Возникновения зародышей

Поскольку можно свести в единую картину различные наблюдения, процесс.возникновения усталостной трешины состоит из нескольких стадий (рис. 168). Трещины зарождаются на первых этапах нагружения в границах кристаллических объемов как результат пластических сдвигов пачек кристаллических плоскостей, параллельных действию максимальных касательных напряжений, т. е. направленных под углом примерно. 45° к растягивающим напряжениям (октаэдрические напряжения). В зависимости от ориентации кристаллитов сдвиги могут происходить в одной плоскости, одновременно по двум (рис. 168, III, а, 6) или трем (рис. 168, III, в) плоскостям.

Оценка уровня накопления повреждений в материале до момента возникновения усталостной трещины в настоящее время не может быть получена с требуемой для практики достоверностью [29-33, 58, 59]. Имеет место рассеяние экспериментальных данных для конструкционных материалов по определяемому моменту возникновения трещины, в том числе в результате экспериментальной процедуры проведения испытаний, включая и технологию изготовления образцов [28, 60-62]. Это связано

Аналогичная последовательность масштабных уровней характеризует эволюцию состояния металла в условиях его циклического нагружения. Возникновение усталостной трещины происходит в тот момент, когда микро- и мезомасштабные уровни накопления повреждений без зарождения трещины были последовательно реализованы. Поэтому длительность процесса возникновения усталостной трещины при неизменном уровне внешнего воздействия будет полностью определяться условиями накопления повреждений металла на всех масштабных уровнях.

пам синергетики приводит к необходимости определения каждого из критических состояний, как достижение точек бифуркации с дискретной сменой способа поглощения энергии. В первом приближении это означает, что переход через точку бифуркации, например, в момент возникновения трещины должен сопровождаться сменой управляющего параметра и параметра порядка, используемых в описании эволюции дислокационной структуры и характеризующих процесс накопления повреждений до указанного перехода (без нарушения сплошности металла). После возникновения усталостной трещины должен быть использован другой комплекс параметров в описании накопления повреждений в металле, в том числе и в связи с созданием свободной поверхности при подрастании трещины. Параметром порядка в этом случае является комплекс: усталостная трещина—эквивалентное напряжение. Достижение трещиной критической длины при реализуемом уровне эквивалентного напряжения характеризуется второй точкой бифуркации, определяющей момент глобальной деградации системы — полное разрушение элемента конструкции.

неизменной или пренебрежимо маловозрастающей величине KI > Kt/, в направлении роста трещины. В момент возникновения усталостной трещины материал меняет способ поглощения энергии в связи с дискретным переходом через первую точку бифуркации — начинается процесс нарушения целостности материала. Не имевший нарушений сплошности под действием циклической нагрузки до этого критического состояния, материал меняет способ накопления внутренней энергии, при котором она может быть полностью ре-лаксирована не только накоплением дефектов кристаллической решетки, но и путем создания свободной поверхности. Нагружение материала в области многоцикловой и, тем более, сверхмного-цикловой усталости позволяет реализовать первый скачок трещины на минимально возможную величину за единичный цикл нагружения.

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.

к более быстрому их накоплению (рис. 9.26). Такой характер накопления сигналов АЭ отражает момент возникновения усталостной трещины [13, 14]. Поэтому после фиксирования указанного перелома было дополнительно реализовано 300 циклов нагружения диска на стенде для достоверного фиксирования перелома на акустограмме. После демонтажа диска со стенда и контроля его всеми указанными выше методами неразрушающего контроля наличие трещины в диске не было подтверждено.

Диагностика дисков компрессоров ГТД методом акустической эмиссии позволяет регистрировать момент возникновения усталостной трещины в диске при разных формах цикла нагружения.

• нагружение в области многоцикловой усталости с частотой 12 Гц по треугольной форме цикла до момента возникновения усталостной трещины, который определяется по появлению трещины на боковой поверхности с предварительной регистрацией появления трещины по проволочному датчику, расположенному в зоне повреждения;

Вместе с тем необходимо учитывать тот факт, что усталостная трещина в лопатке возникла не от надрыва материала, а следовательно, имел место латентный период накопления повреждений и до возникновения усталостной трещины. При наличии концентратора напряжения в области многоцикловой усталости при сложнонапряженном состоянии материала период роста трещины составляет не более 30 % от долговечности детали (см. главу 1). На это указывают результаты экспериментов, представленные в первой главе книги.

рис. 27. Предположим, что на площади, изображенной на рис. 27, за секунду возникает пять зародышей, которые растут с определенной скоростью. К концу первой секунды образовалось пять зародышей, к концу второй секунды они выросли и одновременно с этим возникло еще пять новых зародышей будущих кристаллов. Так, в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации, который, как видно в данном примере, заканчивается на седьмой секунде.

