Влияние закрытия трещин на циклическую трещиностойкость сплавов

Поскольку при K=Kr - трещина будет закрытой, можно принять параметр Kr равным значению коэффициента интенсивности напряжения в момент закрытия трещины, соответственно:
Kmax - Kr

Все приведенные соображения имеют смысл при условии, что минимальное раскрытие трещины меньше, чем толщина оксидов, т.е. Kmin< Kr. На основании уравнения (* ) построены (рис. 4) графические зависимости коэффициента интенсивности напряжения Kr от толщины клина (а=10нм-10мм) и от его удаления от вершины (с= 10нм-100мм).

Иной вид закрытия, который аналогично рассматриваемому выше ЗТО наиболее характерен для припороговой усталости при пульсирующем и близких к нем циклах напряжений, - закрытие трещин, обусловленное шероховатостью поверхностей разрушения ( ЗТШ ). Считают, что когда высота неровностей рельефа излома соизмерима с величиной раскрытия вершины трещины, а в напряженное состояние материала зоны предразрушения вносит существенный вклад сдвиговая компонента, уровень закрытия может существенно увеличиться путем раслинивания трещины в отдельных контактирующих точках вдоль ее траектории.

Существенно усиление закрытие трещины, связанного с шероховатостью вблизи пороговых размахов коэффициента интенсивности напряжения, объясняют следующим образом. Для припорогового роста усталостной трещины, как правило, реализуются условия

где ry- радиус пластической зоны у вершины трещины; d - размер зерна или другого структурного элемента контролирующего процесс разрушения.

Согласно представлениям, развитым Б. Томкинсом, для низких размахов коэффициента интенсивности напряжения
, когда выполняется условие ( **), распространение трещины через зерно будет проходить вдоль определенной кристаллографической плоскости. При переходе в другое зерно ввиду произвольной ориентации последнего по отношению к первому ориентация трещины изменяется. Это обеспечивает фасеточный характер излома (рис. 5). Такой сложный кристаллографический характер распространения трещины с ее значительными отклонениями от линии нормального отрыва обусловливает наличие существенной сдвиговой компоненты усилий и деформацию продольным сдвигом. В итоге сдвига сопряженных поверхностей излома и нарушения соответствия между элементами рельефа “впадина-выступ” ЗТШ усиливается. Этот вид закрытия трещины существенно влияет на кинематику роста усталостной трещины и размах порогового коэффициента интенсивности напряжения, поскольку циклическое раскрытие вершины трещины невелико и соизмеримо с шероховатостью поверхностей излома.

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

где
- безразмерный коэффициент шероховатости поверхности разрушения; x=

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

Существуют еще два механизма закрытия усталостных трещин, которые реже реализуются на практике, чем описанные выше: закрытие, обусловленное вязкостью рабочей среды, и закрытие, обусловленное объемными изменениями, сопровождающими фазовые превращения материала зоны разрушения. Наличие в трещине вязкой среды препятствует перемещению ее берегов как в полуцикле нагружения, так и при его разгрузке. Поэтому рост усталостной трещины чувствителен к вязкости инертных жидких сред и частоте нагружения. В коррозионной жидкой среде возможно дополнительное повышение ее вязкости во времени за счет растворения образующихся на берегах трещины продуктов коррозии. В этом случае влияние вязкости неоднозначно, ее повышение усиливает потенциальную возможность жидкости создавать внутреннее давление в трещине, хотя и ограничивает проникающую способность. Ситуация, возникающая при росте усталостной трещины в присутствии вязкой среды, может быть смоделирована с учетом раскрытия трещины, плотности и кинематической вязкости жидкости, а также поверхностного натяжения и угла смачивания. Полученные расчетным путем результаты свидетельствуют, что для широкого диапазона вязкостей максимальное значение напряжений, обусловленных внутренним давлением жидкости, не превышают среднего значения цикла приложенных извне напряжений. Поэтому рассматриваемый механизм закрытия трещины влияет на кинематику роста усталостной трещины в меньшей степени, чем ЗТП, ЗТО или ЗТШ.

В некоторых случаях закрытие трещины может усиливаться за счет увеличения объема материала в зоне предразрушения вследствие локальных фазовых превращений, вызываемых механическими напряжениями. Этот механизм закрытия трещины во многом аналогичен ЗТП, отличаясь, однако, физической природой процесса образования “лишнего” материала и полости распространяющейся трещины.

