15.2. Структурные изменения при усталости

Общность процессов деформации и разрушения при статических и усталостных нагружениях заключается в следующем:

- общность кристаллографии скольжения;

- общность механизмов зарождения трещин из линий скольжения;

- эмпирические связи между статическими и усталостными параметрами;

- общность кинетики развития трещины;

К особенностям усталостного разрушения относятся:

- большая макроскопическая неравномерность, то есть усталостное нагружение действует как охрупчивающий фактор;

- большая чувствительность к состоянию поверхности;

- расширение линий сдвига в полосы (а не рост числа полос сдвига);

- более ранний переход линий сдвига в начальные трещины;

- возможное частичное или полное снятие деформационного упрочнения при циклическом нагружении, что позволяет долго деформировать материал без разрушения (например, монокристалл молибдена);

- разрушение начинается на ранних стадиях (1-10% от долговечности) и развивается медленно. Так для меди первые трещины замечены на уровне 4% от общей долговечности, при 43% от общей долговечности трещина проросла только на два зерна, при 73% – на четыре и только после 93% – на десять.

- значительное число точечных дефектов и сложность дислокационной структуры.

Разновидностью усталости является малоцикловая усталость (при повышенных напряжениях) с доведением до разрушения.

Повышение усталостной прочности возможно путем улучшения состояния поверхности и среды воздействия, заменой ассиметричных циклов нагружения на симметричные, создание на поверхности сжимающих напряжений.

15.3. Природа усталостного разрушения

По мере увеличения числа циклов при любых напряжениях выше предела выносливости в образце последовательно идут следующие процессы:

- пластическая деформация;

- зарождение трещин;

- постепенное развитие некоторых из них и преимущественное распространение одной, главной трещины;

- быстрое окончательное разрушение.

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. Диаграмма за каждый цикл нагружения будет иметь вид асимметричной петли. Асимметрия связана с проявлением эффекта Баушингера. Он заключается в том, что при повторном нагружении пластически слабо деформированного образца в обратном направлении его сопротивление малым пластическим деформациям снижается. 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.

Материалы, у которых ширина петли гистерезиса при мягком нагружении уменьшается, а максимальное напряжение цикла при жестком нагружении возрастает, называются циклически упрочняющимися (чистые металлы, однофазные сплавы, особенно с высоким значением энергии дефектов упаковки). Но есть и такие материалы (высокопрочные сплавы с дисперсными частицами), у которых наоборот ширина петли гистерезиса при мягком нагружении растет, а максимальное напряжение цикла при жестком нагружении уменьшается. Такие материалы называются циклически разупрочняющимися. Наконец, в ряде случаев ширина петли гистерезиса практически не меняется с ростом числа циклов. Это циклически стабилизирующиеся материалы. Циклическое упрочнение или разупрочнение металлов и сплавов связано с особенностями их пластической деформации, которые определяются исходной структурой. Склонность материала к циклическому упрочнению или разупрочнению хорошо коррелирует с отношением

.

Если оно меньше 1,2, то материал циклически разупрочняющийся, если оно больше или равно 1,4, то материал циклически упрочняющийся. При промежуточных значениях материал ведет себя как циклически стабилизирующийся (возможно слабое упрочнение или разупрочнение).

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. С увеличением числа циклов образуются скопления петель и дислокаций со ступеньками, дислокационные сплетения, а затем формируются плоские малоугловые границы. По мере роста числа циклов нагружения тонкие линии скольжения на поверхности расширяются в грубые полосы скольжения и постепенно перерождаются в интрузии и экструзии. Экструзия – выдавливание, интрузия – углубление полос скольжения. Экструзии и интрузии формируют пикообразный рельеф поверхности, состоящий из выступов и острых впадин.

Первые видимые трещины чаще всего возникают у впадин устойчивых полос скольжения. Механизм образования впадин и выступов можно представить по-разному. Они могут возникнуть при последовательном действии источников, генерирующих дислокации в разных системах (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Механизм Котрелла-Холла, образования выступов и впадин на поверхности при циклическом нагружении

Предположим, что вблизи поверхности образца есть два дислокационных источника М₁ и М₂ (рис. 15.6 а). Под действием прямого полуцикла напряжений источник М₁ генерирует дислокации, при выходе которых на поверхность образуется ступенька А (рис. 15.6 а), а от источника М₂ – ступенька В (рис.15.6. в). На обратном полуцикле источники генерируют дислокации противоположного знака, образующие ступеньки С (рис.15.6 г) и D (рис.15.6. д). При этом ступеньки А и В не пропадают из-за смещения плоскостей скольжения дислокаций после смены знака напряжений из-за пересечения дислокаций, генерируемых источником М₁ и М₂. В результате за цикл на поверхности образуется выступ и впадина, растущие по мере увеличения числа циклов нагружения.

Вторая возможная схема образования выступов и впадин на поверхности основана на представлении о возможности кругового движения винтовых дислокаций. Под действием циклически меняющихся напряжений винтовая дислокация может двигаться по замкнутому контуру, переходя из одной плоскости в другую за счет поперечного скольжения. При этом предполагается, что один конец дислокации выходит на поверхность.

Предложен еще ряд механизмов образования выступов и впадин на поверхности образцов в процессе усталостных испытаний, но не один из механизмов нельзя считать общим или абсолютно доказанным.

Рассматривается возможность образования трещин в результате слияния вакансий, зарождения трещин у границ ячеек, субзерен, зерен и двойников. В гетерогенных сплавах вероятно образование трещин внутри избыточных фаз или на межфазной границе частица-матрица.

Трещины зарождаются уже на начальных стадиях испытания по истечении 5-10% общего времени. Все остальное время приходится на их постепенное развитие. Вначале зародышевые трещины распространяются вдоль полос скольжения, а затем растут перпендикулярно растягивающим напряжениям. Усталостная трещина развивается скачками. На усталостном изломе в этот период развития трещины хорошо видны бороздки, отражающие ее последовательные положения.

Различают вязкие и хрупкие усталостные бороздки. В первых наблюдается чередование выступов и впадин, формирующих характерный пилообразный профиль излома. Хрупкие бороздки образуются чаще всего на фоне речного узора характерного для разрушения сколом. Помимо «чисто» хрупких или вязких микрополос, в структуре реальных усталостных изломов встречается множество промежуточных по виду бороздок.

Усталостная трещина – это глубокий и острый надрез. Площадь сечения образца в месте этого надреза со временем уменьшается настолько, что приложенные напряжения оказываются выше разрушающих. Как только такое условие будет достигнуто, произойдет очень быстрое окончательное разрушение – чаще хрупкое, иногда (у очень пластичных металлов) вязкое.

При визуальном осмотре усталостный излом всегда имеет две четко различимые зоны. Одна из них гладкая, с макроследами перемещения усталостной трещины. Вторая имеет структуру типичную для хрупкого или вязкого разрушения при статических испытаниях.