Закрытие трещин и его вли�ние на цикличе�кую трещино�тойко�ть
Ãîñóäàðñòâåííûé êîìèòåò Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè
ïî âûñøåìó îáðàçîâàíèþ
Ðîññèéñêèé Ãîñóäàðñòâåííûé Àâèàöèîííûé Òåõíîëîãè÷åñêèé
Óíèâåðñèòåò èìåíè Ê.Ý. Öèîëêîâñêîãî - (ÌÀÒÈ)
_______________________________________________________
Êóðñîâàÿ ðàáîòà ïî ôèçè÷åñêîìó ìàòåðèàëîâåäåíèþ
Òåìà: Çàêðûòèå òðåùèí è åãî âëèÿíèå íà öèêëè÷åñêóþ
òðåùèíîñòîéêîñòü ñïëàâîâ
Ïðåïîäàâàòåëü: Áîòâèíà Ë.Ð.
Ñòóäåíò: Øàïèðî Ð.À.
Ìîñêâà 1998ã
Ñòðóêòóðíûé ïëàí êóðñîâîé ðàáîòû
ïî ôèçè÷åñêîìó ìàòåðèàëîâåäåíèþ.
1. Ïðîÿâëåíèÿ è ìåõàíèçì çàêðûòèÿ óñòàëîñòíûõ
òðåùèí.
2. Âëèÿíèå óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè íà çàêðûòèå è
êèíåòèêó òðåùèí óñòàëîñòè â êîíñòðóêöèîííûõ
ìàòåðèàëàõ.
3. Çàêðûòèå òðåùèí è ñòðóêòóðà êîíñòðóêöèîííûõ
ñïëàâîâ.
1. Ïðîÿâëåíèÿ è ìåõàíèçì çàêðûòèÿ óñòàëîñòíûõ òðåùèí.
Îäèí èç íàèáîëåå âàæíûõ ôåíîìåíîâ ýêñïåðèìåíòàëüíîé ìåõàíèêè
óñòàëîñòíîãî ðàçðóøåíèÿ, óñòàíîâëåííûõ â òå÷åíèå 1970-õ ã., - ÿâëåíèå
ïðåæäåâðåìåííîãî êîíòàêòà áåðåãîâ ðàñòóùåé óñòàëîñòíîé òðåùèíû íà
ïðîòÿæåíèè íåêîòîðîé ïîëîæèòåëüíîé ÷àñòè öèêëà íàïðÿæåíèé. Ýòîò ôåíîìåí,
íàçûâàåìûé “ñìûêàíèå” èëè “çàêðûòèå òðåùèí”, øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ
îáúÿñíåíèÿ ìíîãî÷èñëåííûõ êèíåòè÷åñêèõ ýôôåêòîâ, ñîïðîâîæäàþùèõ
óñòàëîñòíîå ðàçðóøåíèå êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ.
Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî çàêðûòèå òðåùèí îáíàðóæèë Â. Ýëáåð. Ïî-âèäèìîìó,
ïðàâèëüíî ñêàçàòü, ÷òî ýòîò èññëåäîâàòåëü âïåðâûå îáíàðóæèë
êîëè÷åñòâåííóþ îöåíêó çàêðûòèÿ òðåùèíû è óêàçàë íà åãî çíà÷èìîñòü â
êèíåìàòèêå óñòàëîñòíîãî ðàçðóøåíèÿ. Íàèáîëåå ïðàâäîïîäîáíûì ìåõàíèçì èõ
îáðàçîâàíèÿ, ïðåäëîæåííûé â ñâîå âðåìÿ Ñ. Áè÷åìîì, ïðåäóñìàòðèâàåò
âçàèìíîå ñòîëêíîâåíèå ïîâåðõíîñòåé òðåùèíû ïîçàäè åå âåðøèíû.
,
- ýôôåêòèâíûé ðàçìàõ êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ,
ñîîòâåòñòâóþùèé îòêðûòîé òðåùèíå
Kmax - Kîð
Ðèñ. 1. Çàâèñèìîñòü ìåæäó ïðèëîæåííûì ê îáðàçöó íàïðÿæåíèåì è
ðàñêðûòèåì áåðåãîâ òðåùèíû (à), à òàêæå ñõåìà ôîðìû öèêëà âíåøíåé
íàãðóçêè (á) è êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ (â).
òð (ðèñ. 2, à) ìåíüøå, ÷åì èäåàëüíîé (ðèñ. 2, á). Åñëè
ïðåäïîëîæèòü, ÷òî â ïîëóöèêëå ðàçãðóçêè ðàñêðûòèÿ ðåàëüíîé è èäåàëüíîé
òðåùèí áóäåò óìåíüøàòüñÿ â ðàâíîé ñòåïåíè, òî áåðåãà óñòàëîñòíîé òðåùèíû
ñîìêíóòüñÿ ðàíüøå ïîëíîãî ñíÿòèÿ íàãðóçêè. Ïîýòîìó, ñîãëàñíî Â.
Ýëáåðó, óñòàëîñòíàÿ òðåùèíà çàêðûâàåòñÿ ïðè ïîëîæèòåëüíîì çíà÷åíèè
ïðèëîæåííîãî èçâíå íàïðÿæåíèÿ áëàãîäàðÿ íàëè÷èþ íà åå áåðåãàõ
îïðåäåëåííîãî îáúåìà ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííîãî ìàòåðèàëà,
óâåëè÷åííîãî ïî ñðàâíåíèþ ñ èñõîäíûì íåäåôîðìèðóåìûì, è âîçäåéñòâèÿ íà
ýòîò îáúåì íåðàçðóøåííîé ÷àñòè ñå÷åíèÿ.
Ðèñ. 2. Êîíôèãóðàöèÿ ïëàñòè÷íîé çîíû â ðåàëüíîé (à) è èäåàëüíîé (á)
óñòàëîñòíûõ òðåùèíàõ.
Îïèñàííûé ìåõàíèçì çàêðûòèÿ, èìåíóåìûé çàêðûòèå òðåùèí
îáóñëîâëåííîå ïëàñòè÷íîñòüþ ( ÇÒÏ ), õàðàêòåðåí äëÿ âÿçêèõ ìàòåðèàëîâ,
íàãðóæàåìûõ â óñëîâèÿõ ïëîñêîãî íàïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ. Îäíàêî ñ
êîíöåïöèåé ÇÒÏ íå ñîãëàñóåòñÿ ìíîãîêðàòíî ïîäòâåðæäåííûé ýêñïåðèìåíòàìè
ôàêò óñèëåíèÿ çàêðûòèÿ óñòàëîñòíîé òðåùèíû ïî ìåðå ñíèæåíèÿ ðàçìàõà
êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ è ïåðåõîäà ê ðîñòó óñòàëîñòíîé
òðåùèíû â óñëîâèÿõ ïëîñêîãî äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ. Ïðîòèâîðå÷èÿ
ìåæäó ìîäåëüíûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè î ïðîöåññå çàêðûòèÿ òðåùèí è
ðåçóëüòàòàìè èñïûòàíèé ïîçäíåå áûëè óñòðàíåíû áëàãîäàðÿ îòêðûòèþ äâóõ
äîïîëíèòåëüíûõ ìåõàíèçìîâ çàêðûòèÿ òðåùèíû, õàðàêòåðíûõ äëÿ
ïðèïîðîãîâîãî ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû. Îäèí èç íèõ ó÷èòûâàåò ðîëü
îêèñëåíèÿ áåðåãîâ òðåùèíû è êëàññèôèöèðóåòñÿ êàê çàêðûòèå òðåùèíû
îáóñëîâëåííîå îêñèäîîáðàçîâàíèåì ( ÇÒÎ ). Íàëè÷èå â îáëàñòÿõ èçëîìîâ,
ñîîòâåòñòâóþùèõ ïðèïîðîãîâîé ñêîðîñòè ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû, õîðîøî
ðàçëè÷èìûõ âèçóàëüíî ïðîäóêòîâ êîððîçèè. Êðîìå òîãî, áûëî çàôèêñèðîâàíî
çàìåäëåíèå ïðèïîðîãîâîãî ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû â êîððîçèöèîíîé ñðåäå
ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçäóõîì. Íà îñíîâàíèè ïðîâåäåííûõ íà âîçäóõå è â
äèñòèëëèðîâàííîé âîäå èññëåäîâàíèé ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû â ñòàëè,
ïðèøëè ê âûâîäó î òîì, ÷òî îáðàçóþùèåñÿ âáëèçè âåðøèíû òðåùèíû ïðîäóêòû
îêèñëåíèÿ ìîãóò îêàçûâàòü ðàñêëèíèâàþùåå âëèÿíèå àíàëîãè÷íî îñòàòî÷íîé
äåôîðìàöèè è òåì ñàìûì ñíèæàòü ýôôåêòèâíûé ðàçìàõ êîýôôèöèåíòà
èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ â âåðøèíå òðåùèíû, à òàêæå ñêîðîñòü åå ðîñòà.
Íà îñíîâàíèè ïðîñòîé ìîäåëè æåñòêîãî êëèíà ïîñòîÿííîé òîëùèíû à,
íàõîäÿùåãîñÿ âíóòðè òðåùèíû äëèíîé l íà ðàññòîÿíèè 2ñ ïîçàäè
åå âåðøèíû (ðèñ. 3), ñäåëàíà ïîïûòêà àíàëèòè÷åñêîé îöåíêè ðîëè
êîððîçèîííûõ îòëîæåíèé â óñèëåíèè çàêðûòèÿ òðåùèíû. Íà îñíîâàíèè óïðóãîé
ìîäåëè ñ èñïîëüçîâàíèåì ñèíãóëÿðíûõ èíòåãðàëüíûõ óðàâíåíèé èëè ôóíêöèè
íàïðÿæåíèé Âåñòåðãààðäà ïîëó÷åíî âûðàæåíèå äëÿ êîýôôèöèåíòà
èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ â âåðøèíå òðåùèíû ñ êëèíîì, ó÷èòûâàþùåå òîëüêî
ìåõàíè÷åñêîå ðàñêëèíèâàíèå òðåùèíû è èãíîðèðóþùåå ïëàñòè÷íîñòü ìàòåðèàëà
è øåðîõîâàòîñòü ïîâåðõíîñòåé èçëîìà:
)
- äëÿ óñëîâèé
- êîýôôèöèåíò Ïóàññîíà.
