книги из ГПНТБ / Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла

вается суммарное влияние паров воды, кислорода и азо­ та. В сухом азоте скорость роста трещин мало отлича­ ется от скорости в вакууме. Кислород вызывает увели­ чение скорости роста при малых частотах и небольшое снижение при больших частотах.

Основным фактором, влияющим на скорость роста трещин, являются пары воды. Воздух вызывает значи­ тельно меньшее увеличение скорости. Во влажном ар­ гоне при низком К скорость роста трещин увеличивается в —10 раз по сравнению с сухим аргоном; при вы­ соком К влияние влажности ослабляется. Влажный кис­ лород оказывает такое же влияние, как и влажный ар­ гон; сухой кислород почти не стимулирует рост трещины.

Влияние среды на скорость роста трещин в алюми­

а) при достаточно низких начальных значениях АК при всех давлениях кислорода— вначале скорость роста трещин оказывается большей, чем в вакууме, но при бо­ лее длинных трещинах и более высокой интенсивности напряжений скорость роста трещин в кислороде меньше, чем в вакууме;

б) скорость роста трещин мало меняется при умень­ шении давления с 101325 н/м2 до 27 нм2 (с 1 до 0,00026 атм). Дальнейшее снижение давления кислоро­ да уменьшает скорость роста трещин и она оказывается одинаковой и .на воздухе, и в вакууме — критическая скорость;

в) критическая скорость пропорциональна давлению кислорода.

Рост трещин в сплаве 7075-Т651 в атмосфере сухого газа при 100° С происходит вдвое быстрее, чем при ком­ натной температуре (частота испытания 143 гц). Воз­ можно, что такое влияние температуры объясняется яв­ лением местного перестарнваиия сплава.

Азот является единственной составляющей атмосфе­ ры, которая не оказывает прямого влияния на скорость роста трещин, но может видоизменять доступ паров во­ ды к вершине трещины.

Критическое давление при наличии азота оказывает­ ся на порядок выше, чем в чистых парах воды, т. е. азот

деляется достаточное количество водорода и в вершине трещины создается атмосфера водорода, умеренно на­ сыщенная парами воды.

В л и я н и е д а в л е н и я п а р о в в о д ы сказывает­ ся в увеличении скорости роста трещин в алюминиевом сплаве 5070А, причем и в этом случае с ростом А/С эф­ фект уменьшается. При малом содержании паров воды скорость роста трещин больше, чем в вакууме, из-за на­ личия кислорода.

Для AI—Си—Mg сплава ДТД 5070А и Al—Zn—Mg сплава ДТД 683 установлено [56] «пороговое» давле­ ние паров воды, при котором происходит резкое измене­

1 мм рт. ст. (1,33-102—1,33-103 дин/см2). Для получения эффекта скачка, очевидно, требуются определенные хи­

уменьшением чувствительности к среде при высоких зна­ чениях К. Установлено, что среда оказывает более силь­ ное влияние при низких значениях К, в этом случае на­ блюдается почти десятикратное увеличение скорости ро­ ста трещин. Наиболее вероятный механизм влияния

202

Влаги на скорость роста трещин в высокопрочных алю­ миниевых сплавах это — механизм охрупчнвающего вли­ яния атомарного водорода. Влага вступает в реакцию со свежими поверхностями трещин, при этом происходит выделение активного атомарного водорода. Наводороживание отражается на характере разрушения, перево­ дя его в разряд хрупких.

В л и я н и е н о в ы ш е и и о г о и по и и ж е ни о г о д а в л е н и я в о з д у х а . С повышением давления воз­ духа скорость роста трещин увеличивается, причем в ди­ апазоне давлений от 10_ 1 до 1 мм рт. ст. (0,133-103 до 1,33-103 дин/см2) наблюдается скачкообразный ростскорости. Как ниже, так и выше указанного давления ско­ рость роста трещин практически остается неизменной [79]. Эксперименты проводили на плоских образцах из технически чистого алюминия (120Х61Х1>9 мм с цент­ ральной прорезью).

Установлено, что скорость роста трещин при различ­ ном давлении воздуха подчиняется уравнению

рого рода, предела текучести и пластической деформации.

