Зарождение микротрещин

трещины, с другой - модель Пэриса используется только для расчета распространения трещины на среднем участке кривой циклической трещиностойкости. Поэтому, на наш взгляд, более правильным является комбинированный подход к решению данной задачи - использование модели Коффина - Мэнсона на этапе до зарождения усталостной трещины, и модели Пэриса - на стадии ее развития. Кроме того, использовать модель Пэриса без проведения дополнительных исследований по разрушению реальных труб некорректно в связи с неоднозначностью в определении начала стадии неконтролируемого развития разрушения. Для реальных трубопроводов эта стадия разрушения протекает, как правило, по вязкому механизму (вязкий долом), и прямое использование линейной механики разрушения не представляется возможным. Поэтому более правильным, на наш взгляд, является использование для прогнозирования этой стадии модели, предложенной Кейфне-ром и др. [135], использовавших соотношения линейной и нелинейной механики разрушения. Данный подход и был использован для обработки результатов усталостных испытаний.

ческой трериностойкости. Поэтому, на наш взгляд, более правильным является комбинированный подход к решению данной задачи - использование модели Коффина - Мэнсона на этапе до зарождения усталостной трещины и модепи ТЬриеа на стадии развития трещины. Даша.Л подход был использован для обработки результатов усталостных испытаний трубной стали 17Г1С в условиях, моделирующих натурные (катодная "оляризация. среда). В результате проведенных исследований с использованием компьютерной обработки экспериментальных данных было установлено, что с увеличением, по абсолютной величине, значения наложешюы потенциала величина показателя степени модели Коффина - Мэнсона уменьшается с 0.61 для потенциала 0,0 В, НВЭ (отключение катодной завиты) до 0,48 для потенциала минус 0.68 В, НВЭ (катодная поляризация) (;ис. 2.3), что объясняет ,ве-лкчение времени до зарождения трещины. На этапе развития трещины. при таком же изменении потенциала (см. табл. 2.1), отмечается увеличение скорости роста трещины и показателя степени модели Пэ-риса. Последний эффект объясняется результатами проведенных экспериментов по определению водорода, доказавших, что с уменьшением

включений в образцах из низкоуглеродистой стали Ст.З (а, б); дислокационная структура у неметаллического включения на стадии циклической текучести (в) и схема зарождения усталостной трещины

Начало распространения трещины является критической ситуацией для материала и тем более для элемента конструкции. Она отвечает точке неустойчивости, после которой снижается рассеивание в оценках усталостной прочности по критерию зарождения усталостной трещины. Они тем более достоверны, чем больший размер трещины использован в оценке долговечности. Однако степень неопределенности в оценках ресурса В С остается, в том числе и потому, что после достижения критической длины трещины происходит быстрое,

Рис. 1.15. Диаграммы (а) циклического разрушения материалов и (б) относительной их живучести по стадиям: I — необратимой повреждаемости; II — зарождения трещины; III — роста трещины; IV — полной долговечности, связанной с разрушением материала; V — повторно-статическим разрушением; [27]; (в) зависимость относительного периода зарождения усталостной трещины N; / NfOT размаха напряжений, До, в образцах из алюминиевого сплава 2024-ТЗ для длины распространения трещины 0-15 мм при различных радиусах р в вершине концентратора глубиной h [26]; (г) рассеяние экспериментальных данных по зависимости длины усталостной трещины от числа циклов нагружения стальных образцов (С — 0,21; Сг — 0,21; Мп - 0,47; Си - 0,21; Сг - 0,09 %) при двух уровнях напряжения [97]

