда, которая изображена на рисунке 1.1.17. В течение той части цикла, когда нагрузка возрастает, на наиболее удачно расположенной плоскости про­исходит сдвиг. На падающей части цикла сдвиг в обратном направлении про­исходит на параллельной плоскости скольжения, поскольку сдвиг по первой плоскости затруднён механическим упрочнением и окислением только что об­разованной свободной поверхности. [6]
 

Рисунок 1.1.17 – Модель Вуда образования усталостных трещин [6]
 
В этом первом цикле сдвига может произойти выдавливание либо вдавливание поверхности металла. При последовательных циклах в условиях не­прерывно продолжающегося пластического течении вдавливание может пере­расти в трещину. Если в процессе циклического нагружения напряжения ос­таются растягивающими, то этот механизм всё равно работает, поскольку возникающие при возрастании нагрузки пластические деформации во время разгрузки могут явиться причиной остаточных сжимающих напряжений. [7]
Усталостная трещина, однажды образовавшись, может расти за счёт
обратного сдвига . Несколько этапов роста усталостной трещины показаны на рисунке 1.1.18. В поле растягивающих напряжений острая трещина вызывает образование больших концентраций напряжений при ее вершине, где очень легко может произойти сдвиг. В материале перед трещиной (этапы 1 и 2 на рисунке 1.1.18) по одной из подходящих плоскостей скольжения в направлении наибольшего касательного напряжения может произойти сдвиг. Благодаря этому сдвигу трещина расширяется, одновременно увеличиваясь по длине. Теперь может произойти сдвиг в другой плоскости (этап 3). Механическое упрочнение и увеличивающееся напряжение окончательно ослабляют другие параллельные плоскости сдвига, что делает вершину трещины тупой (этап 4). На возрастающей части цикла трещина продвигается на величину . [6]
 

Рисунок 1.1.18 – Рост усталостной трещины [6]
 
Пластическая деформация возникла в небольшом объёме, расположен­ном в области упругих деформаций. При разгрузке область упругих деформа­ций будет сжиматься, а ставшая слишком большой область пластических де­формаций не будет более соответствовать своему окружению. Для того чтобы это соответствие не было нарушено, во время разгрузки участка цикла нагружения на область пластических деформаций со стороны упругой области действуют сжимающие напряжения. Эти сжимающие напряжения вновь будут превышать предел текучести, по крайней мере, в вершине трещины. Следова­тельно, здесь имеет место обратная пластическая деформация, которая приведёт к сближению краёв трещины и восстановлению остроты её вершины (этап 5).
На рисунке 1.1.18 представлена модель образования бороздок, дающая общее представление о процессах притупления вершины трещины и восстановления её остроты. Бороздки представляют собой последовательные положения фрон­та трещины при её распространении. Расстояние между бороздками является мерой, определяющей степень распространения трещины за цикл. [6]
Бороздки усталости лучше всего видны в алюминиевых сплавах. Для образования регулярной волнообразной структуры необходимо, чтобы име­лось достаточно возможностей для пластического деформирования материа­ла в окрестности вершины трещины, с тем, чтобы выполнялось условие рас­пространении ее фронта. Бороздки должны иметь определённую длину, иначе их нельзя считать бороздками. [7]
Для образования регулярной волнообразной структуры необходимы [6]:
а) наличие большого количества систем сдвига и легкий сдвиг в попе­речном направлении, чтобы образовать фронт трещины и сохранить его при прохождении через примыкающие друг к другу кристаллические зёрна,
б) наличие более чем одной кристаллографической плоскости, по которой возможен рост трещины.
Хорошо различимые бороздки образуются, при выполнение этих условий, который происходит при расширении и сжатии трещины, и могут приспособиться к условиям фронта трещины.
 
1.2 Наноструктурированные металлические материалы. Получение, структура и свойства
 
1.2.1 Основные технологии получения наноструктурированных металлических материалов
 
 
Существует несколько принципиально отличающихся подходов к созданию наноматериалов: компактирование порошков, контролируемая кристаллизация аморфных сплавов, интенсивная пластическая деформация объемных образцов, выращивание на подложке из паровой или жидкой фазы, пленочные технологии, интенсивное облучение потоком высокоэнергетичных частиц, управляемая полимеризация, сополимеризация и самосборка супрамолекулярных структур, бионанотехнологии, показанные рисунке 1.2.1.
 

