ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Масштабные уровни процессов пластической деформации металлов из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " Различие в размерах зон пластической деформации приводит к макроскопическому эффекту туннелирования усталостной трещины, что выражено в искривлении фронта трещины, приобретающего полуэллиптическую форму в направлении развития разрушения [16-18]. Длина фронта нарастает в направлении роста трещины в соответствии с соотношением (2.11). [c.134] Различие размеров зон вдоль фронта трещины и в направлении от ее вершины свидетельствует о существовании этапов деформации и разрушения, когда одновременно реализуется рост трещины на разных масштабных уровнях. Малый размер зоны в срединной части образца в фиксированный момент времени может соответствовать предыдущему масштабному уровню по отношению к поверхности, где может быть осуществлен переход на следующий масштабный уровень разрушения в связи с возросшим размером зоны. Может иметь место и постепенная смена масштабного уровня разрушения материала и его деформации по мере подрастания трещины. [c.134] Разномасштабность процессов разрушения в первую очередь выражена в том, что у поверхности циклически растягиваемого образца или детали происходит формирование скосов от пластической деформации в условиях одновременного скручивания (тип разрушения Кщ) и растяжения (рис. 3.6). Ширина скоса от пластической деформации определяется глубиной или размером участка перехода от условий плосконапряженного состояния у поверхности до объемного напряженного состояния материала вдоль вершины трещины. [c.135] Эффект закрытия трещины свидетельствует о несоответствии условий деформирования материала у кончика трещины условиям внешнего воздействия (см. рис. 3.6). При простом одноосном растяжении плоской пластины в вершине трещины первоначально раскрытие возрастает едва заметно. И только после достижения напряжения раскрытия берегов трещины начинается нелинейный процесс накопления повреждений из-за пластической деформации материала. Переход к нисходящей ветви нагрузки во втором полуцикле нагружения приводит к обратному течению материала в условиях его сжатия до достижения напряжения закрытия берегов трещины. Дальнейшее снижение внешней нагрузки не сопровождается перемещением берегов трещины. Важно подчеркнуть, что внешнее воздействие в цикле нагружения на масштабном макроскопическом уровне является упругим. Диаграмма циклического растяжения всего образца, вне вершины трещины, является упругой . Именно. этим объясняется макроскопически хрупкий характер распространения длинных усталостных трещин. [c.137] Распространение усталостной трещины связано с формированием трех зон пластической деформации [8, 14, 26-33]. В сечении перпендикулярно плоскости формируемого излома они имеют вид (рис. 3.9). [c.137] На восходящей ветви полуцикла нагрузки происходит прямое течение материала, которое можно рассматривать по аналогии с деформацией образца при его монотонном растяжении с переходом через предел текучести [29, 31, 33-35]. При высокой концентрации нагрузки в вершине трещины создается значительного размера область перед вершиной трещины, в которой протекает пластическая деформация. Ее размер при достиже НИИ максимального напряжения в цикле опреде ляется по расстоянию от вершины трещины, где до стигается предел текучести материала (см. главу 2) Эта зона получила название статической или пери ферической. Переход к нисходящей ветви нагру жения сопровождается сжатием материала вплоть до достижения напряжения течения, что приводит к созданию зоны пластической деформации меньшего размера внутри зоны растяжения. Эту зону принято называть зоной сжатия или циклической зоной. [c.137] В области малоцикловой усталости, когда уровень напряжения приближается к пределу текучести материала, а скорость деформации в цикле существенно мала, была выявлена еще одна зона перед вершиной трещины, названная зоной процесса (см. рис. 3.7) [32]. Исследования были выполнены на поликристаллическом сплаве u-Al с варьированием содержания А1. При возрастании содержания алюминия до 4,2 % размер зоны мало менялся — от 1,32 мкм до 1,51 мкм. Однако при содержании алюминия 6,3 % размер зоны процесса достиг 0,19 мм. [c.138] В отличие от зоны растяжения циклическая зона определяется размахом коэффициента интенсивности напряжения [14, 43]. Размер циклической зоны оценивается в несколько раз меньшим, чем размер периферической зоны. Причина возникновения течения материала на нисходящей ветви нагрузки переменного цикла объясняется высокой концентрацией напряжений, которая возникает из-за высокой остроты надреза-трещины. Поэтому изменение направления деформации в противоположную сторону при переходе к снятию нагрузки сразу же сопровождается течением материала и формированием циклической зоны пластической деформации