Механические свойства материалов (стр. 15 )

а – действие касательных напряжений; б – зарождение трещины

Рисунок 33 – Схема зарождения трещины в стыке трех зерен за счет межзеренной деформации

В результате трещина зарождается вблизи места стыка О и распространяется вдоль границ А-С и В-С (рисунок 33, б). На практике с такой схемой зарождения трещин в результате межзеренных смещений встречаются обычно при высокотемпературных длительных испытаниях. В этих условиях возможно зарождение пор (трещин) путем слияния вакансий.

Рассмотренные основные схемы зарождения трещин показывают, что разрушение металлов с разной решеткой и микроструктурой может начинаться по-разному.

В конечном итоге сопротивляемость металла или сплава разрушению и характер разрушения определяются условиями, в которых оказывается возникшая по тому или иному механизму микротрещина. Вторая стадия разрушения – распространение трещины – является решающей.

5.3 Усталостный излом как отражение кинетики разрушения

Как и любой вид разрушения, усталостное разрушение включает три основных этапа: образование трещины, ее рост до критического размера и распространение к поверхности изделия. Однако, в отличие от статических видов разрушения, рост трещины в данном случае происходит в течение более длительного периода испытания образца, и она действительно четко видна визуально на поверхности излома. Это – усталостная часть излома, раскрывающая природу разрушения. Оставшаяся часть излома обычно называется зоной ‘‘долома’’ или зоной динамического излома и является, по существу, результатом быстрого действия нагрузки на уменьшенное вследствие роста усталостной трещины сечение детали.

На рисунке 34 приведена схема и типичный пример усталостного разрушения.

При визуальном осмотре усталостная зона достаточно гладкая, тускло-блестящая. Динамическая часть излома (зона долома) зернистая, с сеткой развитых крупных трещин.

Анализ поверхности излома даже при весьма незначительном увеличении (до 25 крат) позволяет достаточно надежно судить о характере развития усталостной трещины, распределении напряжений в разрушившихся элементах, перегрузках и пр.

При равномерном чередовании нагрузки и отдыха усталостная зона покрыта тонкими волокнистыми линиями, представляющими собой борозды скольжения как следы циклического распространения трещины.

В случаях, когда усталостная трещина распространяется в сечении детали циклически (из-за перерывов в работе, при действии нагрузок с разными амплитудами напряжений и пр.) на поверхности этой части излома образуются отдельные кольца – “линии отдыха”. Они всегда концентрически расходятся от того места, где началось усталостное разрушение – очаг разрушения. В реальном изломе в зависимости от свойств материала и условий нагружения может быть не один, а несколько очагов разрушения (несколько максимумов напряжений, несколько острых включений, внутренних полостей и пр.). Величина зоны усталостного излома может служить и мерой уровня динамической нагрузки. Чем меньше зона усталости по сравнению с зоной долома, тем выше была динамическая нагрузка на деталь.

Значительно расширяют наши представления о распространении усталостной трещины фрактография с помощью просвечивающей и растровой электронной микроскопии (РЭМ, ПЭМ).

Знание причин усталостного разрушения весьма важно для производственной и эксплутационной инженерной практики, и поэтому инженеры должны хорошо знать методы снижения опасности такого разрушения.

Для заданной схемы и уровня напряжений, по-видимому, наибольшую опасность представляют концентраторы напряжений. Они могут быть следствием неудачной конструкции или технологии обработки. Ими могут служить металлургические дефекты в виде включений и трещин, образующихся в процессе производства сплава или при его термической обработке.

Рисунок 34 – Схема усталостного излома

Металлург должен стремиться обеспечить получение чистого материала с однородной структурой, исключающей скопление дислокаций, затрудняющих скольжение. Должное внимание следует уделять среде, в которой работает деталь. Следует помнить, что даже дистиллированная вода чрезвычайно агрессивна по отношению к стальным деталям. Здесь может помочь гальваническое покрытие или катодная защита.

То обстоятельство, что усталостные трещины образуются на поверхности, требует особенно тщательной подготовки последнего с целью возможного исключения в ней формирования очагов разрушения (концентраторов напряжений). С этой точки зрения эффективным является повышение чистоты поверхности и создание в ней искусственным путем сжимающих напряжений (наклеп, поверхностная закалка), уменьшающих уровень действующих.

