Реферат: Закрытие трещин и его влияние на циклическую трещиностойкость

Государственный комитет Российской Федерации

по высшему образованию

РоссийскийГосударственный Авиационный Технологический

Университет имени К.Э. Циолковского — (МАТИ)

_______________________________________________________

Курсоваяработа по физическому материаловедению

Тема: Закрытие трещин и его влияние на циклическую

трещиностойкостьсплавов

Преподаватель:Ботвина Л.Р.

Студент:Шапиро Р.А.

Москва 1998г

Структурный план курсовойработы

по физическому материаловедению.

1. Проявления и механизм закрытияусталостных

трещин.

2. Влияние условий эксплуатации назакрытие и

кинетику трещин усталости вконструкционных

материалах.

3. Закрытие трещин и структураконструкционных

сплавов.

1. Проявления и механизмзакрытия усталостных трещин.

Один из наиболее важных феноменов экспериментальной механикиусталостного разрушения, установленных в течение 1970-х г., — явлениепреждевременного контакта берегов растущей усталостной трещины на протяжениинекоторой положительной части цикла напряжений. Этот феномен, называемый“смыкание” или “закрытие трещин”, широко используется для объяснения многочисленныхкинетических эффектов, сопровождающих усталостное разрушение конструкционныхматериалов.

Считается, что закрытие трещин обнаружил В. Элбер. По-видимому, правильно сказать, что этот исследовательвпервые обнаружил количественную оценку закрытия трещины и указал на егозначимость в кинематике усталостного разрушения. Наиболее правдоподобныммеханизм их образования, предложенный в свое время С. Бичемом, предусматриваетвзаимное столкновение поверхностей трещины позади ее вершины.

В. Элбер обнаружил закрытиетрещин случайно при подготовке образцов для фрактографического исследования.Разрезание образца с усталостной трещиной вызвало его существенную деформацию,заметную невооруженным глазом. Для установления причин такого поведения образцаего снабдили датчиком деформации, что позволило получить зависимостьприложенной к образцу нагрузки от перемещения краев разреза. Она оказаласьнелинейной, хотя нагружение образца осуществлялось в упругой области. Этосвидетельствовало о изменении геометрии образца в процессе нагружения. Такоеизменение возможно, если в ненагруженном состоянии трещина была закрыта, т.е.ее берега прижаты друг к другу с определенным усилием. Тогда процесс нагружениябудет сопровождаться не только равномерной деформацией материала неразрушеннойчасти образца, но и увеличением длины раскрытой части усталостной трещины, т.е.податливость образца будет меняться при изменении приложенного к нему усилия.Путем последовательной регистрации в цикле раскрытия трещины вблизи ее вершиныустановлено, что усталостные трещины в листах алюминиевого сплава закрываютсяеще до полного снятия с образца растягивающей нагрузки. В полуцикле нагруженияраскрытие берегов трещины вначале не зависит от приложенного извне напряжения(рис. 1, а) и лишь при достижении последним определенного значения трещинаначинает открываться, инициируя таким образом процесс деформирования иусталостного повреждения материала в зоне предразрушения. Используятерминологию механики разрушения, можно сказать, что закрытие трещины фиксируетв ее вершине некоторое значение коэффициента интенсивности напряжения К=Кор(пропорциональное текущейдлине трещины и нормальному напряжению в момент открытия трещины <img src="/cache/referats/875/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">ор), препятствуя снижениюэтого параметра до уровня К=Кmin. В результате искажаетсяхарактер формы цикла и величина трещины (рис. 1, б), а также коэффициентинтенсивности напряжения в вершине трещины (рис. 1, в). На основании полученных результатов В. Элберпришел к выводу о неэффективности с точки зрения роста усталостной трещинынекоторой части цикла напряжений. Указывая на необходимость учета явлениязакрытия трещины при анализе напряженно-деформационного состояния тел стрещинами, он уточнил зависимость скорости роста усталостной трещины от размахакоэффициента интенсивности напряжения, введя эффективное значение последнегопараметра: <img src="/cache/referats/875/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">,

где С и n - коэффициенты Пэриса; <img src="/cache/referats/875/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> — эффективный размах коэффициентаинтенсивности напряжения, соответствующий открытой трещине

<img src="/cache/referats/875/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">Kmax — Kор

Рис. 1. Зависимость между приложенным кобразцу напряжением и раскрытием берегов трещины (а), а также схема формы циклавнешней нагрузки (б) и коэффициента интенсивности напряжения (в).

