Внутризеренного скольжения

системы между двумя соседними точками бифуркации нарастает действие одного механизма разрушения и ослабление другого механизма. В этом случае может нарушаться принцип однозначного соответствия, поскольку в некоторых случаях оказывается невозможно непрерывно сохранять одни и те же признаки эволюции системы без их кардинального изменения. Примером такой ситуации может служить формирование несплошности по границам зерен на фоне внутризеренного разрушения материала. Переход от доминирования одного из указанных видов разрушения к другому при наличии обоих процессов эволюции на одном и том же масштабном уровне может служить свидетельством нарушения принципа однозначного соответствия.

Таким образом, развитие усталостных трещин в различных материалах при возрастающей асимметрии цикла нагружения не нарушает последовательности процессов разрушения и ведущей роли тех из них, которые соответствуют определенным масштабным уровням в соответствии с иерархией, присущей всем материалам. Последовательное возрастание асимметрии цикла сопровождается двумя эффектами. Доминирующую роль в развитии трещин начинает играть процесс внутризерен-ного разрушения с понижением масштабного уровня и возвращением к сдвиговым механизмам на микроскопическом масштабном уровне, что приводит к появлению псевдобороздчатого рельефа излома. Существует пороговая асимметрия цикла нагружения, при достижении которой развитие внутризеренного разрушения может быть реализовано только на микроскопическом масштабном уровне вплоть до нестабильности процесса роста трещин. В случае чувствительности границ

Пороговая частота нагружения (со/)р, при которой происходит переход от внутризеренного к межзеренному разрушению сплава, зависит от температуры окружающей среды. Испытания высокопрочной стали HS 188 показали, что при температуре 600 °С и частоте 0,1 Гц переход от внутри- к межзеренному разрушению происходит в области скоростей более 10~6м/цикл, тогда как при частоте 1 Гц и температуре 850 °С этот переход происходил в области скоростей роста трещины более 10~5 м/цикл [30]. Снижение частоты нагружения сопровождалось переходом к межзеренному разрушению в области меньших температур при достижении меньшей скорости роста трещины. В области внутризеренного разрушения имели место эквидистантно расположенные кинетические кривые для разных частот и температур испытания.

больше распространяться по границам зерен. Выдержка под нагрузкой добавляет в этот процесс ускорение по нарастанию доли межзеренного разрушения. Испытания компактных образцов из сплава Inconel 718 при 650 °С с синусоидальной формой цикла частотой 20 Гц, треугольной формой цикла 0,1 Гц (10с) и трапецеидальной формой цикла в интервале выдержек под нагрузкой 10-300 с показали постепенное нарастание доли межзеренного разрушения от 15 до 65 % [60]. Переход от треугольной к трапецеидальной форме цикла с той же продолжительностью в 10 с приводил к возрастанию с 15 до 25 % доли межзеренного разрушения. В этом случае имеет место влияние на среднюю скорость роста трещины совместно процесса порообразования по границам зерен от ползучести и процесса внутризеренного разрушения с формированием усталостных бороздок. Их шаг в полной мере характеризует длительность процесса роста трещины в элементе конструкции, однако оценка факторов влияния на реализованный процесс должна быть проведена с учетом влияния выдержки под нагрузкой по соотношениям (7.15), (7.17) и по соотношению, предложенному в работе [60]. Во втором случае нагружения материала в области выше критических условий влияние изменения частоты нагружения, выдержки под нагрузкой и температуры не изменяет механизма формирования усталостных бороздок. С увеличением температуры их шаг нарастает в связи с различными процессами разрастания затупления вершины или нарастанием пор перед вершиной (см. рис. 7.12). Однако их количество полностью характеризует количество циклов нагружения образца, а следовательно, и разрушенного в эксплуатации элемента конструкции. Поэтому оценка длительности роста усталостных трещин по числу усталостных бороздок является корректной для практики. В этом случае может быть проведена оценка уровня эквивалентной деформации или напряжения по соотношениям, представленным в главе 4 настоящей книги. Решение прямой задачи моделирования роста трещин в условиях многофакторного воздействия оказывается более сложной проблемой. Необходимо использовать вид уравнения с различной величиной показателя степени у длины трещины на основе испытания образцов для различных материалов.

Развитие большей из выявленных в дисках трещин, имевшей размеры около 20 мм по поверхности и 7,5 мм в глубину, и трещины глубиной около 2 мм еще в одном диске определялось механизмом вязкого внутризеренного разрушения материала. В изломе большей трещины фрагменты хруп-

Трещины, ориентированные по направлению к внешнему контуру диска, развивались при реализации вязкого внутризеренного разрушения материала с формированием псевдобороздчатого рельефа излома без признаков усталостных бороздок или фасеточного рельефа. Такой рельеф излома отвечает разрушению материала в области МНЦУ при СРТ не выше 0,05 мкм/цикл. Траектория развития трещин к внешнему контуру дисков указывает на то, что разрушение в таких случаях определялось преимущественно касательными напряжениями.

