Материал: Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

на поверхности, так и к впадинам. При многократном цкклировапии эти микродефекты превратятся в макродефекты па поверхности деформируемого тела, в том числе в макротрещину.

Появление и развитие полос скольжения — не единст­ венный источник возникновения микротрещин в цикличес­ ки деформируемом материале. При больших амплитудах напряжений, относящихся к области малоцикловой ус­ талости, разрушение начинается с дробления зерен поли­ кристалла на области с различной ориентацией кристал­ лической решетки и возникновения на границах этих об­ ластей пор [169]. По мере увеличения -продолжительности циклического нагружения число пор увеличивается и они объединяются, образуя пустоты вдоль границ, которые в дальнейшем перерастают в микротрещины. Когда же та­ ких микротрещин становится много, они объединяются в макротрещины, выходящие за пределы зерна.

Разработана вакаисионная модель зарождения усталост­ ной микротрещины. Предполагается, что микроразрыв ма­ териала образуется вследствие коагуляции вакансий, как имеющихся в материале, так и образующихся при движении дислокаций. Переменные напряжения способствуют процес­ су образования вакансий, их перемещению и слиянию.

Еще один источник возникновения микротрещин — это различные включения, имеющиеся в реальном материале в том числе неметаллические. Вокруг включений могут возникать перенапряжения из-за нарушения регулярности строения материала, а также вследствие скопления в этих местах дислокаций. Микротрещина может появиться на границе включения или развиться из самого включения, если прочность последнего невысока. Многократное повто­ рение нагрузки способствует превращению микрообластей с включениями в источники суб- и микротрещин.

Относительно размеров возникающих микроразрывов сплошности материала можно указать следующее. Если расстояние между атомами равно 10~8 см, то зародышами трещин считаются разрывы, характерный размер которых на порядок или два превышает междуатомпые расстояния, т. е. не превышает сотой доли микрометра; зародышами субмикротрещии — разрывы с размерами до микрометра; зародышами микротрещины — разрывы с размерами от еди­ ниц до сотен микрометров. Это условное деление, завися­ щее от структуры материала и размеров деформируемого элемента, а также от метода обнаружения трещины. Поэто­

тому число циклов до образования макротрещипы на гладких образцах составляет 50—90 % общей долговеч­ ности. Для образцов с концентраторами напряжений, об­ легчающими развитие усталостной трещины, макротрещины могут быть обнаружены значительно раньше — при числе циклов 10—50 % общей циклической долговечности. На эти значения очень сильно влияют степень концентрации напряжений, состояние материала, среда, уровень нагруженности и другие факторы.

Схематическое представление различных стадий уста­ лостного процесса дает диаграмма усталостного разрушения металлов, предложенная В. С. Ивановой 171]. На этой ди­ аграмме (рис. 9) кривая усталости изображена линией

АВС соответствует окончательному разрушепию образца. Ниже линии A'B'C'D' необратимые искажения кристалли­

ческой решетки не наблюдаются, поэтому напряжение

Ое названо циклическим пределом упругости. Число циклов /V,,, по достижении которого при напряжении оц начинают

возникать субмикроскопические трещины, названо крити­ ческим числом циклов. Если разрушение наступает по до­ стижении этого числа циклов, то соответствующее ему напря­ жение он называется критическим напряжением усталости. При напряжении, примерно равном критическому, может наблюдаться перегиб или разрыв кривых усталости.

Линиями рассматриваемой диаграммы разграничивают­ ся следующие три периода усталости. Проследим за ними на уровне напряжений, обозначенном M B 'N B :

I — инкубационный период, в течение которого проис­

ходят искажения кристаллической решетки металла, до-

стйгающйе критического уровня на линии A'C'D';

I I — период развития субмикрос­

копических трещин, возникающих в полосах скольжения, до размеров микротрещин;

костям скольжения могут происхо­ дить сдвиги в направлении наибольшего касательного напря-

же .шя (этапы 7 и 2). Благодаря этому трещина расширя­

ется и одновременно увеличивается по длине на Да. Могут произойти аналогичные сдвиги в других плоскостях, пер­ пендикулярных к первым (этап 5), а затем — дополнитель­ ные микронластические деформации, и к концу полупериода растяжения вершина трещины может стать тупой (этап 4).

Во время полупериода сжатия напряжения в вершине трещины из-за концентрации вновь будут превышать предел текучести и могут вызвать сдвиги, но уже обратного знака, вследствие чего края вершины трещины сблизятся, несмотря на имевшую место пластическую деформацию, и острота вершины трещины восстановится (этап 5).

При последующих полупериодах растяжения и сжатия картина может повториться (этапы 6 и 7) и в результате

трещина вырастает еще на Да, сохранив для каждой ступени