Kmax - Kr
) ïîñòðîåíû (ðèñ. 4) ãðàôè÷åñêèå çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè
íàïðÿæåíèÿ Kr îò òîëùèíû êëèíà (à=10íì-10ìì) è îò åãî óäàëåíèÿ îò
âåðøèíû (ñ= 10íì-100ìì).
Ðèñ. 3. Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü æåñòêîãî êëèíà äëÿ îöåíêè çàêðûòèÿ òðåùèíû.
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ Kr â ìîìåíò
êîíòàêòà áåðåãîâ òðåùèíû îò òîëùèíû êëèíà à è åãî óäàëåíèÿ îò âåðøèíû
òðåùèíû 2ñ:
1 - ñ=10íì; 2 - ñ=0.1ìêì; 3 - ñ=1ìêì; 4 - ñ=10ìêì; 5 - ñ=100ìêì; I -
òîëùèíà åñòåñòâåííîãî îêèñëåíèÿ;
II - òîëùèíà ôðåòòèíã-îêèñëåíèÿ.
Èíîé âèä çàêðûòèÿ, êîòîðûé àíàëîãè÷íî ðàññìàòðèâàåìîìó âûøå ÇÒÎ
íàèáîëåå õàðàêòåðåí äëÿ ïðèïîðîãîâîé óñòàëîñòè ïðè ïóëüñèðóþùåì è
áëèçêèõ ê íåì öèêëàõ íàïðÿæåíèé, - çàêðûòèå òðåùèí, îáóñëîâëåííîå
øåðîõîâàòîñòüþ ïîâåðõíîñòåé ðàçðóøåíèÿ ( ÇÒØ ). Ñ÷èòàþò, ÷òî êîãäà
âûñîòà íåðîâíîñòåé ðåëüåôà èçëîìà ñîèçìåðèìà ñ âåëè÷èíîé ðàñêðûòèÿ
âåðøèíû òðåùèíû, à â íàïðÿæåííîå ñîñòîÿíèå ìàòåðèàëà çîíû ïðåäðàçðóøåíèÿ
âíîñèò ñóùåñòâåííûé âêëàä ñäâèãîâàÿ êîìïîíåíòà, óðîâåíü çàêðûòèÿ ìîæåò
ñóùåñòâåííî óâåëè÷èòüñÿ ïóòåì ðàñëèíèâàíèÿ òðåùèíû â îòäåëüíûõ
êîíòàêòèðóþùèõ òî÷êàõ âäîëü åå òðàåêòîðèè.
Ñóùåñòâåííî óñèëåíèå çàêðûòèå òðåùèíû, ñâÿçàííîãî ñ øåðîõîâàòîñòüþ
âáëèçè ïîðîãîâûõ ðàçìàõîâ êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ,
îáúÿñíÿþò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Äëÿ ïðèïîðîãîâîãî ðîñòà óñòàëîñòíîé
òðåùèíû, êàê ïðàâèëî, ðåàëèçóþòñÿ óñëîâèÿ
)
ãäå ry - ðàäèóñ ïëàñòè÷åñêîé çîíû ó âåðøèíû òðåùèíû; d - ðàçìåð çåðíà
èëè äðóãîãî ñòðóêòóðíîãî ýëåìåíòà êîíòðîëèðóþùåãî ïðîöåññ ðàçðóøåíèÿ.
), ðàñïðîñòðàíåíèå òðåùèíû ÷åðåç çåðíî áóäåò ïðîõîäèòü âäîëü
îïðåäåëåííîé êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîé ïëîñêîñòè. Ïðè ïåðåõîäå â äðóãîå çåðíî
ââèäó ïðîèçâîëüíîé îðèåíòàöèè ïîñëåäíåãî ïî îòíîøåíèþ ê ïåðâîìó
îðèåíòàöèÿ òðåùèíû èçìåíÿåòñÿ. Ýòî îáåñïå÷èâàåò ôàñåòî÷íûé õàðàêòåð
èçëîìà (ðèñ. 5). Òàêîé ñëîæíûé êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèé õàðàêòåð
ðàñïðîñòðàíåíèÿ òðåùèíû ñ åå çíà÷èòåëüíûìè îòêëîíåíèÿìè îò ëèíèè
íîðìàëüíîãî îòðûâà îáóñëîâëèâàåò íàëè÷èå ñóùåñòâåííîé ñäâèãîâîé
êîìïîíåíòû óñèëèé è äåôîðìàöèþ ïðîäîëüíûì ñäâèãîì. Â èòîãå ñäâèãà
ñîïðÿæåííûõ ïîâåðõíîñòåé èçëîìà è íàðóøåíèÿ ñîîòâåòñòâèÿ ìåæäó
ýëåìåíòàìè ðåëüåôà “âïàäèíà-âûñòóï” ÇÒØ óñèëèâàåòñÿ. Ýòîò âèä çàêðûòèÿ
òðåùèíû ñóùåñòâåííî âëèÿåò íà êèíåìàòèêó ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû è
ðàçìàõ ïîðîãîâîãî êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ, ïîñêîëüêó
öèêëè÷åñêîå ðàñêðûòèå âåðøèíû òðåùèíû íåâåëèêî è ñîèçìåðèìî ñ
øåðîõîâàòîñòüþ ïîâåðõíîñòåé èçëîìà.
