ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизмы формирования усталостных бороздок из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " Извилистая траектория трещины рассматривается в качестве доказательства того факта, что смещение берегов усталостной трещины в ее вершине происходит не только в направлении приложения нагрузки при одноосном циклическом растяжении, но и по типу Кц — поперечное смещение берегов трещины [81], как это показано на рис. 3.15б. Оно вполне естественно в силу уже указанной выше неоднородности процесса формирования зоны пластической деформации вдоль всего фронта трещины. Ее формирование происходит в условиях реализации волнового процесса передачи энергии от одной зоны к другой. Поэтому неизбежно возникновение участков с наибольшей и наименьшей концентрацией энергии. Там, где реализован максимальный уровень энергии, имеет место подрастание трещины в локальном объеме после исчерпания пластической деформации [82]. В зонах фронта трещины с минимальной концентрацией энергии происходит запаздывание разрушения по отношению к другим зонам фронта трещины, что создает предпосылки к реализации эффекта мезотуннелирования трещины (рис. 3.16). Эта ситуация может определяться различиями локальных пластических свойств материала из-за различий пространственной ориентировки кристаллографических плоскостей от зерна к зерну. Такая ситуация, например, характерна для формирования фронта трещины в титановых сплавах (см. рис. 3.166). Процесс распространения усталостной трещины в срединных слоях материала вдоль вершины трещины оказывается сложным и связан с различными эффектами, в том числе и с эффектом изменения траектории трещины, ветвлением и мезотуннелированием. В результате этого реальная поверхность излома после распространения трещины является шероховатой, что создает предпосылки в процессе роста трещины для возникновения различных эффектов контактного взаимодействия ее берегов. Они препятствуют закрытию берегов усталостной трещины, что влияет на темп подрастания трещины. [c.150] Переход к масштабу мезоскопического уровня разрушения связан с возникновением вращентш объемов металла, и это находит свое отражение в формировании сферических частиц [84-89] (рис. 18). [c.151] Процесс комкования материала был рассмотрен для объяснения природы формирования сферических частиц применительно к испытаниям плоских образцов из алюминиевого сплава при сжатии [87]. Рост трещин происходил под углом около 45° к оси сжатия, поэтому поверхности формируемого излома могли иметь локальные перемещения относительно друг друга по типу / Гц. [c.153] Систематические исследования формирования сферических частиц применительно к алюминиевым сплавам позволили дать не только объяснение механизма их последовательного образования в процессе роста трещины на основе представлений о ротационных эффектах пластической деформации, но и выявить новые закономерности формирования химического состава продуктов фреттинга [88-91]. [c.153] Решающую роль в процессе формирования сферических частиц играет процесс мезотунне-лирования усталостной трещины. В перемычках между мезотуинелями, еще не претерпевшими разрушение, могут быть реализованы не только процессы скольжения по типу III, но также могут возникать и ротационные эффекты. Возникновение моментов приводит к тому, что первоначально по границам объемов, испытывающих ротации, формируется свободная поверхность в виде каскада цилиндров (рис. 3.19). Наблюдаемые вновь сформированные частицы не имеют интенсивной обкатки, и потому сохраняют свой размер, близкий к первоначально образованной цилиндрической частице, ось которой ориентирована в направлении роста трещины (рис. 3.20). Наиболее характерный размер первоначально сформированной частицы близок 2 мкм (2-10 м). В дальнейшем они подвергаются обкатке при непрерывном (а далее прерывистом) контакте берегов трещины, что приводит к созданию эллипсоидных или сферических частиц (см. рис. 3.18в). [c.153] Характерно, что при возрастании длины трещины, размер частиц возрастает. Этот факт отражает процесс обкатки частиц. У вершины трещины частицы еще не претерпели длительной обкатки, что приводит к уменьшению объема обкатываемой частицы. Сформированные частицы испытывают обкатку при возрастании трещины, и чем дальше происходит ее продвижение, тем большее время (число циклов) они находятся в контакте. [c.154] Таким образом, в направлении роста усталостной трещины происходит самоорганизованный переход к разрушению металла в результате вращения его объемов в перемычках между мезотун-нелями, по границам которых формируются цилиндрические частицы, которые в последующем дробятся и обкатываются в эллипсоидные и сферические частицы. Переход к указанному процессу имеет место только на мезоскопическом масштабном уровне реализуемых процессов деформации и разрушения металла при распространении усталостной трещины. [c.156] Особый интерес с точки зрения механизма формирования сферических частиц представляет анализ их структуры и состава [88-90]. Применение методов микро-рентгено-спектрального анализа на растровом электронном микроскопе показало, что частицы не имеют никаких особенностей по сравнению с основным материалом в виде избытков легирующих элементов. Измерение микротвердости частиц размером около 10 мкм покат зало, что она более чем в 1,5 раза выше, чем у основного материала. Последнее обусловлено процессом обкатки частиц и их упрочнением. [c.156] Детальное изучение состава частиц было проведено на Оже-спектрометре LAS-2000 (фирма Рибер , Франция) с коаксиальной электронной нушкой и анализатором электронов тина цилиндрическое зеркало с разрешением доли энергии спектра AWf/ Wf 0,3 % при остаточном давлении (1,3-2,6) 10 МПа. Ток пучка электронов составлял около 5-10 А, энергия первичного пучка 3 кэВ, диаметр — несколько микрометров. Режим работы во вторичных электронах позволял в режиме работы типа растрового электронного микроскопа выбрать для исследования участок поверхности размером в несколько квадратных микрометров. [c.157] Исследование проведено на образцах из алюминиевого сплава системы Al-Si-Mg- u, испытанных на изгиб с вращением. Условно излом в зоне развития усталостной трещины был разделен на два участка (см. рис. 3.17) площадки (поверхности мезотуннелей без контактного взаимодействия) и склоны (перемычки между мезотунне-лями), которые названы соответственно зонами 1 и 2. Отсутствие контакта берегов усталостной трещины в зоне 1 идентифицировали по наличию неповрежденных усталостных бороздок. В процессе анализа было осуществлено травление участков излома ионами аргона в колонне спектрометра. Все методические особенности тарировок при травлении могут быть взяты из [88, 89]. [c.157] На исследуемой поверхности в обеих зонах до ионного травления излома хорошо видны пики AI2O3, S, Р, С1, К, Са, N, С и большой пик О2 соответственно окислу алюминия. Это преимущественно спектр загрязнений новерхности излома при росте трещины, который наиболее наглядно виден в одной из точек, специально выбранной по максимуму загрязнений (рис. 3.21о). Существенных различий в составе зон 1 н 2 до ионного травления образца в вакууме не выявлено. [c.157] причем пик О по амплитуде практически не меняется. В то же время в зоне 1 рядом с исследуемой точкой через 45 мин полностью оказываются удаленными э,тементы, отвечающие пикам Р, S, С1, К, Са, остаются только следы С, N и пик О достаточной интенсивности (рис. 3.21 г). Алюминий представлен пиками 55 эВ (AI2O3) и 68 эВ (А1). Амплитуда первого пика хорошо коррелирует с интенсивностью пика О, т. е. соотношение числа атомов А1/0, оцененное по спектру, близко к 2/3. [c.157] Формирование сферических частиц играет двойную роль в процессе роста трещины и раскрытия ее берегов. В перемычке, где они располагаются, частицы служат промежуточным телом, способствующим облегченному перемещению ответных частей излома. Однако, располагаясь в угл б-лении основного материала, они могут перемещаться ограниченно и тем самым препятствуют раскрытию трещины. В связи с этим в условиях развитого процесса формирования сферичсских частиц на всех этапах роста трещины ее раскрытие не может характеризовать скорость роста трепн1ны (СРТ). [c.159] Теперь обратимся к процессу разрушения металла в вершине трещины при формировании мезотуннелей, когда реализуется подрастание трещины непосредственно в вершине каждого мезо-туннеля. [c.160] Обусловленность начала ротационной неустойчивости связана с возрастающим масштабным уровнем локализации деформации и разрушения материала и достижением некоторохг величины прироста трещины в цикле нагружения. С этого момента ротационная неустойчивость, являясь аккомодационным актом накопления повреждений без нарушения сплошности материала, становится определяющим процессом пластической деформации у кончика трещины. Возникает возможность поглощать больше энергии у вершины трещины без значительного увеличения размера зоны пластической деформации, что снижает темп подрастания трещины в цикле нагружения. [c.160] Устойчивое формирование усталостных бороздок по всему фронту трещины происходит после достижения шага около 45 нм (4,5-10 м или 0,045 мкм), что характерно для алюминиевых сплавов. В сталях могут быть обнаружены бороздки с шагом около 30 нм, в титановых сплавах устойчивое формирование бороздок имеет место после достижения их шага около 25 нм. Все указанные величины обнаружены с помощью методов высокоразрешающей просвечивающей и растровой электронной микроскопии. Они соответствуют нижней границе размеров мезоскопического масштабного уровня применительно к размерам субструктурных элементов и характеризуют определенный процесс нарушения сплошности материала в цикле приложения нагрузки и с этой точки зрения характеризуются определенным профилем или геометрией усталостной бороздки. Поскольку формирование усталостных бороздок происходит под действием двух полуциклов нагружения-растяжения (восходящая ветвь нагрузки) и снижения нагрузки, то форма профиля усталостной бороздки в значительной степени зависит от того, какой процесс доминирует в каждом из полуциклов [123, 132-134]. [c.164] Формирование систем скольжения с высокой плотностью дислокаций, сопровождающих формирование усталостных бороздок, было продемонстрировано методами просвечивающей электронной микроскопии [70, 82, 135]. Системы скольжения располагаются под углом 45° к поверхности излома. Профиль и ширина блоков полос скольжения, которые наблюдали на поверхности образца, подобны профилю и шагу усталостных бороздок [82]. Этот факт был положен в основу многих разработанных моделей формирования усталостных бороздок [70, 82, 133, 134, 136-142]. Рассмотрены были оба полуцикла нагружения материала, в которых реализуются два разных процесса (1) пластическое затупление вершины трещины, и (2) разрушение материала. Оба процесса соответствуют восходящей ветви нагрузки и приводят к формированию каждой усталостной бороздки в каждом цикле приложения нагрузки. В полуцикле разгрузки происходит подготовка материала перед вершиной трещины к последующей реализации указанных выше двух процессов деформации и разрушения. [c.164] Используя вышеприведенные обоснования того, что некоторые профили усталостных бороздок характерны для финальной части стабильного роста трещины, а также другие признаки процессов деформации разрушения материала с разной интенсивностью, можно провести предварительную селекцию профилей бороздок (механизмов разрушения материала) и отнести к начальной или конечной фазе развития трещины на II стадии. Это вполне обосновано в том случае, когда точного профиля бороздки нет, а есть только морщинистая поверхность [135, 142], отвечающая процессу затупления вершины трещины. Вместе с тем, хотя пластическое затупление типично для нагружения материала при положительной асимметрии цикла, оно не наблюдается в слз ае циклов с высокой отрицательной асимметрией, когда минимальное напряжение цикла отрицательно по знаку и является сжимающим [140]. Переход от пульсирующего цикла нагружения к асимметричному циклу со сжимающим напряжением не меняет треугольной формы профиля бороздки с гладкой поверхностью, но сама величина шага возрастает при указанном переходе. Причем наиболее значительное возрастание имеет именно та часть профиля бороздки, которая обращена к предыдущей бороздке, сформированной при пульсирующем цикле нагружения. Такая ситуация при формировании усталостных бороздок может быть объяснена только в том случае, если принять во внимание возможность формирования части профиля усталостных бороздок на нисходящей ветви нагрузки (в полу-цикле разгрузки материала). [c.165] Вернуться к основной статье