в области А является шероховатость поверхности усталост­ ного разрушения по сравнению с более гладкими поверхно­ стями разрушения, отвечающими области В.

Условия внешней среды являются важным фактором, тес­ но связанным с проявлением чувствительности РУТ к микро­ структуре. В а-титане, (а/p)-титане, нелегированных мало­ углеродистых сталях, а также закаленных и отпущенных сталях не наблюдается образование меж- и внутризеренных фасеток на поверхности усталостного разрушения, если мате­ риалы испытываются в вакууме (~ 1 0 -5 мм рт. ст., или 1,33 мН/м2). В то же самое время зависимость кривых РУТ от R становится более слабой. В материалах, склонных к образованию внутризеренных фасеток, РУТ в вакууме (пунк­ тирная линия на рис. 1) осуществляется при больших уров­ нях значений Д/С и скорости РУТ меньше, чем в воздухе (рис. 5).

Исчезновение зависимости кривых РУТ в вакууме от R подтверждает представление о том, что образование фасе­ ток и зависимость кривых РУТ от /Стах некоторым образом связаны. Модель, объясняющая это явление [7], была полу­ чена в результате экспериментов с а-титаном, где наблюда­ лось, что образование фасеток и увеличение размера зерен приводят к более низким скоростям РУТ. Это наблюдение подтвердили результаты, полученные для. малоуглеродистых сталей, где увеличение размера зерен также приводило к уменьшению скорости РУТ [29]. Модель включает в себя бимодальную формулу, описывающую рост трещин, в кото­ рой одна часть зависит от Д/С, а другая — от /Стах- Для ма­ лых значений R следует ожидать существенной зависимости от /Стах, тогда как при больших R можно ожидать домини­ рующего влияния Д/С на кривые РУТ. Характер относитель­ ного влияния Д/С и /Стах может зависеть от микроструктуры и условий внешней среды. Однако количественное влияние этих факторов на кривые РУТ должно быть разделено.

ПОРОГИ

Из формы кривых зависимости da/dN от Д/С в области Л (рис. 1) следует, что скорость РУТ быстро падает при не­ значительных уменьшениях Д/С. Наличие такого поведения означает, что кривые будут иметь асимптоты при приближе­ нии к пороговому значению Д/С. На практике \Kth не оце­ нивается как интенсивность напряжений, ниже которой рост трещин не имеет места. В качестве значений, заменяющих Д/С/л, в большинстве случаев принимаются те значения Д/С, при которых скорость РУТ варьируется от 10”6 до 10~8 мм/цикл.

Экстраполяция кривых РУТ в область малых значений da/dN для получения А/С//г имеет очевидное неудобство, так как предполагает известной форму кривых РУТ. Кроме того, важно определить влияние истории нагружения и необходи­ мость аккуратных процедур последовательного спуска в об­ ласть малых скоростей во избежание сомнительных заклю­ чений.

Большинство пороговых значений было измерено при ис­ пытаниях на воздухе, иногда в вакууме и водной среде, и,

как правило, при частотах от 50 до 100 Гц и выше. Эти по­ роговые значения приведены в работах [30, 31]. Общие тен­ денции проявляются в зависимости пороговых уровней Д/С для многих материалов в воздухе от отношения R> так что ДKtn уменьшается с ростом /?, но при R > 0,5 зависимость становится очень слабой. Это наблюдение согласуется с от­ носительным влиянием ДК и /Стах на процесс РУТ, отмечен­ ным в предыдущей части. Соответствующее влияние Д/С и /Стах на уровень порога может быть учтено с помощью зна­ чения у:

наблюдалось, что пороговое напряжение достигается при noj стоянном значении максимального размера пластической зоны, определяемого соотношением

Для объяснения явления существования «порога» пред­ ложено несколько моделей. Пук [30] выдвинул гипотезу о том, что трещины не могут расти со скоростями ниже, чем одно межатомное расстояние за цикл нагружения. При этом предполагалось, что пороговые условия нераспространения трещин в сплавах алюминия, меди и магния могут быть опи­ саны выражением

