Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении

Трощенко В.Т., Покровский В.В., Прокопенко А.В.

Наукова думка, 1987 г.

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ И ЗАРОЖДЕНИЕ ТРЕЩИН ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Процесс усталостного разрушения металлов можно разделить на две основные стадии — стадию зарождения магистральной усталостной трещины и стадию ее развития. Под магистральной трещиной в этом случае подразумевается трещина, которая при заданных условиях нагружения развивается с большей скоростью, чем остальные трещины, и является причиной окончательного усталостного разрушения. Начальные размеры магистральной трещины, т. е. такие размеры, когда магистральную трещину можно выделить из совокупности всех остальных трещин, для пластичных сталей составляют десятые, для высокопрочных сталей сотые доли миллиметра. Стадия зарождения магистральной усталостной трещины (она может быть названа также стадией рассеянного усталостного повреждения) характеризуется наличием большого количества локальных пластически деформированных объемов, являющихся источниками возникновения микроскопических трещин, одна (или несколько) из которых может перерасти в магистральную трещину.

Исследованию рассеянного усталостного повреждения посвящено большое количество работ. Трудно назвать какой-либо физический метод исследования структуры металлов (магнитный, рентгеновский, оптический, электронно-оптический, механический, акустический, голографический, калориметрический, энергетический и т. д.), который бы не обосновывался для исследования усталостного повреждения в металлах на стадии зарождения магистральной трещины. Однако нельзя утверждать, что эти исследования дали возможность разработать методы, позволяющие достаточно надежно прогнозировать на основе измерения характеристик структурного состояния металлов степень исчерпания долговечности образцов и деталей машин.

Это объясняется в первую очередь сложностью процесса усталости металлов и недостаточным вниманием при исследованиях к обоснованию взаимосвязи тех структурных характеристик, которые исследовались, и кинетики процессов зарождения и развития магистральных усталостных трещин, которые в конечном итоге приводят к усталостному разрушению. Вторая стадия усталостного разрушения — стадия развития магистральной усталостной трещины. Несмотря на большие достижения в последние годы в области описания развития трещин с использованием критериев механики разрушения, в настоящее время отсутствует возможность описать весь процесс развития магистральной трещины с единых позиций. Это объясняется тем, что критерии механики разрушения применимы при достаточно больших размерах трещины — несколько десятых миллиметра — или, по крайней мере, при размерах, превышающих в десять раз и более размеры структурных составляющих металлов.

Наибольшие сложности возникают при описании условий возникновения магистральных трещин и развития их до размеров, когда возможно использование критериев механики разрушения.

Литературные данные показывают, что при отсутствии концентраторов напряжений и дефектов типа трещин преобладающее число циклов до разрушения (до 90%) приходится на стадию зарождения магистральной трещины и начальный период ее развития.

Картина существенно меняется при наличии в деталях, подверженных циклическому напряжению, технологических или эксплуатационных (возникших в начале эксплуатации) трещин макроскопических размеров. В этом случае основную часть долговечности составляет время развития этой трещины, которое может быть рассчитано с использованием критериев механики разрушения.

В данной главе основное внимание уделяется рассмотрению общих закономерностей зарождения магистральных трещин в металлах и сплавах и их развитию на ранней стадии.

В качестве основного метода, позволяющего интегрально описать структурные изменения, приводящие к возникновению магистральной трещины, использован метод динамической петли гистерезиса, который позволяет измерять неупругие циклические деформации и рассеянную энергию за цикл. Приведены результаты исследования закономерностей зарождения и развития трещин в сталях, показана их связь с характеристиками неупругости (в первую очередь, неупругой деформации за цикл), проанализирована связь характеристик трещиностойкости с пределами выносливости с учетом вида нагружения (кручения, растяжения — сжатия) и концентрации напряжений

1. Виды разрушения

Прежде чем рассматривать зарождение и развитие магистральных усталостных трещин в металлах и сплавах, рассмотрим, при каких условиях (уровнях напряжений, режимах нагружения, долговечностях, температурах и т. д.) циклического нагружения имеет место усталостное разрушение, т. е. разрушение путем зарождения и развития усталостной трещины, и какими особенностями макроскопического деформирования оно сопровождается.

При циклическом нагружении может иметь место одно из следующих грех видов разрушений: квазистатическое, малоцикловое усталостное и многоцикловое усталостное.

Квазистатическое разрушение происходит путем направленного пластического деформирования вследствие циклической ползучести и вид окончательного разрушения ничем не отличается от статического, т. е. явно выражена шейка и наблюдается существенное удлинение образца. Такой вид разрушения имеет место при напряжениях, значительно выше предела текучести, и реализуется при мягком режиме малоциклового нагружения, т. е. при таком режиме нагружения, когда в процессе деформирования выдерживается постоянным напряжение. Циклическая ползучесть и вызываемое ею квазистатическое разрушение характерны также для условий высоких температур и термоциклировання, когда действующие напряжения могут существенно превышать предел текучести.

Малоцикловое усталостное разрушение происходит путем зарождения и развития усталостной трещины, сопровождающейся заметными  пластическими деформациями  всего объема металла. Картина пластического деформирования в этом случае характеризуется петлями пластического гистерезиса в координатах напряжение — деформация и в некоторой степени процессом циклической ползучести. Такое разрушение имеет место при малоцикловом нагружении при напряжениях, близких или выше предела текучести в условиях жесткого режима, когда в процессе деформирования выдерживается постоянная деформация нагружении, или при мягком режиме нагружения после достаточно большого числа циклов. В этом случае процесс зарождения трещины протекает в металле, подвергнутом значительному пластическому деформированию и ее зарождение иразвитие в значительной степени связано с общим изменением свойств металла в процессе этого деформирования.

Многоцикловое усталостное разрушение происходит путем зарождения и развития усталостной трещины, когда макроскопическое пластическое деформирование и циклическая ползучесть практически отсутствуют. Однако в некоторых металлах при многоцикловом нагружении довольно интенсивно протекают процессы пластической деформации (в общем случае неупругой деформации) в локальных объемах металла, что приводит к весьма значительным замкнутым петлям гистерезиса, площадь которых равна энергии, рассеянной в ма!ериале за цикл, а ширина — неупругой деформации за цикл. При малых неупругих деформациях практически отсутствует отличие в мягком и жестком режимах нагружения, при значительных неупругих деформациях их необходимо учитывать при оценке напряженно-деформированного состояния при наличии гэадиента напряжений и в других расчетах.

Встречающееся в настоящее время в некоторых работах объединение под термином «малоцикловая усталость» как квазистатического, так и малоциклового усталостного разрушений, на наш взгляд, не является корректным. Вместе с тем следует иметь в виду и некоторую условность разделения по уровню напряжений, числу циклов до разрушения указанных стадий разрушения, особенно малоциклового и многсцикловогоусталостного разрушений.

В терминах «малоцикловая усталость» и «многоцикловая усталость» в первую очередь имеется в виду число циклов нагружения, приводящих к разрушению, и соответствующие ему напряжения. При этом, как правило, предполагается, что малоцикловая усталость реализуется при низкой частоте (доли герц), а миогоцикловая — при высокой (десятки и сотни герц) № частоте нагружения, хотя имеют место и отклонения от этого правила.