В зависимости от конкретных условий реализации закрытия трещинысвязывают с несколькими механизмами. Первый из них предложен В.Элбером, которыйзаметил отличие реальной усталостной трещины от идеальной, т.е. острого надрезанулевой ширины <img src="/cache/referats/875/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1030">надр. Оно заключается в наличиина берегах реальной усталостной трещины пластически деформируемого материала (рис. 2). Поэтому при однократномнагружении до одинаковых значений коэффициента интенсивности напряженияраскрытие берегов реальной усталостной трещины <img src="/cache/referats/875/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1031">тр (рис. 2,а) меньше, чем идеальной (рис. 2, б). Если предположить,что в полуцикле разгрузки раскрытия реальной и идеальной трещин будетуменьшаться в равной степени, то берега усталостной трещины сомкнуться раньше полного снятия нагрузки. Поэтому, согласно В.Элберу, усталостная трещина закрывается при положительном значении приложенногоизвне напряжения благодаря наличию на ее берегах определенного объемапластически деформированного материала, увеличенного по сравнению с исходнымнедеформируемым, и воздействия на этот объем неразрушенной части сечения.

Рис. 2. Конфигурация пластичной зоны в реальной (а) и идеальной (б) усталостныхтрещинах.

Описанный механизм закрытия, именуемый закрытие трещин обусловленное пластичностью ( ЗТП ), характерен для вязкихматериалов, нагружаемых в условиях плоского напряженного состояния. Однако сконцепцией ЗТП не согласуется многократно подтвержденный экспериментами фактусиления закрытия усталостной трещины по мере снижения размаха коэффициентаинтенсивности напряжения и перехода к росту усталостной трещины в условияхплоского деформированного состояния. Противоречия между модельнымипредставлениями о процессе закрытия трещин и результатами испытаний позднеебыли устранены благодаря открытию двух дополнительных механизмов закрытиятрещины, характерных для припорогового роста усталостной трещины. Один из нихучитывает роль окисления берегов трещины и классифицируется как закрытиетрещины обусловленное оксидообразованием ( ЗТО ). Наличие в областях изломов,соответствующих припороговой скорости роста усталостной трещины, хорошоразличимых визуально продуктов коррозии. Кроме того, было зафиксированозамедление припорогового роста усталостной трещины в коррозиционой среде посравнению с воздухом. На основании проведенных на воздухе и в дистиллированнойводе исследований роста усталостной трещины в стали, пришли к выводу о том, чтообразующиеся вблизи вершины трещины продукты окисления могут оказывать расклинивающее влияние аналогичноостаточной деформации и тем самым снижать эффективный размах коэффициентаинтенсивности напряжения в вершине трещины, а также скорость ее роста.

На основании простой моделижесткого клина постоянной толщины а, находящегося внутри трещины длиной l на расстоянии 2с позади ее вершины (рис. 3), сделана попытка аналитической оценки роли коррозионныхотложений в усилении закрытия трещины. На основании упругой модели сиспользованием сингулярных интегральных уравнений или функции напряженийВестергаарда получено выражение для коэффициента интенсивности напряжения ввершине трещины с клином, учитывающее только механическое расклинивание трещиныи игнорирующее пластичность материала и шероховатость поверхностей излома:

Kr |<img src="/cache/referats/875/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1033">=0=<img src="/cache/referats/875/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1034">, (<img src="/cache/referats/875/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1035">)

где Е’=Е — для плоского напряженного состояния; Е’= <img src="/cache/referats/875/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> — для условий

плоской деформации; Е — модуль упругости материала; <img src="/cache/referats/875/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> — коэффициент Пуассона.