Клеснил и Лукаш [35, 36] изучили поведение порога в ряде сталей и отметили важность истории нагружения. Они полагали, что зависимость порога от R может быть объяс­ нена путем рассмотрения сжимающих напряжений, возни­ кающих в результате образования пластической зоны вблизи конца трещины. Шмидт и Пэрис [37] предложили физиче­ ское объяснение порога и влияния значения /?, основанное на представлениях о закрытии трещин. Испытания а-титана при варьировании Д/С от 3 до 12 мн/м3/а показали, что коэф­ фициент интенсивности напряжений /Со, отвечающий пол­ ному разделению поверхностей трещины, больше /Cmin и что /Со тесно связан с /Стах. Для ряда испытаний, включающих различные последовательности нагружения и коэффициенты

закрытие усталостных трещин может быть существенным в областях РУТ с малыми скоростями, но не доказывают, что

Влияние упругих постоянных на уровни порогов, очевидно, проявляется в общей величине порогового напряжения для различных металлов и сплавов. Однако эффекты микрострук­ туры и размера зерен могут значительно изменить уровень порога для одного и того же материала. Наличие воздуха при испытаниях по сравнению с инертной атмосферой также влияет на уровень порога. Структурные особенности поверх­ ности разрушения, отвечающие порогам, трудно регистри­

руемы, но образование фасеток меж- и внутризеренного типа не очевидно при таких низких значениях Д/С. Ввиду разницы в условиях, контролирующих уровень порога в воздухе и ва­ кууме, можно ожидать некоторых четких различий в морфо­ логии поверхности разрушения. В вакууме у ~ 0, и ДK th

нечувствительно к изменению R, тогда как в воздухе для не­ которых материалов /Стах(гл) более существенно, чем ДK th - За­

висимость порога от /Стах, по-видимому, должна проявляться через скорость доступа внешней среды к концу трещины, зависящую, таким образом, от парциальных давлений пара и частоты нагружения. Ясно, что предсказание конкретных значений порога чрезвычайно затруднительно и что порого­

вый диапазон или Д/С/л должен использоваться в дополнение к таким переменным, как микроструктура, условия внешней среды, частота и закрытие.

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СКОРОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Согласно исходному предположению Париса и Эрдогана [41], многим металлам и сплавам свойственно проявление зависимости характеристик РУТ, которая может быть опи­ сана уравнением (1) для ограниченного диапазона значений Д/С. Рядом авторов [42—44] показано, что «обратное» пла­ стическое течение вблизи конца трещины является важным фактором, управляющим процессом продвижения конца тре­ щины. Оно приводит к образованию бороздок вблизи конца трещины на поверхности усталостного разрушения некото­ рых материалов. Пример морфологии поверхности разруше­ ния этого типа показан на рис. 12. Влияние микроструктуры и механических свойств на эту стадию РУТ хорошо изучено [45, 46]. Нижеследующие результаты и обсуждения относят­ ся поэтому главным образом к учету влияния коэффициента нагрузки и условий внешней среды на промежуточные скоро­ сти РУТ.

Сплавы алюминия, которые исследовались для получения пороговых данных, приведенных на рис. 10, были также ис­ пытаны при более высоких уровнях ДК, и кривые РУТ для сплава 7075 Т651 представлены на рис. 13. Результаты по­ лучены на 10-мм тонких образцах, испытанных во влажном воздухе (относительная влажность больше 90%) и сухом воздухе (относительная влажность порядка 35%) при отно­ шениях R = 0,07; 0,35 и 0,70. Во всем диапазоне изменения ДК эффект возрастания R и относительной влажности прояв­ лялся в увеличении скорости РУТ. Скорость увеличивалась

всреднем диапазоне значений Д/С больше чем в 20 раз. Тот з*

Исследование поверхностей разрушения методом скани­ рующей электронной микроскопии позволило обнаружить следующие тенденции. При малых Д/С наблюдалось образо­ вание фасеток, и с увеличением ДК они исчезали и начина­ лось образование борозд и вязкое разрушение; отмечено было также несколько хрупких борозд. Пример такого вяз­ кого разрушения показан на рис. 15. Качественно можно ска­ зать, что вязкое разрушение было преобладающим при ис­ пытаниях во влажном воздухе при больших R. Эти наблюде­ ния в основном согласуются с предыдущими наблюдениями поверхностей усталостного разрушения сплавов алюминии

‘NP/op UHtiii/ww

[15, 16, 18, 47, 48]. Эти результаты демонстрируют влияние коэффициента нагрузки и внешней среды и их совместного влияния, оказываемого на скорости РУТ в сплавах алюминия. Следствием этих результатов является вывод о том, что про­ цесс разрыва, в котором /Стах так же важен, как А/С, может происходить почти во всем диапазоне изменения скоростей РУТ, от низких до промежуточных (области А и В на рис. 1).