В случае сильного перегрева металла, быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка (см. рис. 2, а). При низкой температуре литья, очень медленном охлаждении (например, в серединных слоях крупных отливок) создаются условия для возникновения зародышей кристаллов в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутренней части отливки структурной зоны 3, состоящей из равноосных, различно ориентированных дендритных кристаллитов (рис. 24). Размеры их зависят от степени перегрева жидкого металла, скорости охлаждения, наличия примесей и др.

Кристаллизационные трещины образуются, как правило, в сварном шве и реже в зоне полуоплавленных зерен. На рис. 12.45 представлены характерные места расположения горячих кристаллизационных трещин в сварном соединении. Подсолидусные трещины возникают в интервале температур второго минимума пластичности, расположенного ниже температуры солидуса. Сварной шов вследствие неравновесного процесса кристаллизации пересыщен дефектами кристаллической решетки, в том числе и вакансиями, которые при растяжении активно перемещаются к границам, расположенным перпендикулярно действующим усилиям. Такие скопления вакансий сильно ослабляют границы и создают предпосылки для возникновения зародышей разрушения. Необходимые условия для возникновения разрушения — межзе-ренная деформация или проскальзывание, возникающие как следствие воздействия термодеформационного цикла сварки. О наличии такого вида деформации свидетельствуют смещения кристаллизационных слоев на поверхности сварных швов (рис. 12.46). Смещения нередко сопровождаются значительной пластической деформацией в пограничных областях. Если по гра-

Капиллярные и контактные свойства межфазной границы кристаллизующая твердая фаза — маточный расплав в значительной мере определяют процессы возникновения зародышей твердой фазы и роста кристаллов, форму и распределение зерен и кристаллов выделяющейся твердой фазы; строение слитка, тип и структуру эв* тектических колоний [20—21].

. Условием начала эвтектической кристаллизации является одинаковая вероятность возникновения зародышей обеих твердых фаз 11, 21]. Фактором, наиболее сильно влияющим на этот процесс, является межфазная энергия атж (влияние через экспоненту —

Исследования структуры физически сорбированных слоев влаги на оксидах металлов показали, что в процессе адсорбции имеет место образование роев молекул. Для образца, содержащего количество воды, примерно равное монослою (по БЭТ), адсорбированная фаза представляет собой островки толщиной 2—3 молекулы воды. Только при наличии трех монослоев (по БЭТ) предполагается слияние островков, растущих тангенциально поверхности. В этом случае образование полимолекулярных слоев влаги аналогично явлению возникновения зародышей оксида при окислении чистых поверхностей металла в атмосфере кислорода.

Следует подчеркнуть, что излагаемые здесь соображения относятся к процессам дальнейшего роста уже образовавшихся пит-тингов и трещин. Что же касается механизма возникновения зародышей локальной коррозии, то он может быть обусловлен причинами как статистического, так и структурного характера^ требует отдельного рассмотрения.

Следовательно, для возникновения зародышей новой фазы необходимо развитие поверхностей таких размеров, которые бы обес^ печили возникновение поверхностного давления, достаточного для преодоления сил поверхностного натяжения.

Предположив, что процесс возникновения зародыша новой фазы не изменяет состояния исходной фазы, т. е. зародыши как бы извлекаются из исходной фазы в момент возникновения, и считая процесс флуктуационным, Фальмер [17] получил выражение для вероятности возникновения зародышей в виде

Так как в общем случае рассмотрение условий возникновения зародышей производится безотносительно к той или иной зоне жидкости, то, очевидно, что в первую очередь следует обратить внимание на те области, где образование таких поверхностей облегчается какими-либо внешними условиями. Сюда в первую очередь относится поверхность жидкости — граница со стенкой, через которую подводится тепло к жидкости. Это объясняется тем, что, с одной стороны, здесь создаются наиболее благоприятные температурные условия, а, с другой стороны, поверхность стенки и поверхность жидкости имеют сложную структуру.

Рассматриваются различные представления о влиянии поверхности на пузырьковое кипение жидкостей. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований с привлечением теории поверхностных явлений удается достигнуть определенного прогресса в изучении роли поверхности в процессе кипения. Особенно плодотворным оказывается анализ методами термодинамики различных стадий пузырькового кипения и особенно его первой стадии — возникновения зародышей паровых пузырьков. Такой анализ открывает новые широкие возможности дальнейшего изучения закономерностей влияния поверхности на кипение. В частности, совместное решение уравнений Лапласа—Гиббса и Клапейрона—Клаузиуса дает возможность определить размеры зародышей паровых пузырьков с учетом реальных размеров неровностей шероховатости поверхности парогенерирующих элементов установок и тем самым априорно определить возможную плотность центров парообразования и другие характеристики кипения жидкости на рассматриваемой поверхности.