15. Разрушение при усталости

15.1. Трещинообразование при усталости и факторы, определяющие выносливость

Усталостные разрушения наступают в результате многократного нагружения при уровнях напряжений, которые не могут вызвать разрушения за один цикл. Зарождение усталостных трещин начинается с поверхности уже в самом начале испытаний (1-10% от долговечности вне зависимости от того создает ли способ нагружения высокие поверхностные напряжения или нет).

Зарождение трещины у поверхности может произойти из-за сдвиговой (нескользящей) ступеньки от дислокации, рожденной источником Франка-Рида. Эта ступенька может создать концентратор напряжений в соответствии с рис. 15.1 а, или при возвращении дислокации в несколько смещенное положение, как показано на рис. 15.1 б.

Рис. 15.1. Зарождение трещины на поверхности

Важная роль поверхности в усталостном разрушении подтверждается фактом значительного роста долговечности с уменьшением давления на поверхности. Так, например, в случае меди, в соответствии с рис. 15.2, когда снижение давления, по-видимому, меняет поверхностную энергию (повышая ее).

Рис. 15.2. Влияние внешнего давления на долговечность меди

Имеются сведения о снижении поверхностной энергии за счет адсорбции на поверхности. Дефектность поверхности при усталости может возникать в результате образования экструзий и интрузий по механизму Котрелла-Холла под действием двух дислокационных источников, находящихся в различных плоскостях, действующих поочередно и смещающих себя друг относительно друга.

Оригинально описывает причину разрушения за счет усталости при достижении определенного числа циклов модель Орована, в которой рассматривается деформация некоторого критического объема (например, объема впереди поверхности трещины или у включения в образце) при условии, что только этот объем может деформироваться упруго и пластически, а весь остальной объем – только упруго. Для простоты был взят линейный закон упрочнения металла при отсутствии эффекта Баушингера.

Общая деформация в критическом объеме – это сумма упругой и пластической (при нулевом напряжении, деформация также равна нулю). При достижении предела упругости σ₀ с ростом напряжений в критическом объеме начнется пластическая деформация до напряжения σ₁, как показано на рис. 15.3. Далее напряжение уменьшается и меняет знак. Так как эффект Баушингера отсутствует, то по абсолютной величине

(15.1)

где σ₁ – напряжение, вызывающее деформацию ε₁.

Затем упрочнение идет пластически до значения – σ₂ после чего, возрастая, меняет знак:

(15.2)

И так далее,

(15.3)

Где σ₂, σ₃, σ₄, σ₅ – напряжения, вызывающие соответствующие деформации ε₂, ε₃, ε₄, ε₅.

С ростом числа циклов нагружения все большая часть циклической деформации идет за счет упругой деформации и все меньшая за счет пластической.

При числе циклов нагружения N → ∞ кривая деформации приближается к линии σ_±∞, то есть деформация становится полностью упругой. Если σ_∞ > σ_в (статического), то при каком-то числе циклов будет выполнено условие σ_∞ = σ_в и критический объем разрушится. Не привлекая дислокационную теорию, Орован дал качественное объяснение усталости.

Кроме состояния поверхности на усталостные характеристики оказывают влияние и другие факторы:

- асимметрия цикла нагружения, которая оказывает различное влияние при разных схемах нагружения и для разных (хрупких или пластичных) материалов. Очевидно, что чугун будет показывать большую чувствительность к асимметрии цикла растяжение сжатие, если растяжение превышает сжатие, и наоборот.

Рис. 15.3. Схема Орована

- зависимость от частоты циклов не монотонна, например, предел выносливости (усталостная прочность) при низких и средних частотах растет с повышением частоты, как показано на рис. 15.4. Повышение частоты в какой-то мере эквивалентно увеличению скорости деформации.

- влияние надреза при усталостном нагружении даже для пластичных материалов никогда не бывает положительным (в отличие от статических испытаний). Лучшим вариантом можно считать отсутствие этого влияния, то есть равенство усталостной прочности гладкого и надрезанного образца.

Рис. 15.4. Частотная звисимость предела выносливости. 1 – хромистая сталь; 2 – сталь 40; 3 – сталь 36% Ni, 12% Cr; 4 – сталь 20

- влияние температуры следует рассматривать с двух позиций: а) влияние температуры эксперимента, когда при усталости, как и при однократном нагружении возможно развитие как атермических (например, двойникования), так и термоактивируемых процессов. Соответственно имеется и специфика разрушения; б) повышение температуры за счет диссипативного нагрева, особенно в материалах с низкой теплопроводностью. Причем при высоких температурах может сказываться и влияние ползучести при усталости.

- влияние структуры и состава материала трудно оценить однозначно из-за слишком разного подхода к исследованию этого влияния у разных авторов. Но общим можно признать, что все факторы, влияющие на статическую прочность – влияют и на циклическую, однако роль включений при усталости весомее, так как напряжения вокруг включений не успевают релаксировать. Мелкозернистые материалы с высоким пределом выносливости более чувствительны к надрезу, чем крупнозернистые, но повышение температуры и напряжений, приводящие к межзеренному излому, уменьшают этот эффект. Окружающая среда сильно влияет на усталость. Так, например, коррозия меняет поверхностную энергию. Уменьшение поверхностной энергии снижает усталостную прочность в соответствии с рис. 15.5.

Рис. 15.5. Пример кривых усталости стали Х18Н10Т