Поскольку при K=Krтрещина будет закрытой,можно принять параметр Kr равнымзначениюкоэффициенту интенсивностинапряжения в момент закрытия трещины, соответственно: <img src="/cache/referats/875/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1038">Kmax — Kr

Все приведенные соображенияимеют смысл при условии, что минимальное раскрытие трещины меньше, чем толщинаоксидов, т.е. Kmin< Kr. На основании уравнения (<img src="/cache/referats/875/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1039">)построены (рис. 4) графические зависимости коэффициента интенсивностинапряжения Kr от толщины клина (а=10нм-10мм) и от его удаления отвершины (с= 10нм-100мм).

Рис. 3. Расчетная модель жесткого клина дляоценки закрытия трещины.

Рис. 4. Зависимости коэффициентаинтенсивности напряжения Krв момент контакта берегов трещины оттолщины клина а и его удаления от вершины трещины 2с:

1 - с=10нм; 2- с=0.1мкм; 3 — с=1мкм; 4 — с=10мкм; 5 — с=100мкм; I — толщина естественногоокисления;

II — толщина фреттинг-окисления.

Иной вид закрытия, который аналогично рассматриваемому выше ЗТО наиболее характерен для припороговойусталости при пульсирующем и близких к нем циклах напряжений, — закрытиетрещин, обусловленное шероховатостью поверхностей разрушения ( ЗТШ ). Считают,что когда высота неровностей рельефа излома соизмерима с величиной раскрытиявершины трещины, а в напряженное состояние материала зоны предразрушения вноситсущественный вклад сдвиговая компонента, уровень закрытия может существенноувеличиться путем раслинивания трещины в отдельных контактирующих точках вдольее траектории.

Существенно усиление закрытие трещины, связанного с шероховатостью вблизи пороговых размаховкоэффициента интенсивности напряжения, объясняют следующим образом. Дляприпорогового роста усталостной трещины, как правило, реализуются условия

ry< d , (<img src="/cache/referats/875/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1041"><img src="/cache/referats/875/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1042">)

где ry — радиус пластической зоны увершины трещины; d — размер зерна или другого структурного элементаконтролирующего процесс разрушения.

Согласно представлениям,развитым Б. Томкинсом, для низких размахов коэффициента интенсивностинапряжения <img src="/cache/referats/875/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1043">,когда выполняется условие (<img src="/cache/referats/875/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1044"><img src="/cache/referats/875/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1045">),распространение трещины через зерно будет проходить вдоль определеннойкристаллографической плоскости. При переходе в другое зерно ввидупроизвольной ориентации последнего поотношению к первому ориентация трещины изменяется. Это обеспечивает фасеточныйхарактер излома (рис. 5). Такой сложный кристаллографический характерраспространения трещины с ее значительными отклонениями от линии нормальногоотрыва обусловливает наличие существенной сдвиговой компоненты усилий идеформацию продольным сдвигом. В итоге сдвига сопряженных поверхностей излома инарушения соответствия между элементами рельефа “впадина-выступ” ЗТШусиливается. Этот вид закрытия трещины существенно влияет на кинематику ростаусталостной трещины и размах порогового коэффициента интенсивности напряжения,поскольку циклическое раскрытие вершины трещины невелико и соизмеримо сшероховатостью поверхностей излома.

Рис. 5. Схема траектории (1) ираспространение полос скольжения (2) в вершине трещины, растущей с припороговойскоростью (а) и скоростью, соответствующей среднеамплитудному участкукинематической диаграмме усталостного разрушения (б).

Первая попыткаколичественной оценки влияния шероховатости поверхности разрушения на закрытиеусталостной трещины сделана на основании сопоставления высоты микронеровностейв изломе и раскрытия вершины трещины. Однако оценка роста усталостной трещиныпо такой упрощенной модели приводили к значительному занижению результатов,поскольку не учитывается роль сдвиговой деформации в вершине трещины. Указанныйнедостаток устранен в позднее предложенной геометрической модели ЗТШ (рис. 6),согласно которой величина эффекта закрытия записывается в виде

<img src="/cache/referats/875/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1047">,

где <img src="/cache/referats/875/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> — безразмерный коэффициентшероховатости поверхности разрушения; x=<img src="/cache/referats/875/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1049">.

Рис. 6. Схема распространения сопряженныхберегов трещины при значениях К=Кmax (a) и К=Кcl (б). Здесь <img src="/cache/referats/875/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1051">max — раскрытие трещины при Кmax ;<img src="/cache/referats/875/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1052">cl — раскрытие трещины приКcl

Недостатками рассмотренноймодели является ее двухмерность, из-за которой деформационное поведениеповерхностных и внутренних (по толщине) слоев образца не может быть идентичным.Поэтому двухмерная модель ЗТШ дает лишь какое-то усредненное вдоль фронтатрещины описание процесса закрытия трещины. Еще более существенный недостатокрассматриваемого подхода- полное игнорирование других механизмов закрытиятрещины. Впрочем, это относится также и к описанным выше модели жесткого клина,концентрирующие внимание исключительно на ЗТО, а так же ко всем остальнымпопыткам аналитического описания сложного по физической природе и многообразиюреализующегося явления закрытия трещин.

Существуют еще два механизмазакрытия усталостных трещин, которые реже реализуются на практике, чемописанные выше: закрытие, обусловленное вязкостью рабочей среды, и закрытие,обусловленное объемными изменениями, сопровождающими фазовые превращения материалазоны разрушения. Наличие в трещине вязкой среды препятствует перемещению ееберегов как в полуцикле нагружения, так и при его разгрузке. Поэтому ростусталостной трещины чувствителен к вязкости инертных жидких сред и частотенагружения. В коррозионной жидкой среде возможно дополнительное повышение еевязкости во времени за счет растворения образующихся на берегах трещиныпродуктов коррозии. В этом случае влияние вязкости неоднозначно, ее повышениеусиливает потенциальную возможность жидкости создавать внутреннее давление втрещине, хотя и ограничивает проникающую способность. Ситуация, возникающая приросте усталостной трещины в присутствии вязкой среды, может быть смоделированас учетом раскрытия трещины, плотности и кинематической вязкости жидкости, атакже поверхностного натяжения и угла смачивания. Полученные расчетным путемрезультаты свидетельствуют, что для широкого диапазона вязкостей максимальноезначение напряжений, обусловленных внутренним давлением жидкости, не превышаютсреднего значения цикла приложенных извне напряжений. Поэтому рассматриваемыймеханизм закрытия трещины влияет на кинематику роста усталостной трещины вменьшей степени, чем ЗТП, ЗТО или ЗТШ.

В некоторых случаях закрытиетрещины может усиливаться за счет увеличения объема материала в зонепредразрушения вследствие локальных фазовых превращений, вызываемыхмеханическими напряжениями. Этот механизм закрытия трещины во многом аналогиченЗТП, отличаясь, однако, физической природой процесса образования “лишнего”материала и полости распространяющейся трещины.

Таким образом, различаются пять механизмов закрытия трещины усталости (рис. 7). В силуспецифической природы реализация двух последних (рис. 7, а, б) возможна лишь вособых условиях: при наличии жидкой среды в вершине трещины или при усталостномразрушении сложнолегированных металлических сплавов, содержащих метастабильныеструктурные составляющие. В то же время ЗТП, ЗТО и ЗТШ (рис. 7, в-д) болееуниверсальны.

Рис. 7. Схемы механизмов закрытия трещины,обусловленных вязкостью рабочей среда (а), фазовыми превращениями в зонепредразрушения (б), ЗТП (в), ЗТО (г) и ЗТШ (д).

2. Влияние условийэксплуатации на закрытие и кинетику

трещин усталости в конструкционныхматериалах.

Уровень закрытия трещины определяется рядом факторов, которые условно делятся на две группы — эксплуатационные иструктурные. К первой относятся параметры цикла напряжений (размах, асимметрия,частота), окружающая среда (ее химическая активность, влажность, температура),а также характер напряженно- деформированного состояния у вершины трещины в образце или элементеконструкции, который определяется их геометрией и размерами. Основныеструктурные факторы (вторая группа) обусловлены химическим составом материала иего микроструктурным состоянием.

