Лабораторная работа № 6 Усталостные изломы

Нагрузки могут быть: статическими, динамическими и циклическими.

Детали машин и транспортных механизмов чаще всего испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или по знаку (или по тому и другому). Например, коленчатые валы, оси железнодорожных вагонов, лопатки турбин и т.д.), при этом напряжения могут быть ниже предела текучести, но из-за того, что они постоянно накапливаются, разрушение может казаться внезапным.

Усталость – постепенное накопление повреждений под действием циклически изменяющихся напряжений, приводящих к усталостному разрушению. Усталостный или динамический излом образуется и распространяется в конструкциях, подвергающихся знакопеременным нагрузкам (чередующиеся растяжение и сжатие, знакопеременный изгиб). Возникающие при этом циклические переменные напряжения могут быть ниже предела текучести материала. Чтобы усталостная трещина распространялась, нужно, чтобы в ее окружении действовали растягивающие напряжения.

Формирование усталостных изломов включает 2 стадии:

1. Зарождение усталостной трещины.

2. Распространение усталостных трещин.

1
Рис. 6.1. Схема распространения усталостного излома на I и II стадиях: 1 – экструзии, интрузии, полосы скольжения.	Рис. 6.2. Усталостный излом с бороздками, исходящий от поры (дефекта), расположенной внутри изделия. х22

Усталостные изломы начинаются вблизи или на поверхности, при этом возникают полосы локального скольжения, а на поверхности изломов обнаруживаются характерные выступы (экструзии) и впадины (интрузии). Выступы и впадины можно обнаружить только при помощи растровых электронных микроскопов (РЭМ) (рис. 6.3, 6.4).

Рис. 6.3. Схематическое изображение образования выпуклостей (экструзий) и впадин (интрузий) в металлических материалах под действием усталостной нагрузки: 1- экструзии; 2- интрузии; 3- поверхность; 4- полосы скольжения	Рис. 6.4. Следы экструзии, образовавшейся на начальной стадии развития усталостного излома на поверхности образца после 1000 циклов переменной нагрузки, х 3000

Зародышевые трещины образуются в местах сужения под углом 45° к направлению растягивающего напряжения в области 1-2 зерен. Затем трещина распространяется перпендикулярно поверхности, и с каждым циклом нагружения излом продвигается вперед на определенное расстояние, при этом на обеих поверхностях разрушения остается последовательный ряд полосок, называемых усталостными бороздками (рис. 6.5). Они представляют собой линии остановки усталостных трещин. Эти трещины проявляются на изломах как узкая начальная область разрушения. Возникновение начальных трещин облегчается при наличии на поверхности концентраторов напряжений, которые могут быть результатом повреждений от механической обработки, неметаллического включения (рис. 6.6).

	1 2 3
Рис. 6.5. Схема распространения хрупкого усталостного разрушения железа: 1-направление продвижения излома	Рис. 6.6. Схема усталостного излома: 1-зона долома; 2- усталостные бороздки; 3- очаг зарождения усталостной трещины

Расположенные параллельно усталостные бороздки возникают вследствие циклических изменяющихся нагрузок. Усталостные бороздки возникают вследствие последовательного растяжения и сжатия боковых поверхностей и трещин. При растяжении трещина продвигается вперед, при двухстороннем сжатии у вершины трещины происходит пластическая деформация, которая затем проявляется в виде образовавшихся усталостных бороздок. Их профиль зависит от величины и характера нагрузки и от способности материалов к пластическому течению.

На рисунке 6.7.а,б показано влияние номинального напряжения и формы образцов. Линии рисунка внутри образца указывают на направления распространения трещин, эти линии параллельны макроскопическим следам разрушения. Для образцов с надрезом известен и ряд других усталостных разрушений, имеющих в ряде случаев частичный характер, но при распространении трещины возможно опасное уменьшение поперечного сечения. Искривленные линии указывают на распространение фронта излома. Усталостные изломы распространяются, как правило, в сопровождении локальной микро пластической деформации.

