усталостные трещины какой величины должны быть локализованы
Усталостные трещины
Под действием циклических нагрузок в результате циклических пластических деформаций могут образовываться трещины (см. [38, 39]). Даже если номинальные напряжения намного ниже предела упругости, локальные напряжения из-за наличия концентраций напряжений на включениях или механических повреждениях могут быть выше предела текучести. Следовательно, пластические деформации образуются локально в микромасштабе, но этого недостаточно для того, чтобы они были заметны визуально.
Для объяснения зарождения усталостных трещин локальными пластическими деформациями было предложено несколько эквивалентных моделей (см. [38, 40, 41]). Модель Вуда [38] изображена на рис. 2.25. В течение той части цикла, когда нагрузка возрастает, на наиболее удачно расположенной плоскости происходит сдвиг. На падающей части цикла сдвиг в обратном направлении происходит на параллельной плоскости скольжения, поскольку сдвиг по первой плоскости затруднен механическим упрочнением и окислением только что образованной свободной поверхности. В этом первом цикле сдвига может произойти выдавливание либо вдавливание поверхности металла. При последовательных циклах в условиях непрерывно продолжающегося пластического течения вдавливание может перерасти в трещину (рис. 2.25). Если в процессе циклического нагружения напряжения остаются растягивающими, то этот механизм все равно работает, поскольку возникающие при возрастании нагрузки пластические деформации во время разгрузки могут явиться причиной остаточных сжимающих напряжений. Пример образования трещины в циклическом процессе нагружения (см. [42]) представлен на рис. 2.26.
Рис. 2.25. Модель зарождения усталостной трещины Вуда
Пластическая деформация возникла в небольшом объеме, расположенном в области упругих деформаций. При разгрузке область упругих деформаций будет сжиматься, а ставшая слишком большой область пластических деформаций не будет более соответствовать своему окружению. Для того чтобы это соответствие не было нарушено, во время разгрузки участка цикла нагружения на область пластических деформаций со стороны упругой области действуют сжимающие напряжения. Эти сжимающие напряжения вновь будут превышать предел текучести, по крайней мере, в вершине трещины. Следовательно, здесь имеет место обратная пластическая деформация, которая приведет к сближению краев трещины и восстановлению остроты ее вершины (этап 5 ).
Рис. 2.26. Зарождение усталостной трещины в алюминиевом сплаве (по Сиджву):
a — вдавливание и выдавливание; б — трещина, образовавшаяся за счет сдвига
Циклическое расширение и сжатие трещины (этапы 1 — 5 и 6 —7) приводят к образованию типичного рисунка, причем каждый новый цикл добавляет новую бороздку. Эти бороздки на поверхности разрушения видны в электронный микроскоп; их называют бороздками усталости. На рис. 2.28 показаны бороздки усталости промышленного сплава Al–Cu–Mg.
Рис. 2.27. Одна из возможных моделей роста усталостной трещины
Рис. 2.28. Бороздки усталости на поверхности сплава Al–Cu–Mg,
разрушенного при циклическом нагружении
Это является доказательством того, что за каждый цикл образуется одна бороздка, а расстояние между бороздками является мерой, определяющей степень распространения трещины за цикл. Из рис. 2.28 можно заключить, что за один цикл трещина распространяется на 0,2 мкм. Этот факт дает возможность определить скорости распространения трещины при исследовании различных случаев разрушения.
Бороздки усталости лучше всего видны в алюминиевых сплавах. Для образования регулярной волнообразной структуры необходимо, чтобы имелось достаточно возможностей для пластического деформирования материала в окрестности вершины трещины, с тем, чтобы выполнялось условие распространения ее фронта. Бороздки должны иметь определенную длину, иначе их нельзя считать бороздками. Возможности материала для деформирования должны обеспечивать подобные деформации на некотором расстоянии от фронта трещины, иначе бороздки становятся нерегулярными и регулярная волновая структура не образуется. В материалах с ограниченными возможностями для деформирования бороздки могут быть либо слабо выражены и сведены к нескольким соответствующим образом ориентированным кристаллическим зернам, либо не образоваться совсем.
