Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Некоторые проблемы механики усталостного разрушения 6
1. Кинетика усталостных явлений 6
2. Основные положения механики хрупкого разрушения 11
3. Теоретические зависимости для описания скорости роста усталостных трещин 15
ГЛАВА II. Обзор современных работ по усталостному разрушению 30
1. Иерархия трещин в механике циклического разрушения 30
2. Влияние начальной поврежденности и размера зерна на рост усталостных трещин 39
3. Влияние берегов трещины на эффект ее закрытия при циклическом нагружении 44
4. Оценка усталостной долговечности некоторых материалов 46
ГЛАВА III. Рост усталостных трещин (теория) 59
1. Вывод зависимости для скорости роста усталостной трещины 59
2. Мгновенная реакция 60
3. Чистое последействие 61
4. Общий случай 62
ГЛАВА IV. Рост усталостных трещин (экспериментальные работы) 64
1. Влияние параметров циклического нагружения на скорость роста усталостных трещин 64
1.1. Влияние среднего напряжения и асимметрии цикла 64
1.2. Влияние частоты циклов нагружения 78
2. Влияние внешних условий на скорость роста усталостной трещины 84
2.1. Влияние температуры 84
2.2. Влияние агрессивных сред 97
ГЛАВА V. Многослойные материалы с центральной трещиной нормального разрыва 110
1. Постановка задачи 110
2. Решение краевой задачи 112
3. Анализ решения. Коэффициент интенсивности напряжений 119
4. Решение интегрального уравнения Фредгольма второго рода 120
5. Усталостная долговечность многослойных материалов с центральной трещиной нормального разрыва 123
5.1. Определение критической длины трещины 124
5.2. Расчет долговечности многослойной конструкции 127
Выводы 135
Литература
- Основные положения механики хрупкого разрушения
- Влияние берегов трещины на эффект ее закрытия при циклическом нагружении
- Чистое последействие
- Влияние внешних условий на скорость роста усталостной трещины
Введение к работе
Проблема установления закономерностей развития трещин приобретает особую актуальность в связи с применением высокопрочных материалов, тенденцией современной техники к облегчению машин, изысканием резервов прочности материалов, выбором оптимальных технологических, процессов изготовления и упрочнения материалов, а также назначением оптимальных сроков службы и повышением надежности работы деталей.
Скорость роста усталостных трещин является важной характеристикой механических свойств. Ее использование позволит улучшить выбор материалов для различных назначений, решить многие вопросы, связанные с безопасной работой деталей, с одной стороны, и наиболее полным использованием их работоспособности с другой. Усталостная долговечность, а также соотношение между размером трещины и остаточной прочностью дают представление о живучести детали и косвенно о склонности поврежденной детали к хрупкому разрушению. Эти данные создают базу для решения вопросов диагностики технического состояния, назначения рациональной периодичности осмотра и прогнозирования остатка ресурса ответственных деталей, подверженных усталостным повреждениям.
Поиск в материаловедении идет в направлении изыскания материалов с большим сопротивлением развитию трещин, т.е. высокой циклической трещиностойкостью. Во многих случаях эти свойства не совпадают с высокими значениями прочности при статическом кратковременном нагружении.
Одной из основных задач современной механики деформируемого твердого тела является разработка и внедрение новейших методов оценки сопротивления разрушению. Учение о прочности представляет в настоящее время весьма обширную и разветвленную область знания. Механика разрушения как часть теории прочности занимается изучением причин и условий, приводящих к разрушению, и указывает пути их предотвращения.
Многие конструкции или их силовые элементы при эксплуатации часто разрушаются вследствие появления и развития в них усталостных трещин. Несмотря на важность этой проблемы, механика усталостного разрушения получила значительно меньшее развитие, чем линейная механика разрушения.
В настоящее время идет формирование механики усталостного разрушения: создание и уточнение феноменологических моделей зарождения и квазихрупкого развития усталостных трещин с учетом воздействия активных сред, их экспериментальной обоснование; разработка подходов для исследования закономерности распространения трещин, когда не имеют места представления механики хрупкого разрушения.
