При циклическом деформировании в гладком материале происходят процессы зарождения роста и объединения микротрещин, которые возникают вследствие определенных физических механизмов, связанных с перемещением и торможением дислокаций – линейных дефектов кристаллической решетки.
В материале с надрезом преимущественно развивается только одна трещина, зародившаяся от дна надреза, однако часто у ее вершины возникают микротрещины, они объединяются и приводят к окончательному разрушению.
В общем случае трещины классифицируются в зависимости от их размеров на малые и большие.
Малые трещины (МТ) (short cracks) в свою очередь делятся на два класса:
a) микротрещины, размер которых сравним с размером структурных составляющих материала и соответствует 1...10 мкм;
б) физически малые трещины, развивающиеся в большинстве случаев в поверхностном слое и имеющие размеры 102... 103 мкм.
Когда усталостные МТ, преодолев поверхностный слой, проникают вглубь материала, они переходят в разряд больших и развиваются далее как макротрещины. МТ размером 10... 103 мкм называют еще микрометровыми.
|
|
Рассмотрим особенности распространения больших усталостных трещин, у которых напряженно-деформированное состояние в вершине характеризуется , а предельная несущая способность (сопротивление хрупкому разрушению) – критическим значением КИН (
). Наблюдаются три характерных этапа роста трещины (рис. 9.).
Первый из этих этапов характеризуется скачкообразным развитием трещины усталости. Ее возрастание происходит после некоторого периода накопления повреждений перед трещиной. Для многих сплавов, в частности алюминиевых и титановых, продвижения трещины усталости можно наблюдать на поверхности излома в виде полоски, борозды. На первом этапе ширина борозды не отвечает скорости роста трещины усталости за цикл.
![]() | Рис. 9. Диаграмма роста усталостных трещин |
Второй этап характеризуется стабильным ростом трещины усталости с постепенным увеличением скорости. При этом наблюдается очень близкое соответствие между шириной борозды и продвижением трещины усталости за один цикл.
Третий этап – ускоренное возрастание трещины. Механизм разрушения смешанный – от усталости и квазистатический, который переходит в чисто статический. Завершающий этап – долом образца. Этот процесс есть уже не элементом процесса усталости, а лишь его завершением; долом может рассматриваться как статическое разрушение элемента, поврежденного трещиной. Но поскольку в ряде случаев характеристика долома (остаточная прочность) зависит от предыдущего процесса разрушения, этот последний акт разрушения усталости может рассматриваться и как последний этап развития трещины.
|
|
Наибольшее значение КИН, при котором усталостная трещина не распространяется или ее скорость меньше заданной, называется пороговым и обозначается . Кинетической характеристикой распространения является диаграмма роста усталостных трещин (ДРУТ) (рис 6.). ДРУТ получают экспериментально, при этом на оси ординат откладывается значения скорости роста трещин, а по оси абсцисс – значения максимального КИН в цикле (
) или размах КИН (
). ДРУТ слева ограничивается пороговым КИН
, соответствующим моменту страгивания трещины или ее скорости не более 10-10 м/цикл, справа – критическим КИН
.
В аналитическом виде полную диаграмму роста усталостных трещин можно представить в виде
, (26)
где C и n – эмпирические коэффициенты.
Однако более широкое распространение получили зависимости, описывающие второй участок ДРУТ, который охватывает наиболее значительный диапазон скоростей роста трещин. Самым известным является уравнение Пэриса:
. (27)
Экспериментальные значения коэффициентов C и n уравнения (27) для некоторых типов сталей приведены в табл. 2.
Пэрис принимал n = 4, однако, как показали экспериментальные исследования, в том числе и представленные в табл. 2, .
Особое место занимает проблема роста малых усталостных трещин, для которых .
Таблица 2.
Значения коэффициентов C и уравнения Пэриса
Материал | Коэффициент асимметрии цикла, R | Температура испытаний, °К | n | C |
15Г2АФДпс | -1 | 2,55 | 1,1´10-9 | |
¾ ² ¾ | -1 | 2,55 | 3,5´10-10 | |
¾ ² ¾ | -1 | 2,6 | 3,63´10-8 | |
10ГН2МФА | -1 | 3,85 | 3,39´10-12 | |
¾ ² ¾ | -1 | 4,16 | 1,26´10-12 | |
¾ ² ¾ | -1 | 6,0 | 1,58´10-16 | |
¾ ² ¾ | -1 | 5,12 | 6,17´10-15 | |
15Х2МФА | 2,55 | 1,67´10-11 | ||
¾ ² ¾ | 2,73 | 6,7´10-12 | ||
¾ ² ¾ | 2,943 | 3,58´10-12 | ||
¾ ² ¾ | 3,521 | 6,1´10-13 | ||
15Х2НМФА | 3,03 | 2,7´10-12 | ||
¾ ² ¾ | 3,18 | 1,55´10-12 | ||
¾ ² ¾ | 3,66 | 3,17´10-12 | ||
¾ ² ¾ | 4,5 | 2,0´10-14 | ||
Армко-железо | -1 | 5,0 | 0,2´10-12 | |
¾ ² ¾ | -1 | 5,374 | 1,73´10-15 | |
15Х3МА | 2,822 | 4,26´10-12 | ||
¾ ² ¾ | -1 | 2,473 | 2,2´10-11 | |
¾ ² ¾ | 3,206 | 1,97´10-12 | ||
¾ ² ¾ | -1 | 2,8 | 4,6´10-12 | |
¾ ² ¾ | 3,454 | 1,78´10-13 | ||
¾ ² ¾ | -1 | 5,14 | 7,578´10-16 |