ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 1
Введение понятия амплитуды циклического /-интеграла AJf дает воз можность считать его именно тем параметром, который характеризует интегральность энергетической и деформационной ситуаций в активной зо не у вершины усталостной трещины. Как будет показано, этот параметр позволяет выявить дискретность его изменения, связанную с точками би
фуркации.
Пороговые ситуации при докритическом росте усталостной трещины, отвечающие точкам бифуркаций. Прежде чем перейти к экспериментально му определению данного параметра, рассмотрим пороговые ситуации с точки зрения достижения пороговых значений амплитуды коэффициента
интенсивности напряжений АК (рис. 1).
Первым порогом является, безусловно, амплитуда коэффициента интен сивности напряжений A/Cth , ниже которой трещина, как полагают,практи
чески не развивается,хотя известно,что при очень низких ДК рост трещины происходит, но скорость весьма мала. Ввиду асимптотачного характера кривой зависимости скорости роста усталостной трещины от ДК в при-
пороговой области диаграммы |
циклической трещиностойкости (ДЦТ) |
количественное значение AKth |
зависит от выбранной базовой скорости |
развития трещины.
Считаю также, что условием для определения данного порога можно считать определенное выбранное произвольно число циклов, в течение ко торых трещина не продвигается на какое-то минимальное расстояние, под дающееся измерению. Условность определения Д/^th заключается также в
зависимости этого параметра от схемы изменения нагрузки (повышения или понижения) и степени ее последовательного ступенчатого изменения. Поэтому нам представляетсяцелесообразным и более физически обоснован
ным определять величину AKth ПРИдетерминированной скорости роста трещины. Обоснованным представляется определять порог при скорости роста трещины, абсолютное значение которой равно кванту разрушения а, [2].
Исходя из представлений В.В.Новожилова [3] о дискретном процессе разрушения твердых тел и концепции С.Н.Журкова [4] о термофлуктуационном процессе разрыва межатомных связей, следует считать, что имен но активационный объемответственза элементарный акт разрыва межатом ных связей, а не объем одной атомной решетки. Поэтому физически не оправдано, когда на ДЦТ иногда для ориентировки указывают параметр атомной решетки исследованного материала (точнее, элемента, на базе которого изготовлен данный сплав). Пересчет активационного объема на
линейный размер дает условную величину кванта разрушения aq. Напри мер,для сталей он равен5 • КГ10 м.Поэтому более обоснованным является
определение порога AKfa, соответствующего скорости роста трещины 5 • 1(Г10 м/цикл. Такое значение Д/Cft, будет несколько выше,чем величи
на |
>определенная при более низкой скорости роста трещины. |
Как показывает анализ многих экспериментальных значений AKth на ба зе скорости роста КГ^-КГ12 м/цикл, разница между ними и величиной
ДОЯстали не превышает 1МПа . м*4. Вто же время |
определе |
ниеAKfh методически просто,а сама эта характеристика имеет |
определен |
ный физический смысл. |
|
Нахождение AKth осложняется не только выбором базового значения
V, м/цикл
Рис.1.Кинетическаядиаграмма циклической трещиностойкости
Рис.2. Влияние коэффициента асимметрии цикла Rна форму цикла и время закры тиятрещины(схема)
Время: 1- открытия, 2 - закрытия
скорости роста,но ещ и тем обстоятельством,чтозакрытие трещины вслед ствие эффекта Элбера снижает расчетное значение AKth и вынуждает искать его эффективное значение. Нахождение эффективного значения является сложной задачей как из-за трудоемкости, так и сложности методики. По давление эффекта закрытия трещины можетиметьместо при коэффициенте асимметрии циклаR выше 0,5.
Но если по значениюA£th |
при высоком R, которое равно |
, с по |
|
мощью экстраполяции найти величину |
приR = 0,то она не будет сов |
||
падать с той же величиной |
при R = 0,найденной экспериментально. |
||
Это происходит, видимо,вследствие разной формы цикла в случае высоко го R uR =0,а также наличия времени закрытия трещины при/? =0 и отсутст вия его при высокомR (рис.2).
На основании изложенного следует признать, что простота определения порога AK%h делает этухарактеристику практически применимой и в то же время имеющей физическую интерпретацию.
