DOI 10.24411/1683-805X-2018-16009

 

УДК 538.9 + 669.15 + 539.376 + 669.296 + 539.56

 

Fracture nanomechanics is the study of the interconnected process of the growth and birth of cracks and dislocations in the nanoscale. In this paper, it is applied to superplasticity and fatigue of metals and other polycrystalline materials in order to derive the basic equations describing some main features of these phenomena, namely, the fatigue threshold and the enormous neck-free superplastic elongation. It is shown that in most metals and alloys the fatigue threshold is greater than one per cent of the value of fracture toughness. Using the concepts of fracture nanomechanics, we study the superplastic deformation and fracturing of polycrystalline materials under uniaxial extension and calculate the neck-free elongation to failure in terms of strain rate, stress and temperature. Then, we determine the optimum strain rate of the maximum superplastic elongation in terms of temperature, creep index and other material constants. Further, we estimate the critical size of ultrafine grains necessary to stop the growth of microcracks and open way to the superplastic flow, and find the superplastic deformation of grains, their maximum-possible elongation and the activation energy of superplastic state. Also, we introduce the dimensionless A-number in order to characterize the capability of different materials in yielding the superplastic flow. At a very high elongation the alloying boundary of grains proves to be broken by a periodical system of dead fractures of some definite period. It is shown that experimental results of the testing of the Pb-62% Sn eutectic alloy and Zn-22% Al eutectoid alloy at T = 473 K have substantially supported the theory of superplasticity advanced herewith.

Keywords: superplasticity, fatigue, fracturing, failure, nanomechanics, crack, dislocation, ultrafine grain size, threshold stress intensity factor, elongation to failure, optimum strain rate, material characterization

 

Теория сверхпластичности и усталости поликристаллических материалов на основе наномеханики разрушения

Наномеханика разрушения занимается изучением взаимосвязанных процессов зарождения и роста трещин и дислокаций в наномасштабе. В настоящей работе наномеханика разрушения использована для изучения явления сверхпластичности и усталости металлов и других поликристаллических материалов. Получены базовые уравнения, описывающие основные особенности этих явлений, среди которых порог усталости и более чем десятикратное удлинение образцов при растяжении без образования шейки. Показано, что в большинстве металлов и сплавов порог усталости выше одного процента вязкости разрушения. Изучены аномально большие деформация и разрушение таких образцов при растяжении. Удлинение до разрушения вычислено с учетом напряжения, температуры и скорости деформации. Оценена оптимальная скорость деформации для достижения максимального удлинения в зависимости от температуры, индекса ползучести и других постоянных материала. Дана оценка критического размера сверхмалых зерен, необходимых для остановки роста микротрещин и сверхпластичности металла. Вычислены максимально возможное удлинение кристалла и необходимая энергия активации сверхпластического состояния. Для оценки способности материала к сверхпластическому течению введено безразмерное число. При больших удлинениях на границах зерен, где скапливаются примесные атомы, образуется периодическая система «мертвых» субмикротрещин, которые не растут; найден и объяснен период этого образования. Предложенная теория сверхпластичности подтверждается результатами экспериментальных работ Кавасаки, Дэвиса и др. авторов для эвтектики Pb-62% Sn и эвтектоида Zn-22% Al при Т = 473 K.

Ключевые слова: сверхпластичность, усталость, поликристаллические материалы, наномеханика разрушения, трещина, дислокация, сверхмалые зерна, критический коэффициент интенсивности напряжений, максимальное удлинение, оптимальная скорость деформации

 

G.P. Cherepanov  Theory of superplasticity and fatigue of polycrystalline materials based on nanomechanics of fracturing and failure // Физ. мезомех. - 2018. - Т. 21. - № 6. - С. 55-65