Данные о скорости роста усталостной трещины дают информацию о способности материала или детали сопротивляться, так называемому конечному усталостному разрушению в конкретных условиях нагружении. Особый интерес представляет скорость роста трещины до момента достижения трещиной определенного критического размера, выше которого наступает катастрофическое ее развитие. Речь идет, в основном, о прогнозировании времени воздействия нагрузки до этого момента.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию некоторых вопросов механики усталостного разрушения многослойных сред.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
обобщение феноменологических подходов теории квазихрупкого развития усталостных трещин с учетом кинетических эффектов в однослойных и многослойных материалах;
экспериментальная проверка уточненной теории с учетом влияния на рост усталостных трещин параметров циклического нагружения, температуры, инактивных сред;
оценка долговечности конструкции из слоистых материалов на основе обобщенной теории роста трещин.
Основные положения механики хрупкого разрушения
Картина усталостных изменений позволяет ориентироваться в их видах и развитии в зависимости от амплитуды напряжения и числа циклов. Кроме того, она позволяет количественно описать эти изменения, так как на ее основе можно устанавливать, в какой области и при каком относительном числе циклов до разрушения появляются следы скольжения или микротрещины. Так, например в исследуемом армко-железе в условиях данного нагружения следы скольжения в полосе амплитуд напряжений от 180 до 155 МПа появлялись соответственно при 0,1 и 0,2% от полной долговечности образцов; при амплитудах напряжений 210-155 МПа микротрещины могут зарождаться после 0,75-10% от полной долговечности. После 8-25% долговечности образцов при тех же амплитудах напряжений уже заметно развиваются усталостные трещины.
В работе [95] приведены результаты обширных исследований различных марок технического железа и углеродистой стали с содержанием углерода от 0,0035 до 0,14% выплавленных в вакууме и в обычных условиях. Кроме установления влияния содержания углерода, предела прочности на растяжение, предела текучести и величины зерна на предел выносливости при циклическом симметричном изгибе целью исследований было также и построение, линии первых следов скольжения. Авторы работы назвали эти линии граничными деформационными линиями. На рис.3 показано положение этих линий относительно кривой усталости.
В [94] приведены линии зарождения трещин длиной 0,1мм в стали St37-3 и St52-3 (0,1 и 0,19% С). Период до образования трещин в стали St37-3 составляет от 42 до 67% долговечности, а в стали St52-3 - до 86%. Исследование образцов из стали St37-3 с мелко- и грубозернистой структурой зерна по ASTM соответственно 3-6 и 8-9 баллов показало, что появление первых следов скольжения связано с размерами зерна, в особенности ниже предела выносливости. В образцах с мелкозернистой структурой эти следы появились при амплитуде напряжения на 44,5% ниже предела выносливости, а в грубозернистом материале - соответственно на 29,5% ниже.
Скольжение в образцах стали St37-3 после деформации со степенью обжатия от 12,5 до 75% наблюдается значительно раньше, чем в недеформированных образцах.
В [93] указано, что линии появления скольжения и зарождения трещин зависят почти от всех факторов, влияющих на протекание усталости, в том числе и от формы цикла, спектра напряжений и от среднего напряжения. Показана также исключительно сильная связь времени до появления следов скольжения с видом материала и технологией обработки.
График зависимости числа циклов до зарождения трещины длиной 0,25мм в образцах из сплавов системы Al-Cu-Mg (2024-ТЗ) и Al-Zn-Mg (7075-Т6) от размаха коэффициента интенсивности напряжений АК\ представлен в [43]. Показано, что размах AKi является основным параметром, контролирующем зарождение трещины от разного рода дефектов. Коэффициент интенсивности напряжений Kj в сочетании с другими величинами принят за общую основу для исследования инициирования трещин.