Для образования регулярной волнообразной структуры необходимы:
Если эти условия выполняются, то сдвиг, который происходит при расширении и сжатии трещины, может приспособиться к условиям фронта трещины, что дает возможность образования хорошо различимых бороздок. Очевидно, это справедливо для алюминиевых сплавов.
Если вышеприведенные требования не выполнены, сдвиг будет нерегулярным и образование периодической волнообразной структуры станет невозможным. Ориентация отдельных кристаллических зерен может быть подходящей для образования регулярной волнообразной структуры, но ограниченные возможности для скольжения могут помешать образованию бороздок на сколько-нибудь значительную длину вдоль фронта трещины в соседних кристаллических зернах с другой ориентацией. В этих случаях обычно наблюдаются слабо-обозначенные бороздки в небольшом количестве изолированных кристаллических зерен и спутанные следы скольжения в окружающих кристаллических зернах. Подобная картина представлена на рис. 2.30. В случае если кристаллические зерна деформируются слабо, бороздки могут не образоваться совсем. Если деформации подвергается лишь область вблизи кристаллического зерна, то усталостное разрушение может даже произойти внутри кристаллического зерна (см. [53, 54]), как показано на рис. 2.31.
Рис. 2.29. Бороздки усталости в сплаве Al–Zn–Mg
По этой же причине следует ожидать, что частицы оказывают слабое влияние на процесс распространения трещины. В самом деле, при небольшой скорости распространения трещины их влияние весьма ограничено (см. [58, 59]). На рис. 2.32 показано влияние на процесс распространения трещины сравнительно большой частицы. До тех пор пока фронт трещины не приблизился к частице на очень маленькое расстояние, она оставалась целой и последняя бороздка перед частицей все еще была прямой. В этот момент, как можно видеть из слабого речного узора на ее разрушенной поверхности, частица разрушилась. Из-за разрушения сколом частицы трещина в этом месте продвинулась вперед, но скорость ее распространения уменьшилась, что можно определить по близкому расположению бороздок перед частицей. Расположение бороздок в области A (рис. 2.32) указывает на слабое увеличение скорости распространения трещины всего на несколько циклов, которое имеет место из-за продвижения трещины в месте скола частицы. Расположение бороздок в области B показывает, что справа от частицы увеличение скорости произошло позднее. Несмотря на то, что частица, несомненно, оказала влияние на локальное распространение трещины, средняя скорость распространения трещины существенным образом не изменилась, если принять во внимание размер частицы. Из рис. 2.32 видно также, что множество более мелких частиц, которые были вытащены из матрицы, не оказывали заметного влияния на процесс распространения трещины, что можно заключить из весьма постоянного расположения бороздок.
Рис. 2.30. Слабо развитые бороздки в высокопрочной малоуглеродистой стали
При больших скоростях распространения трещины (порядки 1 мкм за цикл и больше) картина совершенно иная (см. [58, 60]), что легко видеть из рис. 2.33. Высокие скорости распространения трещины появляются в результате больших интенсивностей напряжения при вершине трещины (большие трещины или высокие нагрузки). Из-за больших концентраций напряжений частицы перед вершиной трещины могут расколоться или выскочить из матрицы, при этом образуется раковина (возможно, большая).
Оставшийся материал между раковиной и вершиной трещины может разрушиться за счет вязкого разрыва; таким образом образуется местное быстрое продвижение трещины на большое расстояние. Это со всей очевидностью показывают области с ямками (рис. 2.33), которые свидетельствуют о механизме слияния пустот в процессе вязкого разрыва.
Рис. 2.31. Поверхность усталостной трещины,
проходящая через кристаллические зерна в высокопрочной малоуглеродистой стали
Рис. 2.32. Большая, разрушенная сколом частица на поверхности усталостной трещины
в алюминиевом сплаве 2024-Т3 [58]. В областях A и B расстояние между бороздками увеличено.
Через точки C проходит граница небольшого излома бороздок (по Чэпмену и Холлу).
Стрелка D указывает направление распространения трещины.
