книги / Хрупкость металлов при низких температурах

трещины снова «слипаться»,, приводя к существенно меньшей ско­ рости роста трещины. Такая модель, получившая детальное крис­ таллографическое толкование на примере ГЦК-металлов в работе [260], была подробно обоснована экспериментально в обзоре Броэка [264].

Интересный метод исследования строения вершины трещины усталости в алюминиевых сплавах на различных этапах нагруже­ ния недавно применен Боулсом [257, 258]. Использовалась вакуум­ ная инфильтрация раствора пластика в полость трещины образца под нагрузкой. После высыхания пластика образец разгружался, вся трещина вырезалась вместе с пластиком из образца. Окружав­ ший пластик металл затем подвергался растворению, а оставшаяся пластиковая реплика, являющаяся точным отпечатком полости трещины, исследовалась в оптическом и сканирующем микроско­ пах. Основные выводы этой работы примечательны, на них следует кратко остановиться.

По наблюдениям Боулса, испытания на воздухе показали, что в начале полуцикла подъема нагрузки трещина продвигается «хруп­ ко», но вблизи пика растягивающего напряжения вершина стано­ вится затупленной в форме эллипса. При разгрузке трещина заос­ тряется, оставаясь закругленной по эллипсу. Образованная на n-м цикле нагружения бороздка усталости не изменяется под влия­ нием (п -f- 1)-го цикла нагружения (эксперименты проведены с асимметрией цикла R = 1/3). Закрытие трещины при разгрузке происходит не непрерывно во всех точках свободных ее поверхнос­ тей, а лишь в некоторых отдельных областях несопряженности противоположных поверхностей трещины. Разовая перегрузка вызывает «альтернативный сдвиг», показанный на рис, 172, а—в.

Пик разгрузки полностью нейтрализуется возрастающим давле­ нием контактирующих областей противоположных берегов тре­ щины, не приводя к заметному повреждению бороздок усталости, но вызывает повышенную скорость трещины при последующем на­ гружении. При испытаниях в вакууме на различных участках фрон­ та трещины наблюдается один из следующих видов сдвига: ветвле­ ние трещины путем одновременного сдвига в обе стороны от плос­ кости трещины, одностороннего, а также смешанного сдвига, яв­ ляющегося комбинацией распространения трещин типов 1 и III (см. рис. 1). Первой причиной меньшей скорости трещины в вакуу­ ме является разделение сдвига в вершине на две ветви; второй — большая неоднородность фронта трещины, связанная с ее рас­ пространением в разных плоскостях (по результатам работы [2581, скорость трещины в вакууме почти на порядок ниже, чем при испы­ таниях на воздухе).

Обобщение полученных результатов привело автора работы [258] к заключению о справедливости следующего механизма роста трещины. На рис. 173 видны два основных характерных признака модели: наличие разделения материала путем отрыва в начале подъема нагрузки (рис. 173, 2) и пластическое затупление верши­ ны (рис. 173, 4). В заключение обзора этой работы отметим, что в ней не приведены конкретные измерения, доказывающие справед­ ливость именно такого, как указано на рис. 173, сопряжения про­ филен противоположных сторон трещины усталости. Изучение этого сопряжения позволило бы дополнительно проверить указан­ ную модель.

3. Механизмы распространения трещин усталости в хрупких материалах

Ниже рассмотрены новые результаты по распространению трещин усталости в некоторых сталях в области низких температур. Известно, что при определенных температу­ рах ферритные материалы проявляют склонность к хрупкому разрушению, в то время как при более высоких температурах они разрушаются вязко [191]. Это свойство дает возможность на одном и том же материале изучить характер распространения трещин усталости в металле, пребывающем в хрупком и вязком состоя­ ниях. Подробности методики и основные результаты исследования распространения трещин описаны в работах [111, 231, 420].

В совместной работе Института проблем прочности и Физико­ механического института АН УССР [111, 231] изучались законо­ мерности распространения трещин усталости в листовой стали 08 кп толщиной 3 мм при низких температурах. Особенностью ме­ тодики механических испытаний было использование дисковых об­ разцов с центральной симметричной сквозной трещиной, нагружен­ ных сосредоточенной силой в режиме повторно-переменного рас-

