- •FRACTURE 1977
- •МЕХАНИКА
- •ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •1. ВВЕДЕНИЕ
- •4.1. Оценка методами механики разрушения
- •4.2. Количественное описание «пластического» роста усталостных трещин (тип I)
- •5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •НИЗКИЕ СКОРОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
- •ПОРОГИ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКОГО РОСТА И ОСТАНОВКИ ТРЕЩИНЫ
- •ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛА
- •ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕОРИИ
- •РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩИН В ТРУБОПРОВОДАХ
- •ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ ТОРМОЖЕНИЯ ТРЕЩИН
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •Разрушение при сварке
- •Трещиностойкость в зоне термического влияния (ЗТВ)
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ЛОКАЛИЗАЦИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •Теория
- •Сравнение теории с экспериментальными данными
- •НЕКОТОРЫЕ НЕДАВНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО МЕХАНИКЕ РАЗРУШЕНИЯ
- •/^-кривая
- •Критерий COD
- •Метод /-интеграла
- •Обсуждение результатов испытаний пластин с центральной трещиной
- •Результаты и обсуждение испытаний компактных образцов на растяжение
- •IV. РАЗРУШЕНИЕ ТИПА II
- •Анализ
- •Испытания и результаты
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •РАЗРУШЕНИЕ
- •8. ОБСУЖДЕНИЕ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •СОДЕРЖАНИЕ:
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
/С. Биверс
Изучаются характеристики роста усталостных трещин (РУТ) в метал лах и сплавах с точки зрения влияния на них коэффициента нагрузки, микроструктуры и газообразной среды. Рассматривается область медлен ного РУТ, при котором трещина может останавливаться, и обсуждаются факторы, влияющие на изменение А/С и /Стах в этой области. Подробно рассматривается чувствительность роста усталостных трещин к микро структуре и вопрос об образовании кристаллографических фасеток для широкого диапазона материалов и условий испытаний. Рассматривается также промежуточная область скоростей РУТ, где обычно наблюдается линейная зависимость между log (ДА') и \og(daldN) и РУТ относительно нечувствителен к механическим свойствам. Результаты испытаний сталей и сплавов титана в областях от промежуточного до значительного РУТ показывают влияние микроструктуры и условий внешней среды на форму кривых РУТ. Предмет настоящей статьи и состоит главным образом в ил люстрации взаимосвязи между АА и /Стах, контролирующей процессы рас пространения трещин, и ее влияния на форму кривых РУТ.
ВВЕДЕНИЕ
Усталостное, или циклическое, нагружение материалов, проявляется весьма разнообразно. Реакция на нагружение в большинстве случаев связана с характером нагружения, внешней средой и микроструктурой образца. Эта зависи мость может включать такие параметры, как последователь ность нагружения, коэффициент нагрузки1), условия внеш ней среды, характеристики микроструктуры, размер зерен, термоактивационные характеристики, явление закрытия и за держки трещин. Особый интерес представляют области ма лых скоростей роста усталостных трещин (РУТ), включая пороги и закрытие трещин. Эти вопросы будут рассмотрены в данной работе. Вторым аспектом является область проме жуточных скоростей РУТ, где скорость роста трещины da/dN
может быть без труда |
связана с изменением коэффициента)* |
*) Под коэффициентом |
нагрузки здесь и ниже понимается величина |
R == Ктш/Ктах отношения минимального значения коэффициента интенсив ности Amin к максимальному Атах- — Прим. ред.
1978 Pergamon Press Inc.
8 Перевод на русский язык, «Мир», 1980
интенсивности напряжений А/С с помощью уравнения
{?Г = ВАКт . |
(1) |
Также будет рассмотрена область быстрого РУТ (или высо кой скорости РУТ), где эффекты задержки могут иметь су щественное влияние. Эти три области — низкая, промежуточ ная и высокая — обозначены соответственно через А, В и С на рис. 1, где показано общепринятое представление данных
log ДЯ
Р и с . 1. Схематичное представление |
сигмоидальной |
кривой |
зависимости |
log (da/dN) от log Д/С, характерной |
для многих |
металлов и сплавов. |
|
Область А отвечает малым, область В — средним и область |
С — высоким |
||
скоростям роста усталостных трещин. |
|
РУТ в виде зависимости da/dN от ДК. Во многих случаях величина /Стах также может влиять на процесс РУТ; ниже будут приведены некоторые рассуждения, объясняющие про исхождение этого влияния величины /Стах и позволяющие определить ситуации, когда эта величина может вносить су* щественный вклад в процесс распространения трещин.
НИЗКИЕ СКОРОСТИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН
Этот режим РУТ отражен на рис. 1 (область Л). Харак терно, что верхний уровень ДК находится между 10 и 20 МПа-м'/» и da/dN <. 10~5 мм/цикл. Во всех случаях наблю*
da[dN, мм/цикл
Р и с . 2. Влияние отношения R (0,06—0,73) на кривые РУТ в среднеугле родистой марганцовистой перлитной стали при испытаниях в воздухе при частоте ~ 85 гц.
О бразец № |
Н ачальное |
R |
|
значение alw |
|||
□ |
РЗ |
0,14 |
0,06 |
■ |
Р6 |
0,32 |
0,10 |
о |
Р1 |
0,21 |
0,36 |
•А |
Р5 |
0,33 |
0,36 |
Р2 |
0,26 |
0,71 |
|
А |
Р8 |
0,28 |
0,73 |
а — длина |
трещины, |
о;-—ширина |
образца. |
дается увеличение показателя степени m в уравнении (1) с уменьшением значений ДК и da/dN. Показанная форма кри вой скорости роста должна зависеть от отношения R = = Kmin/KmiLX, микроструктуры, внешней среды, истории на гружения и взаимодействия этих факторов.
