Распространение усталостной

Рис. 43. Распространение усталостных трещин в зависимости от прочности микроструктурных барьеров и амплитуды циклических напряжений

По-видимому, остаточные внутренние напряжения, возникающие при формировании покрытия, играют двоякую роль при возникновении и распространении усталостных трещин. Если в покрытии и приповерхностных слоях основного металла имеются сжимающие остаточные напряжения, то они увеличивают долговечность, задерживая зарождение и распространение усталостных трещин. При образовании напряжений растяжения (что происходит чаще), неблагоприятных с точки зрения конструктивной прочности, разрушение образца ускоряется вследствие усиления напряженности состояния и инициирования трещинообразования.

Распространение усталостных трещин в тонких пластинах сопровождается переходом к переориентировке всей поверхности излома под углом около 45° к плоскости пластины еще до начала быстрого разрушения. Развитие трещины происходит в условиях перемещения берегов трещины по типу /:ш при одноосном растяжении. Такая же ситуация реализуется в случае комбинированного не одноосного нагружения тонкой пластины, т. е. она не зависит от условий внешнего воздействия, а присуща поведению материала в некотором диапазоне толщины испытываемой пластины. Происходит самоорганизованный переход через точку бифуркации, когда материал стремится понизить затраты энергии на реализуемый процесс разрушения и использует для этого большую работу пластической деформации, которая имеет место при продольном сдвиге. Доказательством сказанного являются результаты известных экспериментов, например [77-79]. На участке перехода от преимущественно плоского к переориентированному под углом около 45° излому отмечается небольшое снижение темпа роста трещины. Ее величина может даже оставаться постоянной. Это отмечается в алюминиевых, никелевых и титановых сплавах, что свидетельствует о едином поведении системы в виде пластины с развивающейся в ней усталостной трещиной. С увеличением длины трещины снижается степень стеснения пластической деформации вдоль фронта трещины, доля плоской поверхности излома по сечению уменьшается, что позволяет реализовать большую работу пластической деформации перед продвижением трещины.

Распространение усталостных трещин в любом материале происходит последовательно на разных масштабных уровнях. Принято разделять масштаб реализуемых процессов роста трещины, вводя представления о коротких, малых и длинных трещинах [1-12]. Короткие трещины изучают при постоянной циклической нагрузке образца, тогда как малые трещины, как правило, изучают в области малоцикловой усталости при постоянной деформации (рис. 3.1). Важно подчеркнуть, что различие коротких и малых трещин состоит в первую очередь в том, что они относятся к разным процессам разрушения материала. Короткие трещины развиваются от поверхности при возможно самых низких уровнях коэффициента интенсивности напряжения, тогда как малые трещины развиваются в области малоцикловой усталости при высоком уровне номинального (или эквивалентного) напряжения (рис. 3.2). Существует предельная граница для уровня номинального напряжения, ниже которой возникающие усталостные (короткие) трещины не распространяются (рис. 3.2е). Переход от коротких к длинным трещинам при увеличении уровня номинальных напряжений сопровождается постепенным уменьшением скорости роста трещин, а далее происходит вновь увеличение скорости (рис. 3.2я). При малых размерах начальные трещины могут останавливаться и не распространяться в материале. После некоторого нарушения монотонности в изменении скорости коротких трещин по мере возрастания длины трещины происходит присое-

Распространение усталостных трещин, как было отмечено выше, происходит с участием всех трех мод раскрытия берегов трещины, однако процесс подрастания трещины на II стадии описывается на основе представлений о доминировании роли процессов скольжения в разрушении материала. Это относится

По мере увеличения длины трещины и интенсивности напряженного состояния в связи с возрастанием коэффициента интенсивности напряжения происходит уменьшение числа мезотуннелей и упорядоченное чередование процессов разрушения материала в мезотуннелях и перемычках между ними. Фактически рассматриваемая ситуация отвечает каскаду событий, образующих хорошо известное дерево Келли (рис. 3.36). Это еще одно свидетельство того, что распространение усталостных трещин имеет все признаки последовательности самоорганизующихся процессов разрушения, которые присущи эволюции открытых систем, находящихся вдали от положения равновесия.

ности на некоторую глубину при сохранении постоянной величины шага усталостных бороздок (каждая бороздка характеризует последовательно продвижение трещины за каждый цикл нагружения) [105, 109-115]. Поэтому в общем случае распространение усталостных трещин следует рассматривать в части описания кинетического процесса с помощью соотношения (5.32), начиная с некоторой глубины трещины а§- Далее рост трещины происходит в соответствии с соотношением (5.32), где коэффициент пропорциональности характеризуется следующим образом [105, ПО]:

Показатель деформационного упрочнения п', определяющий интенсивность протекания процесса пластической деформации материала, рассчитывают в соответствии с уравнением Коф-фина-Мэнсона (5.37). Он является основной константой, от которой зависит скорость роста усталостных трещин в области малоцикловой усталости при фиксированном уровне размаха пластических деформаций Дер/. Испытания, например, сплава 800Н при 700 °С со скоростью деформации ±4-10~3с~1 показали, что соотношение (5.35) достаточно точно позволяет оценить распространение усталостных трещин [112]. В результате обобщения экспериментальных данных по различным маркам нержавеющих сталей (8 марок) и жаропрочным сплавам (6 марок) установлено, что показатель степени при размахе пластической деформации изменяется в интервале 1-2 [ПО].

