Движение дислокаций и образование линий скольжения в условиях повторно-переменных нагрузок наблюдается даже при напряжениях меньше предела выносливости, который в свою очередь, как правило, ниже макроскопического предела упругости материала. Скольжение происходит в тех же кристаллографических плоскостях и направлениях, что и при статической деформации. Начинается пластическая деформация в благоприятно ориентированных зернах вблизи концентраторов напряжений.

Развитие пластической деформации приводит к деформационному упрочнению, которое особенно существенно при малоцикловой усталости, когда величина действующих напряжений велика. Наглядной характеристикой деформационного упрочнения может служить ширина петли гистерезиса в координатах напряжение - деформация.

В стандартных высокоцикловых усталостных испытаниях такие кривые не записывают, но если их построить по результатам динамических измерений напряжений и деформаций, то полученная диаграмма за каждый цикл нагружения будет иметь вид асимметричной петли (рис. 1).

Рисунок 1 - Петли гистерезиса при циклическом нагружении монокристалла алюминия (Томпсон и др.) Цифры у кривых - номер цикла

Асимметрия связана с проявлением эффекта Баушингера. Если образец в первом полуцикле подвергают сжатию, то при заданных характеристиках цикла первая петля (см.рис. 1) придет из точки A в точку B, когда образец будет заметно пластически деформирован. В результате разгрузки кривая попадет в точку C по прямой, соответствующей снятию упругой деформации. Когда в следующем полуцикле образец подвергается растяжению, пластическая деформация начинается при более низком напряжении. Это и есть эффект Баушингера. Чем больше баушингеровская деформация, тем шире петля гистерезиса. Если материал будет упрочняться в процессе усталостного испытания, то величина этой деформации и ширина петли должны уменьшаться из-за возрастающих трудностей перераспределения дислокаций при изменении знака напряжений. Действительно, эксперименты показывают быстрое уменьшение ширины W петли гистерезиса по мере увеличения числа циклов нагружения N ряда материалов (см. рис. 1). Такие материалы называют циклически упрочняющимися. Для монокристаллов алюминия, например,

W = AN^-q,

где q - коэффициент деформационного упрочнения; A - постоянная.

Но есть и такие материалы, у которых ширина петли гистерезиса по мере увеличения числа циклов, наоборот, растет. Такие материалы называют циклически разупрочняющимися.

Циклическое упрочнение или разупрочнение металлов и сплавов связано с особенностями их пластической деформации, зависящими от исходной структуры. Чистые металлы и однофазные сплавы, отличающиеся в отожженном состоянии высокой пластичностью и относительно низкой прочностью, относятся к циклически упрочняющимся материалам. После сильной холодной деформации эти же материалы ведут себя как циклически разупрочняющиеся. Циклическое разупрочнение наблюдается также у большинства высокопрочных сплавов, в частности, содержащих в структуре большое количество дисперсных выделений избыточных фаз.

Склонность материала к циклическому упрочнению или разупрочнению хорошо скоррелирована с отношением у_в/у_0,2 . Если оно меньше 1,2, то материал является циклически разупрочняющимися, если у_в/у_0,2 ? 1,4, то материал циклически упрочняется. При промежуточных значениях у_в/у_0,2 материал ведет себя как циклически стабилизирующийся (возможно также слабое упрочнение или разупрочнение).

Знак упрочнения и усталостная повреждаемость металлических материалов в значительной мере обусловлены особенностями дислокационной структуры, формирующейся в условиях циклической деформации. По мере увеличения числа циклов нагружения растет плотность дислокаций, особенно быстро в поверхностных слоях.

Отличительный признак дислокационной структуры металлов после низкотемпературного циклического нагружения - многочисленные пороги и дислокационные петли, появляющиеся уже на начальных этапах испытания. Это результат частых пересечений дислокаций и повышенной концентрации точечных дефектов, возникающих при движении дислокаций с порогами под действием переменных напряжений. С увеличением числа циклов образуются скопления петель и дислокаций со ступеньками, дислокационных сплетений, а затем формируются плоские малоугловые границы.