Рисунок 1.2.1 – Основные методы получения объемных наноматериалов [2]
 
Для формирования наноструктур в объемных образцах и заготовках используют методы интенсивной пластической деформации (ИПД). [13-16] По результатам первых работ [1, 17] по получению объемных наноструктурированных материалов наибольшее развитие получили два метода ИПД: кручение под высоким давлением и равноканальное угловое прессование (РКУП). Часто после данных методов используется экструзия материала для формирования полуфабрикатов. В последние годы активно развиваются методы получения нано- и субмикрокристаллических структур в металлах и сплавах с использованием всесторонней ковки [18], равноканальной угловой вытяжки (РКУВ) [19] и др.
1.2.1.1 ИПД кручением
 
Процесс ИПД кручением осуществляется на установке, позволяющем фиксировать зависимость величины крутящего момента от числа оборотов (степени деформации).  [13]
Конструкция установок, в которых деформация кручением была проведена под высоким давлением, являлась развитием идеи наковальни Бриджмена. При деформации кручением под высоким давлением заготовки имеют форму дисков. Образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением Р в несколько ГПа. Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Основной объем материала деформируется в условиях гидростатического сжатия под действием приложенного давления и давления со стороны внешних слоев образца, в результате чего образец не разрушается при больших степенях деформации. Для получения однородной по радиусу образца структуры требуется 5 оборотов при приложенном давлении до 5 ГПа. [20-22]
Произведенные расчеты зависимости микротвердости от степени деформации показал, что в случае образцов, подвергнутых разному числу оборотов, точки ложатся на одну кривую, указывающую на монотонный рост микротвердости со степенью деформации с насыщением начиная со степени сдвиговой деформации, равной 20. [13]
 
1.2.1.2 Равноканальное угловое прессование
 
Способ РКУ прессования  был развит Р.З. Валиевым с соавторами на базе способа В.М. Сегала. При реализации РКУ прессования заготовка неоднократно продавливается в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися под определенным углом.
Равноканальное угловое прессование с противодавлением. Этот метод является одним из путей уменьшения растягивающих напряжений в заготовке и повышения в результате ее деформируемости. [13]
Противодавление осуществляется за счет усилия, возникающего за счет усилия, возникающего при прессовании вязкопластичной среды, через регулируемое очко матрицы, которые показаны на рисунке 1.2.2.
 

1 – заготовка, 2 – оснастка, 3 – пуансон,     4 – вязкопластическая средах
 
Рисунок 1.2.2 – Схема РКУ прессования с противодавлением [13]
 
В процессе перемещения в оснастке на поверхности заготовки, контактирующей с внутренним углом пересечения каналов, происходит резкое изменения характера напряжения сжимающего на растягивающий. Это приводит к образованию микротрещин на этой поверхности и разрушению заготовки после 7 подходов через оснастку. В тоже время приложение противодавления обеспечивает до 10 подходов через установку без разрушения заготовки. Таким образом показано, что противодавление уменьшает скорость накопления дефектов, способствует возможности увеличения накопленной пластической деформации и препятствует разрушению заготовки при РКУ прессование. [13]
РКУ прессование плоской заготовки. При реализации РКУ прессования плоской заготовки можно использовать два принципиальных различные конфигурации оснастки, схематически представленные на рисунке 1.2.3. [13] Они различаются вертикальной и горизонтальной ориентацией плоской заготовки по отношению к осям системы координат.
 

а – вертикальное расположение; б – горизонтальное расположение
 
Рисунок 1.2.3 – Применение РКУ прессования к образцам-пластинам [13]
 
Реализация процесса РКУ прессования плоских заготовок в отличии от случаев заготовок круглого или квадратного сечения может быть осуществлена лишь для ограниченного числа маршрутов. В случае РКУ прессования плоских заготовок с углом поворота 90° между проходами появляются новые варианты маршрутов. При повороте вокруг оси Y попеременно то в одном, то в другом направлениях, сечение вместо прямоугольной формы примет форму параллелограмма. Потребуется дополнительная операция по обработке заготовки между проходами для восстановления ее первоначальной геометрической формы.
 
1.2.1.3 Новые методы ИПД
 
В последнее время методы ИПД получили новый метод развития. Это выразилось в разработке новых способов, обеспечивающих достижение больших пластических деформаций без разрушения заготовок. Важным аспектом при разработке новых методов ИПД является приближение лабораторных способов реализации ИПД к промышленным.
Винтовая экструзия. Особенностью нового метода является совмещение процессов экструзии и ИПД кручением, как видно из рисунка 1.2.4.
 

Рисунок 1.2.4 – Схема процесса винтовой экструзии
 
Всесторонняя ковка. «Под термином «всесторонняя ковка» понимают процесс изотермической деформации заготовок при последовательном проведении операции протяжки и осадки.» [13] При этом данный процесс проводится при повышенной температуре с поэтапным ее снижением в ходе деформации, который видно рисунке 1.2.5.
 