Специфические механизмы, посредством которых прояв­ ляются эффекты «внешней среды», трудны для истолкова­ ния. Этот вопрос привлекал к себе внимание в течение до­ вольно значительного времени. В 1932 г. [49] сообщалось, что скорости РУТ могут быть уменьшены при циклических испытаниях в вакууме, а не на воздухе. Томпсон [50] пред-

в воздухе должны быть в три раза больше, чем в вакууме. В вакууме не образуются борозды на поверхности усталост­ ного разрушения. Фасетки образуются в вакууме, а также в воздухе, в крупнозернистых ( ~ 4 мм) образцах. Наблюда­ лось образование двух типов фасеток, тех, что связаны с пло­ скостями {001}, и блестящих фасеток по плоскостям {111}. Другие исследователи [21] сообщили об образовании ребри­

также об эффектах внешней среды в (а/p)-титановых спла­ вах и связал их с взаимодействием циклического нагружения и коррозии под напряжением. Отношение скоростей РУТ в воздухе и инертной внешней среде возрастает с уменьшением амплитуды напряжений.

Имеется много исследований, касающихся установления конкретных механизмов, обусловливающих увеличение ско­ ростей РУТ [54—60]. Пары воды, водород и кислород, как предполагается, являются главной причиной охрупчивания. Однако нет правила, устанавливающего вид охрупчивания для каждого материала. Эта ситуация еще более услож­ няется в результате взаимодействия изменений коэффициента нагрузки, микроструктуры и частоты во время его прояв­ ления. Механизм охрупчивания может включать поверхност­ ные реакции или требовать диффузии в материал перед кон­ цом трещины. Изучение диффузии водорода или кислорода в область сильно расширенной решетки прямо перед кон­ цом трещины и возможное ее влияние на энергию образова­ ния новых поверхностей представляют область, которая должна привести к интересным выводам.

ВЫ СОКИЕ СКОРОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Сигмоидальная форма графика зависимости log(da/dN) от log Д/С, показанная на рис. 1, указывает на наличие воз­ растания скорости РУТ в области С и возможность его про­ явления при меньших значениях Д/С для больших значений отношения R. Этого влияния /Стах в процессе РУТ можно ожидать при достижении /Стах значения /Сс. Влияние микро­ структуры, условий внешней среды и коэффициента нагрузки на поведение нескольких различных материалов также будет исследовано в этой части доклада.

Влияние микроструктуры на поведение марганцовистой перлитной стали иллюстрируется на рис. 16 [1]. Материал

разрушения, образовавшейся путем скола, быстро возрастает при изменении /Стах от 20 до 30 и не зависит от R. Образо­ вание областей скола на поверхности разрушения в перлит­ ной стали начиналось при более низких уровнях /Стах, чем в нелегированной углеродистой стали.

Поведение обоих материалов служит примером влияния субкритического скола на характеристики РУТ. В [1] пока-

зано, что сильное влияние R на кривые РУТ (рис. 16) яв­ ляется следствием определяющего влияния /Стах на процесс скола. Э то влияние на кривые РУТ в перлитных сталях было наиболее поразительным и связывалось с наличием вклю­ чений мартенсита. Детальные металлографические исследо­ вания показали, что скол во многих случаях начинался от плоских поверхностей раздела перлита и мартенсита. Было

показано, что увеличение скоростей РУТ происходит в ре­ зультате соединения трещин, возникающих независимо при субкритическом сколе.

ших чем 20 МПа-м,/а, очевидно сильное влияние /Стах и в воздухе, и в вакууме. Во всех случаях скорость РУТ для одних и тех же значений Д/С в вакууме была меньше, чем

ввоздухе. Это было заметно невооруженным глазом. Дан­ ные сканирующей электронной микроскопии показали, что образование борозд легко происходило на поверхности раз­ рушения образцов, испытываемых в воздухе, за исключе­ нием испытаний при больших /?. Расстояние между бороз­ дами легко связать с подрастанием за цикл с помощью оптического метода и метода падения потенциала. Наличие борозд на поверхности разрушения после испытаний в ва­ кууме не обнаруживается столь просто, как при испытаниях

ввоздухе.

