1.2.5 Влияние частоты нагружения

При испытании в условиях комнатной температуры и отсутствия коррозии с ростом частоты испытания несколько возрастают величины пределов выносливости и число циклов до разрушения образцов. Увеличение частоты от 30...50 до 1000 Гц приводит к повышению пределов выносливости на 10...20%. Имеются два фактора, которые могут способствовать этому явлению. Во-первых, долговечность может быть связана с величиной пластической деформации в процессе каждого цикла изменения нагружения, а при высоких частотах это время мало для того, чтобы произошла деформация, так что результирующее повреждение может быть меньше. Этот эффект имеет более важное значение при высоких температурах. Во-вторых, известно, что атмосферная коррозия снижает предел выносливости некоторых материалов; более значительного понижения следует ожидать при низких частотах. Еще одним фактором является повышение температуры материала с увеличением частоты циклического нагружения [2].

1.2.6 Влияние концентрации напряжений

Концентрация напряжений в металлических материалах, связанная с надрезами, канавками, отверстиями или другими дефектами, как правило, приводит к снижению предела выносливости. Необходимо отметить, что усталостная трещина сама по себе является надрезом, вызывающим высокую концентрацию напряжений. В области концентратора повышается локальное напряжение в материале. Фактическое напряжение у вершины концентратора σmax значительно больше номинального σн. Отношение σmax/σн=ασ называется теоретическим коэффициентом концентрации напряжений при их упругом распределении.

Снижение пределов выносливости при наличии концентратора напряжений оценивается эффективными коэффициентами концентрации:

Кσ = σR /σRк , (3)

где σR – предел выносливости образца без концентратора, σRк – предел выносливости с концентратором напряжений.

Эффективные коэффициенты концентрации Кσ обычно имеют меньшие значения, чем коэффициенты концентрации при упругом распределении напряжений ασ. Оценить эту разницу можно с помощью коэффициентов чувствительности материала к концентрации напряжений:

qσ =(Кσ – 1)/(ασ – 1) (4)

При qσ =0 (Кσ= 1) материал не чувствителен к концентрации напряжений;

при qσ = 1 материал обладает полной чувствительностью к концентрации напряжений[2].

1.2.7 Влияние контактного трения

В практике часто циклической нагрузке подвергаются сопряженные детали машин. В этом случае из-за контактного трения поверхностные слои металла разрушаются. Еще в 1911 году Е. М. Иден и др. описали пример разрушения усталостных образцов не в наиболее напряженном сечении, как этого следовало ожидать, а в более массивном сечении – в местах контакта образца сцангой. Наличие контактного трения при циклическом нагружении в общем случае приводит к снижению циклической прочности изделий; процессы, развивающиеся при этом, названы фреттинг-коррозией или фреттинг усталостью.

Исследования показали, что на участках поверхностей, поврежденных фреттинг-коррозией, наблюдаются схватывание, абразивное разрушение, усталостные процессы, сопровождающиеся окислением и коррозией. В зависимости от условий нагружения, свойств материалов и окружающей среды один из перечисленных процессов является преимущественным и существенно влияет на долговечность работы соединения[2].

1.3 Диаграмма усталостного разрушения (периоды усталости)

Обобщенная диаграмма усталости для области низких амплитуд циклической деформации и больших долговечностей (так называемая чистая или многоцикловая усталость) разработана В. С. Ивановой. С учетом развития этой диаграммы и накопления новых экспериментальных данных ее можно представить в следующем виде (рис. 3). Не будем останавливаться на переходной области (диапазон напряжений между и σ_к), так как проведенный выше анализ показал, что и а_к в ряде случаев могут совпадать.

В диапазоне напряжений от σ_к до σ_w весь процесс усталости в зависимости от числа циклов нагружения можно разбить на ряд периодов и стадий. Процесс усталости в общем случае (для отожженных металлов) состоит из четырех основных периодов (рис.3): I — инкубационного, связанного с накоплением искажений кристаллической решетки; II — разрыхления, связанного с появлением нарушений сплошности металла (т. е. зарождением и развитием субмикроскопических трещин); III — развития микротрещин до макротрещин критического размера; IV — окончательного разрушения или долома. Рассмотрим более подробно процессы накопления повреждаемости в различных периодах усталости.[3]

Инкубационный период усталости

Согласно исследованиям, инкубационный период усталости можно разделить еще на ряд стадий, каждая из которых имеет свои специфические особенности (развитие процесса усталости по стадиям будет рассмотрено в основном на примере железа и малоуглеродистой стали с о. ц. к. решеткой).

Стадия циклической микротекучести (с первого цикла нагружения до линии 1, рисунок 3).

На этой стадии с первых циклов нагружения наблюдается деформация, которую можно обнаружить с помощью высокочувствительного тензометра или электронной аппаратуры. Однако обычные механические свойства (предел текучести, длина площадки текучести, микротвердость и др.) на этой стадии не изменяются.

