Механізми зародження і поширення втомної тріщини - студопедія

Зародження втомної тріщини відбувається, як правило, на поверхні або поблизу поверхні зразків або деталей, де напруги від зовнішнього навантаження досягають максимальних значень. Тріщини можуть зароджуватися на абсолютно гладких полірованих поверхнях, однак їх виникнення в значній мірі полегшується при наявності різного роду концентраторів напруги: нерівностей від механічної обробки, включень, точкової корозії, локального зносу і т. Д.

Під дією циклічних навантажень на гладкій поверхні зразків утворюються смуги локального ковзання і обумовлені ними рельєфні ділянки. Такі рельєфні ділянки пов'язані, мабуть, з неоднорідністю структури реальних металів і сплавів; вони проявляються у вигляді особливого виду утворень на поверхні: виступів (екструзії) і западин (інтрузії), які спостерігаються в електронному мікроскопі (рис. 13.1). Смуги локального ковзання, що призводять до утворення екструзії і интрузии, формуються приблизно під кутом 45 ° до напряму розтягуючого напруги (рис. 13.2). Вони обумовлюють процес формування зародкових мікротріщин, які також поширюються приблизно під кутом в 45 ° до напряму розтягуючого напруги, як правило, в межах одного або двох зерен.

Малюнок 13.1 - Екструзії (опуклості) і интрузии (западини) в отожженном нікелі. х3600

Малюнок 13.2 - Схема освіти екструзії (1) і інтрузій (2) на поверхні (3) металевих матеріалів, підданих циклічним навантаженням. 4 - смуги ковзання

Після утворення та поширення втомних мікротріщин в області одного або двох зерен приблизно під кутом 45 ° до напряму розтягуючого напруги починається стадія поширення втомної макротріщини. На цій стадії тріщина поширюється перпендикулярно до напрямку прикладеного напруги.

Втомні злами характеризуються наявністю на їх поверхні втомних зон, що відбивають стадійність втомного руйнування. У загальному випадку, процес розвитку втомної тріщини включає (рис. 13.3) стадії повільного стабільного зростання тріщини (зона ls), прискореного нестабільного розвитку тріщини (зона lr) і стадію доломіт (зона ld), руйнування в якій відбувається за механізмами статичного руйнування. Зона доломіт настає при досягненні втомної тріщиною довжини критичного значення lf (lf = ls + lr) (рис. 13.3). Зону lf називають зоною усталостного розвитку тріщини.

Кількість втомних зон і їх розміри залежать, перш за все, від кількості циклів навантаження, яке витримав зразок або деталь до руйнування. Форма втомних зон залежить від конфігурації деталі та схеми прикладеного навантаження. Втомний злам зазвичай прямий (по крайней мере, на стадії втомного розвитку тріщини) з малим ступенем шорсткості і майже без ознак супутньої руйнування макропластіческой деформації.

Малюнок 13.3 - Схема будови втомних зламів

На стадії поширення за кожен цикл навантаження усталостная тріщина просувається вперед на певну відстань. При цьому на поверхні зламу, як правило, залишається послідовний ряд смужок - втомних борозенок, що відображають становище фронту тріщини за кожен цикл навантаження (рис. 13.4).

Малюнок 13.4 - Втомні борозенки і механізм росту втомної тріщини, що призводить до утворення борозенок: а - ненавантажений стан; б - невелика розтягуються навантаження; в - максимальне навантаження; г - невелика стискає навантаження; д - максимальна стискає навантаження; е - невелика розтягуються навантаження

Відповідно до сучасної моделі (рис. 13.4), усталостная борозенка виникає внаслідок послідовного розширення і стиснення бічних поверхонь тріщини. При розширенні гирла тріщини внаслідок напруг, що розтягують, тріщина просувається. При двосторонньому стисненні пластично деформований метал у вершини тріщини піддається сплющиванию, яке згодом проявляється у вигляді утворення втомної борозенки.

Цикл навантаження - це сукупність послідовних значень змінних напруг за один період їх зміни.

Найважливішими параметрами циклу навантаження є (рис. 13.5):

1. Максимальна (# 963; max) і мінімальне (# 963; min) значення напруги циклу.

