ВИДИ РУЙНУВАННЯ І ЗАРОДЖЕННЯ тріщин ПРИ циклічному навантаженні
Процес втомного руйнування металів можна розділити на дві основні стадії - стадію зародження магістральної втомної тріщини і стадію її розвитку. Під магістральної тріщиною в цьому випадку мається на увазі тріщина, яка при заданих умовах навантаження розвивається з більшою швидкістю, ніж інші тріщини, і є причиною остаточного втомного руйнування. Початкові розміри магістральної тріщини, т. Е. Такі розміри, коли магістральну тріщину можна виділити з сукупності всіх інших тріщин, для пластичних сталей складають десяті, для високоміцних сталей соті частки міліметра. Стадія зародження магістральної втомної тріщини (вона може бути названа також стадією розсіяного втомного пошкодження) характеризується наявністю великої кількості локальних пластично деформованих обсягів, що є джерелами виникнення мікроскопічних тріщин, одна (або кілька) з яких може перерости в магістральну тріщину.
Дослідженню розсіяного втомного пошкодження присвячена велика кількість робіт. Важко назвати будь-який фізичний метод дослідження структури металів (магнітний, рентгенівський, оптичний, електронно-оптичний, механічний, акустичний, голографічний, калориметрический, енергетичний і т. Д.), Яка б не пояснювався для дослідження втомного пошкодження в металах на стадії зародження магістральної тріщини. Однак не можна стверджувати, що ці дослідження дали можливість розробити методи, що дозволяють досить надійно прогнозувати на основі вимірювання характеристик структурного стану металів ступінь вичерпання довговічності зразків і деталей машин.
Це пояснюється в першу чергу складністю процесу втоми металів і недостатньою увагою при дослідженнях до обгрунтування взаємозв'язку тих структурних характеристик, які досліджувалися, і кінетики процесів зародження і розвитку магістральних втомних тріщин, які в кінцевому підсумку призводять до втомного руйнування. Друга стадія втомного руйнування - стадія розвитку магістральної втомної тріщини. Незважаючи на великі досягнення в останні роки в області опису розвитку тріщин з використанням критеріїв механіки руйнування, в даний час відсутня можливість описати весь процес розвитку магістральної тріщини з єдиних позицій. Це пояснюється тим, що критерії механіки руйнування застосовні при досить великих розмірах тріщини - кілька десятих міліметра - або, принаймні, при розмірах, що перевищують в десять разів і більше розміри структурних складових металів.
Найбільші труднощі виникають при описі умов виникнення магістральних тріщин і розвитку їх до розмірів, коли можливе використання критеріїв механіки руйнування.
Літературні дані показують, що при відсутності концентраторів напружень та дефектів типу тріщин переважна кількість циклів до руйнування (до 90%) припадає на стадію зародження магістральної тріщини і початковий період її розвитку.
Картина суттєво змінюється при наявності в деталях, схильних до циклічного напрузі, технологічних або експлуатаційних (що виникли на початку експлуатації) тріщин макроскопічних розмірів. В цьому випадку основну частину довговічності становить час розвитку цієї тріщини, яке може бути розраховане з використанням критеріїв механіки руйнування.
В цьому розділі основна увага приділяється розгляду загальних закономірностей зародження магістральних тріщин в металах і сплавах і їх розвитку на ранній стадії.
В якості основного методу, що дозволяє інтегрально описати структурні зміни, що призводять до виникнення магістральної тріщини, використаний метод динамічної петлі гістерезису, який дозволяє вимірювати неупругие циклічні деформації і розсіяну енергію за цикл. Наведено результати дослідження закономірностей зародження та розвитку тріщин в сталях, показана їх зв'язок з характеристиками непружності (в першу чергу, непружної деформації за цикл), проаналізовано зв'язок характеристик тріщиностійкості з межами витривалості з урахуванням виду навантаження (кручення, розтягування - стиснення) і концентрації напружень
1. Види руйнування
Перш ніж розглядати зародження і розвиток магістральних втомних тріщин в металах і сплавах, розглянемо, за яких умов (рівнях напружень, режимах навантаження, довговічні, температурах і т. Д.) Циклічного навантаження має місце утомлююча руйнування, т. Е. Руйнація шляхом зародження і розвитку втомної тріщини, і якими особливостями макроскопічного деформування воно супроводжується.
При циклічному навантаженні може мати місце одне з наступних гріх видів руйнувань: квазістатична, малоциклова утомлююча і многоцикловое утомлююча.
Квазістатична руйнування відбувається шляхом спрямованого пластичного деформування внаслідок циклічної повзучості і вид остаточного руйнування нічим не відрізняється від статичного, т. Е. Явно виражена шийка і спостерігається істотне подовження зразка. Такий вид руйнування має місце при напружених, значно вище межі текучості, і реалізується при м'якому режимі малоциклового навантаження, т. Е. При такому режимі навантаження, коли в процесі деформування витримується постійним напруга. Циклічна повзучість і викликається нею квазістатична руйнування характерні також для умов високих температур і термоціклірованіе, коли діючі напруги можуть істотно перевищувати межу плинності.
Малоциклова утомлююча руйнування відбувається шляхом зародження і розвитку втомної тріщини, що супроводжується помітними пластичними деформаціями всього обсягу металу. Картина пластичного деформування в цьому випадку характеризується петлями пластичного гістерезису в координатах напруга - деформація і в деякій мірі процесом циклічної повзучості. Таке руйнування має місце при малоциклова навантаженні при напружених, близьких або вище межі текучості в умовах жорсткого режиму, коли в процесі деформування витримується постійна деформація навантаженні, або при м'якому режимі навантаження після досить великої кількості циклів. В цьому випадку процес зародження тріщини протікає в металі, підданому значного пластичного деформації і її зародження і розвиток в значній мірі пов'язано з загальною зміною властивостей металу в процесі цього деформування.
Многоцикловое утомлююча руйнування відбувається шляхом зародження і розвитку втомної тріщини, коли макроскопічне пластичне деформування і циклічна повзучість практично відсутні. Однак в деяких металах при багатоциклового навантаження досить інтенсивно протікають процеси пластичної деформації (в загальному випадку непружної деформації) в локальних обсягах металу, що призводить до дуже значних замкнутим петель гістерезису, площа яких дорівнює енергії, розсіяною в ма! Еріале за цикл, а ширина - непружної деформації за цикл. При малих непружних деформацій практично відсутня відмінність у м'якому і жорсткому режимах навантаження, при значних непружних деформаціях їх необхідно враховувати при оцінці напружено-деформованого стану при наявності геадіента напруг і в інших розрахунках.
Зустрічається в даний час в деяких роботах об'єднання під терміном «малоциклова втома» як квазістатичного, так і малоциклового усталостного руйнувань, на наш погляд, не є коректним. Разом з тим слід мати на увазі і деяку умовність поділу за рівнем напруги, числу циклів до руйнування зазначених стадій руйнування, особливо малоциклового і многсціклового усталостного руйнувань.
У термінах «малоциклова втому» і «багатоциклових втома» в першу чергу мається на увазі число циклів навантаження, що призводять до руйнування, і відповідні йому напруги. При цьому, як правило, передбачається, що малоциклова втома реалізується при низькій частоті (частки герц), а міогоцікловая - при високій (десятки і сотні герц) № частоті навантаження, хоча мають місце і відхилення від цього правила.