ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Управление ростом усталостных трещин в эксплуатации из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " Рассматриваемая ситуация является наиболее приближенной к условиям, в которых находится материал при эксплуатационном нагружении. Химический состав окружающей среды оказывает решающее влияние на рост трещин в широком диапазоне изменения частоты нагружения и асимметрии цикла, что определяет возможность обильного и неограниченного поступления агрессивных продуктов из окружающей среды в вершину трещины. Во всех работах по изз гению роли окружающей (афессивной) среды на кинетику усталостных трещин подчеркивается, что это синергетическая ситуация, в которой именно взаимное влияние среды и параметров цикла нагружения на поведение материала в вершине трещины определяет эффект в реализации того или иного механизма ее продвижения. [c.385] Снижение частоты приложения нагрузки даже при комнатной температуре и стандартной влажности 70-80 % сопровождается возрастанием длительности нахождения вершины трещины в раскрытом состоянии. Следствием этого является более продолжительное воздействие окружающей среды в вершине трещины, где выделяется большое количество тепла в результате формирования зоны пластической деформации. Тепловой процесс вызывает даже в обычной воздушной среде диссоциацию паров воды, что сопровождается выделением свободного водорода и кислорода. Оба газа проникают в материал, вызывая его охрупчивание и формируя окислы. В зависимости от сродства материала с выделяющимися в результате диссоциации паров воды газами могут быть сформированы многообразные продукты взаимодействия, а также разное количество газов может проникнуть внутрь самого материала и уже там образовать продукты взаимодействия или остаться в виде молекул, например, на границах раздела зерен, субзерен или фаз. Поэтому при воздействии окружающей среды на рост трещины может быть реализован процесс внутри-, межзеренного и смешанного по телу и по границам зерен разрушения. [c.386] Исследования сталей бейнитного класса, используемых для изготовления сосудов под давлением при одновременном воздействий окружающей среды и температуры, показали, что в этом случае существенную роль в продвижении трещины играет механизм динамического деформационного старения (ДДС) [123]. Он характерен для сероводородной среды H2S, в которой при повышенной температуре имеют место процессы, представленные на рис. 7.32. Механизм ДДС связан с проникновением водорода в металл, его охрупчиванием и активизацией процесса скольжения. При этом доминирующим механизмом разрушения является раскалывание материала. Процесс ДДС начинает доминировать в вершине трещины при большей температуре окружающей среды с возрастанием скорости деформации. [c.389] Применительно к Ti-сплавам влияние окружающей среды также выражено в увеличении СРТ [128-132]. Механизмы охрупчивания материала, связанные с проникновением водорода у вершины трещины, в большей степени аналогичны механизмам влияния окружающей среды на рост трещины в сталях. Особенно заметными они становятся в случае длительной выдержки материала под нагрузкой в условиях эксплуатации, что характерно для дисков компрессоров двигателей. Однако, как было показано в предыдущих разделах, необходимо зачитывать чувствительность структуры материала по границам пластинчатой, глобулярной или моноструктуры после изготовления детали на выдержку его под нагрузкой, а уже затем давать оценку роли окружающей среды в кинетике трещин. Очевидно, что для структурно чувствительных к выдержке под нагрузкой Ti-сплавов роль окружающей среды в кинетике трещин может оказаться значительной. Применительно к сплавам, не чувствительным к выдержке под нагрузкой, рост трещин сопровождается формированием усталостных бороздок, которые наблюдают даже в вакууме [131]. [c.389] Развитие усталостных трещин в алюминиевых элементах авиационных конструкций в условиях агрессивного воздействия окружающей среды происходит по границам зерен и смешанно — по телу и по границам зерен [42, 133-138]. Снижение частоты нагружения, добавление выдержки с постоянной нагрузкой, повышение асимметрии цикла (все факторы в целом и каждый в отдельности) вызывают увеличение скорости роста трещин. Однако это не означает, что во всех случаях утрачивается основной механизм развития усталостных трещин, присущий алюминиевым сплавам, связанный с формированием усталостных бороздок. [c.389] В зависимости от температуры окружающей среды и уровня напряжения в изломах элементов авиационных конструкций из алюминиевых сплавов можно наблюдать блоки мезолиний усталостного разрушения, которые имеют резкие границы и напоминают хрупкие усталостные бороздки (рис. 7.34). На самом деле это не хрупкие усталостные бороздки, что не характерно для разрушения алюминиевых сплавов, а границы резкой смены уровня напряжения в процессе роста трещины, когда роль агрессивной среды в их формировании была существенной. [c.390] Применительно к магниевым сплавам, из которых изготавливают несиловые элементы авиационных конструкций, усталостные разрушения на воздухе деталей в условиях эксплуатации сопровождаются сильным окислением излома. Исследования этих сплавов на воздухе и в вакз ме показали, что усталостные бороздки формируются в изломе магниевых сплавов в вакууме, тогда как на воздухе они не формируются [139-141]. Этот эффект обусловлен тем, что процесс окисления материала на воздухе даже без активного воздействия на материа.