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

занной динамики изменения показаний прибора с анали­ зом микро- и макроструктурной картины развития уста­ лостных трещин и микротвердостыо показывает, что к моменту появления первых микротрещин рост показаний прибора замедлялся. Моменту зарождения микротрещины соответствует некоторое снижение показаний прибора. Крутой подъем соответствовал распространению микро­ трещины. Первое уменьшение показаний прибора ото­ бражает процесс упрочнения, которое впоследствии за­ медляется, тогда как разупрочнение, наоборот, усилива­ ется и распространяется на новые объемы.

Метод потерь позволяет определять место усталост­ ного повреждения, его степень и предсказывать момент разрушения от усталости. Исследования с помощью это­ го метода выполнены на сталях У12А, У10, У9А, 40Х,

M е т о ' д с н я т и я д е ф о р м а ц и о н н о й д и а г р а м -

скольжения приводят к наклепу металла. Однако наря­ ду с упрочнением при циклической нагрузке развивают­ ся процессы, разупрочняющие материал.

Я. Б. Фридман пришел к следующим выводам. Вопервых, при испытании с заданной деформацией разу­ прочнение проявляется в уменьшении величины нагрузки для каждого последующего цикла. При испытании с за­ данной нарузкой разупрочнение проявляется в последо­ вательном увеличении деформации по мере .роста числа знакопеременных нагружений. Во-вторых, увеличение на­ грузки при испытании с заданной деформацией и соот­ ветственно уменьшение деформации при испытании с заданной нагрузкой указывает на процесс упрочнения металла. Следовательно, контролируя деформацию об­ разца в течение всего процесса усталости, можно полу­ чить представление о ходе развития усталостного про­ цесса и дать характеристику его основным стадиям.

Создан ряд приборов, позволяющих механическим способом и с. помощью электронных устройств записы­ вать диаграммы усталости при испытании плоских и круг­ лых образцов.

Диаграмма изменения прогиба образца из стали 25

61

вые циклы нагружения резко уменьшают стрелу проги­ ба. Дальнейшее циклическое воздействие приводит к скачкообразному увеличению прогиба вплоть до излома. В первой стадии превалирует процесс упрочнения ме-

талла. Повышение предела упругости вызывает умень­ шение прогиба. Увеличение прогиба соответствует зарож­ дению микроскопических трещин и их скачкообразному прогрессивному росту. Снижение кривой прогиб — число циклов указывает на то, что в металле появились необ­ ратимые повреждения. При микроскопическом исследо­ вании трещина была обнаружена, когда кривая, достиг­ нув максимума, начала снижаться.

Таким образом, в изменении деформации за период циклической долговечности образца наблюдаются три различные фазы: начальная короткая, характеризуемая резким уменьшением деформации; вторая длительная, когда деформация остается постоянной или слабо возрас­ тает; третья, характеризуемая' резким скачком деформа­ ции, оканчивающаяся разрушением образца.

Метод исследования усталости по накоплению цикли­

ческих деформаций успешно использован при проведе-

62

пни многоступенчатых испытании. В этом случае учет на­ растания циклических деформаций по отдельным ступе­ ням нагружения позволил дифференцированно контро­ лировать степень нарастания повреждения на отдельных ступенях в зависимости от их уровня и чередования.

Создан прибор1 для автоматической записи величи­ ны прогиба консольного круглого образца при испыта­ нии па усталость. Он состоит из дифференциального ин­ дуктивного датчика, измерительной схемы и электриче­ ских схем питания датчика и измерительного прибора (рис.25). Фазочувствительная выпрямительная схема позволяет определять величину и направление переме­ щения якоря от нулевого (среднего) положения. Изме­ рительным прибором служит электронный автоматичес­ кий самопишущий потенциометр ЭПП-06 или милли­

С помощью этого прибора получены данные, свиде­ тельствующие о том, что накопление повреждений начи­ нается с первых циклов-испытания [32].

Для испытаний круговым чистым изгибом с записью диаграммы прогиба создана установка с автоматичес-' кой записью диаграммы.

При измерении прогиба образцов тензометрическим устройством проволочные датчики наклеивались на бал­ ку равного сопротивления, одним концом жестко свя­ занную с цапфой неподвижного барабана машины, а другим концом опертую на регулируемый упор. При испытании с постоянной деформацией появление тре­ щины и уменьшение жесткости образца приводит к сни­ жению уровня напряжений. Наклеив датчик выше рабо­ чего сечения и ведя непрерывную запись показаний, можно установить момент появления трещины, а также анализировать ход ее развития.

Наблюдения показывают, что на машинах с гидро­ пульсаторами при появлении трещины и снижении жес­

63

изменение в процессе циклического пагружеппя. Между степенью изменения модуля упругости и усталостной до­ лговечностью установлена не только тесная корреляция,

Цангодый патрон

64

но в некоторых случаях линейная функциональная связь.

Зависимость между долговечностью образцов и сте­ пенью изменения модуля упругости выражается кривой,

нию плотности материала. Скольжение на границах зе­ рен в начальный период усталости способствует росту пористости. В связи с тем, что начальная пористость ограничивается границами зерен в мелкозернистых об­

Изменение оптических свойств поверхности. При цик­ лическом иагружешш происходит изменение микрогео­ метрии поверхности образца и увеличение ее шерохова­ тости. Анализ оптических свойств поверхности позволяет обнаруживать усталостные повреждения [34]. Приме­ чательно, что этот метод оказался нечувствительным к первоначальному состоянию поверхности, в частности он пригоден для алюминиевых образцов как с полиро­ ванной, так и с прокатной поверхностью.

Разрешающая способность различных методов обна­ ружения трещин. Как уже отмечалось, разрешающая способность методов обнаружения усталостных трещим далеко не одинакова; оценка разрешающей способности приведена в табл. 2.