Стрелки Е указывают на небольшие включения
При таких больших скоростях распространения трещин Влиянием включений пренебрегать нельзя. Сравнение поверхностей разрушения, полученных в работе [58], показывает, что из-за небольшого количества статических разрушений расположение волн при различных скоростях распространения трещин не одинаково. При более высоких скоростях распространения трещин расстояние между бороздками увеличивается, а поверхность разрушения состоит главным образом из ямок. Отсюда следует, что рост скорости распространения трещин был бы значительно меньше, если бы отсутствовали включения. Если пренебречь включениями, то скорость распространения «действительно усталостной» трещины была бы около 0,5 мкм за цикл (рис. 2.33) вместо 1 мкм за цикл — скорости, которая действительно наблюдалась при испытании.
Влияние частиц на процесс распространения усталостной трещины существенно лишь при высоких скоростях ее распространения. Иными словами, частицы оказывают влияние только на самую последнюю, небольшую, часть процесса распространения трещины. Следовательно, для техники это не имеет большого значения, что подтверждается испытанием материалов с очень низким содержанием частиц (см. [59]).
Рис. 2.33. Большая, разрушенная сколом частица, окруженная ямками,
расположенными между бороздками усталости.
Быстрое распространение трещины в алюминиевом сплаве
ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
КУХТИНОВА ВЛАДИМИРА МИХАЙЛОВИЧА
Тема магистерской работы:
«Исследование напряжённо-деформированного состояния вала ротора электродвигателя клети 950 стана 950/900 ЗАО ММЗ «Истил (Украина).»
Руководитель:доцент каф.»МОЗЧМ», к.т.н. Ошовская Елена Владимировна
Васильев Д. В.
УСТАЛОСТНЫЕ ТРЕЩИНЫ (В сокращении)
Первоисточник: www.mysopromat.ru/cgi-bin/index.cgi?n=11
УСТАЛОСТНЫЕ ТРЕЩИНЫ
Под действием циклических нагрузок в результате циклических пластических деформаций могут образовываться трещины. Даже если номинальные напряжения намного ниже предела упругости, локальные напряжения из-за наличия концентраций напряжений на включениях или механических повреждениях могут быть выше предела текучести. Следовательно, пластические деформации образуются локально в микромасштабе, но этого недостаточно для того, чтобы они были заметны визуально.
Для объяснения зарождения усталостных трещин локальными пластическими деформациями было предложено несколько эквивалентных моделей (см. [38, 40, 41]). Модель Вуда [38] изображена на рис. 2.25. В течение той части цикла, когда нагрузка возрастает, на наиболее удачно расположенной плоскости происходит сдвиг. На падающей части цикла сдвиг в обратном направлении происходит на параллельной плоскости скольжения, поскольку сдвиг по первой плоскости затруднен механическим упрочнением и окислением только что образованной свободной поверхности. В этом первом цикле сдвига может произойти выдавливание либо вдавливание поверхности металла. При последовательных циклах в условиях непрерывно продолжающегося пластического течения вдавливание может перерасти в трещину (рис. 2.25). Если в процессе циклического нагружения напряжения остаются растягивающими, то этот механизм все равно работает, поскольку возникающие при возрастании нагрузки пластические деформации во время разгрузки могут явиться причиной остаточных сжимающих напряжений. Пример образования трещины в циклическом процессе нагружения (см. [42]) представлен на рис. 2.26.
Рис. 2.25. Модель Вуда зарождения усталостной трещины
Пластическая деформация возникла в небольшом объеме, расположенном в области упругих деформаций. При разгрузке область упругих деформаций будет сжиматься, а ставшая слишком большой область пластических деформаций не будет более соответствовать своему окружению. Для того чтобы это соответствие не было нарушено, во время разгрузки участка цикла нагружения на область пластических деформаций со стороны упругой области действуют сжимающие напряжения. Эти сжимающие напряжения вновь будут превышать предел текучести, по крайней мере, в вершине трещины. Следовательно, здесь имеет место обратная пластическая деформация, которая приведет к сближению краев трещины и восстановлению остроты ее вершины (этап 5 ).