Зависимость закрытия трещины от уровня размаха коэффициентаинтенсивности напряжения. Закрытие трещины характерно для припорогового роста усталостнойтрещины, оно монотонно ослабевает по мере роста размаха коэффициентаинтенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1054">.Это объясняется увеличением по мере роста коэффициента интенсивности напряженияраскрытия трещин, величина которого в конечном итоге исключает появлениезакрытия трещины. Максимальный коэффициент интенсивности напряжения Kmax, при котором не происходитзакрытие трещины, зависит от ряда факторов, в том числе от структуры сплава иэксплуатационных условий, включая асимметрию цикла.

Связь закрытия трещины с асимметрией цикла. Влияние асимметрии цикла на проявление закрытиятрещины исследовано весьма широко. Повышение коэффициента асимметрии в сторонуположительных значений вызывает снижение закрытие трещины и увеличение скоростироста усталостной трещины. По мере снижения размаха коэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1055">искорости рост усталостной трещины чувствительность закрытия к асимметрии цикланапряжений усиливается до максимального уровня на пороге усталости. Ослаблениероли закрытия трещины по мере роста коэффициента асимметрии объяснят тем, что повышениикоэффициента асимметрии происходитсближение значений минимального коэффициента интенсивности напряжения Kminи коэффициентаинтенсивности напряжения, характеризующего момент открытия трещины Kор. Поэтому при более высокихкоэффициентах асимметрии уменьшаетсяразмах коэффициента интенсивности напряжения, соответствующий закрытой трещине <img src="/cache/referats/875/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1056">Kop — Kmin и, следовательно, возрастает эффективныйразмах <img src="/cache/referats/875/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1057"> (рис. 8, а). Такие соображения приводят кзависимостям пороговых характеристик ( рис. 8, б), и хорошо согласуются срезультатами опытов.

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

Частота нагружения. На воздухечастотные зависимости пороговой интенсивности напряжений различных материаловнеоднозначны. Если в титановом сплаве Ti-6Al-6V-2Sn повышение частоты цикласнижает пороговый размах коэффициента интенсивности напряжения<img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1059">, тов алюминиевом сплаве эффект обратный. При этом линейная зависимость параметра<img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1060">отчастоты сохраняется для всех исследуемых форм циклов напряжений. Увеличениечастоты нагружения значительно интенсифицирует автокаталитическоеокисидообразавание на поверхности разрушения, о чем свидетельствует и различныйхарактер зависимостей скорости роста усталостной трещины при постоянном размахекоэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1061">отее длины, а также вид поверхностей разрушения.

Влияние повышенной температуры испытаний.Данные о влияниитемпературы испытаний на кинематику роста усталостной трещины в припороговойобласти весьма противоречивы. Например, сопротивление припороговому ростуусталостной трещины нержавеющей стали повышается с увеличением температуры от290 до 970К при испытаниях на воздухе, однако остается постоянным в вакууме игелии. Для корпусных перлитных сталей зависимость порогового размахакоэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1062">оттемпературы испытаний немонотонна — снижение порогового размаха коэффициента интенсивностинапряжения при повышении температуры до 420-470К сменяется его ростом при болеевысоких температурах. Характерной особенностью роста усталостной трещины приповышенных температурах является независимость порогового размаха коэффициентаинтенсивности напряжения от температуры испытаний в условиях нагружения свысокой асимметрией цикла напряжений.

Для понимания причины,определяющих особенности припороговой кинетики роста усталостной трещины вконструкционных сталях при повышенных температурах, весьма полезным оказалосьпривлечение концепции закрытия трещины, в частности анализ развития ЗТШ и ЗТО при повышенных температурах. Установлено, чтос ростом температуры вследствие усиления поперечного скольжения снижаетсяшероховатость поверхности разрушения, что ослабляет ЗТШ, обеспечивая снижениенормального порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1063">.

