Распространения усталостной

Для процессов деформирования и разрушения металлически* материалов показано, что при силовых, температурных, радиационных и других видах воздействия связь между простыми отношениями переменных, контролирующих течение процессов, пропорциональна. На примере процесса распространения усталостных мпкротрещик в конструкционных материалах показано, что параметры, характеризующие неустойчивость процесса на мезо- и макроуровнях, обладают свойством подобия и масштабной инвариантности (скейлингом).

2.2. Период распространения усталостных трещин......................... 51

Многие авторы процесс накопления усталостных повреждений, не разделяя на периоды, делят на следующие стадии: циклического упрочнения (или разупрочнения), зарождения и распространения усталостных трещин. На наш взгляд, прежде чем рассмотреть периодичность и стадийность процесса усталостного разрушения, целесообразно сделать это для статического деформирования, поскольку закономерности процессов пластической деформации и разрушения при различных видах деформирования имеют много общего. Периодичность и стадийность процессов пластической деформации при статическом растяжении для случая поликристаллических металлов и сплавов с ОЦК - решеткой, имеющих физический предел текучести, могут быть рассмотрены с учетом накопления повреждений (рис. 6). На этом рисунке слева представлен вид кривой статического растяжения, который наблюдается при температурах выше критической температуры хрупкости Тх, а справа при температурах испытания ниже Тх. Следует отметить, что это наиболее сложный вид диаграммы статического растяжения металлических материалов. Усложнить эту диаграмму можно, лишь добавив участок деформации прерывистой текучести, которая иногда наблюдается па стадии деформационного упрочнения, например, у низкоуглеродистых сталей в интервале температур испытания 100 - 300°С (так называемый эффект Портевена - Ле Шателье). В случае ГЦК - металлов и сплавов обычно на такой диаграмме отсутствует зуб и площадка текучести. Рассмотрев стадийность деформации и накопления повреждений на примере такой сложной диаграммы, легче перейти к более простым случаям. В настоящее время при рассмотрении процесса разрушения металлических материалов (будь то статическое деформирование или какой-либо более сложный вид нагружения - усталость, ползучесть и т.п.) принято

Рассмотрим теперь стадийность процессов пластической деформации и разрушения в условиях циклического деформирования. В дальнейшем мы будем рассматривать закономерности усталостного разрушения в основном в области многоцикловой усталости, хотя при рассмотрении многих аспектов проблемы мпогоцикловой и малоцикловой усталости бывает трудно разделить. Обобщенная диаграмма многоциюювой усталости, представленная на рис. 7, отражает основные закономерности накопления повреждаемости в основных периодах и стадиях процесса усталостного разрушения металлических материалов, имеющих на кривой статического растяжения физический предел текучести. В диапазоне циклических напряжений от стк до стти весь процесс усталости в зависимости от числа циклов нагружения можно разделить на два основных периода (по аналогии со стадийностью процессов пластической деформации и разрушения при статическом нагружении): зарождения усталостных трещин и распространения усталостных трещин (заштрихованная область на рис. 7).

Период распространения усталостных трещин, расположенный между кривой усталости (линия АБВ на рис. 7) и линией необратимой повреждаемости (линия КБ), обычно описывается кинетическими диаграммами усталостного разрушения (КДУР). Зависимость между скоростью роста усталостной трещины Igu и размахом коэффициента интенсивности напряжений IgAK (или lgKMax). В этом периоде усталостного нагружения выделяют три основные стадии (рис. 8):

Период распространения усталостных трещин

2.2. Период распространения усталостных трещин 2.2.1. Общие понятия

Выше было сказано, что для описания закономерностей распространения усталостных трещин (РУТ) широко используются подходы линейной механики разрушения. В общем случае раскрытие трещины в твердом теле может быть осуществлено тремя путями (модами): при нормальных напряжениях возникает трещина типа "отрыв" (тин I); при плоском сдвиге образуется трещина типа Н, или трещина типа "сдвиг"; трещина типа "срез", или типа III, образуется при антиплоском сдвиге (рис. 30).