Рис. 2.26. Зарождение усталостной трещины в алюминиевом сплаве (по Сиджву):
a — вдавливание и выдавливание; б — трещина, образовавшаяся за счет сдвига
Циклическое расширение и сжатие трещины (этапы 1 — 5 и 6 —7) приводят к образованию типичного рисунка, причем каждый новый цикл добавляет новую бороздку. Эти бороздки на поверхности разрушения видны в электронный микроскоп; их называют бороздками усталости. На рис. 2.28 показаны бороздки усталости промышленного сплава Al–Cu–Mg.
На рис. 2.27 представлена модель образования бороздок, дающая общее представление о процессах притупления вершины трещины и восстановления ее остроты. Эта модель синтезирует различные модели (см. [46—52]) и позволяет дать оценку механизма роста усталостной трещины, достаточную для того, чтобы служить базой для изучения основ механики разрушения. Более детальная модель, позволяющая в ограниченных пределах проводить численный анализ, была недавно предложена Нейманом [52]. Иногда в процессе распространения усталостной трещины может включаться механизм разрушения сколом. При этом образуются хрупкие бороздки (см. [44, 45]). Бороздки представляют собой последовательные положения фронта трещины при ее распространении.
Рис. 2.27. Одна из возможных моделей роста усталостной трещины
Это является доказательством того, что за каждый цикл образуется одна бороздка, а расстояние между бороздками является мерой, определяющей степень распространения трещины за цикл. Из рис. 2.28 можно заключить, что за один цикл трещина распространяется на 0,2 мкм. Этот факт дает возможность определить скорости распространения трещины при исследовании различных случаев разрушения.
Бороздки усталости лучше всего видны в алюминиевых сплавах. Для образования регулярной волнообразной структуры необходимо, чтобы имелось достаточно возможностей для пластического деформирования материала в окрестности вершины трещины, с тем, чтобы выполнялось условие распространения ее фронта. Бороздки должны иметь определенную длину, иначе их нельзя считать бороздками. Возможности материала для деформирования должны обеспечивать подобные деформации на некотором расстоянии от фронта трещины, иначе бороздки становятся нерегулярными и регулярная волновая структура не образуется. В материалах с ограниченными возможностями для деформирования бороздки могут быть либо слабо выражены и сведены к нескольким соответствующим образом ориентированным кристаллическим зернам, либо не образоваться совсем.
Для образования регулярной волнообразной структуры необходимы:
а) наличие большого количества систем сдвига и легкий сдвиг в поперечном направлении, чтобы образовать фронт трещины и сохранить его при прохождении через примыкающие друг к другу кристаллические зерна;
б) наличие более чем одной кристаллографической плоскости, по которой возможен рост трещины (см. [4]).
Если эти условия выполняются, то сдвиг, который происходит при расширении и сжатии трещины, может приспособиться к условиям фронта трещины, что дает возможность образования хорошо различимых бороздок. Очевидно, это справедливо для алюминиевых сплавов.
Если вышеприведенные требования не выполнены, сдвиг будет нерегулярным и образование периодической волнообразной структуры станет невозможным. Ориентация отдельных кристаллических зерен может быть подходящей для образования регулярной волнообразной структуры, но ограниченные возможности для скольжения могут помешать образованию бороздок на сколько-нибудь значительную длину вдоль фронта трещины в соседних кристаллических зернах с другой ориентацией. В этих случаях обычно наблюдаются слабо-обозначенные бороздки в небольшом количестве изолированных кристаллических зерен и спутанные следы скольжения в окружающих кристаллических зернах. Подобная картина представлена на рис. 2.30. В случае если кристаллические зерна деформируются слабо, бороздки могут не образоваться совсем. Если деформации подвергается лишь область вблизи кристаллического зерна, то усталостное разрушение может даже произойти внутри кристаллического зерна (см. [53, 54]), как показано на рис. 2.31.
