ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Зарождение усталостной трещины из "Трещиностойкость стали " Трещина представляет собой ограниченную область внутри металла, в которой произошло разделение соседних групп или слоев атомов, достаточное для разрыва связей м кду ними и образования двух новых повфхностей, примыкающих одна к другой, но не соединенных в единое целое [147]. Более полную трактовку механизма зарождения усталостных трещин дала теория дислокаций. Согласно этой теории при нагружении в металле возникают линии скольжения, которые могут тормозиться различными препятствиями, типа границ зерен или частиц второй фазы. Такая остановка полосы скольжения перед препятствием эквивалентна образованию скопления дислокаций, плотность которого повышается в случае приближения к препятствию. В результате этого напряжение перед острием линий скольжения может достигнуть теоретической прочности, после чего произойдет образование трещины. [c.137] В литературе приводятся следующие возможные механизмы зарождения трещин в металлах [145, 148] 1) возникновение больших растягивающих напряжений в результате скопления дислокаций, образующихся у препятствий 2) образование скоплений дислокаций, расположенных ёдоль полос скольжения в параллельных плоскостях 3) коагуляци1п вакансий 4) возникновение экструзий и интрузий (выдавливания тонких лепестков металла толщиной менее 1 мкм) в полосах скольжения 5) концентрация в локальных объемах удельной энергии упругой деформации до предельного значения, равного скрытой теплоте плавления. [c.137] к последним, в первую очередь, следует отнести уровень при ложенного напряжения и схему напряженного состояния. [c.138] Прежде всего отметим, что в большинстве случаев трещина возникает у различного рода дефектов, расположенных на повфхности изделия. Исключение составляют случаи достаточно частого образования трещины под поверхностью образца из высокопрочных сталей или у образцов, у которых тем или иным способом в тонком поверхностном слое созданы значительные сжимающие остаточные напряжения. [c.138] Если в образце создать концентратор напряжений, сделав в нем острый круговой надрез, то (см. рис. 2) условия образования трещины резко меняются. У основания надреза создается пространственное напряженное состояние с большим градиентом напряжений. Продольные напряжения Oi, концентрируясь у основания надреза, вместе с имеющимися другими главными напряжениями Oj и аз приводят к образованию в этом месте Трещины. Наблюдаются случаи, когда трещина начинает развиваться не с поверхности дна надреза, а на некотором расстоянии от нее. [c.138] На эти особые условия напряженного состояния, которые создаются у основания надреза, металлы реагируют по-разному. В этом проявляются свойства отдельных металлов (сталей различных марок), а не только исходные условия напряженного состояния. [c.138] Микроскопические исследования поверхности разрушения усталостных образцов, выполненные рядом авторов [149, 150], показывают, что полосы скольжения и микротрещины образуются на очень ранней стадии усталостной долговечности. Однако скорость их роста в этот период чрезвычайно мала. Относительно длительностей стадии зарождения и роЁта трещины приводятся существенно различные данные. [c.138] Имеются сведения, что примфно 70—90 % от общего количества циклов, необходимых для разрушения,. металл работает без трещины, и лишь в оставшиеся цикль зарождается и развивается трещина, приводящая к окончательному разрушению изделия. [c.138] Момент зарождения трещины зависит от степени концентрации напряжений, рт уровня номинальных напряжений, толщины образца, свойства материала, среды и др. [c.139] Унификация понятий макро- и микротрещин, по нашему мнению, позволит устранить имеющиеся здесь некоторые противоречия. Из работ в этом направлении следует упомянуть понятие о трещине инженерных размеров , развиваемую Мэнсоном [154], которую он использовал при разработке универсального метода предсказания усталостной долговечности различных материалов. В этом случае принят критерий зарождения трещины — трещина глубиной 0,076 мм (0,03 дюйма), которую легко обнаружить при относительно небольшом (в 30 раз) увеличении. [c.139] Ранее считалось, что возникшая усталостная трещина непрерывно развивается и обязательно приводит к разрушению. Затем было обнаружено, что в определенных условиях при наличии концентраторов напряжения могут возникнуть макроскопические усталостные трещины, KOTopbie полностью приостанавливают свой рост, так называемые нераспространяющиеся