ОЦЕНКА МЕХАНИЗМОВ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ПРОЦЕССЫ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается актуальная проблема локализации пластической деформации в металлических материалах при циклическом нагружении. Анализируются ключевые механизмы, лежащие в основе формирования дислокационных субструктур и полос локализованного сдвига, которые являются предшественниками усталостных трещин. Особое внимание уделяется взаимосвязи между эволюцией микроструктуры на уровне дислокаций и стадиями зарождения и начального роста трещины. Предоставляются результаты экспериментального исследования, выполненного с использованием методики просвечивающей электронной микроскопии. Анализируются аспекты влияния параметров циклического нагружения на кинетику структурных изменений. Полученные данные позволяют углубить понимание физических основ усталостного разрушения, что имеет важное значение для повышения долговечности и надёжности промышленных конструкций и инфраструктурных объектов.

ABSTRACT

This paper addresses the pressing issue of plastic strain localization in metallic materials under cyclic loading. Key mechanisms underlying the formation of dislocation substructures and localized shear bands, which are precursors to fatigue cracks, are analyzed. Particular attention is paid to the relationship between microstructural evolution at the dislocation level and the stages of crack nucleation and initial growth. The results of an experimental study performed using transmission electron microscopy are presented. The influence of cyclic loading parameters on the kinetics of structural changes is analyzed. The data obtained allow for a deeper understanding of the physical principles of fatigue failure, which is essential for improving the durability and reliability of industrial structures and infrastructure facilities.

Ключевые слова: локализация деформации, пластическая деформация, усталостное разрушение, циклическое нагружение, дислокационная структура

Keywords: strain localization, plastic strain, fatigue failure, cyclic loading, dislocation structure

Введение: Исследование механизмов локализации пластической деформации и их связи с процессами усталостного разрушения является фундаментальной задачей механики деформируемого твердого тела, имеющей критически важное прикладное значение для повышения надежности и долговечности конструкций в различных отраслях промышленности [1,2]. В контексте индустриального и инфраструктурного развития Узбекистана, включая модернизацию энергетического комплекса, транспортной сети и объектов тяжелой промышленности, вопросы усталостной долговечности материалов в условиях циклических нагрузок выходят на первый план[3]. Актуальность данной проблематики для республики обусловлена необходимостью обеспечения эксплуатационной безопасности как вновь возводимых, так и существующих ответственных сооружений и машин в условиях специфических климатических и технологических воздействий, характерных для региона [4]. Понимание закономерностей зарождения и развития дислокационных структур, формирования полос локализованной деформации и их роли в качестве предшественников усталостных трещин позволяет разрабатывать научно обоснованные методы прогнозирования ресурса и создания новых материалов с повышенным сопротивлением циклическому разрушению.

Методика анализа эволюции дислокационной структуры с использованием просвечивающей электронной микроскопии. В рамках исследования механизмов локализации деформации при циклическом нагружении ключевую роль играет методика прямого наблюдения и анализа дислокационной структуры с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения [5]. Данный подход позволяет проводить на месте или постфактум изучение тонких фольг, вырезанных из материала после различных стадий усталостного испытания. Методика дает возможность идентифицировать зарождение и эволюцию дислокационных ячеек, полос локализованного сдвига, а также оценивать плотность дислокаций в различных фазах циклической деформации. Особое внимание уделяется корреляции наблюдаемых структурных изменений с такими параметрами, как амплитуда пластической деформации, число циклов нагружения и уровень приложенного напряжения.

Интерпретация получаемых данных в рамках этой методики основана на установлении причинно-следственных связей между эволюцией дислокационной субструктуры и этапами трещинообразования. Анализ позволяет выявить, какие конкретно конфигурации дислокаций (например, дипольные стенки, хаотические сплетения) являются предвестниками образования зародышевых микротрещин. Применение данной методики в сочетании с анализом поверхности излома, полученной после окончательного разрушения образца, предоставляет комплексную картину, связывающую микроструктурные процессы на уровне дислокаций с макроскопическим поведением материала при усталости.

Результаты проведённого исследования с использованием методики анализа эволюции дислокационной структуры посредством просвечивающей электронной микроскопии показали, что формирование устойчивых полос локализованной деформации в исследуемом низкоуглеродистом материале происходит уже на ранней стадии циклического нагружения (приблизительно после 5–7% от общего числа циклов до разрушения). Критическим этапом, предшествующим микроводоразрушению, явилось образование в теле полос локализованной деформации высокоплотных дипольных дислокационных стенок, которое приводило к накоплению локальных микронапряжений. Статистический анализ микроструктурных данных выявил, что около 80% исследованных зародышей усталостных трещин субмикронного размера были напрямую ассоциированы с границами таких дислокационных ячеек внутри полос локализованной деформации, что подтверждает определяющую роль данной локализованной субструктуры в инициировании процесса разрушения.

Таблица 1.

Основное оборудование, использованное при экспериментальном исследовании

Заключение: В свете масштабных программ модернизации промышленности и инфраструктуры Узбекистана, фундаментальные исследования механизмов усталостного разрушения приобретают особую практическую ценность. Полученные результаты, связывающие эволюцию дислокационной субструктуры с инициированием трещин, открывают путь к разработке научно обоснованных критериев долговечности для критически важных объектов — от турбин новых энергоблоков до элементов транспортных магистралей, работающих в условиях уникального климата региона.

Список литературы:

1. Czichos H. Physics of Failure // Handbook of Technical Diagnostics / Ed. by H. Czichos. - Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. -Р. 23-40.
2. Needleman A., van der Giessen E. Micromechanics of Fracture: Connecting Physics to Engineering // MRS Bulletin. - 2001. - Р. 211-214.
3. SangidM.D. The physics of fatigue crack initiation // Int. J. Fatigue. -2013. - V. 57. - P. 58-72.
4. McDowellD.L., Dunne F.P.E. Microstructuxe-sensitive computational modeling of fatigue crack formation // Int. J. Fatigue. - 2010. - V. 32. -Р. 1521-1542.
5. Khudaiberdiev A., Kuychiev O., Nazarov O. Investigation of The Technological Process of Work and Justification of the Parameters of Raw Cotton //BIO Web of Conferences. - EDP Sciences, 2023. - Т. 78. - С. 03011.