ГЛАВА III

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН И СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Возникновение усталостных трещин связывают с об­ разованием в локальном объеме материала критической плотности дислокаций. При этом возможны различные механизмы процесса разрушения:

1) возникновение больших растягивающих напряже­ ний в результате скопления дислокаций, образующихся

упрепятствий;

2)образование скоплений дислокаций, расположен­ ных вдоль полос скольжения в параллельных плоско­ стях;

3)коагуляция вакансий;

4)возникновение экструзий и энтрузий (выдавлива-

6Ѳ

ния тонких лепестков металла толщиной менее 1 мкм)

вполосах скольжения;

5)концентрация в локальных объемах удельной энергии упругой деформации до предельной величины, равной скрытой теплоте плавления.

Проявление того или иного механизма образования трещин усталости зависит от природы материала, среды и условий испытания. К последним в первую очередь следует отнести уровень нагруженности.

В основу механизма развития субмикроскопической трещины положено образование дислокации у острого конца такой трещины и взаимодействие этой дислока­ ции с другими дислокациями в окрестности трещины, приводящее к локальному росту напряжений из-за нало­ жения силовых полей взаимодействующих дислокаций. Приток вакансий, образующихся при циклическом де­ формировании, и их осаждение у вершин трещины так­ же способствует росту последней.

По современным представлениямрост усталостных трещин обусловлен циклическим сдвигом перед магист­ ральной трещиной. Фрактографические и микрострук­ турные исследования показали, что перед фронтом ра­ стущей магистральной трещины образуются вторичные трещины, что свидетельствует о микроразрушении внут­ ри зоны интенсивной сдвиговой деформации. Эта зона локализована в направлении максимального сдвига под углом 45° к плоскости распространения трещин. Если де­ формация не может быть релаксирована за счет пласти­ ческого, течения внутри этой зоны, образуется трещина.

Для металлов, имеющих низкую энергию дефектов упаковки, начальная стадия высокоамплитудной устало­ сти обычно связана с локализованными сдвигами, тогда как при циклическом нагружении металлов с высокой энергией дефектов упаковки характерно развитие ячеи­ стой субструктуры. ; '

Процесс роста ^макроскопической усталостной тре- ^ щииы может быть разделен на три периода. В первом, переходном, периоде, начинающемся сразу же после за­ рождения трещины, ее длина и скорость роста невелики,

лостных трещин (90—97% от общей долговечности) до­ вольно часто встречается в литературе без необходимо­ го пояснения. Возникающие в связи с этим различные толкования вынуждают остановиться на этом вопросе.

С физических позиций, т.е. при рассмотрении про­ цесса усталости, начиная с субмикроскопических изме­ нений структуры, указанная продолжительность роста усталостных трещин вполне обоснована. Но с техничес­ кой точки зрения, согласно которой процессом, опреде­ ляющим прочность, является рост макротрещины, нет

быть приравнены к ним. Если же процесс усталости вы­ нужден пройти без искусственного ускорения все ста­ дии, то наличие макротрещины может быть зафиксиро­ вано только лишь после достаточно большого количест­

10—50%—в зависимости от степени концентрации на­

ность внезапного хрупкого разрушения. По технико-эко­ номическим соображениям далеко не всякая трещина должна служить причиной для немедленной отбраковки детали. Пока размеры усталостной трещины таковы, что '

к недопустимому снижению длительности стадии живу­ чести), с их наличием в ряде случаев приходится ми­ риться.

Поэтому трудно переоценить значение исследований, устанавливающих связь между скоростью роста трещин и допускаемым критическим их размером трещин и пре­ дельной остаточной прочностью. В свете изложенного

69

особое значение приобретают методы оценки критичес­ кого размера трещин. Рассмотрим некоторые основные положения линейной механики разрушения и связь ско­ рости роста трещин с параметром интенсивности напря­ жений.

2.СВЯЗЬ СКОРОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

СПАРАМЕТРОМ ИНТЕНСИВНОСТИ Н А П Р Я Ж Е Н И Й

Диаграммы скорость роста трещин — число циклов позволяют сравнивать влияние отдельных параметров. Длина трещин, цикл нагружения, размер образца, тем­ пература и среда испытания влияют на вид этих диа­ грамм. Поэтому при исследовании влияния одного из параметров необходимо, чтобы все остальные условия были постоянными. Например, нельзя сравнить влияние температуры на двух образцах, которые имеют различ­ ные размеры начальных усталостных трещин. Указан­ ные диаграммы служат исходными данными для полу­ чения важных зависимостей скорость роста трещин — коэффициент интенсивности напряжений.

С учетом отмеченных ограничений целесообразно ис­ ходные данные представлять в обобщенном виде с уче­ том широкого изменения условий испытаний. Это стано­ вится возможно при использовании параметра интенсив­ ности напряжений. С возникновением в образце трещины (или при наличии в детали дефекта типа трещи­ ны) поле напряжений претерпевает существенное изме­ нение, у вершины трещины возникает концентрация папряжений. Для характеристики этого явления Ирвин и предложил использовать параметр интенсивности на­ пряжений К, отражающий совместное влияние на на­ пряженное состояние у вершины трещины приложенных нагрузок и длины трещины. С физической точки зрения К отражает перераспределение напряжений в теле вследствие образования трещины и характеризует вели­ чину усилий, передающихся через область у вершины трещины [109].

Переменные нагрузки и длина трещины обобщаются оДііим параметром АК, который в свою очередь, как по­ казали многочисленные исследования, тесно связан cd скоростью роста трещин. Такие зависимости могут быть численно проинтегрированны для установления длины трещины с изменением количества циклов. Поскольку

70