По этой же причине следует ожидать, что частицы оказывают слабое влияние на процесс распространения трещины. В самом деле, при небольшой скорости распространения трещины их влияние весьма ограничено (см. [58, 59]). На рис. 2.32 показано влияние на процесс распространения трещины сравнительно большой частицы. До тех пор пока фронт трещины не приблизился к частице на очень маленькое расстояние, она оставалась целой и последняя бороздка перед частицей все еще была прямой. В этот момент, как можно видеть из слабого речного узора на ее разрушенной поверхности, частица разрушилась. Из-за разрушения сколом частицы трещина в этом месте продвинулась вперед, но скорость ее распространения уменьшилась, что можно определить по близкому расположению бороздок перед частицей. Расположение бороздок в области A (рис. 2.32) указывает на слабое увеличение скорости распространения трещины всего на несколько циклов, которое имеет место из-за продвижения трещины в месте скола частицы. Расположение бороздок в области B показывает, что справа от частицы увеличение скорости произошло позднее. Несмотря на то, что частица, несомненно, оказала влияние на локальное распространение трещины, средняя скорость распространения трещины существенным образом не изменилась, если принять во внимание размер частицы. Из рис. 2.32 видно также, что множество более мелких частиц, которые были вытащены из матрицы, не оказывали заметного влияния на процесс распространения трещины, что можно заключить из весьма постоянного расположения бороздок.
Рис. 2.30. Слабо развитые бороздки в высокопрочной малоуглеродистой стали
При больших скоростях распространения трещины (порядки 1 мкм за цикл и больше) картина совершенно иная (см. [58, 60]), что легко видеть из рис. 2.33. Высокие скорости распространения трещины появляются в результате больших интенсивностей напряжения при вершине трещины (большие трещины или высокие нагрузки). Из-за больших концентраций напряжений частицы перед вершиной трещины могут расколоться или выскочить из матрицы, при этом образуется раковина (возможно, большая).
Оставшийся материал между раковиной и вершиной трещины может разрушиться за счет вязкого разрыва; таким образом образуется местное быстрое продвижение трещины на большое расстояние. Это со всей очевидностью показывают области с ямками (рис. 2.33), которые свидетельствуют о механизме слияния пустот в процессе вязкого разрыва.
Рис. 2.31. Поверхность усталостной трещины,
проходящая через кристаллические зерна в высокопрочной малоуглеродистой стали
При таких больших скоростях распространения трещин влиянием включений пренебрегать нельзя. Сравнение поверхностей разрушения, полученных в работе [58], показывает, что из-за небольшого количества статических разрушений расположение волн при различных скоростях распространения трещин не одинаково. При более высоких скоростях распространения трещин расстояние между бороздками увеличивается, а поверхность разрушения состоит главным образом из ямок. Отсюда следует, что рост скорости распространения трещин был бы значительно меньше, если бы отсутствовали включения. Если пренебречь включениями, то скорость распространения «действительно усталостной» трещины была бы около 0,5 мкм за цикл (рис. 2.33) вместо 1 мкм за цикл — скорости, которая действительно наблюдалась при испытании.
Влияние частиц на процесс распространения усталостной трещины существенно лишь при высоких скоростях ее распространения. Иными словами, частицы оказывают влияние только на самую последнюю, небольшую, часть процесса распространения трещины. Следовательно, для техники это не имеет большого значения, что подтверждается испытанием материалов с очень низким содержанием частиц.
Усталостные трещины: обнаружить на ранних стадиях
Новый метод помогает ученым наблюдать трещины в металлах в момент их образования и поможет избежать катастроф.
В пластичных металлах усталостные трещины возникают в виде небольших микроструктурных коротких трещин, которые постепенно растут с увеличением числа циклов нагружения. Хотя стадии роста трещин посвящено множество исследований, переход от металла без трещин к металлу с трещинами остается одной из самых сложных тем при изучении усталости металла.
Зарождение микротрещин в пластичных металлах является следствием возвратно-поступательного движения дислокаций при циклическом нагружении, что приводит к самоорганизации дислокаций в структуры с дальним упорядочением. Дислокации возникают из-за неправильного расположения атомов в кристаллических материалах, и их движение приводит к пластической деформации.
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Science, открыт новый способ тестирования металлов в микроскопическом масштабе: производить ускоренные нагрузки к материалам и одновременно проводить анализ превращения повреждений в трещины.
Разрушение металлических детали в мостах, самолетах и других конструкциях приводит к трагедиям. В исследовании Университета Джона Хопкинса описывается новый метод надежного прогнозирования уязвимостей на более ранних стадиях разрушения, чем это можно сделать в предыдущих тестах.