трещины [154]. [c.139] Некоторые иссл ователи [159, 161] отмечают также, что этот механизм действует и на самых ранних стадиях распространения трещин. [c.141] В работах [162—165] для наблюдения и контроля за процессами скольжения, зарождения и начального роста микротрещин использовали методы пластиковых реплик и травления. На рис. 45 показано начало микроскопических изменений, наблюдаемых во время испытаний нелегированного алюминия чистотой 99,6 % [162]. Видно, что скольжение может начинаться на очень ранних стадиях испытания и ч о в дальнейшем его интенсивность и размеры возрастают до тех пор, пока оно не достигает насыщения. В этом сравнительно мягком материале трудно наблюдать зарождение трещины вследствие значительного огрубления поверхности, обусловленного скольжением. После насыщёния скольжения наблюдаются относительно крупные Трещины, которые затем вызывают разрушение образцов. [c.141] Форсайт высказал предположение, что механизм зарождения и роста трещин определяется двумя физически различными процессами, обозначенными как период I и период И [166]. Зарождение трещин по механизму начального периода I происходит в резул тате движения дислокаций в плоскости скольжения и определяется значением приведенного касательного напряжения в плоскости скольжения. Поэтому трещины образуются преимущественно в тех плоскостях, которые близки к параллельным и ориентированы в направлении максимальных касательных напря кений. Во многих материалах циклическое нагружение вызывает образование интрузий и экструзий в полосах скольжения [167]. Эти микроскопические надрезы являются местами, в которь1Х может происходить зарождение трещин. Образующиеся в процессе периода I трещины обычно продолжают расти в плоскости скольжения, соответствующие им поверхности разрушения в основном не имеют резко выраженных особен ностей. В поликристаллических металлах трещины, соответствующие п иоду I, обычно распространяются лишь на несколько диаметров зерен, а затем характер распространения изменяется и наступает период II. [c.142] Трещины, соответствующие периоду II, распространяются в плоскостях, нормальных к направлению/главного растягивающего напряжения, действующего на деталь. На характерных для этих трещин поверхностях разрушения иногда наблюдаются микроскопические бороздки, каждая из которых соответствует одному циклу нагружения. По этому признаку указанные трещины часто можно отличить от трещин, соответствующих периоду I. [c.142] Описанный выше механизм зарождения трещин, инициировайНых скольжением может действовать во многих системах, однако часто вместо него действуют другие механизмы, если имеются более благоприятные места для образования трещин. В литературе приведено много примеров, подтверждающих. эта положение [168- 171]. Так, в работе [164] показано, что зарождение микротрещин происходило при отсутствии или незначительной деформации сдвига (см. рис. 46). [c.142] Иокобори и др. установили, что для низколегированной стали [159] и отпущенной мартенситной стали [170] местами преимущественного зарождения трещин являются неметаллические включения, расположенные у поверхности. Зарождение трещин происходило также (хотя и значительно реже) на границах первоначальных зерен аустенита, пакетах пластинок мартенсита и на выделениях вдоль пакетов плаотинок мартенсита. [c.143] Известно также, что в условиях воздействия внешней среды или ползучести, при которых происходит избирательная коррозия, обусловленная химической сегрегацией и последующим более интенсивным окислением по границам зерен, последние служат местами преимущественного зарождения трещин [171]. Таким образом, для промышленных сплавов существует много возможностей того, что вместо периода I, характеризуемого зарождением трещин в результате образования полос скольжения, будет непосредственно происходить распространение трещин, соответствующее периоду I , от более благоприятных мест их зарождения. Кроме того, было многократно показано, что даже при отсутствии этих благоприятных мест трещины, соответствующие периоду I, образуются у надрезов в условиях объемного напряженного состояния, где в различных металлоконструкциях неизменно возникают усталостные трещины. [c.143] Приведенный анализ условий зарождения и начального периода роста трещин подчеркивает важность надрезов, поскольку показано, что даже в случае испытаний на усталость гладких образцов трещины зарождаются у металлургических надрезов, о6разуемь(Х интрузиями и экструзиями или включениями. [c.144] Вернуться к основной статье