Таким образом, различаются пять механизмов закрытия трещины усталости (рис. 7). В силу специфической природы реализация двух последних (рис. 7, а, б) возможна лишь в особых условиях: при наличии жидкой среды в вершине трещины или при усталостном разрушении сложнолегированных металлических сплавов, содержащих метастабильные структурные составляющие. В то же время ЗТП, ЗТО и ЗТШ (рис. 7, в-д) более универсальны.

2. Влияние условий эксплуатации на закрытие и кинетику трещин усталости в конструкционных материалах.

Уровень закрытия трещины определяется рядом факторов, которые условно делятся на две группы - эксплуатационные и структурные. 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 элементе конструкции, который определяется их геометрией и размерами. Основные структурные факторы (вторая группа) обусловлены химическим составом материала и его микроструктурным состоянием.

Зависимость закрытия трещины от уровня размаха коэффициента интенсивности напряжения.

Закрытие трещины характерно для припорогового роста усталостной трещины, оно монотонно ослабевает по мере роста размаха коэффициента интенсивности напряжения . Это объясняется увеличением по мере роста коэффициента интенсивности напряжения раскрытия трещин, величина которого в конечном итоге исключает появление закрытия трещины. Максимальный коэффициент интенсивности напряжения K max , при котором не происходит закрытие трещины, зависит от ряда факторов, в том числе от структуры сплава и эксплуатационных условий, включая асимметрию цикла.

Связь закрытия трещины с асимметрией цикла.

лияние асимметрии цикла на проявление закрытия трещины исследовано весьма широко. Повышение коэффициента асимметрии в сторону положительных значений вызывает снижение закрытие трещины и увеличение скорости роста усталостной трещины. По мере снижения размаха коэффициента интенсивности напряжения и скорости рост усталостной трещины чувствительность закрытия к асимметрии цикла напряжений усиливается до максимального уровня на пороге усталости. Ослабление роли закрытия трещины по мере роста коэффициента асимметрии объяснят тем, что повышении коэффициента асимметрии происходит сближение значений минимального коэффициента интенсивности напряжения K min и коэффициента интенсивности напряжения, характеризующего момент открытия трещины K ор . Поэтому при более высоких коэффициентах асимметрии уменьшается размах коэффициента интенсивности напряжения, соответствующий закрытой трещине
= K op - K min и, следовательно, возрастает эффективный размах (рис. 8, а). Такие соображения приводят к зависимостям пороговых характеристик
( рис. 8, б), и хорошо согласуются с результатами опытов.

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 размаха коэффициента 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.

3. Закрытие трещин и структура конструкционных сплавов.

Один из основных факторов, контролирующих механизм доминирующих при разрушении видов закрытия трещины, - структура сплавов, которая, в свою очередь, опосредствована химическим составом и операциями термической или термомеханической обработки. Структурная чувствительность порогов усталости сводится к вопросу структурной чувствительности закрытия трещины. При росте усталостной трещины с припороговыми скоростями возможна реализация различных механизмов закрытия трещины, три из которых главные - ЗТП, ЗТО и ЗТШ.

Влияние микроструктуры материалов на ЗТП.

Уже из самого определения этого механизма закрытия трещины следует, что любые изменения структуры, увеличивающие пластические свойства материалов, будет усиливать ЗТП. Между уровнем ЗТП, реализующемся при росте усталостной трещины, и показателями пластичности стали существует симбатная зависимость. Так, усиление ЗТП происходит при уменьшении размаха зерна, снижении содержания углерода, специальном легировании стали, увеличении температуры отпуска и режимов отжига, обеспечивающих повышение пластичности материалов. Поскольку изменить пластические свойства материалов можно не только воздействуя на структурное состояние, но и посредством вариации условий нагружения и исчерпания запаса пластичности, структурная чувствительность ЗТП во многом определяется режимами эксплуатации материалов. ЗТП как фактор кинетики роста усталостной трещины реализуется в наибольшей мере на тех участках фронта трещины, где развитие пластичности 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 для интенсификации ЗТО имеет процесс автокаталитического утолщения слоя продуктов коррозии на берегах трещины, закономерности которого отличаются от таковых фреттинг-коррозии.