До этого порога проскок трещины происходит после накопления пре дельной энергии разрушения за довольно большое количество циклов наг рузки. Сам проскок составляет расстояние,равное величине кванта разру шения aq для данного материала. При достижении AK%h проскок трещины происходит также на длину, равную кванту разрушения, но уже за один полный цикл нагрузки. При амплитуде коэффициента интенсивности нап ряжений, превышающей ДК^, скачок трещины намного превышает вели
чину кванта разрушения. |
101 |
Именно этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что при АК менее ДЛ^ величина скорости резко уменьшается и часть кривой зависи мости скорости роста трещины от АК на ДЦТ (в двойных логарифмичес ких координатах) носит асимптотический характер или изображается авто рами иногда вообще в виде вертикальной линии [2],
Следующим пороговым значением амплитуды коэффициента интенсив ности напряжений АК* следует считать начало участка Пэриса AKt_2. Пе
реход к нему от порога Д/S^h »как правило,происходит по плавной кривой. Однако имеют место случаи, когда значение AKfh практически совпадает с AKj_2 и участок между ними пропадает. Врезультате экспериментальные точки, лежащие ниже и выше кванта разрушения aq на ДЦТ, аппроксими руются двумя прямыми, образующими точку перегиба, лежащую вблизи скорости роста трещины, равной по своему абсолютному значению величи не кванта разрушения aq.
Возможные случаи зависимости скорости роста трещины от АК в припо-
роговой области представлены на рис.3.
Другой характерной точкой на кинетической ДЦТ (см. рис. 1) является точка, соответствующая новой пороговой ситуации в вершине усталостной трещины и отвечающая пороговой амплитуде коэффициента интенсивности напряжений,равной АКа -критерию [5,6].
Методика определения данного критериядана в работе [6].Он соответст вует резкому изменениюускорения распространения усталостной трещины
и поэтому делит область IIДЦТ на две подобласти —IL4 и Ш? (см.рис. 1). До значения АКа рост трещины носитравномерный или равноускоренный характер. Однако при достижении значения данного критерия характер
роста резко меняется: импульсивно изменяется ускорение роста трещины. Резкое возрастание ускорения с ростом ’’накачки” локальной энергии в активную зону у вершины трещины наблюдается практически для всех ма териалов, что, как будет показано, наглядно видно на графиках в логариф мических координатах логарифм скорости роста трещины —логарифм числа циклов (илилогарифм длины трещины).
Для ряда пластичных низкопрочных материалов на ДЦТ наблюдается дискретное изменение функции скорости от АК при достижении вели чины АКа (рис.4),что характеризует существенное изменение параметров, контролирующих скорость роста трещины. Вчастности, в работе [7] при ведены экспериментальные данные зависимости логарифма величины окта эдрического сдвига в пластической зоне увершины трещины отлогарифма АК. Переход от логарифмических координат к обычным показывает дис кретное возрастание октаэдрического сдвига при амплитуде коэффициента интенсивности напряжений,превышающей АКа (рис.5).
Важность АКа -критерия (как характеристики циклической трещиностойкости), предложенного в работах [5, 6], указывалась в ряде опубли
кованных позднее работ [8—12] и определялась экспериментально для некоторых материалов [9—11]. Этот критерий может быть использован не только для.ранжирования материалов,но и при расчете циклической трещиностойкости с учетом допустимой повреждаемости, что отмечалось в работах [8-10].
Подобный метод расчета в случае статистической обработки экспери ментальных результатов, соответствия данных, полученных на образцах и
102
Рис.3.Возможные случаи {1-3) формыкривой зависимости скорости роста трещи ныусталости от ДКв припороговойобласти (схема)
Рис.4. Дискретное нэмененне зависимости скорости роста усталостной трещиныпри достижении ЛКа для сплава АВ(данные полученыД.Ж.Намдаковы совместно с автором)
а —вырезка из периферийной части лонжерона {1),из средней части (2); б — перерыв между закалкойи отпуском 1сут (1) и 2 сут (2)
Рис.5. Дискретное изменение величиныоктаэдрического сдвига в пластической зоне у вершиныусталостной трещиныпосле достижения ДКа (сталь 45, закалка и от пуск при 400°С)
103
в эксплуатационных условиях (с соблюдением подобия напряженного сос тояния и механизма разрушения), а также уверенность в безопасности до пускаемой повреждаемости дают возможность существенно увеличить ресурс работы многих элементов конструкций. Следует учитывать, что
продолжительность роста трещины усталости до достижения значения АКа составляет более 50%общей усталостной долговечности до полного
разрушения, а в отдельных случаях она выше 70%.Это тем более важно, что период зарождения трещины при наличии конструктивного концентра
тора может быть незначительным.
Характерной точкой на кривой зависимости скорости распростране ния трещины от АК (на ДЦТ) (см. рис. 1) является точка,разграничиваю щая всю.ДЦТ на две части: область квазиупругого роста и область упруго пластического роста усталостной трещины. Эта точка соответствует кри териюАКь,предложенному В.С.Ивановой [12-14].
Как указывалось ранее [5, 6], в качестве характеристики циклической трещиностойкости следует принять пороговое значение АК* = АКВ (со ответствующее концу участка Пэриса на ДЦТ), которое позднее вошло в Методические указания [15] с обозначением AAT2_3.