Рисунок 1.2.5 – Схема процесса всесторонней ковки
 
Накапливаемое соединение прокаткой. При реализации данной схемы два листа одинаковой толщины подвергают совместной прокатке, показанные рисунке 1.2.6. За один проход достигается толщина одного из исходных листов. Данный процесс повторяется неоднократно. При этом возможно изменение ориентации листов по отношению друг к другу между последовательными циклами прокатки. В результате такой комбинированной прокатки за счет диффузионного взаимодействия в твердой фазе происходит соединение листов между собой, сопровождаемое измельчениями микроструктуры. За один проход деформация составляет 50%, и конечная толщина проката при этом равна толщине исходных листов. В результате комбинации вариантов прокатки получают бездефектной монолитной листовой полуфабрикат с измельченной структурой.
 

Рисунок 1.2.6 – Схема способа накапливаемого соединения прокаткой [13]
 
Способ многократного изгиба и выпрямления полосы. Принципиальная схема реализации данного способа представлена на рисунке 1.2.7. В данном способе реализуется деформация листовых заготовок с высокой частотой циклов обработки. При этом наблюдается измельчение зерен от начального среднего размера 765 мкм до конечного примерно 500 нм. Однако, сформировавшаяся микроструктура образцов неоднородная, и данный процесс требует дальнейшей оптимизации. [13]
 

Рисунок 1.2.7 – Схема процесса многократного изгиба и выпрямления полосы
 
Разработка новых методов ИПД активно продолжается. При этом исследователи особое внимание уделяют их адаптации к непрерывным схемам обработки заготовок, применим в промышленных условиях. Большой интерес исследователей к данной весьма не простой проблеме позволяет надеяться на достижение положительного результата в ближайшее время.
 
1.2.2 Наноструктурированные металлы и сплавы
 
В настоящее время с использованием методов ИПД получены наноструктуры в  объемных образцах как из чистых металлов, сплавов и сталей, так и в образцах полупроводников и композитов. [1, 20-22]
В чистых металлах при ИПД кручением формируется равноосная структура со средним размером зерна около 100 нм;  при РКУ прессовании – 200-300 нм. На рисунке 1.2.8 показана типичная структура меди, подвергнутой ИПД кручением при давлении 6 ГПа и числе оборотов 5. [23]
Из рисунка 1.2.8 видно, что ИПД приводит к формированию в меди однородной ультрамелкозернистой структуры уже при комнатной температуре. Границы зерен искривлены и неровны. Неоднородный дифракционный контраст в зернах указывает на высокий уровень внутренних напряжений и упругие искажения кристаллической решетки. Сложный контраст присутствует как в зернах, содержащих решеточные дислокации, так и бездефектных зернах, что свидетельствует, что источниками внутренних напряжений являются границы зерен.
Близкие по виду структуры формируются при ИПД кручением в никеле. Более мелкий размер зерна (менее 100 нм) получен в армко-железе и титане. Уровень искажений зерен при этом увеличился за счет появления микродвойников и других дефектов решетки. [22]
 

а – светлопольное изображение; б – темнопольное изображение. Кручение: давление 6 ГПа, число оборотов 5
 
Рисунок 1.2.8 – Структура меди, подвергнутой ИПД кручением при комнатной температуре [23]
 
На рисунке 1.2.9 представлена структура меди после РКУ прессования. [1] Видно присутствие трех типов зерен. В малых (менее 100 нм) зернах решеточные дислокации отсутствуют, в зернах среднего размера (200-300 нм) наблюдаются отдельные хаотически расположенные дислокации, а в больших зернах (400-500 нм) формируются субзерна. Кроме того, вид структуры зависит от режимов деформирования. Изменение маршрута от ВС к С приводит к формированию полосовой структуры с большим количеством малоугловых границ, которые показаны рисунке 1.2.9 б.
 

а – маршрут ВС (после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 90 градусов по часовой стрелке); 12 проходов; б – маршрут С (после каждого прохода заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на угол 180 градусов); полосовая структура с большим количеством малоугловых границ
 
Рисунок 1.2.9 – Структура меди, подвергнутой РКУП [13]
 
В сплавах формирование наноструктур при ИПД  определяется не только условиями обработки, но и исходной структурой и фазовым составом. В однофазных твердых растворах структура формируется аналогично чистым металлам, но получаемый размер зерен значительно меньше. [1]
В многофазных сплавах существенную роль при формировании структуры играют природа и морфология вторых фаз. При наличии в исходной структуре сплава частиц второй фазы, более прочных, чем матрица, при ИПД может происходить их дробление и растворение, что приводит к образованию пересыщенного твердого раствора. Например, при ИПД двухфазного сплава Zn-22%Al наблюдали измельчение обеих фаз. После ИПД кручением (5 оборотов) уже при комнатной температуре образовалась дуплексная наноструктура с размером зерен α- и β-фаз менее 100 нм [24], показанные рисунке 1.2.10.
 