Развитие ЗТО характерно для большинства низколегированных сталей низкой и средней прочности. Склонность к ЗТО ощутимо убывает при легировании сталей. Это происходит в следствие упрочнения стали, так и благодаря повышению при легировании ее стойкости к развитию коррозиционных процессов. Снижение уровня прочности, независимо от того, каким путем оно достигается, облегчает начало фреттинг-коррозии и, как правило, способствует усилению оксидообразования на берегах трещины. Развитию автокаталитнческого оксидообразования способствует достижение определенного числа точек контакта сопряженных берегов трещины, обеспечивающего переход в стадию автокаталитического утолщения продуктов коррозии на поверхности излома. Такой процесс облегчается при уменьшении шероховатости излома и образовании однородного по высоте рельефа поверхности разрушения, 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 определяет основные пути воздействия на структуру с целью достижения максимального проявления ЗТШ и увеличения его вклада в общий уровень циклической трещиностойкости материалов. При низких скоростях роста усталостной трещины повысить рельефность изломов можно двумя путями - увеличивая размеры структурных составляющих (размер зерна перлитных колоний и т.п.), разрушение которых при росте усталостной трещины происходит путем сдвига вдоль определенных кристаллографических плоскостей, или же формируя структуры обеспечивающие рост усталостной трещины по хрупким механизмам внутри - и межзеренного скола. Внутризеренный скол может, в частности, происходить в случае распространения трещин сквозь участки перлита в ферритно-перлитной структуре или разрушения низкоуглеродистых сталей при пониженных температурах. Увеличение размера зерна или перлитной колонии при повышает уровень ЗТШ. Развитие межзеренного скола в условиях припорогового роста усталостной трещины происходит главным образом после упрочняющих обработок, сопровождающихся сегрегацией примесей фосфора, мышьяка, сурьмы и других элементов на границах зерен. Повышение номинального порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения
, вызванное высоким уровнем ЗТШ, может сопровождаться снижением эффективных пороговых размахов коэффициента интенсивности напряжения
и ускоренным ростом усталостной трещины на средне- высокоамплитудных участках кинематической диаграмме усталостного разрушения.

На каждый из трех рассмотренных механизмов закрытия трещины наиболее широко применяемые структурно-металлургические факторы упрочнения сталей и сплавов воздействуют следующим образом (табл. 1). Увеличение размеров зерна или перлитовой колонии несколько снижает уровень ЗТП, подавляет ЗТО и усиливает ЗТШ. Твердорастворное упрочнение и холодная пластическая деформация приводят к ослаблению ЗТП в связи с понижением пластичности материалов. Уровень ЗТО при этом также убывает, однако одновременно может существенно возрасти вклад ЗТШ, что в конечном итоге способно вызвать рост номинального порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения . Основная причина подавления ЗТО и развития ЗТШ в данном случае - повышение склонности упрочненных сталей к хрупкому разрушению в процессе роста усталостной трещины. Так, при холодном наклепе малоуглеродистой стали помимо упрочнения феррита возможно растрескивание зернограничних карбидов, которые служат инициатором внутризеренного скола феррита при росте усталостной трещины с низкими скоростями, что приводит к увеличению шероховатости поверхности разрушения. Повышение содержания углерода обеспечивает отожженной стали увеличение объемной доли карбидной фазы и формирование ферритно-перлитной структуры феррит - сфероидальные карбиды. В первом случае укрупнение участков перлита способно повысить уровень ЗТШ, поскольку их разрушение частично протекает по механизму внутризеренного скола. Повышение объемной доли сфероидизированных карбидов снижает склонность к реализации ЗТП при росте усталостной трещины с низкими скоростями и практически не влияет на уровень ЗТО и ЗТШ. Подобным образом изменяется вклад различных механизмов закрытия трещины в общей уровень порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения
при повышении содержания углерода в высокоотпущенных сталях.

Знание основных тенденций изменения уровня и механизмов закрытия трещины под действием структурно-металлургических факторов, а так же условий эксплуатации конкретных элементов конструкций открывает возможность целенапраленного воздействия на материал с целью получения максимального сопротивления росту усталостной трещины в изделиях. Наличие информации о вкладе закрытия трещины в кинетику роста усталостной трещины дает возможность углубленного взгляда на строение кинематической диаграммы усталостного разрушения и осмысление оценки условий формирования тех или иных параметров циклической трещиностойкости сплавов.