Итак, распространение усталостных трещин при постоянной деформации в полной мере описывается первым синергетическим уравнением и его коэффициент пропорциональности может быть сопоставлен с уровнем полной деформации. Применительно к длинным трещинам это означает, что в коэффициент пропорциональности при длине трещины входят в безразмерном виде номинальное напряжение во второй степени и упругие и пластические характеристики материала. Это также означает, что между константами уравнения Париса нет взаимно зависимой связи. Каждому этапу роста трещины соответствует свой показатель степени для длины трещины, величина которого на всей стадии формирования усталостных бороздок последовательно меняется от единицы к двум.

Оценка влияния на распространение усталостных трещин параметров структуры сплава ВТ6 (размера ос-зерна для глобулярной структуры и размера ос-колонии для пластинчатой структуры) показала, что они коррелируют с размером очаговой трещины и размером зоны пластической деформации в конце этой трещины. Влияние параметров структуры на величину KIS, а также на показатель степени при КИН не выявлено.

Распространение усталостных трещин реализуется одновременно во всех зонах вдоль ее фронта, которые в средней части фронта и у его границ наиболее принципиально отличны друг от друга по напряженному состоянию материала, как это было показано в главе 3. Влияние внешних параметров воздействия на рост трещин по этой причине различается в этих зонах разрушаемого материала. Одна из зон прилегает к поверхности, где разрушение материала происходит в условиях сочетания продольного сдвига и отрыва (III + I), а другая находится в срединной части материала, где при разрушении доминирует нормальное раскрытие берегов трещины.

цов данных размеров KfC или Kjfc - при условии максимального стеснения пластических деформаций и разрушения нормальным отрывом. Кц-с является параметром трещиностойкости материала, как и статическая вязкость разрушения по Ирвину, и не зависит от формы испытанного образца, если усталостное разрушение произошло в условиях плоской деформации, но зависит от температуры испытания и некоторых других факторов. Распространение усталостной трещины на этой стадии связано с основными микро- и макромеханизмами разрушения (рис. 41), хотя также мохут наблюдаться усталостные макробороздки.

ся и развиваются в приповерхностных слоях покрытия, а затем переходят в основной металл. При испытании образцов с никелевым покрытием наблюдается другая картина. В интервале малых изгибающих напряжений отмечается некоторое повышение усталостной прочности, происходит локальное отслаивание участков покрытия. Авторы работы [11] объясняют это установлением только механических связей никелевого покрытия с основным металлом, а химическое взаимодействие при этом отсутствует. Незначительное уменьшение усталостной прочности образцов вследствие нанесения на поверхность плазменного покрытия из окиси алюминия отмечено в работе [57]. Предел усталости стали 40 на базе 109 циклов понижается со 190 до 170 МПа, а стали 12Х18Н10Т на базе 108 циклов — со 195 до 175 МПа. Зарождение и распространение усталостной трещины начинается от границы «основной металл — покрытие».

Частота нагружения f также влияет на распространение усталостной трещины. Скорость ее приблизительно обратно пропорциональна f (п>0). Это объясняют [120] уменьшением петли гистерезиса при увеличении частоты. Совместное влияние коррозионной среды (3,5 %-

одноосного нагружения путем изгиба, растяжения или изгиба с вращением образцов. Однако тензометрирование в полете воздушных судов гражданской авиации [12] указывает на существенную роль двухосного напряженного состояния с переменным соотношением компонент главных напряжений от одного этапа полета к другому. Может одновременно меняться частота, форма цикла, температура окружающей среды и прочее. Следовательно, в эксплуатационных условиях необходимо осуществлять управление ростом трещин в условиях многокомпонентного или многопараметрического воздействия. Реакция материала на это воздействие в виде скачка трещины в цикле нагружения становится интегральной характеристикой энергетических затрат в условиях многопараметрического воздействия. Перейти в такой ситуации от информации о поведении материала в лабораторных условиях опыта к условиям эксплуатационного нагружения можно только на основе теории подобия. Поведение материала подобно, если сохраняется неизменным ведущий механизм усталостного разрушения при разнообразном сочетании условий внешнего воздействия. Фактически речь идет о рассмотрении поведения материала как некоторой самоорганизующейся системы, когда в ней происходит распространение усталостной трещины. Самый важный для практики принцип самоорганизации состоит в том, что до достижения некоторых критических условий несущая способность материала с развивающейся усталостной трещиной остается неизменной. Следует, правда, оговориться, что речь идет об области многоцикловой усталости. В такой постановке вопроса необходимо использование нового научного направления — синергетики, созданного Хакеным [13,14] и развиваемого применительно к анализу поведения металлов В. С. Ивановой [15,16]. Указанное научное направление изучает открытые системы, эволюция которых во времени происходит при непрерывном обмене энергией с окружающей средой в направлении уменьшения энтропии. Переходы от одних способов протекания процессов эволюции к другим реализуются дискретно в соответствии с упорядоченной иерархией процессов самоорганизации. Обмен энергии реализуется на разных мае-