Прежде чем перейти к более детальному рассмотрению основных стадий и закономерностей распространения усталостных трещин, следует остановиться на эффекте закрытия усталостной трещины (fatigue crack closure), впервые обнаруженном В. Элбером. Сущность этого эффекта состоит в том, что усталостная трещина может остаться закрытой из-за смыкания ее берегов позади вершины на протяжении определенной части цикла нагру-жения. На рис. 33 представлены схемы раскрытия берегов усталостной чре-щины. По В. Элберу смыкание берегов трещины происходит в результате наличия на них остаточной пластической деформации, поскольку при разгрузке берега усталостной трещины могут сомкнуться раньше, чем наступит полное снятие нагрузки. Этот механизм закрытия трещин характерен для пластичных металлов и сплавов, испытываемых в условиях плоского напряженного состояния (рис. 33, а, 6).

Эффект закрытия усталостной трещины, который проявляется на 1-й и 2 -и стадиях периода распространения усталостных трещин, может оказывать заметное влияние на кинетику распространения трещин и поэтому в ряде случаев его нужно учитывать.

ПЕРИОД РАСПРОСТРАНЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

На усталостных изломах обычно обнаруживаются две зоны. Зова распространения усталостной трещины имеет матовую фарфоровидную поверхность, свойственную изломам с преобладанием транскриста^Л-литного разрушения. На краях трещины нередко бывают видны заглаженные до блеска, наклепанные участки — результат соударения, смя-тия и истирания стенок трещины при периодических деформациях мате» риала. Зона окончательного разрушения имеет кристаллическую поверх* иость, свойственную хрупким изломам с преобладанием интеркрис-таллитного разрушения (например, удавным изломам и изломам хрупких материалов).

Разрушение при действии переменных напряжений ст на участке АВ имеет статический характер, т.е. такой же, как и при однократном разрушении: с образованием шейки и исчерпанием всей пластичности материала (для гладких образцов участок АВ простирается до 103 - 106 циклов, а остро надрезанных - до 102 - 104 циклов). На участке ВС характер разрушения меняется с увеличением числа циклов и понижением амплитудного напряжения ACT, макропластиче-ская деформация постепенно уменьшается и исчезает, а разрушение становится типично усталостным, т.е. происходящим в результате образования и распространения усталостной трещины. От приложения переменных напряжений в металле постепенно накапливаются повреждения, перехо-

2.2.3. Стадия припорогового распространения усталостной трещины .. 56

2.2.5 .Стадия ускоренного распространения усталостной трещины ...... 62

2.2.3. Стадия припорогового распространения усталостной трещины (РУТ)

2.2.4. Стадия стабильного распространения усталостной трещины

На рис. 36 представлена схема процессов, происходящих на 2-й стадии стабильного РУТ (стадия Пэриса). Критерии циклической трещиностойкости ЛК,.2, ДК2.3 ограничивают эту стадию распространения усталостных трещин. Кроме того, B.C. Иванова и С.Е. Гуревич выделяют на этой стадии промежуточные критерии циклической трещиностойкости K)S и Ка, область значений которых близка и которые в частных случаях могут совпадать. Критерий K]s характеризует переход от квазиупругого роста трещины к упругопластиче-скому. Критерий Ка определяет начало ускоренного роста трещины из-за изменения интенсивности возрастания деформации в пластической зоне у вершины трещины и увеличения вследствие этого интенсивности изменения ускорения роста трещины. При определении скорости распространения усталостной трещины с использованием фрактографии (в том случае, когда на поверхности усталостпого излома присутствуют усталостные бороздки) на 2-й стадии распространения усталостной трещины можно выделить критерий, при котором образование каждой микробороздки происходит при каждом цикле нагружения, т.е. число микробороздок совпадает с числом циклов на-гружения. Для алюминиевых сплавов это наблюдается в диапазоне скоростей распространения усталостной трещины от 0,1 до 2 мкм/ цикл.

На 2-й стадии РУТ соблюдается прямолинейная зависимость между скоростью распространения усталостной трещины и и размахом коэффициента интенсивности напряжений АК, предложенная Пэрисом:

На 2-ой стадии распространения усталостной трещины у пластичных металлических материалов часто наблюдается бороздчатый рельеф на поверхности разрушения (рис. 37 и 38). Однако у тугоплавких ОЦК - металлов эта стадия роста трещин может быть связана с смешанным характером разрушения. На рис. 39 видно, что в сплаве хрома усталостная трещина на 2-й стадии распространяется в основном межзеренно с отдельными участками вязкого разрушения.

2.2.5. Стадия ускоренного распространения усталостной трещины

3- н стадия ускоренною распространения усталостной трещины