Исследования литейного алюминиевого сплава Al-Mg-Si (6082) со средним размером зерна 155 мкм путем изгиба образцов 7x12x60 мм были проведены для сопоставления влияния состояния поверхности образцов на длительность периода роста усталостных трещин [101]. Были испытаны образцы с поверхностью непосредственно после литья (SC) и с полированной поверхностью (SP). Полировку осуществляли в две стадии: шлифовкой пастой с размером абразива 3 мкм и затем электрополировкой. Изучение зоны зарождения усталостной трещины при последовательной наработке в испытаниях образцов показало, что период роста трещины до достижения длины на поверхности около 100 мкм составил 35-65 % для полированных и 2-10 % для неполированных образцов. Поэтому были проведены расчеты периода роста трещин по формуле механики разрушения от их начальных размеров 6 и 45 мкм до критической длины ас = 3 мм. Оказалось, что для долговечности образцов (2-3)-105 циклов имеет место почти совпадение расчета периода роста трещины с полной долговечностью (рис. 1.19). Далее наблюдается все большее расхождение расчетного периода роста трещины и долговечности образцов. Фактически для гладкой поверхности образца независимо от степени ее поврежденности (полированная и неполированная поверхность) имеет место резкая смена в условиях зарождения и роста трещины в районе длительности нагружения 105 циклов. Меньшие долговечности отвечают области малоцикловой усталости, и для нее весь период циклического нагружения связан с развитием усталостной трещины. Большие долговечности связаны с постепенным возрастанием периода зарождения усталостной трещины.

ния R, но также и концентрацией напряжений в зоне зарождения усталостной трещины. С возрастанием радиуса в вершине надреза происходило снижение относительной живучести при возрастании долговечности с одновременным увеличением периода роста трещины. Поэтому при оценке доли периода роста трещины в изменяющейся долговечности необходимо рассматривать коэффициент пропорциональности уравнения (1.24) как характеристику одновременно уровня номинального напряжения и состояния поверхности детали. Это особенно важно применительно к элементам конструкции ВС, поскольку многие из них подвергаются поверхностному упрочнению.

Как показали результаты испытаний панелей с отверстиями из алюминиевого сплава 7075-Т6, упрочняющая обработка отверстий позволяет существенно продлить период зарождения усталостной трещины [108]. Испытанию подвергали панели под действием спектра нагрузок с переменной амплитудой, характерной для условий работы верхних панелей крыла самолета. Было показано, что 70 % долговечности соответствует периоду зарождения трещины. Однако даже в этом случае длительность периода роста трещины была достаточно велика, чтобы часть ее можно было использовать для осуществления безопасной работы конструкции с развивающейся трещиной.

Рис. 1.25. Зависимость (а) суммарного сигнала АЭ от числа циклов нагружения любого элемента конструкции с (б) ее совмещением с изменением уровня напряжения в сосуде под давлением [129,130], а также сопоставление для двух марок стали (в), (г) закономерности изменения сигналов акустической эмиссии со скоростью роста усталостной трещины [131]. Первое изменение угла наклона Oi, указанной в (а), (б) зависимости отвечает моменту зарождения усталостной трещины

зарождения усталостной трещины в области многоцикловой усталости.

Существование зависимости процесса роста трещины одновременно от двух параметров цикла нагружения в виде размаха и максимальной величины КИН подтверждается анализом условий зарождения усталостной трещины с точки зрения анализа комбинации пороговых величин (Ki)tf, и (&Ki)th [26, 27, 28]. В зависимости от асимметрии цикла нагружения у всех материалов имеет место гиперболическая зависимость между пороговыми КИН в связи с изменением асимметрии цикла нагружения (рис. 6.9). Существует пять классов материалов по чувствительности размаха КИН к положительной асимметрии цикла. Первый класс характеризуют материалы, у которых пороговый размах КИН не зависит от асимметрии цикла в интервале 0 < R < 1. Материалы со второго по четвертый класс имеют снижение размаха КИН до достижения некоторой пороговой величины асимметрии цикла. Далее достигнутая пороговая величина КИН (Л/Q остается неизменной. К пятому классу относятся материалы, у которых пороговый КИН возрастает при увеличении асимметрии цикла нагружения.

свойств сталей показало, что их пластические и вязкие свойства, а отсюда и возможность упрочнения зависят от чистоты стали, содержания примесей внедрения (азот, кислород, водород) и неметаллических включений. Примеси внедрения, т. е. элементы, образующие с железом твердые растворы внедрения, создавая местные искажения, затрудняют движение дислокаций. Пластическая деформация при этом затруднена, и в местах скопления неподвижных дислокаций облегчается .зарождение микротрещин.

