Развитие трещин. Структурные изменения при усталости

Рассмотрим некоторые выводы, наиболее существенные для понимания механизма процессов при циклическом нагружении.

Одно- и многократный процессы деформирования имеют много общих черт и ряд несомненных различий. Сходство заключается в следующем:

общность кристаллографических поверхностей и направлений сдвига при одно- и многократном нагружении монокристаллов;

развитие усталостной трещины, как и трещины при однократном пластическом разрушении, происходит из плоскостей (линий) пластических сдвигов;

существование корреляционных эмпирических связей, установленных между механическими характеристиками однократного нагружения и сопротивления усталости;

кинетика развития усталостной трещины в общем случае имеет те же четыре периода, что и разрушение при однократном нагружении.

при циклических нагрузках в металле возможны следующие механизмы зарождения усталостных трещин:

-коагуляция вакансий;

-осаждение вакансий на микропоры;

-аннигиляция дислокаций;

-неоднородное скольжение, сопровождающееся экструзией и интрузией.

В то же время многократность нагружения вызывает специфические особенности, к которым относятся:

Значительно большая макроскопическая неравномерность при повторном нагружении, чем при однократном. Из-за неравномерности интегральные характеристики детали в целом (например, электросопротивление, статические испытания образца после испытания на усталость и т.д.) для оценки ранней пластической стадии малопригодны. Лишь развитие макротрещины изменит не только локальные свойства, но и свойства образца.

Малые многократные пластические деформации оказывают охрупчивающее действие на материалы в большей степени, чем однократные в зависимости от состояния поверхности, коррозионного воздействия, наличия надрезов и т.д.

Упрочнение при циклической пластической деформации частично или полностью снимается с уменьшением амплитуды циклов, поэтому усталостная пластическая деформация может развиваться до больших суммарных величин, чем деформация при однократном нагружении.

Отсюда вытекает, что при усталостном процессе нельзя алгебраически складывать отдельные шаги пластической деформации.

Кинетика усталостного разрушения определяется:

— появлением признаков начального разрушения на очень ранних стадиях 1 -10 % от долговечности в зависимости от условий испытания, материала и т.д.;

— весьма медленным развитием разрушения.

С применением металлографических методов исследования, - электронной микроскопии наблюдались следующие стадии в подготовке образования усталостной трещины:

-появление следов сдвига в виде отдельных точек или небольших ямок сферической или конической формы;

-выстраивание в ряды и затем слияние этих ямок в сплошные полосы или линии сдвига;

-перерождение неустойчивых полос сдвига в устойчивые, не устраняемые дальнейшим электрополированием;

-появление тонких трещин в структуре полос сдвига (рис. 4.10, 4.11).

дать рис

Переход некоторых из устойчивых полос сдвига в зародышевые трещины не означает, что все усталостные трещины образуются таким образом.

При макроскопическом развитии усталостная трещина может проходить через четыре кинетических периода: инкубационный, торможения, стационарный и заключительно ускоренный — заканчивающийся полным разрушением.

появление выступов (экструзий) и впадин (интрузий) различными дислокационными механизмами. дать рис

Дефекты, возникающие при пересечении дислокаций, могут быть либо вереницей вакансий, либо дислокационным диполем. В процессе движения дислокаций или колоний вакансий последние коагулируют и приводят к разрыхлению, нарушению связи в микрозонах, появлению и развитию трещин.

Изменения микроструктуры в процессе усталостного нагружения зависят от материала, величины и продолжительности нагружения, его температуры, частоты и т.д.

Анализ микроструктуры по сравнению с исходным состоянием показывает, что происходит процесс распада структуры — увеличение числа избыточных фаз, их коагуляция, выделение карбидов по границам зерен, их утолщение и, как следствие, снижение усталостной прочности. Испытания на усталость при высоких температурах гетерогенных материалов сопровождаются структурными превращениями и выделением карбидов по границам зерен.

Так как усталость - поверхностный процесс, то соответственно очень важно состояние поверхности изделия или образца.

Для повышения сопротивления усталости желательны твердые поверхностные слои, имеющие высокое сопротивление скольжения. Кроме дисперсионного твердения и деформационного старения может быть полезным уменьшенный модуль упругости в поверхностном слое. Полезную роль может играть упругая анизотропия, образующая слой из беспорядочно ориентированных зерен на сердцевине, состоящей из зерен, ориентированных таким образом, что направление максимального модуля совпадало с направлением действия главного напряжения.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что усталостному разрушению всегда предшествует локальная пластическая деформация, которая по мере накопления числа циклов приводит к "разрыхлению", нарушениям сплошности, возникновению микротрещин и развитию некоторых из них в макроскопические. Траектория макроскопической трещины усталости определяется расположением включений, линий сдвигов и полос скольжения в структуре.