Рисунок  1.2.10 – Двухфазнаянаноструктура сплава Zn-22 %Al, подвергнутого ИПД кручением при комнатной температуре.Кручение: 5 оборотов.  Дуплексная наноструктура с размером зерен α- и β-фаз менее 100нм [24]
 
 
1.2.3 Свойства наноструктурированных материалов
 
Метастабильные наноструктурные пересыщенные твердые растворы интересны тем, что после их распада  при нагревании обеспечиваются новые необычные свойства материалов.
Детали механизмов деформационных процессов, протекающих в наоструктурных материалах, на сегодняшний день не ясны, но некоторые принципиальные моменты установлены. Сегодня можно однозначно утверждать, что:
·     дислокации в НКрМ не могут играть при деформации большой роли;
·     большое число разрыхленных границ в НКрМ облегчает диффузионные механизмы пластичности, проскальзывание и поворот зерен;
·     под нагрузкой часть границ релаксирует и аннигилирует, что ведет к появлению вытянутых в направлении действующих напряжений зерен;
·     известно, что при уменьшении размера зерна вероятность двойникования, как механизма деформации, снижается. Но в области размеров зерен d<100 нмдвойникование снова активизируется;
·     границы зерен и тройные стыки играют большую роль в формировании свойств.
По теоретическим оценкам [25, 26] формирование наноструктур в металлах и сплавах может обеспечить высокую прочность, а также низкотемпературную и (или) высокоскоростную сверхпластичность. Но проблемы в получении наноструктурных материалов до недавнего времени ограничивали возможность исследования механического поведения объемных наноструктурных материалов. Получаемые методами ИПД  образцы позволяют начать систематические исследования механических свойств металлических материалов, включая промышленные стали и сплавы.
Известно [13, 14], что соотношение Холла-Петча, предполагающее дислокационные механизмы пластического течения, барьерное действие границ, в области размеров зерен менее 10 нм перестает выполняться, это видно рисунке 1.2.11.
 

1, 2 – экспериментальные зависимости для различных материалов в области нарушения закона Холла-Петча; 3 – теоретическая кривая закона Холла-Петча
 
Рисунок 1.2.11 – Зависимость предела текучести от размера зерна материала [27]
 
На рисунке 1.2.12 показаны отклонения от соотношения Холла-Петча (сплошная линия), наблюдаемые в монокристаллических образцах меди, железа, никеля и титана. [27]
Предполагается, что причинами этого отклонения являются: блокирование дислокационных механизмов пластичности, увеличение роли диффузии точечных дефектов, зернограничное проскальзывание. Другой проблемой является снижение пластичности (деформации до разрушения) наноструктурных материалов по мере уменьшения размера зерна.
 
            Рисунок 1.2.12 – Отклонения от соотношения Холла-Петча (сплошная линия), наблюдаемые в монокристаллических образцах меди, железа, никеля и титана [27]
 
Одной из важнейших характеристик конструкционных материалов является чувствительность напряжения текучести к скорости относительной деформации. Обычно это выражается с помощью коэффициента скоростной чувствительности m (1.28).
 


(1.28)

 
Для нанокристаллических материалов коэффициент m имеет невысокие значения и изменяется в пределах от 10-3 до 10-1. Но по мере уменьшения зерна величина m, например, в ГЦК и ГПУ металлах имеет тенденцию к росту. В материалах с ОЦК решеткой такого эффекта не наблюдается. Предполагается, что такое различие обусловлено разными механизмами деформирования. Признаком различий может служить характеризующий деформацию активационный объем γ (1.29), который можно представить в виде оценочного выражения
 

(1.29)


 
где А – безразмерный коэффициент порядка 1;
k –постоянная Больцмана;
Т – абсолютная температура.
В ОЦК материалах активационный объем намного меньше, чем в ГЦК и ГПУ материалах.
Измельчение зерна в металлах с ГЦК решеткой, как уже упоминалось, приводит к росту m, о чем свидетельствует, по данным [27], зависимость активационного объема от размеров зерна, показанная на рисунке 1.2.13.
 

Рисунок 1.2.13 – Зависимость активационного объема (нормированного на b3) от размеров зерна d в Cu и Ni [27]
 
Из рисунка 1.2.13 видно, что при уменьшении размера зерна от единиц мкм до 10 нм наблюдается уменьшение γ от 103b3 до (1-10)b3. Такое резкое изменение величины активационного объема γ свидетельствует о смене атомного механизма деформирования.

 
2 Характеристики исследуемого материал и методология испытания
 
2.1 Исследуемый материал
 
 
В качестве исследуемого материала в настоящей работе использовали алюминиевый ковочный жаропрочный сплав АК4-1. Химический состав сплава показан в таблице 2.
 