Разрушение на макро - и микроуровнях является сложным кооперативным процессом, анализ которого требует комплексного подхода с привлечением физики прочности, механики разрушения и металловедения. Явлению разрушения присущи следующие особенности:

-  разрушение и прочность весьма чувствительны к таким дефектам, как трещины, в макроскопическом аспекте и как дислокации в кристаллах в микроскопическом асекте;

-  явление разрушения дискретно по отношению как ко времени, так и к пространству даже в сплошной среде;

-  разрушение и прочность по своей природе статистические, что обусловливает большой разброс данных по свойствам;

-  тип разрушения зависит от комплекса факторов – структуры, размера и конфигурации тела, внешней среды, типа нгружения и пр.

Различают три основных вида трещин (рисунок 35):

1) пора, представляющая собой объем, ограниченный свободными поверхностями с соотношением В1/С=В2/С, где С – длина поры (рисунок 35, а). В частном случае В1=В2=С.

 

а – пора; б – упругая трещина; в – дислокационная трещина

Рисунок 35 – Схема основных форм трещины

2) упругая трещина, представляющая собой разрез тела конечной длины

какой-либо плоскости (рисунок 35, б) с соотношением параметров трещины В1/С=В2/С=1, где С – длина трещины.

3) дислокационная трещина, представляющая собой один из возможных видов ядра дислокации с большим вектором Бюргерса (рисунок 35, в) В=В1-В2.

5.4 Критерии подобия локального разрушения

Со времен Гриффитса (1921 г.), явившегося основоположником теории хрупких трещин в твердых телах, предлагались различные критерии локального разрушения: силовые, деформационные, энергетические. Все они основываются на концепции Гриффитса, в соответствии скоторой высвобождающаяся при росте трещины упругая энергия тратится на разрушение.

Гриффитс сформулировал критерий следующим образом: трещина способна распространяться в том случае, если высвобождающейся при этом энергии достаточно для обеспечения ее движения. Это условие порога нестабильности записывается так:

dU/dl=dW/dl,

где U – упругая энергия;

W – энергия, расходующася на движение трещины.

Гриффитс выразил dU/dl через напряжение:

dU/dl=πσ2l/Е,

где Е – модуль упругости;

l – полудлина трещины;

σ – напряжение растяжения.

Впоследствии величину dU/dl стали называть скоростью высвобождения упругой энергии или энергией движения трещины.

Теория подобия еще не получила должного использования в практике испытаний на трещиностойкость и при фрактографических исследованиях. Необходимость применения теории подобия при анализе роста трещины очевидна, так как значение коэффициента интенсивности напряжения при достижении предельного состояния в данных температурно-силовых условиях нагружения зависит от реализуемого на фронте трещины локального напряженного состояния, которое может быть различным, несмотря на реализацию одной и той же плотности энергии деформации. Это связано с тем, что при постоянной плотности энергии деформации в зависимости от скорости движения трещины реализуются различные микромеханизмы разрушения, контролирующие скорость процесса разрушения.

Скорость разрушения определяется кооперативными процессами, присходящими на микро - и макроуровнях, и поэтому необходим учет как прочности межатомной связи в бездефектной кристаллической решетке, так и характеристик прочности и пластичности. В связи со сложностью поставленных механикой разрушения задач прямого эксперимента недостаточно для определения общих закономерностей разрушения материала с трещиной, а требуется привлечение подходов физики разрушения, позволяющих вникнуть в суть механизма явления. Но и этого мало, так как необходимо учитывать сложные по своему содержанию микропроцессы, оказывающие неоднозначное влияние на макропроцессы, определяющие в конечном итоге скорость разрушения. Переход от микроразрушения к макроразрушению может быть достигнут путем учета масштабного подобия. Это требует привлечения к анализу механики трещины наряду с физикой прочности также теории подобия и анализа размерностей. Для применения теории подобия необходимо иметь большой объем предварительных данных и конкретных физических идей, позволяющих вывести уравнение, определяющее процесс. Если уравнение не удалось вывести, то применяют анализ размерностей. Подходы механики разрушения позволяют рассматривать процесс разрушения как автомодельный, что упрощает решение задач механики трещин, ибо в условиях автомодельности необходимым и достаточным условием обеспечения подобия локального разрушения является использование только одного критерия подобия. К тому же теория подобия является своеобразной теорией эксперимента, так как позволяет установить, какие параметры следует определять в опыте для решения той или иной задачи. Неучет этого фактора при определении критериев линейной механики разрушения привел к известным трудностям и к необходимости раздельного определения статической КIC, динамической КId и циклической КfC трещиностойкости. Однако каждый из указанных критериев, определенных экспериментально без учета подобия локального разрушения, даже при одном и том же виде нагружения часто не дает сопоставимых значений из-за влияния степени стеснения пластической деформации на микромеханизм разрушения.