Порогового напряжения

Наряду с размером зерна на характеристики усталости и циклической трещиностойкости большое влияние на металлы и сплавы оказывают изменение химического состава, морфология, распределение и количество фазовых составляющих и неметаллических включений, а также стабильность структуры в процессе циклического деформирования. На рис. 47, для примера, представлены данные по влиянию различных морфологии a+(i микроструктур (а-Ti с вытянутой, равноосной и видманштетовой структурой; р - Ti в стабильном и метастабильном состоянии) титанового сплава Ti - 6,ЗЗА1 - 3,53Мо -l,92Zr- 0,23Si на закономерности изменения кинетических диаграмм усталостного разрушения. Видно, что максимальное сопротивление распространению усталостной трещины наблюдается в сплаве с метастабильной р - матрицей вне зависимости от морфологии первоначальной a - фазы. В зависимости от структурного состояния и морфологии фаз размах порогового коэффициента интен-ТЕРЕНТЬЕВ В.Ф. ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

долговечность до зарождения усталостных трещин и во взаимосвязи с деформационными характеристиками всего объема металла определяет уровень предела выносливости, а также уровень порогового коэффициента интенсивности напряжений, необходимого для старта усталостной трещины. Наличие концентраторов напряжений (например, от грубой механической обработки) и других дефектов на поверхности, остаточных напряжений растяжения, агрессивной среды и ряда других факторов приводит к снижению предела выносливости. Как правило, все виды обработки, создающие сжимающие напряжения на поверхности, такие, например, как поверхностное пластическое деформирование, различные виды химико-термических обработок и т.п., повышают предел выносливости металлических материалов, препятствуя раскрытию трещин. На рис. 48 представлены данные по влиянию дробеструйной обработки (с различным размером дроби) на усталость мартенситностарею-щей стали с 1 8%Ni в условиях кругового изгиба. Видно, что дробеструйная обработка вне зависимости от диаметра дроби существенно повышает ограниченную долговечность и предел выносливости. При больших долговсчно-стях образцов с поверхностным упрочнением зарождение усталостных трещин всегда происходит под упрочненным поверхностным слоем.

12. Каков физический смысл порогового коэффициента интенсивности напряжений AKtt,?

В процессе исследований контролируются количество циклов нагружения и длина усталостной трещины. Наиболее -трудоемким процессом является определение порогового коэффициента интенсивности напряжений. В этом случае наибольшую нагрузку цикла Рта* понижают и находят ее значение, при котором трещина не растет на протяжении 108A/min циклов (AZmin—минимальный, поддающийся измерению прирост трещины, мм). Для определения циклической вязкости разрушения Kfc испытания проводят с увеличивающимся .наибольшим коэффициентом интенсивности напряжений цикла /fmax, фиксируя нагрузку и длину трещины, соответствующие началу долома образца. /

С момента возникновения усталостной трещины в металле, когда ее зарождение произошло при достижении порогового коэффициента интенсивности напряжения К^, процесс формирования свободной поверхности определяется процессом ме-зотуннелирования, для которого характерно чередование интенсивности затрат энергии между областями, формирующими мезотуннели, и областями, формирующими поверхности разрушения между ними. При низком уровне интенсивности напряженного состояния расстояние между мезо-туннелями велико, что приводит к возможному появлению эффекта движения трещины путем разрушения материала при одновременном сдвиге и нормальном раскрытии. Фронт трещины раздроблен. Доминирующим механизмом разрушения является скольжение при небольшом участии ротационных мод деформации и разрушения, которые обеспечивают при реализованном сдвиге завершение процесса "отсоединения" поверхностей, по которым произошло скольжение.

Итак, с момента возникновения усталостной трещины в металле при достижении порогового коэффициента интенсивности напряжения (КИН) Kth формирование свободной поверхности при подрастании трещины определяется процессом мезотуннелирования, для которого характерно чередование интенсивности затрат энергии между областями, формирующими туннели, и областями, являющимися перемычками между ними. При низком уровне интенсивности напряженного состояния расстояние между мезотуннелями велико, что приводит к эффекту движения трещины в каждом туннеле путем разрушения материала при нормальном раскрытии трещины в направлении перпендикулярном магистральному направлению роста трещины. Фронт трещины раздроблен, доминирующим механизмом разрушения является скольжение при небольшом участии ротационных мод деформации и разрушения, обеспечивающих завершение процесса "отсоединения" областей металла по поверхностям реализованного сдвига.

Выдержка материала под нагрузкой при достижении порогового коэффициента интенсивности напряжения К23 меняет ситуацию в вершине трещины в связи с проявлением материалом чувствительности к характеру его нагружения. Зона пластической деформации при выдержке перестает быть тормозящим фактором в процессе сохранения неизменным уровня внешней нагрузки. Происходит медленное подрастание трещины при смешанном внутри- и межзеренном скольжении (см. рис. 10.76, в), причем процесс внутризеренного

уровень эквивалентного напряжения должен быть оценен по величине порогового коэффициента интенсивности напряжения, связанного с переходом от стадии I к стадии II, который более чем в 3 раза ниже. Оценка уровня эквивалентного напряжения в этом случае показывает, что его величина, по крайней мере перед резким возрастанием напряжения при доломе лопатки, не превысила 50 МПа (5 кг/мм2).