Как показали электронномикроскопические исследования на просвет, проведенные на образцах из малоуглеродистой стали, на стадии циклической микротекучести, как и на стадии микротекучести при статическом растяжении, по всему объему материала протекает микропластическая деформация, связанная в основном с увеличением плотности дислокаций по границам зерен, генерированием отдельных дислокаций исходными субграницами и образованием дислокаций в перлите на границах раздела феррит— перлит[3].

Наиболее важной особенностью поведения металла на стадии инкубационного периода является то, что в первых циклах нагружения наблюдается более интенсивная пластическая деформация поверхностного слоя металла глубиной порядка размера зерна.

Рисунок 3 – Схема обобщенной диаграммы усталости:

1 – линия начала макроскопического течения; 2 — линия окончания макроскопическога течения; 3 — линия начала образования субмикроскопических трещин; 4 — линия начала образования микроскопических трещин (линия Френча); 5 — линия начала катастрофического разрушения (долома); 6 — кривая усталости; —напряжение нижнего разрыва; σ_к—критическое напряжение усталости; – циклический предел текучести; – циклический предел упругости; N_k – критическое число циклов; N_ω – базовое число циклов.

На основании данных рентгеноструктурного анализа с использованием послойного удаления металла, опытов по изучению влияния поверхностных слоев на эффект Баушингера и результатов по определению плотности дислокаций в области микротекучести следует, что поверхностные слои металла на этой стадии усталости претерпевают пластическую деформацию, большую, чем внутренние объемы. В работе в поверхностных слоях циклически деформированного образца на стадии циклической микротекучести была обнаружена полоса скольжения, длина которой ограничивалась одним размером зерна. В работе было показано, что на отдельных участках поверхностных зерен, в упругой области статического деформирования, может наблюдаться пластическая деформация, достигающая 1%.

Таким образом, к окончанию стадии циклической микротекучести (протяженность стадии от 10² до 10⁴ циклов при напряжении равном пределу усталости) все сечение материала претерпевает небольшую микропластическую деформацию (порядка 10^-3—10^-4%), а в поверхностном слое зерен образуется слой металла с повышенной плотностью дислокации[3].

Стадия циклической текучести (область между линиями 1 и 2, рисунок 3).

При определенном числе циклов происходит лавинообразное макроскопическое деформирование всего сечения материала. Начало стадии циклической текучести (наиболее четко эта стадия выражена у металлов и сплавов, имеющих физический предел текучести) связано с макроскопическим разупрочнением, т. е. с резким увеличением интенсивности «раскрытия» петли гистерезиса. Однако уже в процессе макроскопического разупрочнения элементарные объемы упрочняются, и это уменьшает скорость разупрочнения. Своеобразный характер изменения механических свойств малоуглеродистой стали (разупрочнение, сопровождающееся упрочнением) в процессе циклического деформирования на этой стадии вызван прохождением деформации Чернова — Людерса, т. е. процесса распространения пластически деформированных зон с подвижными дислокациями. Клеснилом и Лукашом для описания макроскопических процессов разупрочнения и упрочнения на стадии циклической текучести предложена аналитическая зависимость, которая хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

В малоуглеродистой стали стадия циклического течения связана с протеканием по всему объему материала макроскопической пластической деформации, которая характеризуется резким увеличением плотности дислокаций по границам зерен в перлите и вокруг включений, протеканием поперечного скольжения и началом формирования ячеистой дислокационной структуры с размером ячеек 0,8—1,5 мкм. На этой стадии может наблюдаться и разрушение цементитных пластинок в перлитных колониях и по границам зерен. В поверхностных слоях металла на стадии циклического течения образуются прямолинейные скопления дислокаций, которые при дальнейшем нагружении, по-видимому, способствуют образованию усталостных полос скольжения. После прохождения этой стадии в поверхностных слоях металла сохраняется более высокая плотность дислокаций [3].

Циклическое деформирование на стадии циклической текучести ведет к изменению некоторых физико-механических свойств: повышается микротвердость, уменьшается и затем полностью исчезают зуб и площадка текучести на кривых статического растяжения; снижается предел пропорциональности (который, однако, к концу этой стадии начинает вновь возрастать); происходит изменение характеристик внутреннего трения, магнитных свойств и др. Следует отметить, что в зависимости от структурного состояния материала, вида нагружения и температурно-силовых условий деформирования может наблюдаться самое разнообразное изменение физико-механических свойств с началом макроскопической пластической деформации в условиях циклического нагружения. Кроме того, для материалов, не имеющих физического предела текучести в условиях статического деформирования, трудно отделить стадию циклического течения от последующей стадии циклического упрочнения.

Стадия циклического упрочнения (область между линиями 2 и 3, рисунок 3).