Оценка масштабного фактора с учетом закрытия трещины. Вопрос о влиянии масштабного фактора, т.е. размераобразца, на характеристики циклической трещиностойкости — один из важнейших вмеханике усталостного разрушения, так как он касается адекватности результатовиспытаний лабораторных образцов и натуральных изделий при прогнозированииработоспособности последних. Единогомнения относительно влияния трещины используемых образцов на сопротивлениесталей припороговому росту усталостной трещины нет. Зафиксировано снижение,повышение и постоянство пороговых размахов коэффициента интенсивностинапряжения <img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1064"> различных сталей приувеличении толщины образцов. Столь противоречивые данные объясняются с позицийконцепции закрытия трещины на основе рассмотрения влияниянапряженно-деформационного состояния на реализацию того или иного механизмазакрытия трещины. Установлено, что даже в условиях припорогового ростаусталостной трещины вдоль фронта трещины существуют различия внапряженно-деформационном состоянии материала, в связи с чем изменяются условияпроявления закрытия трещины.

ЗТП локализуется в областяхизлома, прилегающих к боковым граням образца, где преобладаетполосконапряженное состояние. Поэтому в тонких образцах, в которых дажеприпороговый рост усталостной трещины происходит в условиях, близких кплосконапряженному состоянию, доминирующим будет ЗТП, обеспечивающее высокое значение порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1065"> из-за развитых губ утяжки.Рост толщины образцов снижает вклад губ утяжки в закрытие трещины, чтоувеличивает эффективный размах коэффициента интенсивности напряжения иуменьшает пороговый — эта тенденция подтвердилась результатами опытов.Следовательно, если припороговый рост усталостной трещины происходит в условияхдоминирования ЗТП, увеличение толщины образцов интенсифицирует рост слояпродуктов коррозии в полости трещины, что приводит к повышению пороговогоразмаха коэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1066">.Если при процессе роста усталостной трещины создаются условия перехода к ЗТО иразвитию автокаталитического оксидообразования на поверхности излома, то увеличение толщиныобразцов интенсифицирует рост слоя продуктов коррозии в полости трещины обеспечивает немонотонную зависимостьпорогового размаха коэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1067">.Таким образом, для материалов, у которых реализуется ЗТО, нельзя ожидатьоднозначного влияния толщины образцов на пороговый размах коэффициентаинтенсивности напряжения, поскольку реализация различных механизмов закрытиятрещины в образцах различной толщины обеспечивает немонотонную зависимостьпорогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от толщиныобразца. Изменение порогового размахакоэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1068"> в связи с изменением толщины образцовсхематически представлено на рис. 9, где отражено влияние толщины образцов попороги усталости в связи с реализацией различных механизмов закрытия трещины.

Рис. 9. Зависимость различных компонентзакрытия трещины от толщины образцов и их вклад в припороговый размахкоэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> (а), а также схемы,иллюстрирующие топографии зон контакта берегов трещины при увеличениитолщины образцов (б): 1 - зона усталостной трещины; 2 - зона контакта береговтрещины; 3 - зонадолома.

Увеличение толщины образцов снижает величину <img src="/cache/referats/875/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1070">,соответствующую ЗТП, и повышает величину<img src="/cache/referats/875/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1071">,соответствующую ЗТО. Горизонтальная линия на схеме характеризуютпостоянный для данного материала уровеньэффективного порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1072">. Насхеме указаны области преимущественной реализации каждого из механизмов (ЗТПили ЗТО), а также область, где уровень закрытия трещины в равной степениопределяется обоими механизмами. Итоговая кривая, отражающая зависимостьпорогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от толщины образца, характеризуетсясуммой <img src="/cache/referats/875/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> <img src="/cache/referats/875/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1074"> и<img src="/cache/referats/875/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1075">.

Для широко распространенныхв машиностроении умереннолегированных сталей средней и низкой прочности сферритно-перлитной структурой зависимость порогового размаха коэффициентаинтенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1076">оттолщины образца, вероятно, немонотонна и имеет минимум где-то в средней частидиапазона исследуемых значений толщин (кривая 1 на рис. 10).

Для аустенированыхнержавеющих сталей рассмотренная немонотонная зависимость с минимумом будетвырождаться в монотонно снижающейся (кривая 2 на рис. 10).