Таблица 2 – Химический состав сплава АК4-1



Сплав
Содержание элемента в % по массе
Cu
Mn
Si
Mg
Fe
Ni
Ti
АК4-1
2,46
0,04
0,22
1,48
0,89
0,92
0.04
 
 
Алюминиевый сплав АК4-1 в исходном состоянии (пруток диаметром 40 мм) имел средний размер зерна 40 мкм. Данный сплав исследовали в двух состояниях: после стандартной обработки (закалка + старение)  и после РКУП.
Стандартная обработка сплава АК4-1 заключалась в нагреве до температуры 530оС, выдержку при этой температуре в течение одного часа, закалку в воду, старение при температуре 190оС в течение 7 часов, охлаждение на воздухе.
Для получения субмикрокристаллического состояния сплав подвергали равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температуре 160 0С, 6 проходов (угол φ = 900). Диаметр прутка заготовки после РКУП составлял 28 мм. Средний размер зерна после вышеуказанной обработки (РКУП) составил 300 нм.
 
 
 
2.2 Механические испытания образцов
 
Механические испытания образцов из сплава АК4-1 после закалки + старения и после РКУП включали в себя:
а)  испытание сплава на твердость;
б) испытания цилиндрических образцов на растяжение при комнатной температуре и температуре жидкого азота (-196 0С) с целью определения прочностных и пластических свойств сплава;
в) испытания образцов на внецентренное растяжение при температуре  -1900С для определения статической трещиностойкости сплава. 
 
2.2.1 Методики испытания сплава на твердость
 
Испытание сплава на твердость проводили по методу Роквелла (НRВ) согласно ГОСТ 9013-59 [28] с использованием автоматизированного стационарного твердомера TH-300, который изображен на рисунке 2.1. Твердость сплава определяли как среднее значение по результатам 10 измерений.
 

Рисунок 2.1 – Твердомер ТН 300
Методика проведения испытания:
1     Выбор шкалы HRB на экране измерительного прибора;
2     Установка соответствующего индентора и нагрузки;
3     Приложение предварительной нагрузки в 10 кгс, в течении 1-3 сек;
4     Приложение основной нагрузки в течении 20 сек;
5     Снятие нагрузки;
6     Снятия данных с экрана прибора.
 
2.2.2 Испытание образцов на растяжение
 
Определение стандартных характеристик исследуемого материала при статическом растяжении проводили на круглых образцах диаметром 5 мм, показанного на рисунок 2.2. Испытание проводили на универсальной испытательной машине Н50КТ, которая изображена рисунок 2.3, согласно ГОСТ 1497-84 [29]. Скорость растяжения составляла 5 мм/мин. Испытания образцов на растяжение проводили при комнатной температуре и температуре жидкого азота (-196 0С). В последнем случае использовали специально разработанный дюар.
 

Рисунок 2.2 – Образец на растяжение
 
 
2.2.3 Испытание образцов на внецентренное растяжение
 
Для определения статической трещиностойкости сплава АК4-1 использовали образцы на внецентренное растяжение с размером боковой части 32 мм и толщиной 12,0 и 12,5 мм, показанные рисунке 2.4. Испытания проводили согласно ГОСТ 25.506-85 [30] на установке Instron 8802, которая изображена на рисунке 2.5.
 

Рисунок 2.3 – Универсальная испытательная машина Н50КТ для испытания образцов на растяжение с установленным дюаром
 
Согласно ГОСТ 25.506-85 [30], перед испытанием образцов на статическую трещиностойкость, в устье трещины выращивали усталостную трещину длинной не мене 1,5 мм.  Выращивание усталостной трещины проводили на установке Instron 8802, изображенная на рисунке 2.5.
Для того, чтобы создать более жесткое локальное напряженное состояние у вершины трещины при статическом нагружении образцов испытания проводили при температуре жидкого азота (-196 0С). Для этого использовали специально разработанный дюар.
 


Рисунок 2.4 – Образец на внецентренное растяжение
 

Рисунок 2.5 – Установка Instron 8802, используемая для выращивания усталостной трещины и испытания образцов на К1С
 
 
 
2.3 Расчет статической трещиностойкости (К1С) сплава АК4-1 в условиях плоской деформации
 
Расчетное значение коэффициента интенсивности напряжения (текущее значение статической трещиностойкости) (KQ) сплава проводили согласно ГОСТ 25.506-85 [30] по формуле (2.1):
 

(2.1)


(2.1)


 
где РQ – расчетная нагрузка на образец;
t – толщина образца; 
b – расстояние от места приложения нагрузки до торца образца;
Y3 – полином (2.2).
 

(2.2)


(2.2)


 
Реализация условия плоской деформации (ПД) (2.3) при разрушении образцов оценивались по критериям[30]:
 
t/(K1С/σ0,2)2 ≥ 2,5;

(2.3)

δ ≤ 1,5 %;
Pmax/PQ ≤ 1,1.
 
Если данные критерии соблюдались, то считали, что KQ = К1С.
 