эдг

Т а б л и ц а 22 Механические свойства стали 08кп при низких температурах

тяжения [230, 232] с частотой 17—20 Гц и коэффициептом асиммет­ рии цикла, близким к нулю. Важным свойством таких образцов является то, что при надлежащем выборе расстояния между точ­ ками приложения сосредоточенной силы коэффициент интенсив­ ности напряжений в определенном интервале длин трещин (в дан­ ном случае 27—92 мм) не зависит от длины трещины, что позволяет многократно повторять испытания в одних и тех же условиях, упрощает применение статистической обработки результатов измерений и ^мм/цикл повышает их надежность. Механиче-

djb,MM

них температур изученного интервала. Каждая эксперименталь­ ная точка представляет собой результат осреднения 8— 10 изме­ рений скорости трещины для каждой нагрузки. Поскольку во всех экспериментах /£т щ сохранялось постоянным и равным 0,45 МН/м’/*, эти диаграммы могут быть легко перестроены в за­

линйями на рисунке показаны зависимости, рассчитанные по формуле (6.4), которая использовалась в виде

Пороговое Кт и критическое Kfc значения максимального коэффициента интенсивности напряжений, а также параметры В и q определялись из условия минимума суммы квадратов разности логарифмов опытных и расчетных значений .скорости dlldN. Их значения приведены в табл. 23.

Кривые на рис. 174 пересекаются при значении К тах æ\fK thK /c. Выше этой нагрузки низкая температура ускоряет рост трещины тем сильнее, чем больше амплитуда напряжений, а ниже, наобо­ рот, замедляет ее. Как видно из рисунка, кривая для низкой тем­ пературы очень крутая. Все исследованные скорости трещины Достигнуты в довольно узком интервале амплитуд нагрузок, ана­ логично тому, как наблюдалось ранее для стали 65Г (229).

На рис. 175 показаны зависимости характерных размеров плас­ тической воны в вершине трещины при 293 К (при 113. К зоны не

плоскости действия максимального растягивающего папряже ния (с этой плоскостью совпадает плоскость трещины f нор мального отрыва — трещины типа 1 на рис. 1). Угол со этого накло на равен нулю только при сравнительно малых скоростях трещины

( < Ю-5 мм/цикл), когда пластическая 80на в вершине трещины мала (рис. 176). По мерероста нагрузки этот угол возрастает, увеличиваясь особенно быстро при скоростях трещины, больших

К Г 8 мм/цикл (рис. 176, кривая 1).

Фрактографические исследования поверхностей разрушения показали (рис. 177), что с указанной кривой на рис. 176 хорошо согласуется процент площади поверхности разрушения, занятой характерными признаками вязкого разрушения — ямками, кото­ рый особенно быстро увеличивается после достижения трещиной скорости К Г 3 мм/цикл. Этот факт свидетельствует о том, что мак­ роскопические (угол а на рис. 176) и микроскопические (рис. 177, кривая 3 , относящаяся к 293 К) признаки излома, по-впдимому, связаны с характером напряженно-деформированпого состояния образца. Этот результат не согласуется с одним из выводов работы [482], выполненной на гидрцииневых сплавах, в котором высказано

На этом виде разрушения необходимо остановиться подробнее. Типичная микроструктура поверхности излома показана на рис. 17 8, а. Характерно, что в отличие от бороздок усталости здесь прямолинейные участки вытянуты вдоль направления роста тре­ щины. Этот механизм наблюдался при всех температурах, но обя­ зательно только при весьма низких скоростях движения трещины. Существует мнение, что он обусловлен процессами сдвигообразования и разрушения по типу III (см. рис. 1). Поскольку этот вид разрушения почти полностью вытесняет все другие виды в области низких нагрузок, он должен определять уровень пороговой на­ грузки Kth> ниже которой трещина остается неподвижной. Эта важ­ ная характеристика имеет фундаментальное значение, так как опре­ деляет предел способности материала сопротивляться усталостно­ му разрушению и имеет непосредственное отношение к пределу выносливости материала. Тот факт, что по полученным результа­ там Kfh. возрастает с понижением температуры, не противоречит представлениям о сдвиговом происхождении строчечной струк­ туры.

На втором участке диаграммы на рис. 174 (5 • 10—6 < dl

10 3мм/цикл) при температуре 293 К основным механизмом раз­ рушения является механизм бороздок усталости, а при ИЗ К — скол и ямки вязкого разрушения (обычно они расположены на пере­ мычках, разделяющих фасетки скола). Возможно, что наличие ямок нанизкотемпературных изломах при скоростях до 3 •10—5мм/цикл обусловливает более низкую скорость распространения трещины при температуре ИЗ К по сравнению со скоростью при комнатной температуре.