Р и с . 4. Относительная площадь поверхности разрушения, занятая внутризеренными фасетками (F) как функция Д/С при испытаниях в воздухе (а/Р)- титанового сплава T i — 6 А1—4V (О, R = 0,12; ф, R = 0,51).
Р и с . |
5. Кривые РУТ для подвергнутого отпуску |
в процессе изготовле |
||
ния |
сплава Ti—6А1—4V, |
испытанного |
в воздухе |
( ф ) и в вакууме (О) |
|
( < |
3,3 мПа) при |
R = 0,35- |
|
1,5 часа, часовое охлаждение на воздухе при 625 °С с после дующим четырехчасовым охлаждением на воздухе при 480°С. Размер исходного аустенитного зерна равен ^ 8 8 мкм и предел текучести 1090 МПа. Можно видеть, что интенсив ное развитие межзеренных фасеток происходило при варьи ровании Д/С от 25 до 14 и вне этого интервала прекращалось. Аналогичная картина образования фасеток наблюдалась в стали Еп24 и после изменения процедуры отпуска [6, 12]. Кривые РУТ становятся чувствительными к величине R в той же области значений Д/С, в которой происходит образование фасеток [6]. Пример образования межзеренных фасеток, со провождающегося вязким разрывом, показан на рис. 8.
Это проявление чувствительности роста трещин к микро структуре связывается [6—9, 13] с соотношением размера зерен и пластической зоны в конце трещины. Появление меж- и внутризеренных фасеток становится особенно замет ным, когда размер зоны «обратного» пластического тече ния1) Рг, определенный уравнением (2), оказывается меньше размера зерен [6—9]:
В нержавеющей стали марки 316 образование внутризерен
ных |
фасеток увеличивается |
при варьировании Д/С от 30 до |
15 и |
затем падает до нуля |
при Д/С = 5 МПа-м'/з [14]. Про |
центное отношение доли площади поверхности разрушения, занятой фасетками, было мало, 10% или меньше, по сравне нию с (а/Р)-титаном и легированными сталями. Значение Д/С, отвечающее максимальному образованию фасеток и мак симальному процентному отношению доли площади, заня той фасетками, возрастает вместе с размером зерен. Это на блюдение согласуется с представлениями, высказанными ра
нее.
Некоторая информация, касающаяся образования внутри зеренных фасеток, представлена в табл. 1. Плоскости, в ко торых они возникают, обычно близки к плоскостям плотной упаковки исходной кристаллической решетки, т. е. {001} в гранецентрированной кубической решетке и {0001} в гекса гональной плотноупакованной решетке. Большинство авторов)*
*) В оригинале reverse plastic zone. Под этим (в соответствии с рабо той Rice J. R. Mechanics of crack tip deformation and extension by fatique. — In: Fatique crack propagation. — ASTM STP 415, 1967, p. 247—309) понимается пластическая зона, которая возникает в условиях монотонного пропорционального нагружения образца с трещиной при параметре на гружения (—AL), где значение AL соответствует уменьшению параметра нагружения L при усталостном нагружении с амплитудой А/С в цикле. —
Прим. ред.
Кристаллографические фасетки, образующиеся при чувствительности РУТ к микроструктуре
Литератур |
М атериал |
Внешняя среда |
AK'datdN-Nf |
Плоскость ф асеток |
Методы регистра |
ный источ |
|
ции |
|||
ник |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[15] |
A l- Z n - M g |
Воздух |
|
|
{001} |
Лауэграмма |
[16] |
Al—Zn—Mg |
3%-ный раствор NaCl |
|
103 |
{001} |
|
[17] |
Си—47,6% Zn |
Воздух |
|
105 |
{110} ± |
10° |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
|
107 |
|
|
[18] |
Al 2024 |
Воздух |
5,5 |
|
3 ° —2 0 ° от {100} |
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
16,5 |
|
|
|
[18] |
Al 2024 |
Вакуум (3 • 10“ 3 |
5,5 |
|
{001} ± |
5 “ |
|
|
мм рт. ст.) |
1 |
|
|
|
|
|
|
16,5 |
|
{111} |
|
[19] |
Никелевый специаль |
Воздух |
|
104 |
{111} |
» |
|
ный сплав |
|
|
107 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[20] |
Al 2219-Т6 |
Воздух |
|
|
{111} ± |
5 ° |
|
|
|
|
|
|
i |
[21] А1 2024—7075
7178
[22]T i—8А1—IM o - lV
[22]T i—8A1—IMo—IV
[23]A1—3% Cu
[24]T i—6A I-4V Ti—4A1-4MO 2Sn—0,5Si
[25]Нержавеющая сталь марки 316
[26]а-титан
155
[27] Fe — 3% Si
Сухой воздух |
2,2 |
|
Лауэграмма |
Влажный воздух |
|
|
|
Дистиллированная вода |
11,0 |
|
|
3,5%-ный раствор NaCl |
1,1 |
{0001} и |
|
|
100 |
15° от {0001} |
|
Вакуум (2 • 10~7 |
1,1 |
2 плоскости |
{1120} |
мм рт. ст.) |
ф |
|
|
|
100 |
|
|
Воздух |
7 |
{001} ± 5 - 1 0 ° |
|
|
30 |
|
|
Сухой воздух |
|
ю7 15° от (0001) |
|
Влажный воздух |
|
{1017} |
|
Воздух |
5,5 |
{111} |
Рентгенограмма |
|
30,0 |
|
|
Воздух |
5 |
(0001) ± 5 ° |
Каналирование с |
|
14 |
|
выбранных уча |
|
|
стков поверхно |
|
|
10 |
{001} |
сти разрушения |
Воздух |
|
||
|
Ф |
|
|
|
30 |
|
|