 
 
 
2.4 Фрактографические исследования изломов
 
Микрофрактографические исследования поверхности изломов и микрорентгеноспектрального анализа частицы на поверхности изломов проводили в растровом электронном  микроскопе (РЭМ) SIGMA фирмы «ZEISS», показанный на рисунке 2.6.
 

Рисунок 2.6 - Растровый электронный  микроскоп SIGMA фирмы «ZEISS»

 
3 Результаты исследования
 
3.1  Механические свойства сплава АК4-1, определенные при температурах 20 0С  и -196 0С
 
 
 Результаты испытания образцов из алюминиевого сплава АК4-1 после РКУП и в состоянии Т6 представлены в таблице 3. Из таблицы видно, что РКУП незначительно  повышает твердость алюминиевого сплава АК4-1 (в 1,03 раза) и прочность в 1,2-1,3 раза по сравнению с состоянием Т6. При этом пластичность снизилась в 2 раза.
 
Таблица 3 – Механические свойства сплава АК4-1 в различном состоянии при комнатной температуре



Состояние
НВ
σв, МПа
σ0,2, МПа
δ, %
После РКУП
126
460
420
8
Т6 (закалка + старение)
122
370
320
16
 
В таблице 4 представлены механические свойства сплава АК4-1, полученные при температуре жидкого азота (-196 0С). Видно, что понижение температуры испытания до -196 0С привело к повышению предела прочности  сплава в 1,16 раз, а предела текучести в 1,25-1,35 раза. При этом несколько снизилась пластичность сплава, однако соотношение прочностных и пластичных свойств сплава после РКУП и Т6 практически не изменилось.
 
Таблица 4  – Механические свойства сплава АК4-1в различном состоянии при температуре -196 0С



Состояние
σв, МПа
σ0,2, МПа
δ, %
После РКУП
533
489
7
Т6(закалка + старение)
503
399
13
 
 
3.2 Испытание образцов на внецентренное растяжение и определение статической трещиностойкости сплава АК4-1
 
Анализ диаграмм «нагрузка-смещение», показанный на рисунке 3.1, полученных при испытании образцов на статическую трещиностойкость, показал, что данные диаграммы соответствуют типу I по ГОСТ 25.506-85 [30]. Значения статической трещиностойкости сплава представлены в таблице 3.3. Видно, что трещиностойкость сплава АК4-1 после РКУП и после стандартной обработки Т6 (закалка + старение) практически не отличаются друг от друга, хотя в первом случае она несколько ниже.
 





а)
б)
Рисунок 3.1 – Характерный вид диаграмм «нагрузка-смещение», полученных при растяжении образцов на внецентренное растяжение из сплава АК4-1 после РКУП (а) и в состоянии Т6 (б)
 
Анализ критериев реализации условий плоской деформации (ПД) в образцах при испытании их на статическую трещиностойкость показал (табл. 5) что, независимо от состояния сплава, все критерии удовлетворяет условию плоской деформации (ПД). [30]
 
Таблица 5 – Толщина образцов, статическая трещиностойкость и критерии реализации условий ПД в образцах из сплава АК4-1





Стояние
t, мм
К1С, МПа√м
t/(K1С/σ0,2)2
δ, %
Pmax/PQ
После РКУП
12,0
24
5,0
0,80
1,0
26
4,4
1,08
1,0
Т6
12,5
26
4,3
0,80
1,0
29
3,6
0,80
1,0
 
Таким образом, полученные результаты показывают, что статическая трещиностойкость (К1С) алюминиевого сплава АК4-1 после РКУП по сравнению со стандартной обработкой Т6(закалка + старение) снижается незначительно (25 МПа√м – после РКУП, против 27,5МПа√м – в состоянии Т6). Во всех случаях критерии: t/(K1С/σ0,2)2, δ и Pmax/PQ удовлетворяют условию плоской деформации, как в случае сплава после РКУП, так и в состоянии Т6.
 
3.3 Макро- и микрофрактографические исследования изломов
 
Все изломы образцов на внецентренное растяжение из сплава АК4-1 после РКУП и в состоянии Т6 однородные, матовые. Утяжка и губы среза практически отсутствуют. Хорошо видна усталостная трещина на рисунке 3.2.
 

Рисунок 3.2 – Общий вид области страгивания статической трещины (граница усталостного и статического разрушения) в образце из сплава АК4-1 после РКУП
 
При большом увеличении на РЭМ, рисунок 3.3 а-в, видно, что на поверхности изломов сплава АК4-1 посте РКУП, в области страгивания статической трещины какая-либо зона вытяжки Ѳ отсутствует. Микрорельеф усталостного разрушения сразу переходит в микрорельеф статического разрушения. Микрорельеф статического разрушения сплава состоит из хрупко разрушившихся участков и крупных ямок с фасетками скола по интерметаллическим включениям, показанный рисунке 3.3 г. На рисунке 3.4 а, б показаны частицы размером от 1 до 10 мкм округлой формы  расположены на дне ямок.
 