Основой для расчета скорости роста усталостных трещин служили, прежде всего, гипотезы и допущения о распространении хрупких и квазихрупких трещин, базирующиеся, в основном, на работе [101]. Эти работы относятся к основополагающим в новой области науки - механике разрушения, находящейся на стыке механики и материаловедения. В соответствии с ее предпосылками можно определить рабочее напряжение для конструкций с существующими трещинами или разными производственными дефектами и соответственно определить допустимый размер толщины для эксплуатационных условий. Можно также рассчитать число циклов до момента достижения трещиной критического размера.
Вершина трещины в теле, находящемся под нагрузкой, является инициатором разрушения, поэтому изучение процесса разрушения, обусловленного распространением трещины, предполагает прежде всего знание распределения напряжений и смещений вблизи конца трещины. Анализ напряжений и деформаций в хрупком теле методами линейной теории упругости позволяет представить самое сложное состояние в области вблизи вершины как суперпозицию более простых полей, соответствующих состояниям отрыва (вид I), поперечного сдвига (вид II) и продольного сдвига (вид III) (рис.4). Напряжения и смещения составляющих состояний вблизи фронта трещины на расстояниях, малых по сравнению с характерным размером тела, определяется следующими соотношениями [42, 56, 102].
Влияние берегов трещины на эффект ее закрытия при циклическом нагружении
В [55] разработана методика и выполнены экспериментальные исследования влияния берегов трещины на эффект ее закрытия при циклическом нагружении.
В широко известном эффекте закрытия трещины (ЗТ) различают пять механизмов, каждый из которых при определенных условиях вносит свою долю в уменьшение размаха коэффициента интенсивности напряжений. Это уменьшение определяет эффективный вклад КИН в рост усталостной трещины.
Указанные механизмы можно разделить на две группы. К первой группе относится закрытие трещины вследствие наличия на ее берегах пластически деформированного слоя, образовавшегося в процессе разрушения, и пластической зоны в вершине трещины. Это так называемое элберовское закрытие трещины (ЗТП). Еще один механизм, принадлежащий к данной группе, - это ЗТ вследствие наличия остаточных напряжений сжатия в вершине трещины, которые закрывают трещину.
Механизмы второй группы являются производными от первой. Эти механизмы связаны с процессами образования на берегах трещины окисных пленок, продуктов фреттинг-коррозии, новых структур при фазовых превращениях в зоне предразрушения. Они обусловлены невозможностью реализации полного размаха КИН при наличии вязкой среды и шероховатостью берегов трещины.
На основании вышеизложенного можно заключить, что на величину закрытия трещины в первую очередь влияют ее берега и вершина. В работе [55] предпринята попытка экспериментально оценить влияние берегов на эффект ЗТ, т.е. отдельно вклад берегов и вершины трещины в указанный эффект.
Исследовали две стали, применяемые для изготовления энергетического оборудования, и алюминиевый сплав АМгб. Сталь 15X11МФ ферритомартенситного класса испытана в двух различных состояниях (КП70 и КП60), полученных при разной температуре закалки и последующего отпуска. Сталь 20X13 термообработана на бейнитную структуру. Сплав Амгб рассматривался в отожженном виде.
Исследуемые стали по механическим характеристикам были близки между собой, а сплав АМгб существенно отличался от них как прочностными характеристиками, так и пластичностью и коэффициентом деформационного упрочнения при статическом нагружении.
При испытании на циклическую трещиностойкость была разработана методика исследования влияния берегов трещины на эффект ее закрытия, заключающаяся в удалении материала с берегов трещины в процессе испытания.
Асимметрия цикла и удаление материала с берегов трещины в процессе испытаний на циклическую трещиностойкость при симметричном цикле нагружения приводят к смещению диаграмм усталостного разрушения относительно диаграммы при симметричном цикле нагружения без удаления материала с берегов трещины в сторону снижения характеристик трещиностойкости. При этом величина снижения трещиностойкости для сталей с близкими механическими свойствами разная.