Ðèñ. 5. Ñõåìà òðàåêòîðèè (1) è ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëîñ ñêîëüæåíèÿ (2) â
âåðøèíå òðåùèíû, ðàñòóùåé ñ ïðèïîðîãîâîé ñêîðîñòüþ (à) è ñêîðîñòüþ,
ñîîòâåòñòâóþùåé ñðåäíåàìïëèòóäíîìó ó÷àñòêó êèíåìàòè÷åñêîé äèàãðàììå
óñòàëîñòíîãî ðàçðóøåíèÿ (á).
Ïåðâàÿ ïîïûòêà êîëè÷åñòâåííîé îöåíêè âëèÿíèÿ øåðîõîâàòîñòè ïîâåðõíîñòè
ðàçðóøåíèÿ íà çàêðûòèå óñòàëîñòíîé òðåùèíû ñäåëàíà íà îñíîâàíèè
ñîïîñòàâëåíèÿ âûñîòû ìèêðîíåðîâíîñòåé â èçëîìå è ðàñêðûòèÿ âåðøèíû
òðåùèíû. Îäíàêî îöåíêà ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû ïî òàêîé óïðîùåííîé
ìîäåëè ïðèâîäèëè ê çíà÷èòåëüíîìó çàíèæåíèþ ðåçóëüòàòîâ, ïîñêîëüêó íå
ó÷èòûâàåòñÿ ðîëü ñäâèãîâîé äåôîðìàöèè â âåðøèíå òðåùèíû. Óêàçàííûé
íåäîñòàòîê óñòðàíåí â ïîçäíåå ïðåäëîæåííîé ãåîìåòðè÷åñêîé ìîäåëè ÇÒØ
(ðèñ. 6), ñîãëàñíî êîòîðîé âåëè÷èíà ýôôåêòà çàêðûòèÿ çàïèñûâàåòñÿ â âèäå
,
.
cl - ðàñêðûòèå òðåùèíû ïðè Êcl
Íåäîñòàòêàìè ðàññìîòðåííîé ìîäåëè ÿâëÿåòñÿ åå äâóõìåðíîñòü, èç-çà
êîòîðîé äåôîðìàöèîííîå ïîâåäåíèå ïîâåðõíîñòíûõ è âíóòðåííèõ (ïî òîëùèíå)
ñëîåâ îáðàçöà íå ìîæåò áûòü èäåíòè÷íûì. Ïîýòîìó äâóõìåðíàÿ ìîäåëü ÇÒØ
äàåò ëèøü êàêîå-òî óñðåäíåííîå âäîëü ôðîíòà òðåùèíû îïèñàíèå ïðîöåññà
çàêðûòèÿ òðåùèíû. Åùå áîëåå ñóùåñòâåííûé íåäîñòàòîê ðàññìàòðèâàåìîãî
ïîäõîäà- ïîëíîå èãíîðèðîâàíèå äðóãèõ ìåõàíèçìîâ çàêðûòèÿ òðåùèíû.
Âïðî÷åì, ýòî îòíîñèòñÿ òàêæå è ê îïèñàííûì âûøå ìîäåëè æåñòêîãî êëèíà,
êîíöåíòðèðóþùèå âíèìàíèå èñêëþ÷èòåëüíî íà ÇÒÎ, à òàê æå êî âñåì
îñòàëüíûì ïîïûòêàì àíàëèòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ ñëîæíîãî ïî ôèçè÷åñêîé
ïðèðîäå è ìíîãîîáðàçèþ ðåàëèçóþùåãîñÿ ÿâëåíèÿ çàêðûòèÿ òðåùèí.