а

б

Рис. 6.7. Макроскопическое рассмотрение усталостных изломов (а) и различные виды поверхностей усталостного разрушения (светлые участки) и поверхностей долома (темные участки); линии внутри рисунка указывают на направление распространения трещин

При каждом цикле изменения нагрузки у вершины трещины имеет место сильная, но весьма локальная пластическая деформация; протекает она транскристаллитно. Поликристаллический характер структуры определяет тот факт, что фронт разрушения претерпевает локальное разделение – многократное ветвление. При этом образуется большое количество микроскопически видимых параллельно расположенных следов разрушения (рис. 6.8).

Профиль отдельных усталостных бороздок зависит от природы материала и от величины и характера нагрузки. Согласно модели по Лейрду и Смиту, усталостная бороздка возникает вследствие последовательного расширения и сжатия боковых поверхностей трещины. При расширении трещина продвигается, при двустороннем сжатии пластически деформированный материал у вершины трещины подвергается сплющиванию, которое впоследствии проявляется в виде образования полосатой структуры (бороздок) (рис. 6.9).

Рис. 6.8. Схема усталостного излома: I- Макроскопическое направление распространения излома; II- вторичные трещины; III – усталостные бороздки; 1-13 –полосы разрушения

Рис. 6.9. Распространение усталостного разрушения на второй стадии. Участки, обозначенные двойными стрелками (в,г) указывают, что возникающие полосы скольжения имеют большую ширину, характерную для этой стадии: а- ненагруженное состояние; б- небольшая растягивающая нагрузка; в- максимальная растягивающая нагрузка; г- небольшая сжимающая нагрузка; д- максимальная сжимающая нагрузка; е- небольшая растягивающая нагрузка.

Основная классификация изломов

В зависимости от характера зарождения, механизма развития и энергоемкости магистральной трещины изломы подразделяются на 3 вида:

1 - транскристаллитные (зарождение и развитие трещин безотносительно к границам зерен, т.е. пересекая плоскость зерен);

- интеркристаллитные (зарождение и развитие трещин идет по границам зерен).

2 - хрупкое и вязкое разрушение (вязкое – со значительной пластической деформацией, предшествующей разрушению, хрупкое – с отсутствием пластической деформации до разрушения).

3. - специальные виды разрушения (прилагаемая нагрузка сочетается с воздействием окружающей среды), изменение температуры, воздействие химически активных веществ, циклический характер нагружения.

Усталостный излом относится к специальным видам разрушения и очень распространен при реальной эксплуатации изделия. Образуется в 3 этапа:

1. Увеличение активности и количества дислокаций и их движение в направлении, перпендикулярном нагрузке.

2. Формирование рельефа (экструзии, интрузии) на поверхности образца.

3. Зарождение и развитие усталостной трещины:

- подрастание трещин до критического размера и уменьшение фактического поперечного сечения изделия;

- долом изделия.

Отличительным признаком усталостного разрушения является наличие параллельных полосок различной конфигурации, расположившихся безотносительно к элементам структуры материала. Эти усталостные разрушения отличаются от других видов изломов (серпантинное скольжение) при вязком разрушении пластичных материалов.

Характер зарождения и развития трещины определяется преимущественно исходной структурой и материалом.

Поликристаллические материалы с большеугловыми границами, а также с выделением избыточных фаз по границам зерен, более склонны к интеркристаллитному разрушению (рис. 6.11).

Транскристаллитное разрушение в большинстве случаев является предпочтительным, поскольку ему соответствует большая энергоемкость развития трещины.

Материалы с интеркристаллитным разрушением используются в изделиях с повышенным критерием осколочности (образование большого количества травмобезопасных осколков при разрушении).

Рис. 6.11. Распространение трещин в металле с зеренной структурой: а- внутризеренная трещина, х400; б- межзеренная трещина, х400; в- межзеренная термическая трещина, РЭМ, х 800
Рис. 6.12. Микроструктуры вязкого (а) и хрупкого транскристаллитного (б) усталостных изломов: а- х 1000; б- х 1150