 
 
 







а)
б)


в)
г)
а, б, в – область страгивания трещины; г – центральная часть излома;
а - х500; б, г - х2000; в - х5000
 
Рисунок 3.3 – Микрорельеф (РЭМ) поверхности излома сплава АК4-1 посте РКУП, полученного при температуре жидкого азота
 
По данным микрорентгеноспектрального анализа, который показан рисунке 3.5 эти частицы содержали в основном алюминий, железо, никель и медь, то есть относились к упрочняющим фазам, напримерAl2Cu и Al9FeNi.
 
 







а)
б)
в)
 
а – в – х10000
 
Рисунок 3.4 – Частицы в центре ямок изломов (а, б) и разрушившейся плоский фрагмент, наблюдаемые в изломах сплава АК4-1 после РКУП (РЭМ)
 
 

Рисунок 3.5 – Результаты микрорентгеноспектрального анализа частицы, представленной на рисунке 3.3, а (РЭМ)
 
При разрушении образцов из сплава АК4-1 в состоянии Т6, также как и в предыдущем случае,  в области страгивания статической трещины какая-либо зона вытяжки Ѳ отсутствует. Микрорельеф усталостного разрушения сразу переходит в микрорельеф статического разрушения, это видно на рисунке 3.6 а, б. В центральной части излома преобладает хрупкое разрушение, смотреть рисунок 3.6 в, г. Частиц второй фазы меньше, чем в случае разрушения сплава после РКУП. В местах отсутствия частиц видны округлые ямки.







а)
б)


в)
г)
а, б- область страгивания трещины; в, г- центральная часть излома
а- х500; б, в- х2000; г- х5000
 
Рисунок 3.6 – Микрорельеф (РЭМ) поверхности излома сплава АК4-1 в состоянии Т6, полученного при температуре жидкого азота
 
Таким образов, можно заключить, что результаты макрофрактографического анализа (практически полное отсутствия в изломах утяжки и губ среза) и микрофрактографического анализа (отсутствие ярко выраженного ямочного микрорельефа) также свидетельствуют, что статическое разрушение сплава АК4-1 после РКУП и в состоянии Т6 (закалка + старение) произошло в условиях плоской деформации.
 
 
Заключение
 
 
1 Понижение температуры испытания алюминиевого сплава АК4-1 после РКУП и в состоянии Т6 (закалка + старение) до -196 0С привело к повышению предела прочности  сплава в 1,16 раз и предела текучести в 1,25-1,35 раза. При этом несколько снизилась пластичность сплава.
2 Статическая трещиностойкость (К1С) сплава АК4-1 после РКУП по сравнению со стандартной обработкой Т6 (закалка + старение) снижается незначительно (25 МПа√м – после РКУП, против 27,5МПа√м – в состоянии Т6).
3 В случае испытания сплава АК4-1 после РКУП и в состоянии Т6 критерии механики разрушения: t/(K1С/σ0,2)2, δ и Pmax/PQ, а также результаты макро- и микрофрактографических исследований указывают, что разрушение произошло в условиях плоской деформации.
4 На поверхности изломов сплава АК4-1 после РКУП и в состоянии Т6 в области страгивания  микрорельеф усталостного разрушения сразу переходит в микрорельеф статического разрушения. В центральной части излома преобладает хрупкое разрушение. Микрорельеф статического разрушения сплава состоит из хрупко разрушившихся участков и крупных ямок, на дне которых можно наблюдать частицы упрочняющих фаз – Al, Mg, Cu.

