Файл: Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла.pdf

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

скорость роста трещин связана с ЛЛ' н lie зависит от геометрической конфигурации образца, указанные дан­ ные могут быть также использованы для расчета изме­ нения длины трещин с увеличением числа циклов и при других условиях нагружения. Уровень интенсивности на­ пряжений является достаточно удобной базой для про­ ведения различных исследований и обобщения данных, получаемых исследователями на образцах различной формы и размера с трещинами, расположенными в раз­ личных местах.

Для объяснения развития трещин под действием цик­ лических нагрузок Г. П. Черепанов [105, 106] привлек упруго-пластическую модель тела и рассмотрел тонкую структуру конца трещины. Применение общих соображе­ ний анализа размерностей и энергетической концепции Ирвина — Орована, обобщенной на случай нестационар­ ного развития трещины, позволило ему предложить сле­ дующую зависимость для скорости роста усталостных трещин

Величина ß имеет размерность длины и характери­ зует прирост длины трещины при циклическом нагруже-

тальных данных.

Теоретическое решение, полученное Г. П. Черепано­ вым, получило подтверждение для широкого диапазона чисел циклов до разрушения. Зависимость между скоро­ стью роста трещин и фактором интенсивности напряже­

71

Формула Париса получается непосредственно из вы­ ражения, предложенного Г. П. Черепановым, для тех случаев, когда число циклов сравнительно велико (при Amax/Äc=^0,5). Именно эти случаи в основном рассмат­ риваются в данной книге. Аналитические расчеты скоро­ сти роста усталостных трещин даны в [71, 90—93].

Многочисленные случаи внезапных разрушений кон­ струкций, подготовленных постепенным усталостным циклом развития трещины пли без такой трещины, по­ служили толчком к проведению теоретических работ в области механики разрушения и выбору критериев, позволяющих дать количественную оценку склонности металлов к хрупким разрушениям.

В качестве критерия склонности материала к хрупко­ му разрушению Ирвин предложил использовать пара­ метры К і с и Gіс, характеризующие сопротивление рас­ пространению трещин в условиях плоской деформации. Эти величины служат сравнительными характеристика­ ми, оценивающими сопротивление материала развитию в нем трещин. Они могут быть также использованы для соответствующих расчетов с целью установления крити­ ческих нагрузок и длин трещин.

Величина К \ с или вязкость разрушения при объем­ ном напряженном состоянии п плоской деформации пред­ ставляет собой такую интенсивность напряжений в вер­

сущности виды нарушения сплошности материала, фак­ тически связаны с одной и той же характеристикой, а именно с интенсивностью напряжений в вершине тре­ щины (с той лишь разницей, что в первом случае при­ ходится оперировать текущими значениями, а во вто­ ром— предельным или критическим значением той же величины).

Относительно роли характеристик К \ с и бс и возмож­ ности оценки материалов с их помощью Б. А. Дроздовский и Е. М. Морозов [35] указывают, что так же, как ав, SK и б, г|з представляют соответственно оценку проч­ ности и пластичности гладкого образца, так К с , К \ с и бс дают оценку прочности и пластичности особых точек образца с трещиной. В первом случае имеют дело с ха-

72