Закрытие трещин и его влияние на циклическую трещиностойкость (стр. 3 из 4)

Рис. 8. Параметры цикла нагружения (а) и зависимости пороговых размаха коэффициента интенсивности напряжения (б).

Частота нагружения. На воздухе частотные зависимости пороговой интенсивности напряжений различных материалов неоднозначны. Если в титановом сплаве Ti-6Al-6V-2Sn повышение частоты цикла снижает пороговый размах коэффициента интенсивности напряжения

, то в алюминиевом сплаве эффект обратный. При этом линейная зависимость параметра от частоты сохраняется для всех исследуемых форм циклов напряжений. Увеличение частоты нагружения значительно интенсифицирует автокаталитическое окисидообразавание на поверхности разрушения, о чем свидетельствует и различный характер зависимостей скорости роста усталостной трещины при постоянном размахе коэффициента интенсивности напряжения от ее длины, а также вид поверхностей разрушения.

Влияние повышенной температуры испытаний. Данные о влиянии температуры испытаний на кинематику роста усталостной трещины в припороговой области весьма противоречивы. Например, сопротивление припороговому росту усталостной трещины нержавеющей стали повышается с увеличением температуры от 290 до 970К при испытаниях на воздухе, однако остается постоянным в вакууме и гелии. Для корпусных перлитных сталей зависимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения

от температуры испытаний немонотонна - снижение порогового размахакоэффициента интенсивности напряжения при повышении температуры до 420-470К сменяется его ростом при более высоких температурах. Характерной особенностью роста усталостной трещины при повышенных температурах является независимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от температуры испытаний в условиях нагружения с высокой асимметрией цикла напряжений.

Для понимания причины, определяющих особенности припороговой кинетики роста усталостной трещины в конструкционных сталях при повышенных температурах, весьма полезным оказалось привлечение концепции закрытия трещины, в частности анализ развития ЗТШ и ЗТО при повышенных температурах. Установлено, что с ростом температуры вследствие усиления поперечного скольжения снижается шероховатость поверхности разрушения, что ослабляет ЗТШ, обеспечивая снижение нормального порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения

.

Оценка масштабного фактора с учетом закрытия трещины. Вопрос о влиянии масштабного фактора, т.е. размера образца, на характеристики циклической трещиностойкости - один из важнейших в механике усталостного разрушения, так как он касается адекватности результатов испытаний лабораторных образцов и натуральных изделий при прогнозировании работоспособности последних. Единого мнения относительно влияния трещины используемых образцов на сопротивление сталей припороговому росту усталостной трещины нет. Зафиксировано снижение, повышение и постоянство пороговых размахов коэффициента интенсивности напряжения

различных сталей при увеличении толщины образцов. Столь противоречивые данные объясняются с позиций концепции закрытия трещины на основе рассмотрения влияния напряженно-деформационного состояния на реализацию того или иного механизма закрытия трещины. Установлено, что даже в условиях припорогового роста усталостной трещины вдоль фронта трещины существуют различия в напряженно-деформационном состоянии материала, в связи с чем изменяются условия проявления закрытия трещины.

ЗТП локализуется в областях излома, прилегающих к боковым граням образца, где преобладает полосконапряженное состояние. Поэтому в тонких образцах, в которых даже припороговый рост усталостной трещины происходит в условиях, близких к плосконапряженному состоянию, доминирующим будет ЗТП, обеспечивающее высокое значение порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения

из-за развитых губ утяжки. Рост толщины образцов снижает вклад губ утяжки в закрытие трещины, что увеличивает эффективный размах коэффициента интенсивности напряжения и уменьшает пороговый - эта тенденция подтвердилась результатами опытов. Следовательно, если припороговый рост усталостной трещины происходит в условиях доминирования ЗТП, увеличение толщины образцов интенсифицирует рост слоя продуктов коррозии в полости трещины, что приводит к повышению порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения . Если при процессе роста усталостной трещины создаются условия перехода к ЗТО и развитию автокаталитического оксидообразования на поверхности излома, то увеличение толщины образцов интенсифицирует рост слоя продуктов коррозии в полости трещины обеспечивает немонотонную зависимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения . Таким образом, для материалов, у которых реализуется ЗТО, нельзя ожидать однозначного влияния толщины образцов на пороговый размах коэффициента интенсивности напряжения, поскольку реализация различных механизмов закрытия трещины в образцах различной толщины обеспечивает немонотонную зависимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от толщины образца. Изменение порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения в связи с изменением толщины образцов схематически представлено на рис. 9, где отражено влияние толщины образцов по пороги усталости в связи с реализацией различных механизмов закрытия трещины.

Рис. 9. Зависимость различных компонент закрытия трещины от толщины образцов и их вклад в припороговый размах коэффициента интенсивности напряжения

(а), а также схемы, иллюстрирующие топографии зон контакта берегов трещины при увеличении толщины образцов (б): 1 - зона усталостной трещины; 2 - зона контакта берегов трещины; 3 - зона долома.

Увеличение толщины образцов снижает величину

, соответствующую ЗТП, и повышает величину , соответствующую ЗТО. Горизонтальная линия на схеме характеризуют постоянный для данного материала уровень эффективного порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения . На схеме указаны области преимущественной реализации каждого из механизмов (ЗТП или ЗТО), а также область, где уровень закрытия трещины в равной степени определяется обоими механизмами. Итоговая кривая, отражающая зависимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от толщины образца, характеризуется суммой , и .

Для широко распространенных в машиностроении умереннолегированных сталей средней и низкой прочности с ферритно-перлитной структурой зависимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения

от толщины образца, вероятно, немонотонна и имеет минимум где-то в средней части диапазона исследуемых значений толщин (кривая 1 на рис. 10).

Для аустенированых нержавеющих сталей рассмотренная немонотонная зависимость с минимумом будет вырождаться в монотонно снижающейся (кривая 2 на рис. 10).

В высокопрочных сталях зактрытие трещины проявляется крайне слабо или отсутствует вообще. Поэтому обработка стали на высокую прочность путем достижения структуры мартенсита или нижнего бейнита обеспечивает более низкие, чем в других микроструктурных состояниях, пороговые размахи коэффициента интенсивности напряжения

. В данном случае низкий уровень исходного закрытия трещины реализуется по механизму ЗТП и исключает переход к ЗТО, обеспечивая, таким образом, постоянство порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения для образцов различной толщины.

Рис. 10. Три типа зависимостей порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от толщины образцов d для конструкционных сталей: