Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...

Статьи Чертежи Таблицы О сайте Реклама
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.

ПОИСК



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

© 2025 Mash-xxl.info Реклама на сайте