 
Список использованных источников
 
 
1 Валиев, Р. З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р.З. Валиев,  И. В. Александров. — М.: Логос, 2000. — 272 с.
2 Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. – М.: Физматлит, 2007. — 416 с.
3 Валиев, Р.З. Развитие методов интенсивной пластической деформации для получения объемных наноструктурных материалов с уникальными механическими свойствами / Р.З. Валиев, Г.И. Рааб, Д.В. Гундеров, И.П. Семенова, М.Ю. Мурашкин // Нанотехника. – 2006. - № 2. – С. 32-42.
4 Валиев, Р.З. Создание наноструктурнных металлов и сплавов c уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации / Р.З. Валиев // Российские Нанотехнологии – 2006. - Т.1. - №1-2.- С. 208-216.
5 Сегал, В.М. Пластическая обработка металлов простым сдвигом / В.М. Сегал, В.И. Резников, А.Е. Дробышевский, В.И. Копылов // Известия АН СССР. Металлы. - 1981. - № 1. - С. 115-123.
6 Броек, Д. Основы механики разрушения / Д. Броек. – М.: Высшая школа, 1986. – 386 с.
7 Николаева, Е.В. Основы механики разрушения / Е.В. Николаева – Пермь: изд. Пермского государственного университета, 2010. – 103 с.
8 Либовиц, Г. Разрушение: в 7 т. / Г. Либовиц, Дж.  Гудьер, А. Френденталь – М.: Мир, 1975. – Т. 2: Математические основы теории разрушения. – 768 с.
9 Гуляев, А.П. Металловедение: учебник  для вузов / А.П. Гуляев – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
10 Качанов, Л.М. Основы механики разрушения / Л.М. Качанов. – М.: Наука, 1974. – 312 с.
11 Партон, В.З. Механика разрушения: От теории к практике / В.З. Партон  – М.: Наука, 1990. – 240 с.
12 Хеллан, К. Введение в механику разрушения / К. Хеллан – М.: Мир, 1988. – 364 с.
13 Валиев, Р.З. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства / Р.З. Валиев, И.В. Александров - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 398 с.
14 Головин, Ю.А. Введение в нанотехнику / Ю.А. Головин – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.
15 Gleiter, H. Nanostructured materials / H. Gleiter // Progress in Materials Science - 1989. - Vol.33. – P. 233-315.
16 Valiev, R.Z. Towards enhancement of properties of UFG metals and alloys by grain boundary engeneering using SPD processing / Alexandrov I.V., N.A Enikeev, M.Yu. Murashkin, I.P. Semenova // Reviews on Advanced Materials Science – 2010. – Vol.25. – P.1-10.
17 Valiev, R.Z. Hot deformation of aluminum alloys / R.Z. Valiev, N.K. Tsenev // TMS. Warrendale. - 1991. - P. 319-342.
18 Салищев, Г.А. Формирование субмикрокристаллической структуры в титане и титановых сплавах и их механические свойства / Г.А. Салищев, Р.М. Галеев, С.П. Малышева, O.Р. Валиахметов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2006. - № 2. - С. 19-26.
19 Морозов, Н.Ф. Математические вопросы теории трещин / Н.Ф. Морозов – М.: Наука, 1984. – 255 с.
20 Kurmanaeva, L. - J. Grain refinement and mechanical properties in ultrafine-grained Pd and Pd / L. Kurmanaeva, Yu. Ivanisenko, J. Markmann, C/Kübel C., A. Chuvilin, S. Doyle, R.Z. Valiev, H. Fecht // Ag alloys produced by HPT, Mater. Sci. Eng. A. - 2010. - Vol. 527. - issues 7-8. - Р. 1776-1783.
21 Liu, M.  Grain refinement in nanostructured Al–Mg alloys subjected to high pressure torsion / M. Liu, H.J. Roven, X. Liu, M.Yu. Murashkin, R.Z. Valiev, T. Unga´r, L. Balogh // J. Mater. Sci. – 2010. – Vol. 45. – P. 4659–4664.
22 Wen, H. High-pressure torsion-induced grain growth and detwinning in cryomilled Cu powders / H. Wen, Y. Zhao, Y. Li, O. Ertorer, K.M. Nesterov, R.K. Islamgaliev, R.Z. Valiev, E.J. Lavernia // Phil. Mag. 90. – 2010. - Vol. 34. - Р. 4541-4546.
23 Valiev, R. Z., Rerznikov A.V, Mulyukov R.R. // Mater.Sci.Eng. – 1993. – V. 186. – P. 141.
24 Furukawa, M. Proc. Int. Conf. on Thermomechanical Processing of Steels & Other Materials / M.Furukawa, Y. Ma, Z. Horita, M. Nemoto – Chandra,  Sakai, 1997. – 875 p.
25 Морохов, И.Д. Физические явления в ультрадисперсных средах / И.Д. Морохов, Л.Д. Трусов, В.И. Лаповок. – М.: Наука, 1984. – 472 с.
26 Siegel, R.W. Proc. Of the NATO ASI, Mechanical properties of ultrafine-grained materials / R.W. Siegel – Dordrecht, Boston, London, 1993. – 509 p.
27 Meyer, M. A. Mechanical properties of nanocrystalline materials / M. A. Meyer, A. Mishra, D.J. Benson // Progress in Materials Science. – 2006. – Vol. 51. – P. 427-556.
28 ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. – Введ. 1969–01–01. – М.: ИПК издательство стандартов, 2002. – 9 с.
29 ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение. – Взамен ГОСТ 1497-73; введ. 1986–01–01. – М.: Госстандарт СССР, 1997. – 37 с.
30 ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний. Определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения)  при статическом нагружении. – Введ. 1986–01–01. – М.: Госстандарт СССР, 1985. – 61 с.
 
Скачать дипломную работу: Diplom_AKA.docx