В.З. Партоном и В.Г. Борисковским [18] проведен анализ экспериментальных данных последних лет по динамике трещин, выявивший колебательный характер трещины в различных твердых телах (в том числе в металлах и полимерах), ветвление трещин на различных масштабных уровнях, скачкообразное изменение скорости трещины, опережающее зарождение микротрещин и другие эффекты. Это позволило авторам развить новую концепцию динамического разрушения, сформулировать задачи динамический механики разрушения и установить отличие ее подходов от квазистатической механики. Предмет динамической механики разрушения включает решение следующих задач:

В условиях циклического деформирования могут наблюдаться те же механизмы зарождения трещин, которые свойственны и другим видам нагру-жения: механизм слияния дислокаций, механизм заторможенного сдвига, механизм вскрытия полосы скольжения, механизм Коттрелла - зарождение микротрещин на пересечении полос скольжения, образование субмикротре-щин на краю субграницы, образование трещин при взаимодействии двойников, возникновение микротрещин на поверхностях раздела. Во многих случаях невозможно провести четкую грань между различными вариантами и исключить еще серии механизмов, не укладывающихся ни в один из названных. На рис. 22 - 25 представлены некоторые механизмы зарождения усталостных трещин на стадии деформационного упрочнения. В сплавах железа зарождение усталостных микротрещин часто происходит в устойчивых полосах скольжения по сдвиговому механизму (рис. 26).

Точное определение этих локальных напряжений представляет значительную сложность. Однако, необходимо иметь в виду, что часто суммарные местные напряжения могут превосходить предел текучести, а иногда даже и предел прочности и, отличаясь цикличностью, предопределяют зарождение микротрещин или их ускоренное развитие.

Зарождение микротрещин и их рост трактуются с позиций . дислокационного механизма. Изменение характеристик деформации и разрушения металлов при понижении температуры объясняется температурной зависимостью напряжения, необходимого для преодоления дислокациями препятствий (примесных атомов, границ зерен, вакансий и т. д.).

На рис. 3 приведена температурная зависимость предела прочности на разрыв гомогенных и трехслойных образцов сплава Х20Н78Т. С увеличением температуры испытания одинаково снижается прочность обоих материалов и свойства трехслойных образцов во всем диапазоне температур остаются несколько ниже свойств гомогенного сплава. На рис. 4 приведены типичные деформационные структуры композиционных образцов, испытанных в интервале 600—1200° С. Зарождение микротрещин наблюдалось в приграничной диффузионной зоне, размеры которой, как видно

щины. При этом процессом, определяющим разрушение композиции в данных условиях испытания, является зарождение микротрещин в зонах пересечения двойников друг с другом и межслойными поверхностями раздела, где создаются условия для возникновения высокой концентрации напряжений, обнаруживаемой по появлению типичных складок, отмеченных на рис. 132, з стрелками с черными кружками.

1 — область малоцикловой усталости (о*ь ^> о* ^> о^), в которой уже с первых циклов нагружения подводимая энергия расходуется на зарождение микротрещин;

В работах [1, 2 и др.], в которых исследована дислокационная структура монокристаллов ГЦК металлов, подвергнутых усталостному нагружению, локализация деформации и зарождение микротрещин наблюдаются в образованиях, называемых устойчивыми полосами скольжения (PSB). PSB образуются в приповерхностных слоях и могут распространяться в глубь кристалла. Изучение структуры PSB показало, что она неодинакова в разных сечениях; ближе к поверхности преобладает ячеистая структура, имеющая определенную направленность в сечениях, параллельных плоскостям {111} [6]. При увеличении степени пластической деформации PSB становятся местами зарождения усталостных микротрещин.

Образование PSB не всегда связано с каналами, так как локализация пластической деформации в виде жгутов обнаруживалась и вне каналов (см. рис. 3). В то же время за зарождение микротрещин при усталостных испытаниях могут быть ответственны не только PSB.

Эффект сочетания различных уровней напряжения состоит в ускорении или запаздывании зарождения трещины. Если продолжительность и уровень перегрузки вызывают только упрочнение материала в вершине концентратора, то происходит запаздывание процесса зарождения трещины. Если такое нагружение вызывает зарождение микротрещин в вершине концентратора, то процесс зарождения трещины ускоряется.