В эффект закрытия трещины вносят вклад как ее берега, так и вершина. Влияние берегов трещины более существенно в области линейного участка диаграммы усталостного разрушения, а вершины - на припороговом участке. Известны материалы, у которых срезание берегов трещины по предложенной методике полностью устраняет эффект закрытия трещины на линейном участке ДУР, вследствие чего она совпадает с полученными при больших асимметриях цикла нагружения.
Влияние асимметрии цикла нагружения на изменение характеристик трещиностойкости алюминиевого сплава АМгб отличается от такового для сталей, что связано с существенным статическим и циклическим упрочнением этого материала в процессе нагружения. Испытания при симметричном цикле нагружения со срезанием берегов трещины приводят к такому же эффекту, как у сталей: диаграмма усталостного разрушения смещается в сторону снижения характеристик трещиностойкости.
В [60] исследовано влияние уровня напряжений, асимметрии цикла и нестационарности нагружения на долговечность низколегированных сталей марок 09Г2 и 09Г2С и локальных моделей несущих систем мобильных машин.
Как для образцов, так и для моделей с ростом напряжений уменьшается общая долговечность до разрушения Np и изменяется соотношение между периодами до появления N0 и развития N» трещины (рис. 9,10).
С увеличением уровня напряжений долговечность по окончательному разрушению Np и появлению трещины No, а также время развития трещины Ыж уменьшается. Однако, если для локальных моделей отношение N /NP также уменьшается, то для образцов - увеличивается. Это значит, что для образцов с уменьшением уровня напряжения долговечность по разрушению повышается а основном за счет увеличения времени до появления трещины.
В данном случае это вызвано отсутствием концентрации напряжений, когда время до появления трещины No определяется в основном уровнем действующих напряжений и не зависит от величины и концентрации.
Чистое последействие
Эта формула справедлива при Kimax KIV, где K1V- пороговый коэффициент интенсивности напряжений. При Kimax KIV — = 0. Кроме того, предполагается, dN что КШп О.В противном случае следует положить КЫп = 0, т.к. при сжатии трещина закрывается (за исключением, быть может, малой области вблизи конца трещины) и концентрация напряжений в конце трещины исчезает. ЕсшК1тах - K./tdl/dN- cQ. Полученная формула скорости роста трещин, как показывает сравнение теоретических результатов с имеющимися экспериментальными данными, достаточно хорошо описывает процесс усталостного разрушения.
Предложенная формула учитывает влияние таких факторов, как амплитуда нагружения, частота нагружения, асимметрия цикла, структура тела и, прежде всего, величина и расположение начального дефекта, геометрия тела, внешняя температура тела и окружающей среды.
Данная формула отличается от других формул тем, что помимо эффектов пластической деформации в области конца трещины, также учитывает и кинетические эффекты.
Недостаток некоторых зависимостей, учитывающих влияние кинетических эффектов, заключается в том, что, после снятия внешней нагрузки скорость роста трещин становится постоянной, то есть не обращается в нуль. В полученной новой формуле этот недостаток устранен, т.е. если Кітах=0, то и dl -Л Кітіп=0, в этом случае — - У. Все перечисленные ранее факторы позволяют сказать о ценности формулы.
Среднее напряжение ат и коэффициент асимметрии цикла R влияют очень разно на скорость роста трещины в зависимости от их значений, условий нагружения, интервалов скоростей роста и материала.
В общем случае при увеличении ат разрушение ускоряется. Существенную роль при этом играют пластическая деформация и релаксационные явления. Поэтому разные материалы по-разному чувствительны к воздействию 7т или асимметрии цикла.
В исследованиях [113] показано существенное влияние коэффициента R на скорость роста трещины в стали повышенной прочности 20Г2АМ) (0,2 % С, 0,02 % Si, 1,5 % Мп, 0,02 % Nb) при растяжении и растяжении-сжатии (рис.14). Влияние это в значительно меньшей степени проявляется при изгибе (рис.15).