л в вершине трещины продуктов распада в виде кислорода, водорода и прочее вызывает резкое изменение механизма разрушения. Отсутствие окислительной среды позволяет реализовать процесс ротационной пластической деформации при развитии трещины, что приводит к формированию усталостных бороздок в вакууме. [c.390] Безразмерные коэффициенты af и учитывают дополнительный прирост трещины в результате измененной электрохимической ситуации в вершине трещины и, соответственно, в результате измененного напряженного состояния структуры. Последнее является существенным для Ti-спла-вов, как было показано в предыдущих параграфах этой главы. [c.392] Второй тин диаграмм (рис. 7.356) может быть охарактеризован как коррозия под напряжением при усталости . Процесс активизации коррозии металла реализуется в тот момент, когда при распространении усталостной трещины достигается величина Kjs пороговый КИН, при достижении которого происходит коррозионное растрескивание материала. Третий тип диаграммы (см. рис. 7.35б) отвечает смешанной ситуации первого и второго случаев (см. рис. 7.35а, 6). [c.393] В случае регулярного нагружения материала с постоянной частотой и перехода к другому стационарному режиму нагружения с измененной частотой нагружения происходит постепенное увеличение пороговой величины Kjs и возрастание уровня постоянной скорости роста трещины при уменьшении частоты [146] (рис. 7.36). Такая ситуация типична для диаграмм не только второго, но и третьего типа применительно к сталям. Для алюминиевых сплавов зависимость скорости роста трещины в агрессивной среде от частоты нагружения в интервале 0,1-20 Гц является неоднозначной [137]. При возрастании частоты скорость может возрастать и убывать в зависимости от типа сплава и ориентировки роста трещины по отношению к его текстуре. [c.393] При изменении частоты нагружения в широком диапазоне частот можно наблюдать постепенный переход от одной рассмотренной выше диаграммы роста усталостных трещин в коррозионной среде к другой применительно к титановому сплаву Ti-8Al-lMo-lV [149] (рис. 7.37). Пороговая величина Kis рассматривается при этом неизменной характеристикой влияния агрессивной среды на материал. В связи с этим безразмерная поправка на скорость роста трещины при изменении частоты нагружения также представляет собой поверхность, аналогичную тем, что были рассмотрены в главе 6 применительно к роли двухосного нагружения и асимметрии цикла. В частности, применительно к различным маркам сталей при фиксированном значении коэффициента интенсивности может быть получена поправочная функция F(pH) на влияние агрессивной среды, аналогично соотношению (7.25). Один из вариантов такой поправки, предложенной в работе [150], представлен на рис. 7.38 в сопоставлении с экспериментальными данными для трех марок сталей. [c.394] Важно подчеркнуть, что при всей сложности описания процесса роста усталостных трещин в случае активизации процесса коррозии также может быть решена обратная задача по описанию процесса разрушения и даже по количественной оценке интенсивности роста трешины. Это заключение следует, например, из работы [145], где на основе фрактографического анализа были дифференцированы механизмы коррозии в сталях. Определенные модели роста трещин могут быть рассмотрены только с учетом реализованного механизма разрушения. Более того, формирование параметров рельефа излома в агрессивной среде в виде усталостных бороздок или блоков мезоли-ний позволяет восстанавливать кинетический процесс и проводить интегральную оценку поправочных функций и сопоставлять на их основе предполагаемый (прогнозируемый) и реализованный процесс разрушения. [c.395] В соотношении (7.28) скорость выражена в м/цикл, а влияние среды выражено в коэффициенте пропорциональности, который указывает на положение огибающей кинетической кривой для массива экспериментальных данных с разной частотой нагружения и асимметрией цикла. [c.396] Предложенная поправка на влияние нескольких параметров воздействия на материал относится ко второй стадии роста усталостной трещины, т. е. к среднему диапазону скоростей роста трещины. [c.396] Представленные в обобщенном виде поправки на скорость роста трещины с учетом электрохимического потенциала в вершине трещины (7.26) или без его учета (7.27) имеют общую идеологию. Они остаются постоянными в направлении роста трещины в случае эквидистантного смещения кинетических кривых по отношению к базовой (эталонной) или единой кинетической кривой или зависят от длины трещины (или КИН) для разных процессов, которые характеризуют роль агрессивного воздействия на металл окружающей среды. Они показывают, что, как и в других ситуациях циклического нагружения материала, процесс развития разрушения реализуется в результате возникновения синергетической ситуации в вершине трещины, приводящей к единому процессу роста трещин. В тех случаях, когда воздействие среды не приводит к полной деградации рельефа излома, который типичен для роста трещины на воздухе, роль агрессивного воздействия среды может быть оценена из анализа параметров рельефа излома. Эта оценка проводится на основе использования базовой (эталонной) [122, 131, 146] или единой кинетической кривой путем введения соответствующих безразмерных поправок на скорость роста трещины. [c.396] Вернуться к основной статье