Полуцикле разгрузки

Изучение закономерностей развития поверхностной локальной деформации имеет важное значение, так как при циклических испытаниях разрушение начинается с поверхности. На рис. 19 показано распределение деформаций по микроучасткам вдоль реперной линии после сжатия на 1 % (кривая 7) и'после растяжения на 1 % (кривая2), Т.е. после приобретения" образцом исходных размеров. Первое сжатие сопровождается появлением существенной микронеоднородной деформации. В некоторых локальных объемах образование сдвигов проходит настолько интенсивно, что деформация их в 3—5 раз превышает среднюю (кривая 7). Обратное деформирование также сопровождается локальной неоднородностью по отдельным микрообъемам. Из рис. 19 следует, что микрообласти, повышенно деформирующиеся в полуцикле сжатия, также энергично деформируются и в полуцикле растяжения. Это указы-

скорости деформирования, а также исходного состояния одного и того же материала можно получить постоянную и изменяющуюся при циклическом нагружении диаграмму деформирования. При знакопеременном нагружении возможно и одностороннее накапливание пластической деформации. Как правило, это происходит при мягком нагружении циклически стабильных и разупрочняющихся сплавов. Прогрессирующее накопление деформаций происходит на полуцикле растяжения, что объясняется отличием диаграмм растяжения от диаграмм сжатия в процессе циклического деформирования [ 73].

уровню напряжения происходит смещение точки появления первого сигнала АЭ дискретного типа. В каждом последующем цикле возросшего уровня напряжения эта точка смещается к средней зоне ветви нагружения в полуцикле растяжения. Этот характер изменения сигналов АЭ соответствует традиционному представлению о раскрытии берегов трещины, когда начало раскрытия смещается вверх по ветви нагружения в случае перехода к большему уровню максимального напряжения цикла [26, 139].

Выявленная последовательность сигналов АЭ в цикле нагружения, а также учет эффекта ротационной пластической деформации приводят к рассмотрению формирования усталостных бороздок не в полуцикле восходящей ветви нагрузки, а в полуцикле нисходящей ветви нагрузки. Накопленная энергия упругой деформации в большей части объема материала при максимальном раскрытии берегов трещины стремится закрыть трещину после перехода к полуциклу снижения нагрузки. Этому препятствует зона пластической деформации, размеры которой существенно возрастают в полуцикле растяжения (восходящая ветвь нагружения). Действие сжимающих сил при разгрузке образца стремится нарушить устойчивость слоя материала перед вершиной трещины в районе зоны пластической деформации, и это приводит к возникновению дислокационной трещины (см. рис. 3.26), а далее и к созданию свободной поверхности. Происходит "отслаивание" пластически деформированной зоны с наиболее интенсивным наклепом материала от остальной части зоны. При этом в случае существенного возрастания объема зоны в связи с возрастанием скорости роста усталостной трещины "отслаивание" характеризуется разрушением материала не по одной, а по нескольким дислокационным трещинам, что характеризуется формированием более мелких бороздок на фоне крупной усталостной бороздки.

Основные критерии разрушения при построении кривых усталости—полное разрушение образца или появление макротрещин протяженностью 0,1—0,5 мм. Трещины следует измерять в нагруженном состоянии в полуцикле растяжения.

Для испытания на малоцикловую усталость (0,5—10 цикл/мин) до 850°С в Каунасском политехническом институте разработана установка, позволяющая производить нагружение с выдержкой в полуцикле растяжения при максимальной нагрузке длительностью от 2 с до 60 мин.

В точке б статическая нагрузка от=370 МПа; атах= =в35 МПа; Omin = 95 МПа. В этом случае материал деформируется пластически в холодном состоянии при растяжении, а в области высоких температур его нагружение сжимающими усилиями незначительно. Таким образом, основное повреждение накапливается в полуцикле растяжения. Наконец, в точке в при статической нагрузке о,п=120 МПа значения отах и отщ равны: 585 МПа в полуцикле растяжения (о0,2 = 600 МПа) и 345 МПа в полуцикле сжатия (ао,2 = 380 МПа). Как видно, деформирование происходит в упругой области; следовательно, повреждае-

а—л,'=0; б—п,'=-1000 циклов; У—исходное напряжение в полуцикле сжатия; 2—напряжение после релаксации; 3—напряжение в полуцикле растяжения

На рис. 12, а показано изменение деформаций при знакопеременном цикле напряжений в области вершины резкого-концентратора напряжений. Участок между точками 0 и / соответствует упругопластической деформации в первом полуцикле растяжения. При этом зона пластической деформации локализована в небольшой области у вершины концентратора, а в остальном материале существуют только упругие деформации. Снятие нагрузки приводит к уменьшению деформации (точка 2), а затем в результате воздействия зон материала, находящихся в упругодеформированном состоянии, к их исчезновению (точка 3). Приложение внешней сжимающей нагрузки вызывает продолжение петли гистерезиса до точки 4,. Разгрузка приводит к полному снятию деформаций (точка 5),, а новое приложение растягивающей нагрузки увеличивает деформации до значения, соответствующего точке 6. Дальнейшее знакопеременное циклическое деформирование приводит к изменению деформации по петле между точками 6 и 4 до тех пор, пока не возникнет усталостная трещина.