На рис. 14 и 15 показана кинетическая диаграмма усталостного разрушения стали 20r2ANbY при разных значениях коэффициента асимметрии цикла. Теоретические кривые построены по формуле (1.3.20) и по новой формуле (3.4.2) при следующих значениях постоянных:
Также небольшие изменения в зависимости от коэффициента R на диаграмме — = f(AK,) отмечены в стали 15Г2А1МЬ при растяжении и dN растяжении-сжатии. Очень малое влияние jm на скорость роста трещины в упоминаемых металлах подтверждено в работе [81] на примере диаграмм dN Целью работы [78] было исследование скорости роста усталостной трещины в стали повышенной прочности 18Г2А в широком диапазоне изменений коэффициента асимметрии цикла R.
Образцы из этой стали длиной 265 мм, шириной 45 мм и толщиной 5 мм с центральной щелью длиной 6 мм (отверстие диаметром 3 мм и от него инициирующие трещину боковые надрезы длиной 1,5 мм и шириной 0,5 мм) подвергали циклическому растяжению при Д=0,5; 0,25; и 0, а также растяжению-сжатию при R= -0,5 и -1. Развитие трещины наблюдали с помощью оптических методов, регистрировали электронными приборами с помощью тензодатчиков, наклеенных на образцы, а также сопоставляли с результатами электронно-микроскопических исследований поверхности трещин. Увеличение длины трещины в зависимости от числа циклов в разных образцах, исследованных на одном и том же уровне аа, не было одинаково, хотя средняя разница не превышала 25%. Были они и при циклическом сжатии-растяжении с R=-1.
На рис.16 приведены кривые роста трещин для R=0,5; 0 и -0,5. Упоминаемые отклонения не отражены на данной диаграмме — = f(AK,). При подсчете величины ЛК/ учитывали поправочный коэффициент и ширину образцов. Влияние коэффициента асимметрии цикла R на скорость роста трещины очень заметно и закономерно, вместе с увеличением R и среднего напряжения ат скорость роста трещины возрастает. Рассмотренное влияние уменьшается при более высоких значениях R. Результаты данных исследований хорошо описываются уравнением (3.4.2) при значениях постоянных величин:
Влияние внешних условий на скорость роста усталостной трещины
Влияние 3,5 %-ного раствора NaCl на скорость роста трещины в сталях St.41U5 и 15G2ANb и в их сварных соединениях подробно исследовано в Гданьском политехническом институте. Увеличение скорости роста трещины в соленой воде в основном материале, в сварных швах и в зоне термического влияния при циклическом растяжении с R =0,13ч-0,15 было небольшим по сравнению со скоростью в лабораторном воздухе. Результаты опытов располагались практически в общих полосах разброса.
Скорость развития усталостных трещин в термически улучшенной малолегированной стали (0,48 % С, 0,97 % Мп, 1,42 % Ni, 1 % Сг, 0,26% Мо) была в тридцать раз ниже в вакууме (1 МПа), чем на воздухе, и не зависела от R (R изменяли от 0,12 до 0,7) [70]. В то же время эта зависимость существовала на воздухе.
Интересные результаты, относящиеся к поведению стали SAE4340 (0,4 % С, 1,75 % Ni, 0,84 % Сг, 0,23 % Мо, закалка от 820С в масло, отпуск при 360С, сів = 1570 МПа) на воздухе с разной степенью влажности и разной температуры получены при циклическом нагружении [ПО]. Максимальная долговечность и минимальная скорость роста трещины установлены при влажности в пределах от 3 до 50% и температуре от 40 до 100С. Результаты старались объяснить «оптимальным» содержанием водорода в этих условиях.
В работе [136] установлено трехкратное увеличение скорости роста трещины в коррозионностойкой стали (17,8 % Ni; 4,95 % Мо; 7,6 % Со; 0,45 % Ті) в сухом водороде по сравнению с влажным водородом.