Большую скорость роста трещин на воздухе по сравне­ нию с вакуумом можно объяснить тем, что оксидная пленка, возникающая в первом случае, препятствует свариванию стенок трещины у ее вершины в полуцикле смыкания трещины. Следует также учесть взаимодейст­ вие между оксидной пленкой и дислокациями впереди трещины, а также локальное изменение механических свойств оксидной пленки, выражающееся в увеличении ее прочности с уменьшением давления воздуха.

Ультравысокий вакуум практически не оказал влия­ ния на предел выносливости образцов из сплава 2024— ТЗ, но привел к резкому увеличению их долговечности при напряжениях выше предела выносливости.

Анализ микроструктурной картины показал, что воз­ никновение трещин происходит после ~10% от общей долговечности (от начала испытания до разрушения). Начальное развитие зародышевых трещин на глубину от 2 до 20 мкМ происходит межкристаллитно. После это­ го разрушение становится транскристаллитным. Транс-

крнсталлнтное развитие трещины идет медленно н хотя транскрпсталлптная стадия охватывает до 95% долго­ вечности, глубина трещин на этой стадии не превышает 30 мкм. Поэтому вплоть до 95% долговечности усталост­ ный процесс практически не отражается на прочности при растяжении'. Среда оказывает влияние главным об­ разом на развитие усталостных трещин.

В л и я н и е ч а с т о т ы . При рассмотрении влияния частоты на скорость роста трещин в условиях коррози­ онной среды следует различать эффект частоты, свой­

ты с 57 до 0,4 се/с- 1 число циклов, требуемое для роста трещины от 1,5 до 25 мм, в сплаве 2024-ТЗ снижается на 40%, а в сплаве 7075-Т6—на 30% [56]. Уменьшение

и диффузия, не оказывают существенного влияния па скорость роста трещин, т. е. для данного сплава не ха­ рактерно естественное влияние частоты. Следовательно, увеличение скорости роста трещин при частоте в 1 сек-1 по сравнению с частотой 100 сек~{ в рассматриваемом случае характеризует влияние окружающего воздуха. Сплав 683 более чувствителен к частоте, о чем можно судить по изменению скорости роста трещин в этом сплаве в вакууме. Если по своей природе сплав нечув­ ствителен к частоте, большое значение приобретает дли­ тельность циклического нагружения, т.е. время, в тече­ ние которого свежие поверхности раскрывающейся тре­ щины взаимодействуют с окружающей атмосферой.

204

При высокочастотном иагружении вследствие воз­ никновения электрического тока за счет трения между образцом и окружающей жидкой средой происходит разложение воды на водород и кислород, что способст-

205

сокопрочных сталей и алюминиевых сплавов. Титановые сплавы Ті—6А1—4V, Ті—6 Al—6 V—2 Sn—1 Си—0,5 Fe, Ti—6 Al—ЗѴ— 1 Mo и Ti—7 Al—2,5 Mo (исключение со­ ставил сплав Ti—7Al—2Nb—ITa) показали нечувстви­ тельность к влиянию 3,5% раствора соли в воде, тогда как скорость роста трещин в сталях 1TY-80 и HY-130/150 (5Ni—Cr—Mo—V) в этих условиях возросла в 5 раз,

астали Д6АС и алюминиевого сплава 7079—Т6 в 10 раз

[82]. Однако в работе [56] отмечено увеличение скоро­

сти роста трещин в титановом сплаве в соленой воде.

Все перечисленные титановые сплавы при испытании на воздухе не показали каких-либо преимуществ по сравнению с выбранными для сравнения сталями и алю­ миниевым сплавом. Следует, однако, отметить, что, кро­ ме меньшей скорости роста трещин в агрессивной среде, сплавы на основе титана отличаются более высоким от­ ношением предела текучести к плотности.

Скорость роста усталостных трещин в титановых сплавах [82] описывается формулой

d ( 2 / ) W = а(е т )"\

где т = 6—7, что указывает на высокую чувствительность скорости роста трещин в этих сплавах к аплитуде цик­ лической деформации. Так как титановые сплавы нечув­ ствительны к указанной среде, эта формула описывает

206

скорость роста трещин как па воздухе, так и в агрессив­ ной среде.