2. Розмах напруги циклу: # 916; # 963; = # 963; max - # 963; min.

5. Коефіцієнт асиметрії циклу навантаження: R = # 963; min / # 963; max.

6. Частота і період навантаження: f = 1 / T.

Малюнок 13.5 - Найважливіші параметри циклу навантаження

Залежно від значення коефіцієнта асиметрії циклу навантаження R розрізняють наступні види циклів навантаження (рис. 13.6):

1. знакопостоянного цикли: розтягують (0

2. Знакозмінні цикли: симетричний (R = -1), переважно розтягують (-1

3. отнулевом (R = 0) і отнулевом стискає (R = -∞) цикли.

Малюнок 13.6 - Види знакопостоянного (а, е), знакозмінних (в, г, д) і отнулевом (б, е) циклів навантаження:

а - розтягують (0

Вид циклу навантаження визначає співвідношення максимального і мінімального напруги циклу і суттєво впливає на міцність від утоми матеріалу.

Форма циклу (рис. 13.7) визначає тривалість витримки при заданому рівні напруги. Вона значно впливає на час до зародження втомної тріщини і, в меншій мірі, на час поширення тріщини. Це вплив особливо посилюється при високотемпературному втомному руйнуванні.

Малюнок 13.7 - Різні форми зміни амплітуди напруги циклу: а - навантажування з постійною амплітудою при синусоїдальної (гармонійної) формі циклів; б - з бігармонічні амплітудою; в - зі змінною частотою; г - програмований блоковий цикл; д - довільний цикл; е - з перевантаженням в гармонійному циклі.

На напружений стан матеріалу при втомному руйнуванні сильно впливає схема навантаження. Тому при випробуванні зразків схему навантаження вибирають так, щоб найбільшою мірою відтворити напружений стан матеріалу в конструкції або деталі, а також отримати злам експлуатаційного виду.

При випробуванні на втому використовують два істотно розрізняються між собою виду навантаження (рис. 13.8):

- м'яке навантаження - із заданим розмахом навантаження (напруги);

- жорстке навантаження - із заданим розмахом деформації.

Малюнок 13.8 - М'яке (а) і жорстке (б) навантаження зразків

При м'якому навантаженні заданої величиною є навантаження; вона практично постійна на всьому протязі випробування. У цьому випадку переміщення кинематически не обмежена і може змінюватися в залежності від зміни жорсткості навантажується системи в період поступового зростання втомної тріщини. М'яке навантаження більш широко поширене в промислових конструкціях і деталях машин, ніж жорстке навантаження.

При жорсткому навантаженні заданої величиною є кінематично обмежене переміщення, постійне на всьому протязі випробування, включаючи період зменшення жорсткості зразка або деталі при розвитку втомної тріщини. При жорсткому навантаженні зусилля змінюється в залежності від зміни жорсткості навантажується системи. Такий вид навантаження має місце, наприклад, в шатунно-кривошипних механізмах, підкладках рейкових зчеплень і т. Д.

Крива втоми. Малоциклова і багатоциклових втому.

Втомну міцність (межа втоми) матеріалу визначають шляхом втомних випробувань певної кількості зразків при різних значеннях напруги циклу. Найчастіше використовують симетричний цикл навантаження (R = -1), а втомні випробування циліндричних зразків (рис. 13.9) проводять за схемою «вигин з обертанням» з заданим розмахом напруги. Напруга циклу позначають як # 963; -1. МПа.

Малюнок 13.9 - Циліндричний зразок для втомних випробувань за схемою «вигин з обертанням»

Спочатку встановлюють напругу циклу # 963; -1 в зразку, свідомо перевищує межу втоми матеріалу. Проводять випробування зразка. Після руйнування зразка фіксують кількість циклів навантаження, що призвело до його руйнування (N, цикл). Потім напруга циклу знижують, і заново проводять випробування, і фіксують кількість циклів навантаження до руйнування зразка. Такі операції проводять до тих пір, поки зразки не перестануть руйнуватися, пропрацювавши певну кількість циклів навантаження (базу випробування). Потім будують графічну залежність «напруга циклу - кількість циклів до руйнування зразків» в лінійних (# 963; -1 - N) або частіше в полулогарифмических (# 963; -1 - lg N) координатах. Отриману таким чином криву називають кривою втоми або кривої Велером (рис. 13.10).