Ñóùåñòâóþò åùå äâà ìåõàíèçìà çàêðûòèÿ óñòàëîñòíûõ òðåùèí, êîòîðûå ðåæå
ðåàëèçóþòñÿ íà ïðàêòèêå, ÷åì îïèñàííûå âûøå: çàêðûòèå, îáóñëîâëåííîå
âÿçêîñòüþ ðàáî÷åé ñðåäû, è çàêðûòèå, îáóñëîâëåííîå îáúåìíûìè
èçìåíåíèÿìè, ñîïðîâîæäàþùèìè ôàçîâûå ïðåâðàùåíèÿ ìàòåðèàëà çîíû
ðàçðóøåíèÿ. Íàëè÷èå â òðåùèíå âÿçêîé ñðåäû ïðåïÿòñòâóåò ïåðåìåùåíèþ åå
áåðåãîâ êàê â ïîëóöèêëå íàãðóæåíèÿ, òàê è ïðè åãî ðàçãðóçêå. Ïîýòîìó
ðîñò óñòàëîñòíîé òðåùèíû ÷óâñòâèòåëåí ê âÿçêîñòè èíåðòíûõ æèäêèõ ñðåä è
÷àñòîòå íàãðóæåíèÿ.  êîððîçèîííîé æèäêîé ñðåäå âîçìîæíî äîïîëíèòåëüíîå
ïîâûøåíèå åå âÿçêîñòè âî âðåìåíè çà ñ÷åò ðàñòâîðåíèÿ îáðàçóþùèõñÿ íà
áåðåãàõ òðåùèíû ïðîäóêòîâ êîððîçèè.  ýòîì ñëó÷àå âëèÿíèå âÿçêîñòè
íåîäíîçíà÷íî, åå ïîâûøåíèå óñèëèâàåò ïîòåíöèàëüíóþ âîçìîæíîñòü æèäêîñòè
ñîçäàâàòü âíóòðåííåå äàâëåíèå â òðåùèíå, õîòÿ è îãðàíè÷èâàåò ïðîíèêàþùóþ
ñïîñîáíîñòü. Ñèòóàöèÿ, âîçíèêàþùàÿ ïðè ðîñòå óñòàëîñòíîé òðåùèíû â
ïðèñóòñòâèè âÿçêîé ñðåäû, ìîæåò áûòü ñìîäåëèðîâàíà ñ ó÷åòîì ðàñêðûòèÿ
òðåùèíû, ïëîòíîñòè è êèíåìàòè÷åñêîé âÿçêîñòè æèäêîñòè, à òàêæå
ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿæåíèÿ è óãëà ñìà÷èâàíèÿ. Ïîëó÷åííûå ðàñ÷åòíûì ïóòåì
ðåçóëüòàòû ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî äëÿ øèðîêîãî äèàïàçîíà âÿçêîñòåé
ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèé, îáóñëîâëåííûõ âíóòðåííèì äàâëåíèåì
æèäêîñòè, íå ïðåâûøàþò ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ öèêëà ïðèëîæåííûõ èçâíå
íàïðÿæåíèé. Ïîýòîìó ðàññìàòðèâàåìûé ìåõàíèçì çàêðûòèÿ òðåùèíû âëèÿåò íà
êèíåìàòèêó ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû â ìåíüøåé ñòåïåíè, ÷åì ÇÒÏ, ÇÒÎ èëè
ÇÒØ.
 íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ çàêðûòèå òðåùèíû ìîæåò óñèëèâàòüñÿ çà ñ÷åò
óâåëè÷åíèÿ îáúåìà ìàòåðèàëà â çîíå ïðåäðàçðóøåíèÿ âñëåäñòâèå ëîêàëüíûõ
ôàçîâûõ ïðåâðàùåíèé, âûçûâàåìûõ ìåõàíè÷åñêèìè íàïðÿæåíèÿìè. Ýòîò
ìåõàíèçì çàêðûòèÿ òðåùèíû âî ìíîãîì àíàëîãè÷åí ÇÒÏ, îòëè÷àÿñü, îäíàêî,
ôèçè÷åñêîé ïðèðîäîé ïðîöåññà îáðàçîâàíèÿ “ëèøíåãî” ìàòåðèàëà è ïîëîñòè
ðàñïðîñòðàíÿþùåéñÿ òðåùèíû.
Òàêèì îáðàçîì, ðàçëè÷àþòñÿ ïÿòü ìåõàíèçìîâ çàêðûòèÿ òðåùèíû
óñòàëîñòè (ðèñ. 7).  ñèëó ñïåöèôè÷åñêîé ïðèðîäû ðåàëèçàöèÿ äâóõ
ïîñëåäíèõ (ðèñ. 7, à, á) âîçìîæíà ëèøü â îñîáûõ óñëîâèÿõ: ïðè íàëè÷èè
æèäêîé ñðåäû â âåðøèíå òðåùèíû èëè ïðè óñòàëîñòíîì ðàçðóøåíèè
ñëîæíîëåãèðîâàííûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ñïëàâîâ, ñîäåðæàùèõ ìåòàñòàáèëüíûå
ñòðóêòóðíûå ñîñòàâëÿþùèå. Â òî æå âðåìÿ ÇÒÏ, ÇÒÎ è ÇÒØ (ðèñ. 7, â-ä)
áîëåå óíèâåðñàëüíû.
Ðèñ. 7. Ñõåìû ìåõàíèçìîâ çàêðûòèÿ òðåùèíû, îáóñëîâëåííûõ âÿçêîñòüþ
ðàáî÷åé ñðåäà (à), ôàçîâûìè ïðåâðàùåíèÿìè â çîíå ïðåäðàçðóøåíèÿ (á),
ÇÒÏ (â), ÇÒÎ (ã) è ÇÒØ (ä).
2. Âëèÿíèå óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè íà çàêðûòèå è êèíåòèêó
òðåùèí óñòàëîñòè â êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëàõ.
Óðîâåíü çàêðûòèÿ òðåùèíû îïðåäåëÿåòñÿ ðÿäîì ôàêòîðîâ, êîòîðûå
óñëîâíî äåëÿòñÿ íà äâå ãðóïïû - ýêñïëóàòàöèîííûå è ñòðóêòóðíûå. Ê
ïåðâîé îòíîñÿòñÿ ïàðàìåòðû öèêëà íàïðÿæåíèé (ðàçìàõ, àñèììåòðèÿ,
÷àñòîòà), îêðóæàþùàÿ ñðåäà (åå õèìè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü, âëàæíîñòü,
òåìïåðàòóðà), à òàêæå õàðàêòåð íàïðÿæåííî- äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ ó
âåðøèíû òðåùèíû â îáðàçöå èëè ýëåìåíòå êîíñòðóêöèè, êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ
èõ ãåîìåòðèåé è ðàçìåðàìè. Îñíîâíûå ñòðóêòóðíûå ôàêòîðû (âòîðàÿ ãðóïïà)
îáóñëîâëåíû õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì ìàòåðèàëà è åãî ìèêðîñòðóêòóðíûì
ñîñòîÿíèåì.
. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ óâåëè÷åíèåì ïî ìåðå ðîñòà êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè
íàïðÿæåíèÿ ðàñêðûòèÿ òðåùèí, âåëè÷èíà êîòîðîãî â êîíå÷íîì èòîãå
èñêëþ÷àåò ïîÿâëåíèå çàêðûòèÿ òðåùèíû. Ìàêñèìàëüíûé êîýôôèöèåíò
èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ Kmax, ïðè êîòîðîì íå ïðîèñõîäèò çàêðûòèå
òðåùèíû, çàâèñèò îò ðÿäà ôàêòîðîâ, â òîì ÷èñëå îò ñòðóêòóðû ñïëàâà è
ýêñïëóàòàöèîííûõ óñëîâèé, âêëþ÷àÿ àñèììåòðèþ öèêëà.
(ðèñ. 8, à). Òàêèå ñîîáðàæåíèÿ ïðèâîäÿò ê çàâèñèìîñòÿì ïîðîãîâûõ
õàðàêòåðèñòèê ( ðèñ. 8, á), è õîðîøî ñîãëàñóþòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè îïûòîâ.
Ðèñ. 8. Ïàðàìåòðû öèêëà íàãðóæåíèÿ (à) è çàâèñèìîñòè ïîðîãîâûõ ðàçìàõà
êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ (á).
îò åå äëèíû, à òàêæå âèä ïîâåðõíîñòåé ðàçðóøåíèÿ.
îò òåìïåðàòóðû èñïûòàíèé íåìîíîòîííà - ñíèæåíèå ïîðîãîâîãî ðàçìàõà
êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû äî
420-470Ê ñìåíÿåòñÿ åãî ðîñòîì ïðè áîëåå âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ.
Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû ïðè ïîâûøåííûõ
òåìïåðàòóðàõ ÿâëÿåòñÿ íåçàâèñèìîñòü ïîðîãîâîãî ðàçìàõà êîýôôèöèåíòà
èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ îò òåìïåðàòóðû èñïûòàíèé â óñëîâèÿõ íàãðóæåíèÿ
ñ âûñîêîé àñèììåòðèåé öèêëà íàïðÿæåíèé.
.
ðàçëè÷íûõ ñòàëåé ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû îáðàçöîâ. Ñòîëü ïðîòèâîðå÷èâûå
äàííûå îáúÿñíÿþòñÿ ñ ïîçèöèé êîíöåïöèè çàêðûòèÿ òðåùèíû íà îñíîâå
ðàññìîòðåíèÿ âëèÿíèÿ íàïðÿæåííî-äåôîðìàöèîííîãî ñîñòîÿíèÿ íà ðåàëèçàöèþ
òîãî èëè èíîãî ìåõàíèçìà çàêðûòèÿ òðåùèíû. Óñòàíîâëåíî, ÷òî äàæå â
óñëîâèÿõ ïðèïîðîãîâîãî ðîñòà óñòàëîñòíîé òðåùèíû âäîëü ôðîíòà òðåùèíû
ñóùåñòâóþò ðàçëè÷èÿ â íàïðÿæåííî-äåôîðìàöèîííîì ñîñòîÿíèè ìàòåðèàëà, â
ñâÿçè ñ ÷åì èçìåíÿþòñÿ óñëîâèÿ ïðîÿâëåíèÿ çàêðûòèÿ òðåùèíû.
â ñâÿçè ñ èçìåíåíèåì òîëùèíû îáðàçöîâ ñõåìàòè÷åñêè ïðåäñòàâëåíî íà ðèñ.
9, ãäå îòðàæåíî âëèÿíèå òîëùèíû îáðàçöîâ ïî ïîðîãè óñòàëîñòè â ñâÿçè ñ
ðåàëèçàöèåé ðàçëè÷íûõ ìåõàíèçìîâ çàêðûòèÿ òðåùèíû.
(à), à òàêæå ñõåìû, èëëþñòðèðóþùèå òîïîãðàôèè çîí êîíòàêòà áåðåãîâ
òðåùèíû ïðè óâåëè÷åíèè òîëùèíû îáðàçöîâ (á): 1 - çîíà óñòàëîñòíîé
òðåùèíû; 2 - çîíà êîíòàêòà áåðåãîâ òðåùèíû; 3 - çîíà äîëîìà.
.
îò òîëùèíû îáðàçöà, âåðîÿòíî, íåìîíîòîííà è èìååò ìèíèìóì ãäå-òî â
ñðåäíåé ÷àñòè äèàïàçîíà èññëåäóåìûõ çíà÷åíèé òîëùèí (êðèâàÿ 1 íà ðèñ.
10).