Размер циклической пластической зоны гРц, соответствующей

переходу от первого ко второму участку диаграммы (см. рис. 174) при комнатной температуре, оценивался с пспользованием формул, заимствованных из работ [316, 503]:

где Д./ГЭф — эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений, определяемый соответственно тому же принципу, что

и в формуле (6.7), Д-Кдф = ^ \53^ д ^ ДДГ; С — постоянная, по дан­

ным различных авторов находящаяся в пределах 0,02 — 0,10 [249, 316, 503]. Для С — 0,025 [503] величина зоны в области перехода от первого ко второму участку составляет примерно 70 мкм, что близ­ ко к максимальному размеру зерна использованного в настоящем исследовании материала.

Выше обсуждались результаты для двух крайних температур изученного температурного интервала. Рассмотрим результаты, полученные при промежуточных температурах. Зависимости ско­ рости трещины от температуры при различных значениях А'шах

ческими деталями. При температурах выше 163 К преобладает бо­ роздчатый механизм, связанный с пластическим течением в верши­ не трещины. Поэтому снижение температуры в этой области приво­ дит к уменьшению скорости трещины при Â’max = const, что связано с повышением сопротивления материала пластическому течению. Наоборот, при температурах ниже 163 К в изломе начинает пре­ обладать скол (см. рис. 180), приводящий к ускорению трещины.

Результаты измерения среднего расстояния между бороздками и сопоставление его с фактической скоростью трещины приведены на рис. 181 ив которого видно, что, на втором и частично третьем участках диаграммы усталости (см. рис. 174) наблюдается соответ­ ствие между средним шагом бороздки и макроскопическим продви­ жением трещины за цикл, хотя, как и в работе [387], шаг бороздки несколько опережает фактическую скорость трещины в области меньших скоростей и отстает от нее в области больших. Этот ре­ зультат можно объяснить особенностями съемки в микроскопе и изменением наклона а поверхности разрушения с ростом скорости трещины (см. рис. 176): при съемке все образцы были одинаково ориентированы на предметном столике по отношению к плоскости действия нормального растягивающего напряжения. В таком слу­ чае разворот плоскости трещины с ростом ее скорости мог привести к уменьшению проекции шага бороздки на плоскость действия мак­ симального растягивающего напряжения.

Пока не представляется возможным дать точное объяснение наблюдавшейся стабилизации шага бороздки на уровне около 5 X

X Ю“ 5мм/цикл при с к о р о с т и Ю ~ 4мм/цикл. В этой области бо­

роздки прерывисты и менее четко выражены. В данном случае квазибороздчатая картина может быть связана со средним расстоянием между линиями скольжения [365]. С другой стороны, указанная область расстояний ( < 5* 10-5 мм/цикл) находится вблизи разреша­ ющей способности сканирующего микроскопа, и отмеченная стаби­ лизация шага бороздки может быть связана с этим обстоятельством. Однако из рис. 181 видно, что, хотя процент поверхности излома, занимаемой этим видом бороздок, резко снижается с уменьшением скорости трещины, тем не менее они надежно наблюдаются. По­ этому, если каждая бороздка образуется за один цикл нагружения, происхождение этого вида бороздок объяснить трудно.

Таким образом, рост трещины усталости в хрупких материалах обусловлен действием нескольких механизмов и получить анали­ тическое описание скорости трещины во всем интервале скоростей можно только с учетом этого обстоятельства. Все же можно отметить отдельные интервалы скоростей, где доминирующую роль играет какой-то один механизм (например, механизм бороздок). В этом слу­ чае скорость трещины поддается сравнительно простому описанию.

4. Механизм распространения трещин усталости в вязких материалах

Описанные в предыдущем параграфе ре­ зультаты охватывают температурные области хрупкого и вязкого разрушений. Как было показано, в области вязких разрушений за распространение трещин усталости ответственны в основном два механизма — механизмы бороздок и ямочного разрушения, причем последний нельзя назвать типично усталостным. Поскольку по сравнению с другими механизм бороздок проявляет минимальные скорости трещины, а иные приводят к ее ускорению, можно ожидать, что основной тенденцией в использовании конструкционных матери­ алов будет стремление либо полностью предотвратить возможность развития трещины (что далеко не всегда возможно из-за низкого уровня величины AKth), либо подавить все остальные механизмы, кроме механизма бороздок усталости. В этой связи исследование его природы приобретает большое научное и практическое значение.

Одним из перспективных методов такого исследования может быть измерение профилей сопряженных поверхностей усталостно­ го излома. Как было показано в параграфе 2 настоящей главы, каждая модель распространения трещины усталости предсказыва­ ет специфический, характерный только для нее профиль сопряже­ ния двух противоположных поверхностей излома, поэтому прямая проверка таких моделей должна заключаться в измерении факти­