ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Причины остановки трещины, связанные со свойствами материала у ее вершины из "Нераспространяющиеся усталостные трещины " Эффект торможения развития усталостной трещины в результате упрочнения зоны материала, прилегающей к вершине трещины, можно проиллюстрировать результатами испытаний на усталость образцов из низкоуглеродистой феррито-перлитной стали. Исходная микротвердость, которую определяли на приборе Виккерса при нагрузке 1,0 Н и выдержке 30 с, составляла для феррита 1080, для перлита 2810 МПа. Испытания проводили на гладких образцах с диаметром рабочей части 5 мм, нагружение которых осуществляли по схеме чистого изгиба при вращении. Предел выносливости таких образцов на базе 10 циклов нагружения составил 190 МПа. После электрополирования образцов, прошедших 10 циклов нагружения при напряжении 190 МПа, на глубине 1—2 мкм были обнаружены усталостные трещины длиной (по поверхности образца) 0,1 мм и глубиной 20—25 мкм. [c.34] Измерения микротвердости различных зон образцов после нагружения, электрополирования и отпуска показали, что твердость зерен феррита, в которых не наблюдали следов пластической деформации в виде полос скольжения, практически не изменилась. В тех зернах, где были замечены полосы скольжения, обнаружено увеличение твердости примерно на 18 %. Твердость же феррита в области вершины усталостной трещины увеличилась на 24 %. Повторное прилолсение напряжений той же амплитуды (Л =10 Ста=190 МПа) к образцу, отпущенному после первичного нагружения (300 °С, 30 мин в вакууме) вызвало дальнейшее увеличение твердости феррита в области вершины усталостной трещины. Вместе с тем повторное нагружение термически необработанного образца не привело к увеличению микротвердости феррита. Таким образом, было показано, что причиной остановки развития усталостной трещины в данном случае является упрочнение материала в зоне ее вершины. [c.34] Оа=190 МПа на базе испытаний 10 циклов и обнаружения поверхностных усталостных трещин производили повторное нагружение этих образцов с более высокими амплитудами цикла напряжений. Как показывают результаты этих опытов (см. табл. 3, образцы 1—4), повторное нагружение с амплитудой цикла напряжений 195 МПа не приводит к поломке образцов и росту имеющихся поверхностных трещин. Образцы, нагруженные повторно с амплитудой цикла 200 и 210 МПа, сломались только после 4,5-10 и 2,3-10 циклов нагружения соответственно. Образец, выдержавший без разрушения по I циклов повторного нагружения с амплитудой напряжения 190, 195 и 200 МПа, разрушился только при амплитуде 205 МПа. Следовательно, можно считать доказанным, что для исследуемой стали преодоление трещиной упрочненной зоны у ее вершины возможно только при увеличении уровня циклических напряжений. [c.35] Для сопоставления можно привести результаты испытаний по той же методике медных образцов, предел выносливости которых при диаметре 5 мм на базе 2-10 циклов составил 90 МПа [30]. С помощью электрополирования поверхности образцов на глубину 1 мкм после 2-10 циклов нагружения при напряжении 90 МПа были обнаружены усталостные трещины, длина которых по поверхности образца составляла 50 мкм. Анализ микротвердости таких образцов показал, что увеличение микротвердости у вершины усталостной трещины несущественно отличается от увеличения микротвердости в деформированных зернах (на 17 и 15 % соответственно). Действительно, на выбранной базе испытаний торможения роста усталостной трещины в меди не происходит, и при дальнейшем увеличении числа циклов нагружения такая трещина развивается и приводит к разрушению образца. [c.35] Медь имеет физический предел выносливости, достигаемый на большей базе нагружений, чем сталь. Например, предел выносливости, определенный на образцах диаметром 4 мм из отожженой (850 °С, 1 ч в вакууме) меди чистотой 99,95 % (ав = 241 МПа сго,2=23 МПа ф = 67 %) при частоте циклов нагружения 17,7 кГц, был достигнут только после 9,8-108 лов нагружения fl9]. Амплитуда деформации, соответствующая пределу выносливости, оказалась равной 3,8-10 . В этом случае достижение физического предела выносливости связано с деформационным упрочнением материала, обусловливающим остановку развития усталостных трещин. Действительно, испытания в тех же условиях образцов, упрочненных растяжением на 15 %, показали, что предел выносливости не достигается для них даже на базе испытаний больше Ю циклов нагружения. [c.35] Кроме того, отпуск после первичного нагружения и обнаружения нераспространяющихся усталостных микротрещин приводит к увеличению предела выносливости образцов из низкоуглеродистой феррито-перлитной сстали. Наиболее заметное увеличение предела выносливости наблюдается после отпуска в вакууме при температуре 300—350 °С (см. табл. 3, образцы 9—13). Влияние отжига можно связать с тем, что снятие упрочнения у вершины трещины, возникшей при первичном нагружении, приводит к облегчению ее дальнейшего роста при вторичном нагружении. Однако рост трещины на этом вторичном уровне нагружения снова сопровождается упрочнением ее вершины. Причем упрочнение это может быть несколько большим, чем при первичном нагружении, так как с ростом трещины увеличивается концентрация напряжений у ее вершины, а следовательно, амплитуда циклической деформации. [c.36] Эффект упрочнения материала как источник появления нераспространяющихся усталостных трещин присутствует и в случае, когда деталь или образец имеют конструктивные концентраторы напряжений. Это было показано при исследовании развития усталостных трещин в образцах из отожженного (450 °С, 1 ч в вакууме) сплава А1 —0,5 /о Mg [35]. Испытывали на усталость при симметричном