Äëÿ àóñòåíèðîâàíûõ íåðæàâåþùèõ ñòàëåé ðàññìîòðåííàÿ íåìîíîòîííàÿ
çàâèñèìîñòü ñ ìèíèìóìîì áóäåò âûðîæäàòüñÿ â ìîíîòîííî ñíèæàþùåéñÿ
(êðèâàÿ 2 íà ðèñ. 10).
.  äàííîì ñëó÷àå íèçêèé óðîâåíü èñõîäíîãî çàêðûòèÿ òðåùèíû ðåàëèçóåòñÿ
ïî ìåõàíèçìó ÇÒÏ è èñêëþ÷àåò ïåðåõîä ê ÇÒÎ, îáåñïå÷èâàÿ, òàêèì îáðàçîì,
ïîñòîÿíñòâî ïîðîãîâîãî ðàçìàõà êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ äëÿ
îáðàçöîâ ðàçëè÷íîé òîëùèíû.
Ðèñ. 10. Òðè òèïà çàâèñèìîñòåé ïîðîãîâîãî ðàçìàõà êîýôôèöèåíòà
èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ îò òîëùèíû îáðàçöîâ d äëÿ êîíñòðóêöèîííûõ
ñòàëåé:
1 - óãëåðîäèñòûå; 2 - íåðæàâåþùèå; 3 - âûñîêîïðî÷íûå.
3. Çàêðûòèå òðåùèí è ñòðóêòóðà êîíñòðóêöèîííûõ ñïëàâîâ.
Îäèí èç îñíîâíûõ ôàêòîðîâ, êîíòðîëèðóþùèõ ìåõàíèçì äîìèíèðóþùèõ ïðè
ðàçðóøåíèè âèäîâ çàêðûòèÿ òðåùèíû, - ñòðóêòóðà ñïëàâîâ, êîòîðàÿ, â ñâîþ
î÷åðåäü, îïîñðåäñòâîâàíà õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì è îïåðàöèÿìè òåðìè÷åñêîé
èëè òåðìîìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêè. Ñòðóêòóðíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ïîðîãîâ
óñòàëîñòè ñâîäèòñÿ ê âîïðîñó ñòðóêòóðíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè çàêðûòèÿ
òðåùèíû. Ïðè ðîñòå óñòàëîñòíîé òðåùèíû ñ ïðèïîðîãîâûìè ñêîðîñòÿìè
âîçìîæíà ðåàëèçàöèÿ ðàçëè÷íûõ ìåõàíèçìîâ çàêðûòèÿ òðåùèíû, òðè èç
êîòîðûõ ãëàâíûå - ÇÒÏ, ÇÒÎ è ÇÒØ.
Âëèÿíèå ìèêðîñòðóêòóðû ìàòåðèàëîâ íà ÇÒÏ. Óæå èç ñàìîãî îïðåäåëåíèÿ
ýòîãî ìåõàíèçìà çàêðûòèÿ òðåùèíû ñëåäóåò, ÷òî ëþáûå èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû,
óâåëè÷èâàþùèå ïëàñòè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ, áóäåò óñèëèâàòü ÇÒÏ.
Ìåæäó óðîâíåì ÇÒÏ, ðåàëèçóþùåìñÿ ïðè ðîñòå óñòàëîñòíîé òðåùèíû, è
ïîêàçàòåëÿìè ïëàñòè÷íîñòè ñòàëè ñóùåñòâóåò ñèìáàòíàÿ çàâèñèìîñòü. Òàê,
óñèëåíèå ÇÒÏ ïðîèñõîäèò ïðè óìåíüøåíèè ðàçìàõà çåðíà, ñíèæåíèè
ñîäåðæàíèÿ óãëåðîäà, ñïåöèàëüíîì ëåãèðîâàíèè ñòàëè, óâåëè÷åíèè
òåìïåðàòóðû îòïóñêà è ðåæèìîâ îòæèãà, îáåñïå÷èâàþùèõ ïîâûøåíèå
ïëàñòè÷íîñòè ìàòåðèàëîâ. Ïîñêîëüêó èçìåíèòü ïëàñòè÷åñêèå ñâîéñòâà
ìàòåðèàëîâ ìîæíî íå òîëüêî âîçäåéñòâóÿ íà ñòðóêòóðíîå ñîñòîÿíèå, íî è
ïîñðåäñòâîì âàðèàöèè óñëîâèé íàãðóæåíèÿ è èñ÷åðïàíèÿ çàïàñà
ïëàñòè÷íîñòè, ñòðóêòóðíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÇÒÏ âî ìíîãîì îïðåäåëÿåòñÿ
ðåæèìàìè ýêñïëóàòàöèè ìàòåðèàëîâ. ÇÒÏ êàê ôàêòîð êèíåòèêè ðîñòà
óñòàëîñòíîé òðåùèíû ðåàëèçóåòñÿ â íàèáîëüøåé ìåðå íà òåõ ó÷àñòêàõ ôðîíòà
òðåùèíû, ãäå ðàçâèòèå ïëàñòè÷íîñòè ìàêñèìàëüíîå.
Ñòðóêòóðíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÇÒÎ. Ïîñêîëüêó äëÿ ðåàëèçàöèè ýòîãî
ìåõàíèçìà çàêðûòèÿ òðåùèíû íåîáõîäèìî îáðàçîâàíèå ïðîäóêòîâ êîððîçèè íà
áåðåãàõ òðåùèíû, ñòðóêòóðíûå ôàêòîðû, ñïîñîáñòâóþùèå ôðåòòèíã-êîððîçèè,
îáëåã÷àåò ðàçâèòèå ÇÒÎ. Îäíàêî ðåøàþùåå çíà÷åíèå äëÿ èíòåíñèôèêàöèè
ÇÒÎ èìååò ïðîöåññ àâòîêàòàëèòè÷åñêîãî óòîëùåíèÿ ñëîÿ ïðîäóêòîâ êîððîçèè
íà áåðåãàõ òðåùèíû, çàêîíîìåðíîñòè êîòîðîãî îòëè÷àþòñÿ îò òàêîâûõ
ôðåòòèíã-êîððîçèè.
Ðàçâèòèå ÇÒÎ õàðàêòåðíî äëÿ áîëüøèíñòâà íèçêîëåãèðîâàííûõ ñòàëåé íèçêîé
è ñðåäíåé ïðî÷íîñòè. Ñêëîííîñòü ê ÇÒÎ îùóòèìî óáûâàåò ïðè ëåãèðîâàíèè
ñòàëåé. Ýòî ïðîèñõîäèò â ñëåäñòâèå óïðî÷íåíèÿ ñòàëè, òàê è áëàãîäàðÿ
ïîâûøåíèþ ïðè ëåãèðîâàíèè åå ñòîéêîñòè ê ðàçâèòèþ êîððîçèöèîííûõ
ïðîöåññîâ. Ñíèæåíèå óðîâíÿ ïðî÷íîñòè, íåçàâèñèìî îò òîãî, êàêèì ïóòåì
îíî äîñòèãàåòñÿ, îáëåã÷àåò íà÷àëî ôðåòòèíã-êîððîçèè è, êàê ïðàâèëî,
ñïîñîáñòâóåò óñèëåíèþ îêñèäîîáðàçîâàíèÿ íà áåðåãàõ òðåùèíû. Ðàçâèòèþ
àâòîêàòàëèòí÷åñêîãî îêñèäîîáðàçîâàíèÿ ñïîñîáñòâóåò äîñòèæåíèå
îïðåäåëåííîãî ÷èñëà òî÷åê êîíòàêòà ñîïðÿæåííûõ áåðåãîâ òðåùèíû,
îáåñïå÷èâàþùåãî ïåðåõîä â ñòàäèþ àâòîêàòàëèòè÷åñêîãî óòîëùåíèÿ ïðîäóêòîâ
êîððîçèè íà ïîâåðõíîñòè èçëîìà. Òàêîé ïðîöåññ îáëåã÷àåòñÿ ïðè óìåíüøåíèè
øåðîõîâàòîñòè èçëîìà è îáðàçîâàíèè îäíîðîäíîãî ïî âûñîòå ðåëüåôà
ïîâåðõíîñòè ðàçðóøåíèÿ, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, îïðåäåëÿåòñÿ ñòðóêòóðíûì
ñîñòîÿíèåì ìàòåðèàëà.
è óñêîðåííûì ðîñòîì óñòàëîñòíîé òðåùèíû íà ñðåäíå- âûñîêîàìïëèòóäíûõ
ó÷àñòêàõ êèíåìàòè÷åñêîé äèàãðàììå óñòàëîñòíîãî ðàçðóøåíèÿ.
ïðè ïîâûøåíèè ñîäåðæàíèÿ óãëåðîäà â âûñîêîîòïóùåííûõ ñòàëÿõ.
Òàáë. 1. Âëèÿíèå ñòðóêòóðíûõ ôàêòîðîâ íà óðîâåíü çàêðûòèÿ òðåùèíû,
ðåàëèçóåìîãî ïî ðàçëè÷íûì ìåõàíèçìàì.
- ðàçìàõ êîýôôèöèåíòà èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèÿ ñ ó÷åòîì çàêðûòèÿ
òðåùèíû.
Çíàíèå îñíîâíûõ òåíäåíöèé èçìåíåíèÿ óðîâíÿ è ìåõàíèçìîâ çàêðûòèÿ
òðåùèíû ïîä äåéñòâèåì ñòðóêòóðíî-ìåòàëëóðãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ, à òàê æå
óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè êîíêðåòíûõ ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèé îòêðûâàåò
âîçìîæíîñòü öåëåíàïðàëåííîãî âîçäåéñòâèÿ íà ìàòåðèàë ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ
ìàêñèìàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ðîñòó óñòàëîñòíîé òðåùèíû â èçäåëèÿõ.
Íàëè÷èå èíôîðìàöèè î âêëàäå çàêðûòèÿ òðåùèíû â êèíåòèêó ðîñòà
óñòàëîñòíîé òðåùèíû äàåò âîçìîæíîñòü óãëóáëåííîãî âçãëÿäà íà ñòðîåíèå
êèíåìàòè÷åñêîé äèàãðàììû óñòàëîñòíîãî ðàçðóøåíèÿ è îñìûñëåíèå îöåíêè
óñëîâèé ôîðìèðîâàíèÿ òåõ èëè èíûõ ïàðàìåòðîâ öèêëè÷åñêîé
òðåùèíîñòîéêîñòè ñïëàâîâ.