внутри уже созданной периферической зоны. [c.139] Минимальный размер зоны, формируемой в срединных слоях, = 1/24 тс, тогда как на поверхности образца эта зона должна быть пропорциональна 1/8л. [c.139] Исследование размеров циклической зоны в титановом сплаве Ti-6Al-4Al при частоте нагружения 30 и 50Гц показали, что равняется (0,04-0,05) и 0,025 соответственно [44]. Если величину 1/2 71 уменьшить в три раза, то приблизительно получим Яц = 0,05, что близко к одному из выявленных коэффициентов. Для алюминиевых сплавов размер циклической зоны был пропорционален 0,033 [43], а для никелевого сплава Х-750 при возрастании температуры до 700° величина = 0,1 [45]. Коэффициент пропорциональности изменяется почти в четыре раза для разных сплавов и условий нагружения. [c.139] Введение в уравнение (3.3) циклического предела текучести вместо предела текучести на растяжение приводит к величине С/, = (1/3 тс), что было показано применительно к жаропрочному никелевому сплаву Инконель-718 [46]. [c.139] Испытания образцов проводили с выдержкой материала при постоянной нагрузке в цикле до 300 с при температуре 923 К. Существенное увеличение оценки размера зоны следует связывать с изменением в условиях нагружения. Возросшая температура и длительная выдержка материала при постоянной нагрузке вызвали возрастание предела текучести материала на растяжение и способствовали более полной пластической релаксации циклической энергии в результате низкой скорости деформации. [c.140] Вместе с тем для алюминиевых сплавов применение циклического предела текучести с целью оценки циклической зоны приводит к величине z = 0,033 [47]. Представленная характеристика пластической зоны отражает процессы, протекающие в приповерхностных слоях образца у кончика трещины. В этом случае различие между зоной растяжения и циклической зоной является четырехкратным [48, 50], что согласуется с теоретическими исследованиями [43]. [c.140] Применительно к сталям 9 %Ni и А-21226 в описании распространения усталостной трещины при разной асимметрии цикла использованы размеры зон пластической деформации, ранее выявленные Ханом [30, 50]. Им были получены следующие коэффициенты пропорциональности k = 0,25 z = 0,023, которые различаются почти на порядок. В работе исследованы компактные образцы толщиной от 25,4 до 1,52 мм из стали С %0,026 Si %3,36 N %0,002. Следует подчеркнуть, что циклическая зона была оценена через величину Определение циклической зоны в соответствии с уравнением (3.2) для описания роста усталостных трещин в случае их развитой зигзагообразной траектории применительно к широкому классу материалов было осуществлено с введением величины z =1/12л [51]. Это наиболее сильное влияние траектории трещины, которое оценивается минимальным размером циклической зоны при прочих равных условиях. [c.140] Соотношение (3.6) приводит к величине 0,25 в случае пульсирующего цикла нагружения, когда значение поправочной функции на асимметрию цикла равно 1. [c.140] Рентгеноструктурный анализ различных марок сталей и алюминиевых сплавов показывает, что высота периферической и циклической зон может быть выявлена по изменению ширины дифракционной линии в зависимости от толщины стравленного слоя металла с поверхности излома [53]. Интегрально для всех марок сплавов получены величины Q = 0,0354, а = 0,0012. Очевидно, что коэффициенты пропорциональности почти на порядок отличаются от тех, что получены при измерении твердости материала [30, 50, 51]. Поэтому данные о размерах зон, полученные по результатам исследований различными методами, должны быть скорректированы между собой. [c.140] Согласно уравнению (3.7), соотношение между циклической и периферической зонами может меняться в направлении роста трещины, зависеть от ее длины. [c.140] Существенным преимуществом представленного соотношения является возможность единого кинетического описания процесса роста трещины. Она следует из устойчивой и однозначной связи между радиусом зоны пластической деформации и скоростью роста трещины для разных условий нагружения [52-54]. [c.141] Необходимо еще подчеркнуть, что условия (3.8) и (3.9) записаны без з ета взаимного влияния факторов друг на друга, когда возникает дополнительное усиление и ослабление эффекта влияния того или иного фактора на процесс распространения трещины. Проявление такого влияния требует введения в указанные соотношения дополнительного множителя или слагаемого, которое зачитывает указанный эффект. Далее будет показано, что в случае эксплуатационных разрушений кинетические процессы реализуются в той области нагружения при регулярном многофакторном воздействии, где указанными эффектами их взаимного влияния, нарушающего подобие закономерности роста трещин, можно пренебречь. [c.141] В связи с этим рассмотрим разные масштабы процессов пластической деформации в конструкционных материалах. [c.142] Вернуться к основной статье