Малюнок 13.10 - Криві втоми в координатах «# 963; -1 - N» (а) і «# 963; -1 - lg N» (б)

На кривих втоми з чітко вираженим горизонтальним ділянкою можна виявити рівень напружень, що не приводить до руйнування зразків при як завгодно великих циклах навантаження - фізична межа втоми (витривалості). Криві такого типу характерні для чорних металів і сплавів титану. Криві втоми з асимптотическим наближенням правійгілки до горизонталі характерні для сплавів кольорових металів, а також для чорних металів в разі впливу корозійного середовища.

Дамо визначення меж втоми матеріалу, бази випробування, поняття малоцикловой і багатоциклової втоми. Для цього скористаємося схемою повної кривої втоми, зображеної на малюнку 13.11.

Малюнок 13.11 - Повна схема кривої втоми в координатах «lg # 963; - lg Nкр »(а) і вид зламів при малоцикловой і багатоциклової втоми (б):

# 963; w - межа втоми (витривалості); # 963; т Д - динамічний межа плинності; Nк - кількість циклів навантаження, відповідне області розриву кривої втоми

Межа втоми (витривалості) (# 963; w) - це величина максимальної напруги циклу, що не викликає руйнування зразка на базі NR. Вид навантаження (м'яке або жорстке) практично не впливає на значення межі втоми матеріалу.

База випробування (NR) - це заздалегідь задане число циклів навантаження, до яких зразки випробовують на втому. Для визначення меж втоми (витривалості) значення бази NR приймають рівною 10 7 циклів для металів і сплавів, що мають практично горизонтальну ділянку на кривій втоми. Для металів і сплавів з асимптотическим наближенням правійгілки до горизонталі NR = 10 8 циклів. При цьому передбачається, що при подальшому збільшенні циклів навантаження (більше NR) руйнування зразків не відбудеться при як завгодно тривалому випробуванні.

Точці А (рис. 13.11) відповідає напруга, близьке до межі міцності матеріалу, при якому руйнування відбувається за один цикл. Ділянці АВС відповідає область квазістатичного руйнування. Довговічність зразка в даній області, як правило, не перевищує 10 2 циклів. Через високого рівня напружень квазістатичний злам має затяжка, а численні тріщини, зароджуючись на поверхні зразка на різному рівні, призводять до утворення ступенів. За зовнішнім виглядом квазістатичні злами не відрізняються принципово від статичних.

Ділянка СD відповідає області малоцикловой втоми. Область малоцикловой втоми поширюється від області квазістатичного руйнування до розриву кривої втоми (рис. 13.11). При малоцикловой втоми тріщина просувається вперед при кожному циклі навантаження, утворюючи на поверхні зламу борознистий мікрорельєф. Характерною особливістю малоцикловой втоми є утворення на поверхні зламу тільки однієї втомної зони, за якою слідує зона доломіт (рис. 13.11). Така будова зламу відображає досить високий рівень циклічних навантажень в області малоцикловой втоми. Кількість циклів навантаження при малоцикловой втоми, як правило, не перевищує 10 6 циклів навантаження.

Розрив кривої втоми (DE) спостерігається при досягненні динамічного границі текучості матеріалу # 963; т Д. т. Е. Межі текучості матеріалу при швидкості деформації, що дорівнює швидкості циклічного навантаження.

За розривом кривої втоми слід область багатоциклової втоми (ділянка EFGH) (рис. 13.11). Низький рівень циклічних навантажень в даній області втомного руйнування обумовлює утворення на поверхні зламів двох втомних зон (рис. 13.10): зони стабільного зростання тріщини (ls) і зони прискореного розвитку тріщини (lr). З цієї ж причини долом на таких зламах займає незначну частину поверхні зламу. Кількість циклів навантаження при багатоциклової втоми перевищує 10 6 циклів навантаження.