В высокопрочных сталях зактрытие трещины проявляется крайне слабо илиотсутствует вообще. Поэтому обработка стали на высокую прочность путем достиженияструктуры мартенсита или нижнего бейнита обеспечивает более низкие, чем вдругих микроструктурных состояниях, пороговые размахи коэффициентаинтенсивности напряжения <img src="/cache/referats/875/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1077">. Вданном случае низкий уровень исходного закрытия трещины реализуется помеханизму ЗТП и исключает переход к ЗТО, обеспечивая, таким образом,постоянство порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения дляобразцов различной толщины.

Рис. 10. Три типа зависимостей пороговогоразмаха коэффициента интенсивности напряжения от толщины образцов d дляконструкционных сталей:

1 — углеродистые; 2 — нержавеющие; 3 — высокопрочные.

3. Закрытие трещин иструктура конструкционных сплавов.

Один из основных факторов,контролирующих механизм доминирующих при разрушении видов закрытия трещины, — структура сплавов, которая, в свою очередь, опосредствована химическим составоми операциями термической или термомеханической обработки. Структурнаячувствительность порогов усталости сводится к вопросу структурнойчувствительности закрытия трещины. Приросте усталостной трещины с припороговыми скоростями возможна реализацияразличных механизмов закрытия трещины, три из которых главные — ЗТП, ЗТО и ЗТШ.

Влияние микроструктуры материалов на ЗТП.Уже из самого определенияэтого механизма закрытия трещины следует, что любые изменения структуры,увеличивающие пластические свойства материалов, будет усиливать ЗТП. Междууровнем ЗТП, реализующемся при росте усталостной трещины, и показателями пластичностистали существует симбатная зависимость. Так, усиление ЗТП происходит приуменьшении размаха зерна, снижениисодержания углерода, специальном легировании стали, увеличении температуры отпуска и режимов отжига,обеспечивающих повышение пластичности материалов. Поскольку изменитьпластические свойства материалов можно не только воздействуя на структурноесостояние, но и посредством вариации условий нагружения и исчерпания запасапластичности, структурная чувствительность ЗТП во многом определяется режимамиэксплуатации материалов. ЗТП как фактор кинетики роста усталостной трещиныреализуется в наибольшей мере на тех участках фронта трещины, где развитиепластичности максимальное.

Структурная чувствительность ЗТО. Поскольку для реализации этого механизма закрытия трещины необходимо образование продуктов коррозии на берегах трещины,структурные факторы, способствующие фреттинг-коррозии, облегчает развитие ЗТО. Однако решающее значение дляинтенсификации ЗТО имеет процесс автокаталитического утолщения слоя продуктов коррозиина берегах трещины, закономерности которого отличаются от таковых фреттинг-коррозии.

Развитие ЗТО характерно длябольшинства низколегированных сталей низкой и средней прочности. Склонность кЗТО ощутимо убывает при легировании сталей. Это происходит в следствиеупрочнения стали, так и благодаря повышению при легировании ее стойкости к развитиюкоррозиционных процессов. Снижение уровня прочности, независимо от того, какимпутем оно достигается, облегчает начало фреттинг-коррозии и, как правило, способствуетусилению оксидообразования на берегах трещины. Развитию автокаталитнческогооксидообразования способствует достижение определенного числа точек контактасопряженных берегов трещины, обеспечивающего переход в стадиюавтокаталитического утолщения продуктов коррозии на поверхности излома. Такойпроцесс облегчается при уменьшении шероховатости излома и образовании однородного по высоте рельефа поверхностиразрушения, что, в свою очередь, определяется структурным состоянием материала.

Влияние структуры материалов на ЗТШ. ЗТШ - альтернативный механизм ЗТО.Уровень ЗТШ усиливается по мере увеличения рельефности излома, что и определяетосновные пути воздействия на структуру с целью достижения максимальн

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Геометрические характеристики поперечных сечений

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Сверхпластичность

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Обзор методов получения пленок и их свойства

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Электроэрозионная обработка

29 Августа 2013