На стадии циклического упрочнения у отожженных материалов происходит дальнейшее повышение плотности дислокаций и формируется развитая дислокационная ячеистая структура. В поверхностном слое металла развиваются отдельные устойчивые полосы скольжения, в которых к окончанию этой стадии развиваются экструзии, интрузии и первые субмикроскопические усталостные трещины. На этой стадии продолжает возрастать твердость, условный предел текучести и мгновенный модуль упругости, а пластичность материала несколько снижается. Накопленная на этой стадии повреждаемость может быть устранена промежуточным отжигом. Стадией циклического упрочнения завершается инкубационный период усталостного процесса, связанный с существенными изменениями дислокационной структуры металла и его физико-механических свойств и зарождением первых поверхностных субмикроскопических трещин[3].

Период зарождения и развития субмикроскопических трещин до микроскопических размеров (область между линиями <3 и 4, рисунок 3)

В этом периоде усталости происходит постепенно увеличение числа поверхностных устойчивых поле скольжения, расширение этих полос и слияние отдельны субмикротрещин, находящихся в полосах скольжение в микротрещины, не превышающие размера зерна. Последующее циклирование практически не сказывается на их развитии, по-видимому, из-за процессов упрочнения и динамического деформационного старения зон металла, непосредственно примыкающих к этим полосам скольжения[3].

Во II периоде усталости происходит постепенное вовлечение новых объемов материала в интенсивное пластическое течение, пока вся поверхность материала не покроется большим числом (относительно равномерно распределенных) грубых полос скольжения, фактически являющихся микротрещинами длиной, равной размеру зерна. Окончание этого периода усталости связано с накоплением в материале необратимой повреждаемости и достижением линии Френча (кривая 4, рис. 3).

Период зарождения и развития субмикроскопических трещин связан с незначительным изменением физико-механических интегральных свойств материала, хотя в нем происходит перестройка дислокационной структуры в устойчивых полосах скольжения (за счет расширения полос скольжения и развития в них системы субмикроскопических трещин) и возникновения новых полос скольжения. К концу II периода усталости материал подготовлен к началу распространения магистральной усталостной трещины (или нескольких трещин[3]).

Период развития микротрещин до макротрещин критического размера (область между линиями 4 и 5, рисунок 3)

Начало этого периода усталости связано с переходом микротрещины через границу зерна и ее распространением в плоскости, перпендикулярной направлению приложенной нагрузки в условиях реализации плоскодеформированного напряженного состояния у вершины трещины. На этой стадии распространения трещины на поверхности разрушения наблюдается образование характерной полосчатости (бороздчатости), и трещина распространяется при низких значениях коэффициента интенсивности напряжения у ее вершины, соответствующей условиям плоской деформации.

В работе, проведенной на образцах из малоуглеродистой стали (0,04% С), показано, что условия плоской деформации у вершины усталостной трещины сохраняются до тех пор, пока угол между плоскостью разрушения и направлением приложенной нагрузки составляет 90—70 град. В этой области наблюдается образование только усталостной полосчатости; при угле 70-50 град, наблюдается смешанный вид разрушения (полосчатость чередуется с «ямочным» рельефом), а при угле 55—45 град. — лишь «ямочный» излом. Такая трансформация характера усталостного разрушения связана с переходом от плоскодеформированного к плоскому напряженному состоянию у вершины распространяющейся трещины. Эта смена напряженного состояния сказывается и на характере пластически деформированной зоны впереди трещины. В III периоде происходит прогрессивное снижение прочности и пластичности, электропроводности, магнитной проницаемости [3].

Период окончательного разрушения или долома (область между линиями 5 и 6, рисунок 3)

Начало этого периода связано с нестабильным ростом усталостной трещины. В работе показано, что на стадии окончательного разрушения напряжение долома является специфической характеристикой, которая в области многоцикловой усталости не зависит от уровня напряжений и исходной концентрации напряжений. Прочность при доломе близка к истинному напряжению отрыва. Следует отметить, что вплоть до разрушения плотность дислокаций в поверхностном слое остается выше. Непосредственное разрушение возникает тогда, когда раскрытие трещины достигает критического значения (при достижении критической длины и критической интенсивности напряжений). Эту характеристику вязкости разрушения широко применяют для оценки склонности к хрупкому разрушению пластических материалов. Разработаны методы определения вязкости разрушения по раскрытию трещины.

Выше были рассмотрены основные периоды и стадии усталостного разрушения в области многоцикловой усталости при напряжениях выше предела усталости.

Область циклического деформирования ниже предела усталости (так же как и область микротекучести при статическом нагружении) изучена недостаточно. Здесь можно выделить напряжение циклического предела текучести , при котором появляются полосы скольжения и наблюдается продвижение фронта Чернова — Людерса в условиях повторного растяжения. По-видимому, можно отождествить с «пределом чувствительности к циклическим напряжениям» — σ_L, ниже которого не наблюдается изменение энергии рассеяния с ростом числа циклов нагружения[3].