По указанным выше усредненным данным для первого порогового коэффициента интенсивности напряжений, соответствующего скачку трещины 4,75 • 10~8 м, глубина поверхностной полуэллиптической по форме трещины составила около 3,8 мм. Тогда с учетом геометрии трещины можно записать:

ситуация может соответствовать нагружению ЗК в составе редукторов. Однако принципиальное различие в нагружении дисков и ЗК заключается в том, что динамическая нагрузка дисков от их вращения повреждает материал в области малоцикловой усталости, а ЗК работают в области многоцикловой усталости повторяющегося ПЦН. Низкая напряженность ЗК в результате их двухосного растяжения не должна порождать усталостные трещины, которые могут возникать от появляющихся в колесе на стадии производства несплошностей или повреждений в эксплуатации. Старт трещин связан с размерами несплошности, которые могут превышать критическую величину для существующего уровня эквивалентного напряжения при двухосном растяжении материала в зоне расположения дефекта, что соответствует достижению или превышению порогового коэффициента интенсивности напряжения для данного материала.

параметров. Многие из них никогда не использовались в практике. Все они, кроме (13), предусматривают наличие критического, а за исключением (13) и (15), также порогового коэффициента интенсивности напряжений. Одна треть формул (5), (8), (9) и (13) симметрична относительно точки с абсциссой Ктах = Y KtkKfc, а половина при R = 0 является частным случаем выражения

Следует отметить, что исследования коррозионной усталости сталей в условиях катодной поляризации, выполненные ранее, проводились или в условиях, приближенных к катодной защите морских сооружений [117. 134, 199, 223], или давали трудно '?чтер-претируемые результаты [115, 229]. В частности, исследовательскими группами, изучающими влияние циклических напряжений на процесс КР под руководством А. Мендозы и Е. Вендлер-Калч [177, 229], вблизи поверхности образцов обнаружены трещины глубиной, не превышающей десятков микрометров. Их скорость роста, как это было показано Дж. Биверсом и др. [115], снижается по мере развития разрушения. В результате изучения влияния циклической нагрузки на величину порогового напряжения КР с помощью экстраполяции длины трещины P.P. Фесслером [139] обнаружено ее снижение по мере уменьшением частоты нагружения с 10"3 до 10"* Гц. Однако полученные значения пороговых напряжений не соответствуют наблюдаемым на реальных магистральных газопроводах уровням напряжений, при которых развивается КР. Следует отметить, что практически во всех исследованиях влияния циклического напряжения на процесс КР образцы не доводились до разрушения [139]. При полном же разрушении образцов, проведенном Т.Н. Бейкером и др. [112-114] по "стандартной" для КР методике Дж. Биверса и др. [115], обнаружено, что трещины распространялись под углом 45° , что является признаком вязкого разрушения, а не КР, для которого характерен хрупкий механизм распространения трещин. Результаты этих исследований косвенно подтверждают факт о различии механизма КР и МКУ.

Следует отметить, что исследоьания коррозионной усталости сталей в условиях катодной поляризации, выполненные ранее, проводились или в условиях, приближенных к катодной защите морских сооружений, или давали трудноинтерпретируемые результаты. В частности, исследовательскими группами, изучающими влияние циклических напряжений на процесс КР под руководством А. Мендозы и Е. Вевдлер-Калч, вблизи поверхности образцов обнаружены трещины глубиной, не превышающей десятков микрометров, скорость роста которых, как это было показано Дж. Биверсом и др., снижается по мере развития разрушения. В результате изучения влияния циклической нагрузки на величину порогового напряжения КР с помощью экстраполяции длины трещины Р.Р. Фесслером обнаружено ее снижение по мере уменьшения частоты нагружения с 10~3 до 10~4 Гц . Однако полученные еначэния пороговых напряжений не соответствуют наблюдаемым на реальных МГ уровням напряжений, при которых развивается КР. Следуег- отметить, что практически во всех исследованиях влияния циклического напряжения на промесс КР образцы не доводились до

Метод определения длительной прочности материала в сероводородсодержащих средах может быть упрощен с помощью использования экспериментальных данных об испытании образцов. Так, при выборе сталей для трубопроводов, эксплуатируемых в сероводородсодержащих средах, одним из основных критериев пригодности металла является величина порогового напряжения. Сталь, выдержавшая испытания в среде НАСЕ [51] в течение 720 ч при постоянной нагрузке (равной, как правило, 0,8а02), считается пригодной для изготовления трубопроводов, по которым транспортируются сероводородсодержащие среды. Трубопроводы, выполненные из этой стали, безотказно функционируют в течение гарантийного срока эксплуатации (для трубопроводов ОНГКМ — 12 лет [41]).

