Прочность и разрушение материалов

3.7. Усталостные трещины. Бороздкиусталости

Под действием циклических нагрузок в результате циклических пластических деформаций могут образовываться трещины32,33. Даже если номинальные напряжения намного ниже предела упругости, локальные напряжения из-за наличия концентраций напряжений на включениях или механических повреждениях могут быть выше предела текучести, т.е. пластические деформации образуются локально.

Для объяснения зарождения усталостных трещин локальными пластическими деформациями было предложено несколько эквивалентных моделей31,34,35. Модель Вуда изображена на рис. 3.12. В течение той части цикла, когда нагрузка возрастает, на наиболее удачно расположенной плоскости происходит сдвиг. На падающей части цикла сдвиг в обратном направлении происходит на параллельной плоскости скольжения, поскольку сдвиг по первой плоскости затруднён механическим упрочнениемиокислениемтолькочтообразованнойсвободнойповерхности.

В этом первом цикле сдвига может произойти выдавливание либо вдавливание поверхности металла. При последовательных циклах в условиях непрерывно продолжающегося пластического течения вдавливание может перерасти в трещину. Если в процессе циклического нагружения напряжения остаются растягивающими, то этот механизм всё равно работает, по-

31Сапунов В.Т., Морозов Е.М. Сопротивление материалов распространению трещины при циклическом нагружении. – М.: МИФИ, 1978. – 69 с.

32Wood W.A. Recent observations on fatigue fracture in metals // ASTM STP. – 1958. – Vol. 237. – P. 110–121.

33Tetelman A.S., MacEvily A.J. Fracture of structural materials / N.Y.: John Wiley, 1967. – 697 p.

34Cottrel A.H., Hull D. Extrusion and intrusion by cyclic slip in copper // Proc. Roy. Soc. – A242. – 1957. – P. 211–217.

35Mott N.F. A theory of the origin of fatigue cracks // Ada Met. – 1958. – Vol. 6. – P. 195–197.

101

скольку возникающие при возрастании нагрузки пластические деформации во время разгрузки могут явиться причиной остаточныхсжимающих напряжений.

Поверхность

Выдавливание

Вдавливание

Рис. 3.12. Образование усталостных трещин. Модель Вуда

Усталостная трещина, однажды образовавшись, может расти за счёт обратного сдвига36. Несколько этапов роста усталостной трещины показаны на рис. 3.13. В поле растягивающих напряжений острая трещина вызывает образование больших концентраций напряжений при ее вершине, где очень легко может произойти сдвиг. В материале перед трещиной (этапы 1 и 2 на рис. 3.13) по одной из подходящих плоскостей скольжения в направлении наибольшего касательного напряжения может произойти сдвиг. Благодаря этому сдвигу трещина расширяется, одновременно увеличиваясь по длине. Теперь может произойти сдвиг в другой плоскости (этап 3). Механическое упрочнение и увеличивающееся напряжение окончательно ослабляют другие параллельные плоскости сдвига, что делает вершину трещины тупой (этап 4). На возрастающей части цикла трещина продвигается на величину l.

36 Forsyth P.J.E. A two stage process of fatigue crack growth // Crack propagation symposium, Cranfield. – 1961. – Vol. 1. – P. 76–94.

102

Раскрытие

Закрытие

l

Раскрытие

Закрытие

l

Рис. 3.13. Рост усталостной трещины

Пластическая деформация возникла в небольшом объёме, расположенном в области упругих деформаций. При разгрузке область упругих деформаций будет сжиматься, а ставшая слишком большой область пластических деформаций не будет более соответствовать своему окружению. Для того чтобы это соответствие не было нарушено, во время разгрузки участка цикла нагружения на область пластических деформаций со стороны упругой области действуют сжимающие напряжения. Эти сжимающие напряжения вновь будут превышать предел текучести, по крайней мере, в вершине трещины. Следовательно, здесь

103

имеет место обратная пластическая деформация, которая приведёт к сближению краёв трещины и восстановлению остроты её вершины (этап 5).

Циклическое расширение и сжатие трещины (этапы 1–5 и 6–7) приводят к образованию типичного рисунка – так называемой бороздки усталости, причём каждый новый цикл добавляетновую бороздку. Этибороздкина поверхности разрушениявиднывэлектронныймикроскоп.

На рис. 3.13 представлена модель образования бороздок, дающая общее представление о процессах притупления вершины трещины и восстановления её остроты. Бороздки представляют собой последовательные положения фронта трещины при её распространении. Расстояние между бороздками является мерой, определяющей степень распространения трещины за цикл.