полуцикле растяжения линии) и нераспростра-

Измерение изменения электросопротивления стали 018Н10Ш в процессе малоциклового нагружения при 650° С (рис. 2, а) показало, что эта характеристика вначале возрастает, а затем снижается до величины, меньшей, чем электросопротивление закаленной стали. Ход изменения электросопротивления обусловливается влиянием двух факторов: возникновением выделений, вызывающих рассеяние электронов проводимости (повышение электросопротивления), и обеднением пересыщенного твердого раствора легирующими элементами, определяющими снижение электросопротивления. Максимум электросопротивления достигается тогда, когда размер выделений сопоставим с длиной волны электронов проводимости (5—10 А по Мотту), т. е. на первой стадии старения. При дальнейшем увеличении размеров выделений электросопротивление начинает падать, как вследствие уменьшения рассеяния электронов на выделениях, так и за счет уменьшения электросопротивления матрицы. В момент накопления деформации и появления микротрещин электросопротивление возрастает, причем в момент появления микротрещины наблюдается резкий скачок электросопротивления. При малоцикловом нагружении по схеме растяжение — сжатие в полуцикле растяжения электросопротивление увеличивается вдвое, по сравнению с полуциклом сжатия (рис. 2, б).

Аналогично на полуцикле разгрузки

Аналогично на полуцикле разгрузки

rh — радиус зоны пластической деформации, формируемой в полуцикле разгрузки материала RJ — радиус диска компрессора (турбины)

Формирование систем скольжения с высокой плотностью дислокаций, сопровождающих формирование усталостных бороздок, было продемонстрировано методами просвечивающей электронной микроскопии [70, 82, 135]. Системы скольжения располагаются под углом 45° к поверхности излома. Профиль и ширина блоков полос скольжения, которые наблюдали на поверхности образца, подобны профилю и шагу усталостных бороздок [82]. Этот факт был положен в основу многих разработанных моделей формирования усталостных бороздок [70, 82, 133, 134, 136-142]. Рассмотрены были оба полуцикла нагружения материала, в которых реализуются два разных процесса: (1) пластическое затупление вершины трещины, и (2) разрушение материала. Оба процесса соответствуют восходящей ветви нагрузки и приводят к формированию каждой усталостной бороздки в каждом цикле приложения нагрузки. В полуцикле разгрузки происходит подготовка материала перед вершиной трещины к последующей реализации указанных выше двух процессов деформации и разрушения.

Используя вышеприведенные обоснования того, что некоторые профили усталостных бороздок характерны для финальной части стабильного роста трещины, а также другие признаки процессов деформации разрушения материала с разной интенсивностью, можно провести предварительную селекцию профилей бороздок (механизмов разрушения материала) и отнести к начальной или конечной фазе развития трещины на II стадии. Это вполне обосновано в том случае, когда точного профиля бороздки нет, а есть только морщинистая поверхность [135, 142], отвечающая процессу затупления вершины трещины. Вместе с тем, хотя пластическое затупление типично для нагружения материала при положительной асимметрии цикла, оно не наблюдается в случае циклов с высокой отрицательной асимметрией, когда минимальное напряжение цикла отрицательно по знаку и является сжимающим [140]. Переход от пульсирующего цикла нагружения к асимметричному циклу со сжимающим напряжением не меняет треугольной формы профиля бороздки с гладкой поверхностью, но сама величина шага возрастает при указанном переходе. Причем наиболее значительное возрастание имеет именно та часть профиля бороздки, которая обращена к предыдущей бороздке, сформированной при пульсирующем цикле нагружения. Такая ситуация при формировании усталостных бороздок может быть объяснена только в том случае, если принять во внимание возможность формирования части профиля усталостных бороздок на нисходящей ветви нагрузки (в полуцикле разгрузки материала).