По мере роста числа циклов нагружения тонкие линии скольжения на поверхности превращаются в грубые полосы с необычным для статической деформации рельефом. Анализ профиля этих полос показывает наличие в них выступов и впадин. Развитие полос скольжения в условиях действия больших напряжений качественно аналогично наблюдаемому при статической деформации. Они могут быть удалены полировкой поверхности, и долговечность образца повысится. Но многие полосы, образующиеся при испытании с малой амплитудой напряжений, более устойчивы и полировкой уже не удаляются. Впадины в таких устойчивых полосах сначала имеют глубину не более 10 мкм, а по истечении ~25% общего времени испытания - до 30 мкм.

Первые видимые трещины чаще всего возникают у впадин устойчивых полос скольжения. Это доказано прямыми микроскопическими наблюдениями. Таким образом, зародышами усталостных трещин являются поверхностные впадины. Механизм образования впадин и выступов можно представить по-разному. Они могут возникнуть при последовательном действии источников, генерирующих дислокации в разных системах.

Предположим, что вблизи поверхности образца имеются два источника M₁ и M₂ (рис. 2, а). Под действием прямого полуцикла напряжений источник M₁генерирует дислокации, при выходе которых на поверхность образуется ступенька одного направления (А на рис. 2, б), а от источника M₂ - другого (В на рис. 2, в). На обратном полуцикле источники генерируют дислокации противоположного знака, образующие ступеньки С (см.рис. 2, г) и D (см.рис. 2, д). При этом ступеньки А и В не уничтожаются из-за смещения плоскостей скольжения, по которым скользят дислокации от каждого источника, после смены знака напряжений. В результате за полный цикл на поверхности образуются выступ и впадина, растущие по мере увеличения числа циклов.

Рисунок 3. - Механизм образования поверхностных выступов и впадин при циклическом нагружении (Коттрелл, Халл)

Предложен еще ряд механизмов образования выступов и впадин на поверхности образцов во время усталостных испытаний. По Линчу, например, это связано с наличием в материале тонких слоев, менее прчных, чем окружающие их области. Такие слои могут быть, например, в устойчивых полосах скольжения. Ни один из механизмов нельзя считать общим или твердо доказанным. Наиболее близкими к действительности считаются те, которые базируются на анализе движения винтовых дислокаций. Это объясняется тем, что полосы скольжения, в которых появляются зародышевые трещины у впадин, формируются в условиях интенсивно развитого поперечного скольжения винтовых дислокаций.

Зарождение усталостных трещин возможно и по другим механизмам, не связанным с образованием поверхностных выступов и впадин. Рассматривается, в частности, возможность возникновения трещин у границ ячеек, субзерен, зерен и двойников. В гетерофазных сплавах вероятно образование трещин внутри избыточных фаз или на межфазной поверхности частица - матрица.

3. Распространение усталостных трещин

Подводя итоги анализа влияния различных факторов на сопротивление усталости, можно сказать, что для ее повышения необходимо:

- улучшать качество поверхностных слоев деталей (по шероховатости и свойствам, в частности создавать сжимающие напряжения);

- предотвращать появление трещин и зон локализованной деформации, в которых облегчено их зарождение;

- уменьшать количество крупных (более микрометра) включений избыточных фаз;

- увеличивать напряжение начала пластической деформации в условиях циклического нагружения;

- повышать однородность пластической деформации в объеме материала.

Две последние задачи решаются за счет оптимального легирования, создания стабильной однородной субструктуры, введения дозированного количества дисперсных частиц избыточных фаз.

Библиографический список

1. Усталостная прочность металлов и сплавов / В. Ф. Терентьев. - М. : Интермет инжиниринг, 2002 . - 287 с. : ил. + Библиогр.: с. 278-285.

2. http://studopedia.ru/3_2385_priroda-ustalostnogo-razrusheniya.html

3. http://osipyun.ru/Design-basics/The-fatigue-failure-nature/index.html

Размещено на Allbest.ru