растяжении-сжатии плоские образцы сечением в рабочей части 15,5x6,35 мм с двусторонними острыми надрезами глубиной 3,6 мм и радиусом при вершине 0,013 мм. Испытания при частоте циклов 1500 1/мин на трех различных уровнях напряжений (25 26,5 и 28 МПа) показали, что в надрезах образуются нераспростра-няющиеся усталостные трещины. При этом трещина развивается наиболее интенсивно в первые 10 циклов нагружения, затем рост трещцны замедляется и полностью прекращается при 2-10 —3-10 циклов. Дальнейшее увеличение числа циклов нагружения до МО —2,5-10 не приводит к росту трещины. [c.36] Наиболее наглядно рассматриваемый эффект проявился при испытании образца из того же сплава с амплитудой напряжений 25 МПа. После первых 10 циклов нагружения в этом образце образуется нераспространяющаяся усталостная трещина глубиной около 200 мкм. Вторичное нагружение после проведения отжига приводит к дальнейшему росту трс ди-ны, которая вновь становится нераспространяющейся при 10 циклах. Теперь уже глубина нераспространяющейся трещины достигает 450 мкм. Второй отпуск и последующее циклическое нагружение снова дают тот же эффект трещина сначала растет, а затем останавливается, превращаясь в нераспространяющуюся. Глубина трещины на последнем этапе нагружения 850—900 мкм. Так было установлено, что иераспространяю-щиеся трещины в определенных условиях могут образовываться у вершины не только исходных надрезов, но уже имеющихся нераспространяющихся трещин. [c.37] При испытаниях на усталость цилиндрических образцов из железа (0,01 % С 0,01 % Si 0,28% Мп 0,02% Си 0,009 % Р 0,01 % S) диаметром 6 мм с острыми концентраторами напряжения (/- = 0,1- -0,2 мм) были обнаружены нераспространяю-щиеся усталостные трещины длиной около 100 мкм при напряжениях несколько ниже предела выносливости этого материала [19]. Отжиг при температуре 700 °С образцов железа, имеющих нераспространяющиеся трещины, привел к дальнейшему росту этих трещин. Исследования дислокационной структуры в области вершины трещины показали большую плотность дислокаций в этом месте, соответствующую деформационно-упрочненному материалу. Отжиг в значительной степени уменьшает плотность дислокационной структуры, устраняя тем самым препятствие для дальнейшего роста трещины. [c.37] Испытания в аналогичных условиях идентичных образцов из коррозионно-стойкой стали (0,06% С 0,66% Si 1,52% Мп 0,032% Р 0,018% S 8,89% Ni 18,52% Сг) ие привели к образованию нераспространяющихся трещин, хотя известно, что стали этого класса упрочняются при деформировании сравнительно легко. Если проследить за характером протекания упрочнения в обоих из исследованных материалов по увеличению микротвердости с увеличением числа циклов нагружения, то оказывается, что они существенно различаются (рис. 15). [c.37] Щмпа в железе упрочнение возрастает монотонно и не прекращается даже при числе циклов поо более 10% общей долговечности до разрушения, а в коррозионно-стойкой стали этот процесс протекает интенсивно и полностью заканчивается при чнс-доо ле циклов около 2% общей долговечности. Следовательно, существенным различием в поведении рассматриваемых материалов при циклическом деформировании является продолжительность процесса упрочнения по отношению к продолжительности процесса образования и развития усталостной трещины. Для коррозионно-стойкой стали процесс упрочнения полностью заканчивается до образования трещины, затрудняя ее возникновение, тогда как для железа процесс упрочнения продолжается и после образования трещины, препятствуя ее развитию. Таким образом, можно заключить, что для образования нераспространяющихся усталостных трещин необходимо, чтобы скорость упрочнения материала при циклическом деформировании была невысокой и трещина уснела вырасти до некоторой определенной длины, прежде чем будет достигнут максимум этого упрочнения. [c.38] Торможение усталостной трещины границей зерна также является одной из основных структурных причин образования нераспространяющихся микротрещин. В циклически-деформи-руемых гладких деталях поверхностные микротрещины образуются в зернах с определенно ориентированной по отношению к поверхности решеткой. Развитие трещины на этом первом этапе происходит преимущественно путем сдвига по одной из кристаллографических плоскостей. Основным условием возникновения трещины в этом случае является совпадение направления максимальных касательных напряжений с наиболее слабой по сопротивлению сдвигу кристаллографической плотностью. На втором этапе трещина растет под действием максимальных растягивающих напряжений в направлении, перпендикулярном к ним. [c.38] Справедливость такого предположения подтверждается исследованиями Форреста, изучавшего сопротивление усталости латуни с размером зерна от 0,018 до 0,330 мм. Результаты определения пределов выносливости образцов, различные размеры зерна в которых получали путем отжига после разных степеней пластического деформирования, показывают, что с увеличением размера зерна их сопротивление усталости уменьшается. Однако наиболее интересным результатом этих исследований является обнаружение во всех образцах с размером зерна меньше 0,04 мм нераспространяющихся микротрещин, расположенных вдоль полос скольжения длиной не больше размера зерна. Эффект торможения трещины границей зерна усиливается, если материал обладает заметной анизотропией свойств от зерна к зерну. [c.39] Влияние структуры материала на образование нераспространяющихся усталостных трещин может также проявляться, если трещина возникает в месте скопления второй фазы и не может преодолеть сопротивления матрицы или другой фазы, обладающей более высоким пределом выносливости. [c.39] Вернуться к основной статье