Распространение трещин при циклическом нагружении

При циклическом деформировании в гладком материале происходят процессы зарождения роста и объединения микротрещин, которые возникают вследствие определенных физических механизмов, связанных с перемещением и торможением дислокаций – линейных дефектов кристаллической решетки.

В материале с надрезом преимущественно развивается только одна трещина, зародившаяся от дна надреза, однако часто у ее вершины возникают микротрещины, они объединяются и приводят к окончательному разрушению.

В общем случае трещины классифицируются в зависимости от их размеров на малые и большие.

Малые трещины (МТ) (short cracks) в свою очередь делятся на два класса:

a) микротрещины, размер которых сравним с размером структурных составляющих материала и соответствует 1...10 мкм;

б) физически малые трещины, развивающиеся в большинстве случаев в поверхностном слое и имеющие размеры 10²... 10³ мкм.

Когда усталостные МТ, преодолев поверхностный слой, проникают вглубь материала, они переходят в разряд больших и развиваются далее как макротрещины. МТ размером 10... 10³ мкм называют еще микрометровыми.

Рассмотрим особенности распространения больших усталостных трещин, у которых напряженно-деформированное состояние в вершине характеризуется , а предельная несущая способность (сопротивление хрупкому разрушению) – критическим значением КИН (). Наблюдаются три характерных этапа роста трещины (рис. 9.).

Первый из этих этапов характеризуется скачкообразным развитием трещины усталости. Ее возрастание происходит после некоторого периода накопления повреждений перед трещиной. Для многих сплавов, в частности алюминиевых и титановых, продвижения трещины усталости можно наблюдать на поверхности излома в виде полоски, борозды. На первом этапе ширина борозды не отвечает скорости роста трещины усталости за цикл.

Рис. 9. Диаграмма роста усталостных трещин

Второй этап характеризуется стабильным ростом трещины усталости с постепенным увеличением скорости. При этом наблюдается очень близкое соответствие между шириной борозды и продвижением трещины усталости за один цикл.

Третий этап – ускоренное возрастание трещины. Механизм разрушения смешанный – от усталости и квазистатический, который переходит в чисто статический. Завершающий этап – долом образца. Этот процесс есть уже не элементом процесса усталости, а лишь его завершением; долом может рассматриваться как статическое разрушение элемента, поврежденного трещиной. Но поскольку в ряде случаев характеристика долома (остаточная прочность) зависит от предыдущего процесса разрушения, этот последний акт разрушения усталости может рассматриваться и как последний этап развития трещины.

Наибольшее значение КИН, при котором усталостная трещина не распространяется или ее скорость меньше заданной, называется пороговым и обозначается . Кинетической характеристикой распространения является диаграмма роста усталостных трещин (ДРУТ) (рис 6.). ДРУТ получают экспериментально, при этом на оси ординат откладывается значения скорости роста трещин, а по оси абсцисс – значения максимального КИН в цикле () или размах КИН (). ДРУТ слева ограничивается пороговым КИН , соответствующим моменту страгивания трещины или ее скорости не более 10^-10 м/цикл, справа – критическим КИН .

В аналитическом виде полную диаграмму роста усталостных трещин можно представить в виде

, (26)

где C и n – эмпирические коэффициенты.

Однако более широкое распространение получили зависимости, описывающие второй участок ДРУТ, который охватывает наиболее значительный диапазон скоростей роста трещин. Самым известным является уравнение Пэриса:

. (27)

Экспериментальные значения коэффициентов C и n уравнения (27) для некоторых типов сталей приведены в табл. 2.

Пэрис принимал n = 4, однако, как показали экспериментальные исследования, в том числе и представленные в табл. 2, .

Особое место занимает проблема роста малых усталостных трещин, для которых .

Таблица 2.

Значения коэффициентов C и уравнения Пэриса