Рентгеновская дефектоскопия, основанная на современных томографических подходах к воспроизведению состояния внутренних частей замкнутого объема, существенно повышает достоверность результатов неразрушающего контроля. Состояние поверхности, как и расположение отдельных частей внутренних объемов конструкции или блока элементов, может быть зафиксировано в момент контроля без искажения взаимного расположения всех элементов. Однако даже в этом случае возможно влияние чисто психологических особенностей восприятия информации при проведении контроля. Так, например, в полете самолета DC-9 оторвался хвостовой обтекатель вместе с дверью эксплуатационного люка задней герметической перегородки [120]. Самолет совершил удачную посадку спустя 38 мин после происшествия, причиной которого явилось возникновение и распространение усталостной трещины с разрушением задней герметической перегородки кабины. Происшествие произошло 17 сентября, а 5 мая того же года было выполнено полное регламентное обслуживание самолета, включая рентгеновскую дефектоскопию зон, где произошло усталостное разрушение. Снимки находились в документах контроля и были подвергнуты анализу. Оказалось, что на снимках видны трещины и в доку-

Процесс циклического нагружения элемента конструкции в условиях эксплуатации сопровождается постепенным накоплением повреждений в материале до некоторого критического уровня, который может быть охарактеризован с привлечением различных методов и средств исследования. Выбор средств определяется применяемыми критериями в оценке самого предельного состояния и его фактической реализацией к рассматриваемому моменту времени, как это было рассмотрено в предыдущей главе. Даже при отсутствии в детали трещины можно с большой достоверностью утверждать, что после длительной наработки в эксплуатации последующее после проверки нагружение может вызвать быстрое зарождение и далее распространение усталостной трещины. Оценка состояния материала с накопленными в нем повреждениями и прогнозирование последующей длительности эксплуатации до появления трещины, установление периодичности контроля за состоянием детали подразумевают использование структурного анализа на базе физики металлов. Это подразумевает обязательное применение методов механики разрушения для оценки длительности роста трещины и обоснования периодичности осмотров на всех стадиях зарождения и распространения трещин. Однако многопараметрический характер внешнего воздействия на любой элемент конструкции делает неизбежным введение в рассмотрение процесса накопления повреждений в конструкционных материалах с позиций синергетики, следовательно, возникает новое представление о процессе распространения трещин. Всю совокупность затрат энергии внешнего воздействия, вызвавших разрушение элемента конструкции, интегрально характеризуют: достигнутое на определенной длине трещины предельное состояние, единичная реализация процесса прироста трещины и сформированная в результате этого поверхность разрушения.

Роль окружающей среды в протекании процесса пластической деформации у вершины трещины проявляется через концентрацию водорода, которая возрастает в непосредственной близости к этой вершине. Это наиболее близкая к реальной ситуации схема повреждения материала, которая используется для описания влияния агрессивной среды на ускорение процесса разрушения. В соответствии с соотношением (2.23) критическое раскрытие трещины уменьшается при увеличении интенсивности воздействия среды в момент перехода к нестабильному разрушению. Вместе с тем распространение усталостной трещины в коррозионной среде сопровождается ее ветвлением как по телу зерна, так и по границам зерен или иным структурным элементам [94]. Предельное состояние наступает одновременно по нескольким локальным вершинам трещины в каждом сечении вдоль всего ее фронта. В этой ситуации предельное состояние достигается при существенно иной интенсивности напряженного состояния материала, чем без ветвления мезотрещин вдоль макровершины трещины.

Распространение усталостной трещины связано с формированием трех зон пластической деформации [8, 14, 26-33]. В сечении перпендикулярно плоскости формируемого излома они имеют вид (рис. 3.9).

Стабильное распространение усталостной трещины происходит до тех пор, пока выполняется условие постоянства плотности энергии деформации, что в соответствии с теорией Си реализуется до тех пор, пока не реализовано предельное состояние — вязкость разрушения материала, т. е. когда выполняется условие Kt = KIC. Такая ситуация реализуется в процессе распространения усталостных трещин в условиях постоянства деформации. Однако даже в этом случае предельное состояние соответствует циклической, а не статической вязкости разрушения материала.

В уравнение (4.25) учитывается свойство среды, в которой происходит распространение усталостной трещины при произвольном уровне одноосного циклического нагружения без асимметрии цикла в тестовых условиях опыта, через модуль упругости и безразмерный коэффициент пропорциональности Cf. Введенный коэффициент характеризует условие энергетического баланса в каждый из моментов времени нагружения. Он заключается в сохранении постоянства выделения энергии на разрушение единицы объема материала вдоль фронта трещины перед ее вершиной.

Применение синергетики к анализу эволюции открытой системы, которой является элемент кон-струкции-окружающая среда, для описания кинетических закономерностей развития усталостных трещин связано с необходимостью многопараметрического анализа структуры управляющих параметров. Распространение усталостной трещины происходит в материале, при описании свойств которого используются различные характеристики среды — металла.