При развитии трещины от реборды в направлении ступичной части диска процесс разрушения материала развивался по-другому. Разрушение материала в области многоцикловой усталости было реализовано только в пределах очага разрушения размером около 0,5 х 0,2 мм, который располагался на внутренней поверхности задней реборды на участке контактного повреждения от взаимодействия с втулкой проушины лопатки (рис. 9.16). Микрорельеф излома в очаге представлял собой сглаженные, пересекающиеся между собой фасетки внутризеренного разрушения материала.

В пределах ступичной части излома диска были выявлены два типа рельефа: волнистый рельеф внутризеренного разрушения со следами выраженной пластической деформации материала в виде пересекающихся полос скольжения и усталостные бороздки. Зоны с усталостными бороздками представляли собой участки, окруженные волнистым рельефом, и их доля в изломе составила по площади около 50 %.

нагружения шаг бороздок возрос не более чем в (&s)nEP Раз по сравнению с шагом бороздок при треугольной форме цикла. Такая оценка хорошо согласуется с результатами испытаний образцов с поверхностными трещинами, материал которых не проявлял чувствительности к выдержке под нагрузкой (см. главу 7). Разница между коэффициентами (&З)ПЕР> полученными в том и другом случае, не превышает 17 %. Все это указывает на необходимость введения эквивалента повреждения материала при разных формах цикла. Помимо того, в рамках вязкого внутризеренного разрушения материала, не меняющего механизм разрушения при введении его выдержки под нагрузкой, при скоростях более (1-1,25) • 10~6 м необходимо еще учитывать реализацию тех механизмов разрушения, которые отличаются от механизма образования бороздок.

Результаты испытания дисков на обоих стендах показали, что в случае преимущественно вязкого внутризеренного разрушения титанового сплава ВТЗ-1 с формированием в изломе усталостных бороздок их шаг позволяет характеризовать СРТ при треугольной и трапецеидальной формах цикла нагружения. Однако при расчете периода роста трещины в диске по шагу бороздок надо учитывать с помощью коэффициента ky/§ отставание шага от СРТ. Это особенно важно при шаге выше 1 • 10~6 м. В случае использования в расчетах шага бороздок, сформированных в условиях, отличных

Фрактографическое исследование показало, что в зоне расположения насыщенной газом а-фазы материал диска имеет хрупкое растрескивание протяженностью несколько миллиметров вдоль поверхности диска параллельно и перпендикулярно излому (см. рис. 9.326). Вне пределов дефектного материала развитие трещины происходило с формированием квазихрупких фасеток внутризеренного разрушения, которые типичны для случаев развития разрушения в области МНЦУ. Признаков разрушения материала по границам фаз в изломе не наблюдалось.

Наоборот, понижение скорости испытания приводит к многочисленным межкристаллитным трещинам никеля технической чистоты при 1000°С и к хрупкому разрушению при 600 °С без существенной местной деформации. При 1000 °С и малой скорости растяжения (0,5 мм/ч) видимые следы скольжения в зернах отсутствуют, наблюдается межзерен-ная деформация; при скорости растяжения 280 мм/ч деформация по границам зерен частично подавляется вследствие интенсивного развития процессов скольжения в зернах в сочетании с рекристаллизацией деформированной структуры. Понижение скорости растяжения при 600 °С также приводит к уменьшению внутризеренного скольжения [1].

но-скоростного воздействия. Помимо этого очевидно, что изменение вязкости разрушения материала сопровождается не только изменением величины однотипных параметров рельефа, но дополнительно изменяются условия релаксации энергии за счет нарастания внутризеренного скольжения и потери когезивной прочности по плоскостям спайности.

Переход к разрушению элементов авиационных конструкций на заключительной фазе развития усталостной трещины может быть осуществлен в широком диапазоне температурно-скорост-ных условий нагружения. Возможны разнообразные ситуации по интенсивности напряженного состояния материала в зоне страгивания трещины применительно к широкому классу конструкционных материалов на основе железа, титана, алюминия, магния и никеля. Поэтому в условиях эксплуатации могут быть достигнуты ситуации с минимально реализованной вязкостью разрушения вплоть до межзеренного проскальзывания или, напротив, может произойти высокопластичное разрушение, в котором сочетаются процессы внутризеренного скольжения и межзеренной ползучести. Вся совокупность реализуемых таким образом ситуаций в условиях эксплуатации должна рассматриваться с единых энергетических позиций с привлечением карт или диаграмм областей устойчивого поведения материала [40-42].

