Возникновение зародышей

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.

При циклическом нагружении металла в его решетке последовательно реализуются те же механизмы формирования диссипативных структур, что и в случае деформирования растяжением или сжатием [36-38]. Причем масштабы протекания процессов накопления повреждений определяют стадийность развития процесса разрушения, в том числе и стадийность процесса развития усталостной трещины. Возникновение усталостной трещины происходит на фоне сформированной полосовой дислокационной структуры (тип 9-10

Рассмотренные выше ситуации иллюстрируют логику последовательного уточнения периодичности эксплуатационного контроля лопаток по мере поступления информации об инцидентах, вызванных разрушениями лопаток по различным причинам. Вместе с тем наиболее распространенная ситуация в оценке длительности роста трещин связана с проведением экспертных оценок момента, а следовательно, и причины повреждения лопатки. Вопрос о попадании постороннего предмета в тракт двигателя или иного повреждения лопатки, что могло вызвать возникновение усталостной трещины, не является очевидным. Наиболее типична такая неопределенность в ситуациях — при незначительном повреждении лопатки, деформации ее пера, которое отсутствует, затертости очага разрушения или при множественном разрушении лопаток по нескольким ступеням компрессора.

Однако необходимо было оценить нагружен-ность картера из условия наличия в нем дефекта материала. Вертолет мог быть перегружен, и поэтому возникновение усталостной трещины могло иметь место не только потому, что в детали был дефект материала, но нагруженность вертолета могла быть также высокой и дополнительно повлиять на возникновение трещины.

из ремонта деталь вышла с коррозионной язвой, от которой сразу же в процессе эксплуатации стала распространяться усталостная трещина. Относительная живучесть детали составляет 1700/19658 = = 0,086 или 8,6 % от общей наработки детали. Это согласуется с тем, что основное нагружение картера осуществляется в области многоцикловой усталости, для которой характерно развитие усталостной трещины в пределах 5-10 % от общего периода циклического нагружения. Без коррозионной язвы относительная живучесть (доля периода роста трещины) была бы еще меньше, что характерно для области долговечности более 108 циклов нагружения, что соответствует области сверхмногоцикло-вой усталости. Следовательно, при реализованной наработке возникновение усталостной трещины в редукторе не может иметь место при существующей низкой амплитуде переменных нагрузок.

Если представить зависимость предельных напряжений (omm и ffmax), не вызывающих усталостных разрушений, от среднего напряжения цикла (<тт) графически (рис. 9,6), то нетрудно увидеть, что симметричный цикл нагружения с некоторым значением максимальных растягивающих напряжений (точка 2) вызывает возникновение усталостной трещины в вершине концентратора. Однако даже несколько большие максимальные напряжения цикла (точка 4) могут оказаться безопасными при асимметричном цикле напряжений и не вызвать усталостного разрушения в вершине трещины.

Установление на основе анализа ряда исследований этой особенности распределения остаточных напряжений позволило И. В. Кудрявцеву предложить следующую схему перераспределения напряжений при образовании усталостной трещины (рис. 10), объясняющую остановку развития усталостной трещины в этом случае. Если представить эпюру распределения •остаточных напряжений в поверхностно наклепанной детали с концентратором напряжений кривой / (рис. 10, а), а эпюру распределения растягивающих напряжений от внешней нагрузки — кривой 2, то эпюра суммарных напряжений изобразится кривой 3. Суммарные напряжения в этом случае имеют максимум у вершины концентратора. Возникновение усталостной трещины при таком характере распределения суммарных напряжений и распространение ее на глубину h вызовут перераспределение напряжений (рис. 10,6). Эпюра остаточных напряжений (кривая /) останется без изменения, так как появившаяся трещина, полностью лежащая в области сжимающих напряжений, не вызовет разгрузки прилегающей к ней зоны. Растягивающие напряжения от внешней нагрузки будут сняты на всей глубине h трещины, а максимум их переместится к вершине трещины (кривая 2). Перераспределение суммарных напряжений (кривая 3) приводит к тому, что их величина у вершины трещины оказывается существенно более низкой, чем соответствующее суммарное напряжение у вершины концентратора до появления трещины. Иными словами, напряженное состояние в опасной зоне с образованием трещины становится более благоприятным, чем до ее образования.

