Природа усталостного разрушения

В действительности усталостное разрушение наблюдается почти всегда при неоднородном напряженном состоянии, при изгибе или при растяжении изделия, имеющего концентратор напряжения. В том месте, где напряжение является наибольшим, обычно на поверхности, возникает трещина, которая постепенно распространяется вглубь. Несмотря на наличие трещины, изделие еще не теряет несущей способности и может выдержать несколько тысяч и даже миллионов циклов. Когда трещины достигают достаточной глубины и напряжения в неразрушенной части сечения, которая воспринимает всю нагрузку, оказывается настолько большим, что материал не может их выдержать, происходит внезапный излом. Сечение образца, поломанного в результате испытания на усталость при изгибе, схематически показано на рис. 12.1.

Рис. 12.1.

В кольцевой области А поверхность излома представляется мелкозернистой, блестящей, со сглаженными неровностями. Усталостная трещина раскрывается в растянутой зоне и смыкается в сжатой, результатом этого является обмятие поверхности трещины, иногда эта поверхность кажется как бы заполированной. В области В наблюдается типичная картина хрупкого разрушения, здесь видны относительно крупные зерна, сохранившие острые ребра, поверхность излома матовая. Распространение усталостной трещины обычно начинается от некоторого очага начального разрушения; где вследствие тех или иных причин создана большая местная концентрация напряжений или имеется какой-либо дефект материала. При испытании на знакопеременный изгиб первые трещины образуются почти одновременно в нескольких точках на поверхности образца, распространение их схематически показано на рис. 12.2.; иногда на изломе можно обнаружить несколько отдельных фронтов трещин, идущих от разных точек поверхности.

Рис. 12.2.

Микроскопическое исследование показывает, что усталостная трещина, как правило, проходит сквозь тело кристаллического зерна; по границам зерен она может пройти только случайно, на некоторой части своего пути. Металлографические и рентгенографические исследования показывают, что циклические нагрузки не вызывают в металле каких-либо структурных изменений, но в отдельных кристаллических зернах наблюдается небольшая пластическая деформация, не отличающаяся принципиально от пластической деформации при статическом нагружении. Наличие пластических сдвигов в металле, подвергнутом действию переменных нагрузок, обнаруживается методами рентгенографии, а также визуально, при помощи оптического микроскопа, когда напряжение и число циклов достаточно велики, и при помощи электронного микроскопа в начальной стадии сдвиго-образования. По-видимому, незначительные пластические деформации в отдельных, наиболее неблагоприятно расположенных зернах существуют и при статических нагрузках тогда, когда напряжения значительно ниже предела текучести или предела упругости. Действительно, предел упругости всегда определяется условно и нахождение истинной границы, при которой появляются первые пластические деформации, практически невозможно.

При знакопеременных нагрузках группы «дислокаций в плоскостях скольжения движутся то в одном, то в другом направлении, при этом повышается вероятность накопления значительного числа дислокаций на ограниченном участке. Если число дислокаций, собравшихся около препятствия, достаточно велико, в материале может возникнуть трещина. Накопление дислокаций около препятствия представляет собою локальное упрочнение материала, образование трещины снимает это упрочнение; при следующих циклах в той же плоскости скольжения сдвиг происходит беспрепятственно, новые дислокации как бы стекают в трещину, которая за счет этого растет.

Представление о местном упрочнении материала, способствующем появлению трещины, и о последующем «разрыхлении», сопровождающемся ее ростом, было развито Н. Н. Афанасьевым (1955 г.) без обращения к дислокационной модели.

На рис. 12.3. приведен график, заимствованный из работы Хантера и Фрике (1964 г.). Авторы подвергали знакопеременной нагрузке алюминиевые образцы и отмечали при каждом напряжении число циклов, которое соответствовало:

1) появлению первых следов скольжения в зернах;

2) появлению первой трещины, обнаруживаемой электронным микроскопом;

3) моменту, когда отдельные микротрещины начинают соединяться;

4) появлению первой видимой трещины;

5) разрушению.

Соответствующими цифрами отмечены кривые на графике. Напряжение отнесено к условному пределу выносливости, определенному для числа циклов, равного (1e7).

Рис. 12.3.

Интересно отметить, что первые следы скольжения и первые трещины появляются очень рано, но развитие трещин идет чрезвычайно медленно. Даже при напряжениях меньших, чем предел выносливости, материал после нескольких тысяч циклов оказывается поврежденным