Достижение значения АКВбыло названо началом ’’циклического долома” {5, 7]. Процесс циклического долома существенно отличается от предыдущего процесса разрушения не только сменой микромеханизма раз - рушения, но и появлением, как полагают, второй компоненты АТщ, т.е. изменением вида разрушения. Этот период является сравнительно корот кими недостаточно полно изучен.
Использование деформационно-энергетического подхода (характеристики AJf) для анализа точекбифуркаций.При рассмотрении разрушения как предельного состояния твердого тела энергетический подход, основанный на представлении о критической плотности энергии, часто является весь ма эффективным. Полагают,что величина энергии, необходимая для обра
зования единицы новой поверхности трещины,постоянна и является харак теристикой материала. Но распространение усталостной трещины можно
рассматривать также как результат циклического деформирования зоны предразрушения у вершины трещины и считать,чтообразование единицыно вой поверхности трещины зависит от деформации в зоне предразрушения.
Кинетику докритического роста усталостной трещины можно рассматри
вать как изменение неупругой деформации в окрестностях вершины усталостной трещины, а также как следствие изменения поглощенной энер гии, контролирующей продвижение трещины. Роль деформационного фактора и плотность энергии,определяющих раскрытие вершины усталост ной трещины и влияющих на скорость ее роста,можно интегрально оценить, исследуя кинетику параметров петли локального гистерезиса деформации в активной зоне у вершины усталостной трещины.Они характеризуют как деформационный,так и энергетический факторы.
Введение понятия амплитуды циклического /-интеграла AJf позволяет установить дискретность изменения этой характеристики, отвечающую эволюции взаимодействия микромеханизма разрушения при росте трещины и точкам бифуркации.
Данная характеристика является плотностью энергии пластического гистерезиса в зоне у вершины трещины, т.е. энергией, отнесенной кплоща
104
ди текущего нето-сечения образца. Методика получения петель гистерези са описана в работе [16]. Она связана сизменением гистерезиса раскрытия трещины усталости в процессе ее роста.
Раскрытие вершины усталостной трещины является важнейшим факто ром, определяющим ее продвижение.Например,согласно известной модели Леонова—Панасюка [17], только тогда начинается рост трещины, когда ее раскрытие у вершины достигает некоторого критического значения 8к, не зависящего от геометрии образца и размера области пластической дефор мации в хрупком твердом теле.
Раскрытие трещины является также функцией остаточных напряже ний, возникающих в активной зоне у вершины трещины, которые кон тролируются уровнем пластической деформации в зоне и периодом циклирования. Сувеличением коэффициента интенсивности напряжений и ско рости роста трещины величина остаточных напряжений возрастает [18].
Истинное значение раскрытия трещины усталости зависит также, как известно, от эффекта Элбера, т.е. от наличия или отсутствия эффекта закрытия трещины. Впоследнее время вопросу закрытия трещины уде лялось большое внимание [19,20] и рассматривалось несколько механиз мов закрытия. Прежде всего ответственным за закрытие трещины счита ют пластическую деформацию в зоне у вершины трещины. Но, на наш взгляд, должны работать и другие механизмы.Действительно,пластическое течение у вершины трещины на поверхности образца (губы утяжки)должно быть больше,чем в средней части фронта трещины вследствие иного напря женного состояния. Следовательно, с уменьшением толщины образца ско рость развития трещины из-за ее закрытия по этой причине должна умень шаться [20].Наблюдается,однако,и обратная зависимость.
Следовательно, пластическое течение в области вершины трещины не является основным механизмом, определяющим закрытие трещины. Например, шероховатость поверхности излома может стать причиной несовпадения ’’гребней” и "впадин” соприкасающихся поверхностей бере гов трещины, что должно вызвать неполное закрытие трещины.Оно может быть вызвано также окислением поверхностей трещины. Образующиеся в результате фреттинг-процесса продукты коррозии также препятствую
еезакрытию.
Динамические петли локального гистерезиса в процессе открытия—зак
рытия трещины в определенной степени учитываю ее закрытие. Поэтому значения А1f получаются с учетом эффекта закрытия трещины усталости.
На рис. 6 представлены экспериментальные данные по зависимости ло гарифма амплитуды циклического /-интеграла А// от логарифма ДАТв процессе развития трещины усталости. Эта зависимость обнаруживает до вольно четкий дискретный характер. Анализ показывает, что дискретное изменение величины А/у происходит при значениях АК, весьма близких к пороговым амплитудам коэффициента интенсивности напряжений АК*, а именно АКг _2, АКа, AKls, АК2_3(АКь), которые были рассмотрены выше (см. рис. 1). Численные значения этих характеристик даны в рабо те [16].
Следует иметь в виду, что пороговые значения АК* определялись в ра боте [16] независимыми методами: величины АК:_2и АК2 _з - по экспе риментально построенной ДЦТ [16], критерий АКа - по перелому зависи-
105