жения. Эта закономерность объясняется тем, что возникновение усталостной трещины обусловлено достижением амплитудой относительного скольжения определенной величины, которая, в свою очередь, определяется главным образом амплитудой переменного напряжения и почти не зависит от среднего напряжения цикла.

Последнее обстоятельство позволяет построить схему распределения напряжений в образце (рис. 51) и определить действительные напряжения, необходимые для распространения усталостной трещины. Пусть для гладкого образца радиусом ОА (рис. 51, а) прямая ОБ представляет собой эпюру изгибающих напряжений, максимальное значение АВ которых соответствует пределу выносливости гладкого образца. Прямые ОС и OD — эпюры номинальных изгибающих напряжений, максимальные значения АС и AD которых соответствуют минимальным значениям пределов выносливости образцов того же радиуса с надрезами различной глубины (t\ и t2). Отрезок АЕ характеризует действительное напряжение aatfi, вызывающее возникновение усталостной трещины в-обоих рассматриваемых образцах. Для этих образцов теоретический коэффициент концентрации напряжений различен (так как различны отношения АЕ/АВ и AE/AD). Равенство действительных напряжений в надрезе для

Возникновение усталостной трещины у неметаллического включения в высокопрочных сталях происходит из-за того, что возле него образуется зона объемного напряженного состояния, стесняющего пластические деформации. В некоторых случаях причиной возникновения усталостной трещины может быть повышенная хрупкость самого неметаллического включения. При этом, чем большим запасом пластичности обладает матрица основного металла и чем глубже под поверхностью располагается включение, возле которого возникает усталостная трещина, тем большее максимальное напряжение цикла необходимо для ее развития. В этом случае выражение для определения

Зарождение трещин. Возникновение усталостной трещины не обязательно начинается на поверхности детали. Иногда трещина зарождается внутри детали в том месте, где металл имеет какой-нибудь дефект, скажем, инородное мелкое включение или раковину.

Поверхность раздела между образующейся твердой и исчезающей жидкой фазами создает энергетический барьер при гомогенном возникновении зародышей, для преодоления которого необходима флуктуация энергии, равная A.FK. Поэтому энергетически более выгодно возникновение зародышей твердой фазы в кристаллизующейся жидкости преимущественно на готовых межфазных поверхностях. Такими поверхностями при гетерогенной кристаллизации могут быть поверхности твердых частиц, всегда существующие в технических расплавах.

Каталитическое влияние готовых поверхностей раздела фаз на возникновение зародышей зависит от действия факторов, усиливающих или ослабляющих этот эффект. На процесс гетерогенной кристаллизации влияет краевой угол между подложкой и находящимся на ней зародышем твердой фазы, так как от значения этого угла зависит соотношение поверхностных энергий между зародышем и сосуществующими фазами. Значение краевого угла определяется такими факторами, как близость структур кристаллических решеток подложки и твердой фазы зародыша, а также химическая природа поверхности подложки.

Кинетика диффузионного превращения. Диффузионное превращение происходит по механизму «образование зародыша и рост новой фазы». Этот тип превращения подчиняется тем же общим закономерностям, что и процессы кристаллизации жидкости (см. гл. 12). Существуют некоторые особенности, связанные с твердым состоянием исходной и образующейся фаз и относительно низкой температурой превращений. Образование зародышей критических размеров сопровождается увеличением свободной энергии системы, равным /3 поверхностной энергии зародышей (остальные две трети компенсируются уменьшением объемной свободной энергии). Возникновение зародышей обеспечивается в результате флуктуационного повышения энергии в отдельных группах атомов. При превращении в сплавах образуются фазы, отличающиеся по составу от исходной, поэтому для образования зародыша необходимо также наличие флуктуации концентрации. Последнее затрудняет образование зародышей новой фазы, особенно если ее состав сильно отличается от исходной. Другой фактор, затрудняющий образование зародыша новой фазы, связан с упругой деформацией фаз, которая обусловлена различием удельных объемов исходной и образующейся фаз. Энергия упругой деформации увеличивает свободную энергию и, подобно поверхностной энергии, вносит положительный вклад в баланс энергии. Критический размер зародышей и работа их образования уменьшаются с увеличением степени переохлаждения (или перегрева) по отношению к равновесной температуре 7*р*, а также при уменьшении поверхностной энергии зародыша.