B. Маенниг и X. Тафернер также пришли к выводу, что физический предел выносливости является природным свойством кристаллической решетки и его проявление связано с существованием порогового напряжения образования полос скольжения. В то же время они отмечают, что на формирование физического предела выносливости влияют многие факторы: микроструктура, тип кристаллической решетки, энергия дефекта упаковки, величина зерна, атомы замещения и внедрения, деформационное старение, процессы упрочнения и разупрочнения. Из возможных механизмов упрочнения при взаимодействии дислокаций с атомами внедрения (атмосферы Коттрелла, Су-зуки и Сноека) эти авторы отдают предпочтение атмосферам Сноека, то есть блокированию дислокаций упорядоченно распределенными атомами внедрения. В целом же В. Маенниг и X. Таферпер приходят к выводу, что в настоящее время трудно дать единую интерпретацию появления физического предела выносливости у металлов и сплавов с разным типом кристаллической решетки.

Различные по составу сплавы имеют неодинаковую склонность к горячесолево-му растрескиванию. Из легирующих элементов наиболее сильное влияние оказывает алюминий. Этот вопрос изучен Б. А. Колачевым и В.В.Травкиным [45] на би-'парных сплавах Ti—AI. Исследования выполняли на цилиндрических образцах диаметром 5 мм с нагружением их под тонким слоем хлористого натрия при 400 и 450°С с определением порогового напряжения разрушения образцов при базе длительности нагружения 1000 ч. Как видно из результатов экспериментов (табл. 6), только технически чистый титан практически не чувствителен к горяче-солевому растрескиванию. При повышении содержания алюминия в сплавах их стойкость умвньшантся—Поте ря^ОО-ч^эрочности увеличивается особен но т5ез ко при содержании алюминия более 4 %, при этом характер распространения трещин — межкристаллитный. Коррозионные повреждения в виде язв и трещин возникали и на образцах из чистого титана, но интенсивность их развития незначительна по сравнению со сплавами, содержащими алюминий. В работе [49] особенно рельефно показана роль наводороживания в процессе горячесолевого растрескивания титановых сплавов.

для исключения растрескивания образец сплава 7075-Т6510 не должен быть напряжен выше уровня порогового напряжения акр. (50 МПа) для гладких образцов независимо от размеров трещин (дефектов) в металле. Во-вторых, когда относительно большие трещины (дефекты) присутствуют в металле, сплав 7075-Т6510 не должен быть напряжен выше уровней, определенных пороговым значением /CiKp. Близкое к JKiKp значение для сплава 7075-Т6510 [71], использованное для построения рис. 22, намного выше ожидаемого по данным для сплава 7075-Т651, взятым нэрне. 15 и 21. Поэтому добавляется вторая линия KiKp, соответствующая значению 5,5 МПа-м1/2, чтобы показать влияние более низких значений /Схкр на графике этого типа.

JPnc. 51. Изменение порогового напряжения в зависимости от параметра Ларсена-Миллера Р (t — температура, т — время) для различных сплавов а и (а+(3), испытанных в горячих солях NaCl [138]:

Котельные стали (16ГНМ, 22К и др.) чувствительны к коррозионному растрескиванию под действием коррозионной среды и механических напряжений. Начальная стадия такого разрушения связана с электрохимическим воздействием на металл воды, которая с ним контактирует. При дальнейшем развитии коррозии процесс дополняется активным воздействием на металл концентраторов напряжений, появляющихся вблизи очагов коррозии и зародышей трещин. Вероятно, существует предельное напряжение, ниже которого коррозионное растрескивание этих сталей не наблюдается. По мнению некоторых специалистов, минимальное значение такого порогового напряжения прочных сталей составляет 123-Ю5 Па (126 кгс/ем2). Его величина зависит от состава стали. Для марок стали 16ГНМ и 22К он пока не определен. Однако эти стали могут подвергаться коррозионному разрушению и при более низком уровне средних растягивающих напряжений. Такое поведение сталей связано со склонностью их к водородной хрупкости и к так называемой щелевой коррозии.

Величина порогового напряжения ?/Пор принимается не более минимально возможного напряжения электрического сигнала, соответствующего минимальной нагрузке машины. Общее число уровней стабилизации п принимается таким, чтобы сумма напряжений на всех стабилитронах nf/nop была равна максимально возможному напряжению входного сигнала U, соответствующего максимально возможной нагрузке. Показания первого кулонометра Qi характеризуют всю площадь между нулевым и первым уровнями напряжений, а остальных кулонометров — те части площадей между уровнями, которые оказались под кривой напряжения электрического сигнала (см. рис. 2).

Для алмазоподобных пленок достоверно установлено, что автоэмиссионные свойства (например, величина автоэмиссионного тока при постоянном напряжении) обратно пропорциональны величине зерна кристалла [249, 250]. Так, при уменьшении размера зерна с 1,3 мкм до 0,3 мкм [250] происходит уменьшение порогового напряжения автоэмиссии и соответственно смещение вольтамперных характеристик (рис. 5.1 а).

После активации наблюдалось примерно 50% уменьшение порогового напряжения для всех исследованных образцов (под пороговым напряжением в данном случае подразумевается напряжение, при котором плотность тока достигает уровня 25 нА/см2).