Закономерности и микромеханизмы зарождения и распространения усталостных трещин

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. Короткие трещины изучают при постоянной циклической нагрузке образца, тогда как малые трещины, как правило, изучают в области малоцикловой усталости при постоянной деформации (рисунок 9). Важно подчеркнуть, что различие коротких и малых трещин состоит в первую очередь в том, что они относятся к разным процессам разрушения материала [9].

Рисунок 9 – Схемы расположения различных по размерам трещин в материале по отношению к параметрам структуры (МНЦУ – многоцикловая усталость)

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. Существует предельная граница для уровня номинального напряжения, ниже которой возникающие усталостные (короткие) трещины не распространяются. Переход от коротких к длинным трещинам при увеличении уровня номинальных напряжений сопровождается постепенным уменьшением скорости роста трещин, а далее происходит вновь увеличение скорости. 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 присоединение рассматриваемой кинетической кривой для коротких трещин к известной зависимости скорости роста больших трещин от коэффициента интенсивности напряжения. Классификация трех видов трещин (рисунок 9) указывает на связь размеров трещин с особенностями влияния (или не влияния) структурных параметров материала. Причем для малых трещин корректно использовать упругопластическую механику разрушения (УПМР), тогда как для длинных трещин используется линейная механика разрушения (ЛMP).

Рассмотрим некоторые механизмы.

Механизм слияния трещин рассматривает скопление группы краевых дислокаций у границы зерна или другого прочного препятствия. В таком случае трещина зарождается в результате слияния нескольких головных дислокаций скопления. При этом в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, действует растягивающее напряжение.

Механизм зарождения микротрещин. Модель основана на движении скоплений дислокаций в двух пересекающихся плоскостях в металлах с ОЦК-решеткой, в которых две дислокации могут взаимодействовать с образованием дислокационной поры. Трещина зарождается, когда присоединяются следующие дислокации и, вливаясь в пору, увеличивают ее.

В процессе усталости образуется значительное число вакансий при пересечении дислокаций и при скольжении дислокаций с порогами. Расчет показал, что концентрация вакансий при усталости в зернах армко-железа, достаточна для образования микропор. Применение вакансионного механизма вызывает затруднение в области низких температур вследствие подавления в этих условиях процессов диффузии точечных дефектов.

Зарождение трещин по границам ячеек и субзерен. Некоторые исследователи полагают, что зарождение усталостных трещин происходит по границам субзерен при достижении критической разориентации между соседними объемами ячеек.

Период зарождения усталостных трещин, так же, как и в случае статического деформирования, можно разделить на три основные стадии.

1. Стадия циклической микротекучести;

2. Стадия циклической текучести;

3. Стадия циклического упрочнения (разупрочнение). Стадия циклического упрочнения бывает у пластичных металлов и сплавов, а стадия циклического разупрочнения – у высокопрочных металлических материалов. На этой стадии наряду с процессами деформационного упрочнения наблюдается развитие образования субмикротрещин[9].

Эти стадии хорошо наблюдаются в условиях нагружения с постоянной общей амплитудой деформации за цикл. В случае испытаний с постоянной амплитудой пластической деформации за цикл, не имеющих физического предела текучести, период зарождения усталостных трещин может сразу начинаться со стадии деформационного упрочнения или разупрочнения.

Дата добавления: 2015-08-31