Бороздки усталости лучше всего видны в алюминиевых сплавах. Для образования регулярной волнообразной структуры необходимо, чтобы имелось достаточно возможностей для пластического деформирования материала в окрестности вершины трещины, с тем чтобы выполнялось условие распространении её фронта. Бороздки должны иметь определённую длину, иначе их нельзя считать бороздками.

Для образования регулярной волнообразной структуры необходимо:

а) наличие большого количества систем сдвига и легкий сдвиг в поперечном направлении, чтобы образовать фронт трещины и сохранить его при прохождении через примыкающие друг кдругукристаллическиезёрна;

б) наличие более чем одной кристаллографической плоскости, по которой возможен рост трещины.

Если эти условия выполняются, то сдвиг, который происходит при расширении и сжатии трещины, может «приспособиться» к условиям фронта трещины, что даёт возможность образования хорошо различимых бороздок.

104

3.8. Образование трещин в материалах под действием окружающей среды

В начале 70-х годов XX века началось интенсивное развитие специального раздела механики разрушения, посвящённого вопросам трещиностойкости металлов и сплавов в условиях совместного воздействия коррозионных сред и длительных нагрузок. Первые исследования сопротивления росту коррозионных трещин с применением коэффициентов интенсивности напряжений касались длительного статического нагружения (коррозионного растрескивания). Было показано, что такие (традиционно считающиеся малоактивными) среды, как вода, спирты и т.п., вызывают докритический рост трещин в высокопрочных сталях при значениях коэффициента интенсивности напряжений K, существенно меньших вязкости разрушения KIc. В дальнейшем кардинальное воздействие коррозионных сред на докритический рост трещины было подтверждено и для ряда других высокопрочных сплавов. Коррозионные среды сильно снижают усталостную долговечность конструкционных материалов, в первую очередь – за счёт ускорения процесса распространения имеющихся трещин. Это свидетельствует о необходимости учёта влияния рабочих сред на усталостный рост трещин при инженерном конструировании.

На первых этапах развития механики коррозионного разрушения трещиностойкость при статических нагрузках обычно оценивали по зависимостям долговечности образцов с искусственными трещинами от значений коэффициента интенсивности напряжений в начальный момент испытания (K0, или KI0). При понижении K0 время до разрушения образцов увеличивается. На основании такой диаграммы определяется значение Kscc (или KIscc) – важный параметр системы «материал – среда» (обозначение KIscc связано с английскими словами stress corrosion cracking – коррозионное растрескивание под напряжением), позволяющий рассчитывать допускаемые напряжения в конструк-

105

ции, содержащей трещиновидные дефекты определённых размеров и подвергаемой совместному воздействию длительных статических нагрузок и коррозионных сред. Эта величина является структурно-чувствительным параметром, низкие его значения характерны для высокопрочных низкопластических материалов (для которых KIscc может быть в несколько раз меньше значения KIc). Co снижением прочности и повышением пластичности KIscc повышается (рис. 3.14) и достигает значения KIc, что свидетельствует о нечувствительности материала к воздействию коррозионной среды.

Рис. 3.14. Зависимость KIc (линия 1) и KIscc (линия 2) от предела текучести стали AISI 4340 при испытаниях

в морской воде (на рисунке показаны экспериментальные точки)

Долговечность образцов состоит из инкубационного периода и периода докритического роста трещин. Инкубационный период – это время от приложения к образцу нагрузки до начала докритического роста трещины, когда скорость превышает

4 10 10 мм/с. Этот период, наблюдаемый, например, при испы-

106

таниях пластичных материалов, зависит от начального коэффициента интенсивности напряжений и увеличивается с его понижением. Для высокопрочных металлов процессы, обусловливающие докритический рост трещины, локализованы в малой зоне у её вершины, где напряжённо-деформированное состояние определяется одним параметром – коэффициентом интенсивности напряжений. Поэтому основной расчётной формулой для определения времени докритического роста трещины служит зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений:

графиккоторойназываетсякинетическойдиаграммойразрушения.

Коррозионная трещиностойкость металлов и сплавов при циклическом нагружении оценивается, как правило, на основании кинетических диаграмм усталости, на которых, как и в случае испытаний в инертных средах, строится зависимость скорости распространения трещины как функции амплитудных значений коэффициента интенсивности K (иногда максимального значения коэффициента интенсивности за цикл нагружения Kmax). Из начального участка кинетической диаграммы определяют амплитудное пороговое значение KIscc исследуемой пары

«металл – среда» для определённых условий испытания (частота

иформа цикла нагружения).

