Главная  Учебные курсы  Механика разрушения  Глава X. Распространение усталостной трещины  § 10.3. Факторы, влияющие на процесс распространения трещины

Факторы, влияющие на процесс распространения трещины

Когда возникает необходимость предсказать, как пойдет процесс распространения трещины в той или иной конструкции, необходимы экспериментальные данные, соответствующие тем условиям эксплуатации, в которых находится данная конструкция. Может оказаться, что такие данные трудно найти. На процесс распространения усталостной трещины влияет бесчисленное количество параметров, а условия, в которых проходит испытание, редко совпадают с условиями эксплуатации. Наиболее заметно влияние окружающей среды. Испытания обычно выполняются при заданных условиях в окружающей среде, и разброс данных, полученных в испытаниях на выносливость, можно частично отнести за счет этого факта.

Влияние окружающей среды на скорость роста трещины было предметом множества исследований, которые проводились на различных материалах (см. [27—33]). Было показано, что в воздухе нормальной влажности скорость распространения трещины может быть на порядок выше, чем в вакууме (см. [28, 31]). По Гартману [27], влияние влажности воздуха следует прежде всего отнести за счет водяных паров, а не кислорода. Он наблюдал одинаковые скорости распространения трещин во влажном аргоне и влажном кислороде и равные, но гораздо более низкие скорости в сухом аргоне и сухом кислороде. Эти опыты проводились на алюминиевом сплаве. Эктер [32] пришел к выводу, что для других материалов зависимость скорости распространения трещины от окружающей среды может быть иной.

Что касается объяснения влияния окружающей среды на скорость распространения трещин, то здесь не существует единого мнения (см. [28, 33, 34]). Вероятно, к различным материалам будут применимы различные объяснения. Этот эффект, несомненно, объясняется действием коррозии и как таковой зависит от времени. Поэтому обычно предполагается, что эффект влияния окружающей среды связан с небольшим, но систематическим влиянием частоты цикла (см. [28, 34, 35, 36]).

Среди множества факторов, влияющих на распространение трещины, для предсказания того, как пойдет процесс ее роста, необходимо учитывать следующее: а) толщину; б) вид изделия; в) термообработку; г) остаточные деформации; д) температуру; е) завод-изготовитель; ж) изменения, происходящие в изделии от партии к партии; з) влияние окружающей среды и частоты цикла.

В этом перечне факторы расположены в порядке возрастания сложности объяснения их действия с помощью механики разрушения. В данной работе не будет сделано никаких попыток проиллюстрировать влияние этих факторов на экспериментальные данные главным образом потому, что действие некоторых факторов на различные материалы будет проявляться по-разному. Кратко будут отмечены некоторые общие тенденции главным образом для того, чтобы отметить влияние того пли иного параметра; ссылки на литературу облегчат поиск большего количества данных.

Влияние толщины материала можно учесть достаточно точно, поскольку толщину рассматриваемого узла легко узнать. В тонких листах влияние толщины на процесс распространения трещины слабое, но систематическое (см. [38, 39]). Этот эффект возникает, как правило, перед сменой типа разрушения (см. [38]). Усталостные трещины в тонких листах всегда образуются как разрывные трещины, перпендикулярные поверхности листа. С ростом трещины увеличивается размер зоны пластичности и, в конце концов, может образоваться плоское напряженное состояние. Это приводит к тому, что усталостная трещина преобразуется к типу одинарного или двойного сдвига (см. [9]), как показано на рис. 10.6. Плоское напряженное состояние развивается в пластине, когда размер зоны пластичности становится равным по порядку величины толщине этой пластины.

Рис. 10.6. Развитие усталостных трещин в тонких листах из алюминиевого сплава:
а — двойной сдвиг; б - одинарный сдвиг; в — схема одинарного сдвига; г — схема двойного сдвига;
1 — рост; 2 — разрыв; 3 — срез; 4 - окончательное разрушение

Поэтому ясно, что эффект влияния толщины связан с переходом от одного типа разрушения к другому. Изменение типа усталостной трещины аналогично изменению типа разрушения, которое подробно рассмотрено в гл. IV. Изменение типа усталостной трещины может произойти только в том случае, если окончательное разрушение узла происходит при плоском напряженном состоянии. Если бы разрушение должно было произойти в условиях плоского деформирования, то оно произошло бы до завершения перехода от одного типа усталостной трещины к другому. (Обратите внимание на то, что поворот поверхности разрушения на 45° может все-таки происходить за счет усталостных процессов.) На рис. 10.7 представлены некоторые данные, указывающие на то, что в более толстых листах скорости роста усталостной трещины выше. Эти данные говорят о том, что при одной и той же интенсивности напряжений при плоском напряженном состоянии рост трещины происходит медленнее, чем при плоской деформации.

Рис. 10.7. Зависимость процесса распространения усталостной трещины
в тонком листе из алюминиевого сплава 2024-ТЗ от толщины этого листа [38]

При изучении процесса распространения трещин в очень толстых сечениях возникает множество проблем. Такие трещины могут развиться в виде четвертьэллиптических угловых трещин или полуэллиптических поверхностных раковин. Интенсивность напряжений вдоль фронта раковины меняется, а ее максимальное значение защит зависит от формы раковины. Полагая, что скорость распространения трещины зависит от интенсивности напряжений, приходим к выводу, что скорость роста трещины вдоль фронта раковины будет меняться. Последнее означает, что форма раковины может постепенно превратится в полукруг, вдоль периметра которого значения К и da/dn постоянны. В анизотропных материалах процесс распространения трещин может быть иным.