Кинетика выделения фаз при распаде твердых растворов. Распад с выделением фаз происходит по механизму образования и роста зародышей в соответствии с общими закономерностями этого механизма. Помимо затрат выделившейся объемной свободной энергии на приращение поверхностной энергии и компенсацию энергии упругих деформаций, образование зародышей тормозится еще и необходимостью больших флуктуации концентрации. Поэтому для начала распада требуются большие степени переохлаждения (пересыщения) и длительные выдержки при соответствующих температурах. В то же время при данных температурах должны заметно развиваться процессы диффузии растворенных компонентов. Общая скорость образования новой фазы в зависимости от степени переохлаждения описывается кривой с максимумом. Чем больше степень переохлаждения, тем меньшие размеры имеют устойчивые зародыши, способные к росту. В координатах температура — время процесс описывается С-образной кривой. В реальных металлах возникновение зародышей облегчается наличием дефектов кристаллического строения.

Взаимодействие кислорода с поверхностью металла: характеризуется несколькими стадиями. Установлен следующий ряд элементарных актов окисления: образование свежей поверхности металла; адсорбция молекулярного кислорода на поверхности металла с последующей диссоциацией на атомы и—их хемосорбция;; возникновение зародышей оксидов на локальных участках поверхности; формирование и рост сплошной пленки: оксида.

При неправильном режиме ТМО, когда развитие процесса рекристаллизации не удается остановить, на границах зерен вместо зубцов наблюдается возникновение зародышей новых зерен. При этом устраняется эффект повышения длительной прочности. Время до разрушения после ТМО при правильном режиме может возрастать в несколько раз. Например, упрочнение хромоникельмарганцовистой аустенитной стали при

В энергетических агрегатах наиболее часто реализуется пузырьковое кипение. Различают три фазы этого процесса: возникновение зародышей паровых пузырьков, рост этих пузырьков и отрыв пузырьков от поверхности нагрева. Частота образования пузырьков и взаимодействие между ними являются характеристиками процесса кипения,

Вычисленные по этому уравнению размеры устойчивых зародышей паровых пузырьков для жидких металлов, органических жидкостей, спиртов и воды были сопоставлены с результатами обработки экспериментальных данных по кипению этих жидкостей. Установлено, что 'во всех экспериментах центры парообразования располагаются на неровностях поверхности, обусловливающих возникновение зародышей строго определенных размеров, соответ-

При капельной конденсации, присущей преимущественно несмачивающим стенку жидкостям, возникновение зародышей капель происходит взрывообразно в местах разрушения тончайшей микропленки молекулярных размеров, свойства которой отличны от свойств жидкости в объеме. Размеры критического зародыша жидкости в виде сферической капли удовлетворительно согласуется с размерами зародыша парового пузырька, определяемого уравнением

Возникновение зародышей новой фазы следует рассматривать как процесс постоянного дорастания зародышей до критических размеров. Кристаллики (накипеобразователи) должны непрерывно поступать к зародышу. Следовательно, этот процесс характеризуется некоторой вероятностью.

В тех случаях, когда примесные частицы неподвижно располагаются на поверхности и возникновение зародышей происходит между примесными частицами, а не на поверхности стенки, температура частиц, как и окружающей жидкости, будет выше температуры насыщения на величину, определяемую иа уравнения (1):