Такие особенности разрушения типичны для титановых сплавов при СРТ менее 3-10~8 м/цикл, когда имеет место преимущественное разрушение материала путем внутризеренного скольжения. Этот механизм еще сильнее активизируется при высокой асимметрии цикла нагружения. При этом переход к нестабильному росту трещины может произойти прежде, чем создадутся условия для перехода к стадии формирования в изломе усталостных бороздок (см. рис. 6.10).

Таким материалом явился сплав Ti-1100, имеющий следующий состав: Ti, Al — 6 %, Sn — 2,8 %, Zr - 4; Mo - 0,4; Si - 0,45; О - 0,07 и Fe - 0,03 % максимум [64, 65]. Используемый режим термообработки приводит к среднему размеру (З-зерен около 615 мкм и размером а-колоний около 45 мкм. Испытания были выполнены на компактных образцах толщиной 10 мм при нагреве до 593 °С с вариацией частоты нагружения формой цикла, включая выдержку под нагрузкой 10 Гц: 10 с-10 с, 100 с-100 с, 10 с-150 с-10 с и 10 с-300 с-10 с. Оказалось, что при частоте 10 Гц и 10 с-10 с в области скоростей роста трещин более 10~7 м/цикл до КИН-м1/2 скорость выше для большей длительности цикла, а далее они совпадают. Оба других сопоставляемых по форме и длительности цикла нагружения дают почти одинаковый результат по скорости роста трещины. Выполненный фрак-тографический анализ показал наличие развитого внутризеренного скольжения без формирования усталостных бороздок с элементами межзеренного разрушения. При этом был сделан вывод о том, что процесс ползучести не играет заметную роль в исследованной области длительностей цикла нагружения при нагреве материала.

В зоне II последующего роста трещины (см. рис. 10.75, е) доминируют только фасетки излома со ступеньками от процесса интенсивного внутри-зеренного скольжения и едва выраженными участками ямочного рельефа. Причем глубина ямок очень мала. Дискретный переход ко второй стадии роста трещины связан с подавлением механизма формирования усталостных бороздок и доминированием внутри- и межзеренного скольжения. Это еще одно свидетельство быстрого по времени протекания процессов внутризеренного скольжения, которые не приводят к доминированию межзеренного повреждения материала.

скольжения еще доминирует. Этот факт указывает на отсутствие существенного влияния температуры на развитие процесса разрушения, вызывающего интенсивное порообразование по границам зерен. Исчерпание пластических свойств материала в процессе внутризеренного скольжения приводит к нарушению когезивной прочности с последующим вскрытием материала по плоскости скольжения в момент формирования поверхности разрушения. Такую ситуацию следует относить к высокой напряженности материала, когда облегченное

Рис. 5.4. Следы внутризеренного скольжения и ЗГП на углеродных репликах с поверхности образца, деформированного на 53%. Стрелками обозначены направления оттенения платиной

Температуре 1200° б составил 20 кгс/ммг, а при 1300° С —• 12 кгс/мм2, что ниже аналогичных свойств гомогенного сплава ВН-2А. Процесс деформации наиболее активно идет в менее прочном слое ВН-7 как путем внутризеренного скольжения, так и меж-зеренного проскальзывания.

В плакирующем слое существенных изменений не наблюдается; деформационный рельеф в стали Х18Н10Т так же, как при комнатной и умеренно повышенных температурах, характеризуется развитием скольжения внутри зерен. Следует, однако, отметить, что появление в слое кремнистого железа своеобразных складок при —40° С приводит к возникновению в материале плакирующего слоя грубого деформационного рельефа, развившегося на фоне внутризеренного скольжения и являющегося как бы зеркальным отображением деформационной структуры среднего слоя композиции. Это явление, по-видимому, связано со взаимным деформационным влиянием материалов основы и плакирующего слоя.

Деформационные микрорельефы в зоне сопряжения слоев композиции, испытанной при 200 и 20° С (рис. 132, д и е), практически не отличаются один от другого; деформационная структура при этом характеризуется развитием волокнистых и прямолинейных полос скольжения, типичных для составляющих композиции. При данном режиме испытаний по сравнению с деформированием при высоких температурах ослабляется роль межслой-ных поверхностей раздела. При растяжении в условиях пониженных температур в деформационной структуре испытанных композиций наблюдаются качественные изменения. Например, при —40° С деформация слоя кремнистого железа осуществляется путем внутризеренного скольжения, причем, как это видно из рис. 132, ж, полосы скольжения в кремнистом железе