Усталостные трещины какой величины должны быть локализованы
Расчеты и испытания на прочность
МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ
Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении
Design, calculation and strength testing. Methods of mechanical testing of metals. Determination of fracture toughness characteristics under the static loading
Дата введения 1986-01-01
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27 марта 1985 г. N 902 дата введения установлена 01.01.86
Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 11-12-94)
Настоящий стандарт устанавливает методы механических испытаний для определения характеристик трещиностойкости металлов при статическом кратковременном нагружении на образцах толщиной не менее 1 мм при температуре от минус 269 °С до плюс 600°С.
1.1. Обозначения и единицы измерения величин, применяемые в настоящем стандарте, указаны в приложении 1.
Примечание. Пояснения к обозначениям приведены в приложении 2.
1.2. Для определения характеристик трещиностойкости испытывают с записью диаграмм «нагрузка-смещение» (» «) или «нагрузка-прогиб» («
«) образцы с предварительно нанесенной усталостной трещиной.
1.3. По результатам испытаний определяют следующие основные характеристики трещиностойкости:
1. Для определения трещиностойкости металлов в широком диапазоне длин трещин допускается использовать предел трещиностойкости (приложение 3).
2. Методы построения температурных зависимостей характеристик трещиностойкости и определение критических температур для малоуглеродистых и низколегированных сталей описаны в приложении 4.
1.5. Определяемые по настоящему стандарту характеристики трещиностойкости (наряду с другими характеристиками механических свойств) могут быть использованы для:
сравнения различных вариантов химического состава, технологических процессов изготовления, обработки и контроля качества металлов и сплавов;
сопоставления материалов при обосновании их выбора для машин и конструкций;
расчетов на прочность несущих элементов конструкций с учетом их дефектности, геометрических форм и условий эксплуатации;
анализа причин аварий и разрушений конструкций.
1.6. Для металлов, предназначенных для использования в машинах и конструкциях с заданными условиями эксплуатации, могут быть применены методы испытаний, типы образцов и характеристики трещиностойкости металла в соответствии с отраслевыми нормативно-техническими документами.
2. ОБРАЗЦЫ И ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЕ
— расстояние между частями образца, служащими для крепления в захватах;
; 
;
; 
;
— расстояние между частями образца, служащими для крепления в захватах;
; 
; 
мм и 
; 
; 
; 
;
; 
; 
; 
— расстояние между опорами
; 
; 
;
; 
; 
2.2. Соотношение размеров и схемы нагружения образцов показаны на черт.1-4. При этом рекомендуются следующие размеры образцов:
тип 1 ширина не менее 50 мм;
тип 2 диаметр не менее 12 мм;
тип 3 толщина не менее 20 мм;
тип 4 толщина не менее 10 мм.
В образцах типов 1 и 2 форму и размеры частей, служащих для крепления и нагружения, определяют после выбора конструкции захватов. Размер назначают в зависимости от способа изготовления надреза и крепления образца так, чтобы он не разрушился в захватах.
1. Для образцов типов 1, 3, 4 шероховатость их боковой поверхности вблизи вершины надреза и исходной усталостной трещины должна соответствовать 8-му классу.
2. Рекомендации по выбору образцов приведены в приложении 5.
Надрез изготовляют с помощью специальных фрез (см. черт.5, варианты 1 и 2 ) или шлифовального круга (вариант 2 ), пропиливанием от центрального отверстия (вариант 2 ) или электроискровым способом (вариант 3). В отдельных случаях допускается комбинировать различные способы. Инициирующий надрез для образца типа 2 изготовляют на токарном станке с последующей шлифовкой.
Примечание. Для уменьшения нагрузки и времени, необходимых для зарождения трещин, можно применять лазерную, электронно-лучевую и другие обработки вершины надреза при условии, что область нарушенного состояния исходного материала у вершины надреза будет меньше длины создаваемой исходной усталостной трещины.
мм
2.4. При вырезке и изготовлении образцов необходимо обеспечить минимальные наклеп, остаточные напряжения, а также изменения структуры и фазового состава в зоне разрушения образца. Окончательную механическую обработку образцов и нанесение исходной усталостной трещины проводят после термической обработки образцов.