.Среди других особенностей поверхности разрушения отме­ чалось наличие нескольких фасеток при более низких зна­ чениях ДК и образование ямок или пор в процессе вязкого разрушения при более высоких уровнях /Стах. Пример роста трещины при разрушении смешанного типа с образованием борозд и вязким разрушением представлен на рис. 17. В этом материале тип разрушения определялся величиной /Стах, ко­ торая обусловливала сильную зависимость кривых РУТ от Ry и представлял собой вязкий разрыв. Это можно сравнить со сталями [1], для которых зависимость от R проявляется главным образом благодаря образованию докритических трещин в результате скола.

Дальнейшее усиление влияния отношения R наблюдалось в (а/Р)-титановом сплаве при введении времени задержки на 10 мин при максимальной нагрузке в цикле нагружения. Скорости РУТ в воздухе и вакууме возрастали от 10 до 50 раз в ограниченном диапазоне Д/С. Этот эффект в преоб­ ладающем числе случаев представлял собой особенность, проявляющуюся при /(max, больших 40 МПа*м1/2. Проведен­ ные эксперименты по растрескиванию при постоянной на­ грузке в воздухе показали, что значение 40 МПа-м1/2 отве­ чало также уровню Атах, ниже которого статическая ско­ рость роста трещин была исчезающе мала.

Исследование материала перед концом трещины путем тщательного металлографического анализа показало, что об­ разование внутризеренных трещин в a -зернах связано с

увеличением скорости РУТ. Изучение с помощью сканирую­ щего электронного микроскопа поверхности разрушения об­ разцов при задержке и непрерывном действии нагрузки обна­ ружило наличие фасеток. Пример поверхности разрушения

—IV) и показал, что, когда '/Стах больше, чем K i s c c , скорость РУТ становится чувствительной к частоте циклического на­ гружения. На поверхности разрушения также обнаружено об­ разование фасеток. Представленные результаты во многих отношениях согласуются с более ранними наблюдениями Мейна [22].

Данные наблюдения показывают, что изменение харак­ тера разрушения путем увеличения времени воздействия не­ которых факторов, таких, как время достижения водородом конца трещины и ее окрестности, может привести к заметным изменениям скоростей РУТ. В данной работе не установлены характерные плоскости образования фасеток. Если бы, од­ нако, ориентация фасеток имела постоянный характер, то текстуру необходимо было бы рассматривать как фактор, способный оказывать влияние на скорости РУТ.

Результаты, представленные в этой работе, аналогичны результатам других авторов [61,62] и показывают, что мик­ роструктура и условия внешней среды могут приводить к существенному вкладу /Стах в процессы, контролирующие скорости роста усталостных трещин.

Благодарности

Автор выражает признательность проф. Р. Е. Смоллмену за предоставление возможности для подготовки данного док­ лада. Большой благодарности заслуживает также финансо­ вая поддержка Procurement Exucutive MOD, SRC, British

Railways при выполнении исследований, представленных в этом докладе.

10.Paton N. E., Williams J. C., Chesnut J. C., Thompson A. W. — AGARD Conference Proceedings No. 185, Alloy Design for Fatigue and Fracture Resistance.

11.Druce S. G. (частное сообщение).

12.Irving P. E. (частное сообщение).

15.Forsyth P. J. E., Stubbington C. A., Clark D. — J. Int. Metals, 90 (1963), 238.

39.Kirby В. (частное сообщение).

40.Hicks M. (частное сообщений).

41. Paris P. C., Erdogan F. — J. Basic Engng., 85 (1963), 528.

42.Tompkins B. — Philos. Mag., 18 (1968), 1041.

43.Laird C. — ASTM STP 415, 1967, p. 139.

44.Pelloux R. M. N. — Engng. Frac. Mech., 1 (1970), 697.

45.Plumbridge W. J. — J. Mat. Sci., 7 (1972), 939.

55.Frost N. Е. — Арр. Mat. Research, 3 (1964), 131.

56.Stegman R. L., Shahinian P.i—iMet. Sci. J., 6 (1972), 123.