деформации происходит в полуцикле закрытия трещины. В этот момент наблюдается непрерывный сигнал АЭ, соответствующий протеканию процесса пластической деформации. Вместе с тем, на ее фоне видны импульсы дискретных сигналов АЭ, которые следует интерпретировать как свидетельство подрастания трещины. Ранее подобные закономерности формирования сигналов АЭ наблюдали также и на других материалах [149, 150]. Однако непрерывному сигналу АЭ ставился в соответствие процесс контактного взаимодействия берегов усталостной трещины непосредственно в ее вершине в полуцикле разгрузки [149]. Это представление согласуется с известными моделями закрытия трещины, в том числе и с моделью шероховатости траектории трещины с извилистым профилем, о чем было уже сказано в предыдущем разделе при анализе модели формирования сферических частиц. Описываемое нами формирование сигналов АЭ при стационарном режиме нагружения не имеет отношения к контактному взаимодействию берегов трещины, поскольку относится к процессу формирования усталостных бороздок вдоль всего фронта трещины. В изломе испытанных образцов на исследованном участке, где изучали сигналы АЭ, в перемычках между площадками (фасетками) с усталостными бороздками не было признаков формирования продуктов фреттинга в результате контактного взаимодействия берегов трещины. Последнее позволяет утверждать, что в полуцикле разгрузки образца вклад в непрерывный характер сигналов АЭ процессов контактного взаимодействия берегов трещины мог быть пренебрежимо малым. Важно также подчеркнуть, что и сами усталостные бороздки не имели признаков пластического деформирования, которое характерно при наличии контактного взаимодействия берегов трещины. Еще одно свидетельство отсутствия значительного эффекта контактного взаимодействия связано с появлением сигналов АЭ непрерывного типа только на нисходящей ветви нагрузки. Эффект контактного взаимодействия связан с раскрытием берегов трещины по типу III (продольный сдвиг) по площадкам между мезо-туннелями. Это означает, что контактное взаимодействие берегов трещины существует как на восходящей, так и на нисходящей ветви нагрузки. При переходе в цикле нагружения к большему

— формирование сигналов дискретного типа на фоне сигналов непрерывного типа отвечает процессу формирования свободной поверхности в полуцикле разгрузки образца;

В полуцикле разгрузки образца материал в вершине усталостной трещины и за ней находится под действием остаточных растягивающих напряжений [151]. Перед вершиной трещины материал находится под действием сжимающих напряжений. В такой ситуации вполне естественно ожидать реализации дислокационной трещины перед вершиной трещины на некотором расстоянии от нее и разрыва соединяющей их перемычки, как это рассмотрено в работе [64]. Возникновение дислокационной трещины перед вершиной магистральной трещины (рис. 3.26) обусловлено тем. что наибольшее перенапряжение материала в цикле нагружения достигается именно на некотором расстоянии перед вершиной трещины на восходящей ветви нагрузки, где имеет место объемное напряженное состояние. Ориентировка полос скольжения для рассматриваемой ситуации соответствует возникновению дислокационной трещины в момент перехода от восходящей к нисходящей ветви нагрузки. В связи с этим последующее формирование свободной поверхности в результате разрушения материала становится естественным в резуль-

на нисходящей ветви нагрузки цикла. Первый цикл перегрузки вызывает пластическое (частичное) притупление вершины трещины, а далее происходит формирование собственно усталостной бороздки треугольного профиля. Для последующих циклов нагружения пластическое затупление резко снижается по интенсивности, так что к третьему циклу его уже нет. Однако треугольный профиль бороздки остается почти неизменным для всех трех циклов, так как его формирование происходит в полуцикле разгрузки, одинаковой интенсивности для всех пяти циклов нагружения. Различие в шаге определяется только эффектом пластического затупления вершины трещины. Он наиболее интенсивен в первом цикле, поэтому

Представленные примеры иллюстрируют достоверность описания закономерности событий в вершине усталостной трещины за счет ротаций объемов материала в полуцикле разгрузки. Это приводит к созданию разнообразных профилей усталостных бороздок на разных этапах роста трещины и эффекта пластического затупления вершины трещины при нерегулярном нагружении, что приводит к созданию более сложной конфигурации профиля бороздки.

Переход на вторую стадию разрушения в мезотуннелях приводит к регулярному упругому раскрытию вершины трещины в каждом цикле приложения нагрузки, что сопровождается каскадом событий, связанных с формированием усталостных бороздок от дислокационных (единичных) трещин в полуцикле разгрузки материала в результате ротаций объемов материала в пределах зоны пластической деформации. Разрушение перемычек при этом может происходить путем сдвига и путем ротаций объемов материала. На начальной стадии формирования усталостных бороздок ротации в перемычках маловероятны, поскольку масштабный уровень для реализации этого процесса является еще недостаточным, чтобы возможно было формирование сферических частиц. Однако по мере продвижения трещины и нарастания скорости ее роста в результате увеличения коэффициента интенсивности напряжений возникает ситуация, когда формирование сферических частиц становится возможным. Этот переход происходит при достижении следующего масштаба параметров дефектной структуры внутри зоны, разграничивающего мезоуровни I и II.