Внекоторых случаях склонностью к коррозионному росту трещин обладают и сравнительно низкопрочные конструкционные материалы, для которых рекомендуется оценивать трещино-

стойкость с позиции нелинейной механики разрушения. В настоящее время в качестве такого подхода для изучения коррозионного растрескивания корпусных сталей применяется метод J-интеграла. Использование метода заключается в построении

кривых длительной трещиностойкости в координатах «на-

107

чальный уровень JI0 – время до разрушения». По аналогии с KIscc на основании такой зависимости определяется пороговое значение J-интеграла JIscc, под которым подразумевается максимальный уровень JI0 при отсутствии докритического роста трещины.

Основные типы кинетических диаграмм коррозионноусталостного роста трещин представлены на рис. 3.15. Из рисунка видно, что коррозионные среды могут существенно менять конфигурацию диаграмм, присущую испытаниям в инертной среде. Для сплавов, не склонных к коррозионному растрес-

в сторону более высоких скоростей роста. На диаграммах сплавов, чувствительных к воздействию длительных статических

нагрузок и коррозионных сред, при Kmax = KIscc наблюдается резкое ускорение роста трещины (рис. 3.15, б, в) с последующим

выходом на пологий или даже горизонтальный участок, в зависимости от того, какой вид диаграммы характерен для статического растрескивания данной системы.

lg

Рис. 3.15. Основные типы диаграмм коррозионно-усталостного разрушения. Пунктиром обозначены диаграммы в случае испытаний в инертной среде

108

Различают три основных механизма влияния коррозионных сред на трещиностойкость конструкционных материалов: адсорбционное понижение прочности, водородное охрупчивание и коррозионное растворение.

Адсорбция поверхностно-активных веществ на поверх-

ности высоконапряжённого материала в кончике трещины приводит к понижению поверхностной энергии и облегчению разрушения (эффект Ребиндера)37. Адсорбционное воздействие можно успешно использовать для повышения эффективности металлообработки.

Из трёх основных механизмов именно адсорбционное воздействие является доминирующим при больших значениях коэффициента интенсивности напряжений, когда в связи с высокими скоростями докритического роста трещины другие механизмы не успевают проявиться.

Хорошо известно, что влияние влаги на металлы приводит ккоррозии и разрушению. Эта проблема, возникшая уже тогда, когда человек научился выплавлять металл, приобрела в настоящее время особое значение в связи с многочисленными авариями и катастрофами, главной причиной которых было охрупчивающее действие влаги на высокопрочные стали. По современным представлениям, основным процессом, который ускоряет докритический рост трещин, приводящий к авариям, является водородное охрупчивание малойобласти вблизивершинтрещин.

Атомарный водород, всегда содержащийся в чистом или связанном с нейтральными молекулами виде (например, в рас-

37 Эффект Ре́биндера (адсорбционное понижение прочности) – изменение механических свойств твёрдых тел вследствие физикохимических процессов, вызывающих уменьшение поверхностной (межфазной) энергии тела. Проявляется в снижении прочности и возникновении хрупкости, уменьшении долговечности, облегчении диспергирования. Эффект открыт П.А. Ребиндером в 1928 году.

109

творах электролитов и воде), в результате диффузии способен проникать в любые металлы. Растворимость водорода при нормальной температуре и давлении составляет от 10 до 100 см3 на 1 кг металла, с ростом же температуры и давления растворимость существенно растёт. Охрупчивание наблюдается уже при концентрации 2 см3 на 1 кг металла, а с 10 см3 на 1 кг оно признаётся опасным. Наиболее уязвимым и для проникновения водорода являются малые участки новой поверхности металла, не защищённые плёнкой окисла.

Малые размеры зоны водородного охрупчивания во многих случаях позволяют вести расчёты докритического роста трещины, а значит, и долговечности металлической конструкции, взаимодействующей с водородом, исходя из зависимости скорости трещины от коэффициента интенсивности напряжений

– ddlt v K . Такая зависимость, называемая обычно диаграммой

растрескивания, определяется экспериментально или теоретически. Для теоретической оценки этой зависимости прежде всего проводятся расчёты накопления водорода в зоне предразрушения прилегающей к вершине трещины. На рис. 3.16 приведены

в течение нескольких секунд в зоне предразрушения достигается концентрация водорода С, существенно превышающая поверхностную концентрацию С0. Обычно предполагают, что при достижении критической концентрации водорода Сc на расстоянии хс перед вершиной трещины происходит локальное разрушение – и трещина скачком подрастает на величину хс. Используя расчётные кривые концентрации водорода, можно найти интервал между скачками, а затем рассчитать и среднюю скорость роста трещины.

110