Приблизительно такие же скорости, как и в увлажненном водороде, наблюдали в сухом и увлажненном аргоне. Скорость роста трещины в термически улучшенной стали 4340 повышалась двадцатикратно в атмосфере водяного пара [143].
103 Влияние чистого водорода, влажного сероводорода H2S и водного 3,5%-ного раствора NaCl на скорость развития усталостных трещин в стали 835 МЗО (0,27 % С; 3,97 % Ni; 1,11 % Сг; 0,14 % Мо, аустенитизация при 830С, закалка в масло, отпуск при 200 С) при разном значении коэффициента асимметрии цикла R были предметом исследований [129]. Установлено заметное ускорение разрушения в сероводороде, в особенности при высоких R (рис.34).
Скорости роста трещины в образцах из алюминиевого сплава 2024-ТЗ в лаборатории на открытом воздухе практически одинаковы [133]. В алюминиевом сплаве 7075-Т6 скорость роста трещины увеличивалась в атмосферных условиях в два раза. Это можно приписать большей чувствительности этого сплава к коррозии под напряжением, которой способствовала высокая влажность воздуха.
В [120] были построены КДУР алюминиевого сплава 7075-Т6 в сухом и влажном воздухе при двух коэффициентах асимметрии цикла. Скорость роста трещины во влажном воздухе увеличивается по сравнению с сухим воздухом (рис.35). КДУР алюминиевого сплава 7075-Т6 в сухом (1) и влажном (2) воздухе при двух коэффициентах асимметрии цикла.
Среди шести сплавов систем Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu сплавы последней системы были наиболее чувствительны к действию 3,5%-ного водного раствора NaCl; скорость роста трещины возрастала в них пятикратно по сравнению со скоростью на воздухе [73]. Полностью нечувствительным к этому воздействию оказался сплав 2219-Т87 из системы Al-Cu-Mg.
Усталостная трещина в титановом сплаве T16A14V развивалась примерно десятикратно быстрее в 3,5%-ном растворе NaCl для данного К1тах, чем в сухом воздухе [84]. В [145] были исследованы скорости роста трещин в чистом титане с малым содержанием кислорода (IMI 130), с большим содержанием кислорода (ТІ-70) и сплавы титана Ti25Cu и Ti5A12,5Sn. Исследование проводили при циклическом растяжении с R-0,1 и 0,667 в сухом аргоне, воздухе, дистиллированной воде и в 3,5%-ном растворе NaCl. Скорость роста трещины в этих материалах увеличивалась в порядке расположения упоминаемых сред. Лучше всего с учетом трещиностойкости вел себя сплав Ti5A12,5Sn, поскольку в этом сплаве не проходила коррозия под напряжением.
В [76] проводили исследования титановых сплавов Ti6A14V (высокопрочных а+р сплавов титана) при циклическом растяжении с R=0,\ в разных средах, при разных частотах циклов нагружения и разной форме цикла. Показано, что форма цикла оказывает влияние на скорость роста трещины в сплаве Ti6A16V2Sn для случая испытаний в растворе бромида калия.
Отмечены следующие виды влияния частоты циклов на скорость роста трещины в сплавах титана: 1) независимость от частоты в вакууме, аргоне, на воздухе; 2) скорость роста трещины увеличивается по мере снижения частоты, например, в метановом спирте; 3) влияние частоты изменяется ниже и выше Kiscc, например, в водных растворах NaCl и КВг.
Различные структуры сплава Ti6A14V не изменяли существенно скорость роста трещины в этом сплаве в вакууме [103]. В то же время наблюдается небольшое влияние асимметрии цикла на скорость роста трещины в сплаве Ti6A14V с мартенситной структурой. Скорость роста трещины в вакууме была в два-три раза меньше, чем на воздухе. На рис.36 показана КДУР сплава Ti6A14V в вакууме при двух значениях коэффициента асимметрии цикла R. Скорость роста трещины описана с помощью зависимости (3.4.2).