Распространение поверхностных раковин было исследовано в работах Фрэнсиса [40] и Холла [41] и этих работах было отмечено, что циклический процесс определяется главным образом отношением Ki/KIc, в котором Ki — начальная максимальная интенсивность напряжений в первом цикле, а К — вязкость разрушения. В гл. III уже говорилось о том, что эллиптическая раковина может быть описана величиной a/Q где а — размер малой полуоси эллипса, a Q — параметр формы раковины. Эксперименты Холла [41] показывают, что между величиной d (a/Q)/dn и коэффициентом интенсивности напряжений существует соотношение, аналогичное для случая сквозных трещин:

(10.12)

Данные, приведенные на рис. 10.8, подтверждают справедливость уравнения (10.12).

Рис. 10.8. Кривые роста для поверхностных выемок [41] (по данным Пергамона)

Упомянув об анизотропии, мы, по существу, коснулись вопроса о влиянии типа изделия. Параметры распространения трещин для определённого сплава в пластинах, полученных выдавливанием и ковкой, будут отличаться, поскольку в последнем случае материал пластины может быть существенно анизотропным. Ван Лиивеном [42, 43] был исследован процесс распространения трещин в кованом алюминиевом сплаве. С этим процессом тесно связаны другие параметры обработки, в особенности термообработка. Термообработка может оказывать большое влияние на процесс распространения усталостной трещины, и для различных сплавов это влияние может проявляться по-разному (см. [39, 42]). Термообработка, предназначенная для улучшения свойств материала, например для повышения его коррозионной стойкости, не всегда приводит к повышению его выносливости. Поэтому стоит также проверить, как меняется скорость распространения трещины с изменением режима термообработки, которая проводится для улучшения других свойств материала.

Многие материалы в промежутке между закалкой и старением подвергаются вытяжке. Кроме того, во многих конструкциях требуется деформирование материала посредством его изгиба или изгиба и вытяжки (кривизна панелей, фланцевание). За счет механического упрочнения и благодаря влиянию, оказываемому на последующий процесс старения, это деформирование влияет на вязкость разрушения материала. Следовательно, можно ожидать, что оно влияет также и на процесс распространения трещины. Благотворное влияние на процесс распространения трещин в листах из стали 2024 оказывают деформации от 1 до 3% (см. [44]), однако при больших деформациях механическое упрочнение становится слишком сильным и свойства материала вновь ухудшаются. Совершенно очевидно, что для других сплавов эти эффекты могут проявляться иначе.

Практически все свойства материала зависят от температуры. Одним из свойств материала является скорость распространения усталостной трещины (см. [45, 46]). Повышение температуры отрицательным образом сказывается на скорости распространения трещины. Умеренно низкие температуры улучшают свойства материала, от которых зависит процесс распространения трещин (см. [47]), как показано на рис. 10.9. Это может быть вызвано тем фактом, что при более низких температурах ослабляется динамический эффект противодействия близлежащих слоев материала. Увеличение предела текучести при очень низких температурах может уравновесить положительное влияние температуры.

Рис. 10.9. Влияние температуры на рост усталостной трещины [47]

При предсказании процесса роста трещины труднее всего учитывать такие факторы, как различие свойств изделий, изготовленных разными предприятиями, изменения, происходящие от партии к партии, а также влияние окружающей среды.

Совершенно очевидно, что скорость распространения усталостной трещины не в такой степени определяется свойствами материала, как предел прочности или предел текучести. На скорость распространения усталостной трещины влияет столько неконтролируемых факторов, что она представляется даже менее устойчивым свойством материала, чем вязкость разрушения. На практике следует ожидать большого разброса значений скоростей распространения трещин; это выражается в том, что экспериментальные точки на диаграмме зависимости da/dn от ΔК попадают в широкую полосу.

Таким образом, следует сделать заключение, что говорить о полезности различных выражений, связывающих величины da/dn и ΔК, рассматриваемых в данной главе, нет достаточных оснований. Большой разброс экспериментальных данных означает, что любое выражение полученное эмпирическим путем, может обладать определенными достоинствами (в особенности, когда оно применяется к ограниченному числу данных для небольшого количества сплавов). Когда необходимо предсказать, как пойдет процесс распространения трещины, ввиду рассмотренных выше эффектов всегда следует применить большой коэффициент надежности. Поэтому ни одно выражение для da/dn не будет иметь существенных преимуществ по сравнению с другим. С точки зрения машинных вычислений наиболее подходящей может оказаться полиномиальная аппроксимация. Справедливость этого вывода становится более очевидной, когда приходится учитывать такой осложняющий фактор, как переменная амплитуда нагружения, о чем пойдет речь в следующем параграфе.



 Предыдущая  § 10.3. Факторы, влияющие на процесс распространения трещины  Следующая 
 
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line
Яндекс цитирования
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line