широкое применение в авиации (рис. 100). Сравнение выполнено при средних напряжениях, равных 20% ав . Преимущества титанового сплава особенно проявляются в области низких переменных напряжений. Усталостная прочность титанового сплава при комнатной температу­

статической прочности при наличии усталостной трещи­ ны (второй важнейшей характеристике надежных в от­ ношении поломок конструкций) (рис. 101).

Додециловый спирт не влияет на Ni, но увеличивает Ыж и общую долговечность в 1,4—5 раз. Этот эффект более высок при более низком уровне приложенных на­ пряжений (отрицательный эффект среды также возра­ стает с увеличением длительности ее действия, пропор­ циональном степени снижения напряжений). На образ­ цы с надрезом из алюминия и нержавеющей стали по­ лярная жидкость оказала более благоприятное влияние, чем на гладкие образцы [83].

207

2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Снижение склонности к развитию пластических де­ формаций с понижением температуры приводит к тому, что напряженное состояние становится более плоским и уменьшается местная пластическая зона у вершины тре­ щины, зависящая от отношения /<"/ат. Изменение темпе­ ратуры влияет на характер образования начальных ста­ дий деформации и их последующее развитие. При на­ греве и нагружении дефекты кристаллической решетки (дислокации, вакансии, поры, внедренные атомы и др.) усиленно диффундируют к зонам сопряжения кристал­ лов. При более низких температурах зоны концентра­ ции несовершенств располагаются вдоль полос сколь­ жения. Все эти обстоятельства оказывают влияние на скорость роста трещин, длительность и соотношение пе­ риодов зарождения и развития трещин.

Обобщение исследований, выполненных на различ­ ных материалах в широком диапазоне температурных условий, позволяет заключить, что снижение темпера­ туры уменьшает скорость роста усталостных трещин как на воздухе, так и в жидкой среде [74, 84, 85].

ГЛАВА VIII

НЕРАЗВИВАЮЩИЕСЯ УСТАЛОСТНЫЕ ТРЕЩИНЫ

При исследовании процессов развития усталостных трещин следует учитывать, что наряду с обстоятель­ ствами, вызывающими непрерывный рост трещин, соз­ даются условия, при которых возникшая усталостная трещина останавливается в своем развитии, несмотря на продолжающееся действие циклических нагрузок, (рис. 102). Такие факты наблюдаются как в лаборатор­ ной практике, так и в эксплуатации [87—89]. В особен­ ности они характерны для мест напрессовки колес, под­ шипников и муфт на оси и валы, для деталей с резкими концентраторами напряжений, поверхностно упрочнен­ ных и др.

Г. П. Черепанов [106] высказывает предположение, что наличие нераспространяющихся трещин связано с микронеоднородностью и зернистостью реальных мате­ риалов, а также с приспособляемостью. Он указывает,

208

дни, смещения п Др.) и их функциональные характерис­ тики вблизи конца трещины (вследствие локального ха­ рактера разрушения). Все параметры среды вблизи конца трещины при больших /V и при Л'=/<тах зависят лишь от Ктах и /<Шіп, поэтому любое неравенство сво­ дится к следующему:

дел выносливости материала отличен от нуля.

Можно выделить следующие факторы, способствую­ щие возникновению неразвивающихся усталостных тре­ щин:

1) увеличение остроты надреза и повышение концен­ трации напряжений;

2)изменение условий работы материала при перехо­ де трещины от очага возникновения на поверхности де­ тали вглубь по сечению при ее дальнейшем продвиже­ нии;

3)поверхностное упрочнение путем пластического де­ формирования или другими способами;

4)однократная перегрузка или ограниченное число перегрузок;

5)снижение напряжений до уровня, при котором трещины, возникшие на этом уровне, развиваются, а воз­ никшие при более высоком уровне, прекращают свое развитие;

вершину трещины; б) трещина стопорится границей зерен при достаточ­

но небольших размерах зерен; в) образуется плотная окисная пленка в вершине

трещины, которая эффективно задерживает выход дис­ локаций на поверхность.

210