Пластическая деформация металлов - Хоникомб Р.
Скачать (прямая ссылка):
8. Размер зерен
В общем случае сопротивление усталости увеличивается с уменьшением размера зерен. Принято считать, что это происходит в результате того, что границы зерен служат хорошим препятствием при распространении усталостной трещины, так же как и при росте хрупкой трещины. Однако если зависимость хрупкого разрушения от размера зерен изучена детально, то аналогичной проблеме для случая усталостного разрушения уделено значительно меньше внимания.
§ 7. Распространение усталостных трещин
Было отмечено, что распространение усталостных трещин — процесс прерывистый, до некоторой степени связанный с циклами изменения напряжения. Имеются также свидетельства того, что характер распространения
362 Глава 14
трещины чувствителен к величине напряжения. При более высоких напряжениях, соответствующих верхней ветви 5 — уу-кривой, трещины могут иметь типичный вязкий характер и зарождаться внутри металла, тогда как при более низких напряжениях появляются трещины, вид которых «типичен» для трещин, зарождающихся в полосах скольжения. Это различие подтверждается при наблюдении за процессом усталости монокристаллов окиси магния в широком интервале напряжений [41J. В области высоких напряжений полная пластическая деформация до разрушения значительно ниже, чем та, которая имеет место при низких напряжениях.
На практике встречается много случаев, когда усталостные трещины появляются в зонах концентрации напряжений, таких, как надрезы, но далее
не распространяются [42]. Это привело к появлению теории, согласно которой материал вблизи надрезов изменяет свое состояние под действием высоких местных напряжений, результатом чего является более высокая сопротивляемость разрушению.
На фиг. 14.24 приведеп график зависимости переменного напряжения от остроты надреза (пропорциональной коэффициенту концентрации напряжений) для мягкой листовой стали. Кривая 2 показывает напряжение, необходимое для зарождения трещины, а кривая 1 — напряжение , обеспечивающее ее распространение. Нераспро-страняющиеся трещины в данном случае находятся в области, ограниченной кривыми 1 и 2, справа от вертикальной линии. Тот факт, что ^распространяющиеся трещины встречаются главным образом в сплавах, склонных к деформационному старению, например в сталях и алюминиевых сплавах, приводит к мысли, что очаг деформации вблизи трещины подвергается деформационному старению в первую очередь, что приводит к соответствующему повышению сопротивления распространению трещины. Ясно, что деформация в вершине надреза является весьма важным фактором, так как было показано, что временная перегрузка уже треснувшего образца может затруднить дальнейшее распространение трещины [431.
Недавние работы [44, 45], посвященные исследованию структуры монокристаллов алюминия и поликристаллических меди и алюминиевых сплавов, показали, что в процессе роста трещины можно различить две стадии. Первая стадия связана с циклическими сдвигами в плоскостях скольжения, сопровождающимися некоторым скольжением во вторичных системах. Вторая стадия соответствует другому характеру роста трещины, который в этом случае контролируется нормальными напряжениями в ее вершине. На этой стадии весьма важным процессом является также поперечное скольжение; в связи с этим предполагают, что повышенное сопротивление росту трещин в металлах с низкой энергией дефекта упаковки объясняется характерным для них затрудненным поперечным скольжением [49].
Теория распространения усталостных трещин довольно сложна; однако существует общепринятое мнение, что скорость распространения усталостной
Ноэффици енгп остроты надреза
Ф и г. 14.24. Зависимость сопротивления усталости от остроты надреза для мягкой листовой стали [42].
1 — напряжение, необходимое для распространения трещины; 2 — напряжение, необходимое для возникновения трещины; з — теоретическая кривая; 4 — предел усталости.
Усталость
363
трещины может быть выражена следующим образом:
где Лг — число циклов, X — расстояние, на которое переместилась трещина, с — половина длины центральной трещины, к — постоянная, зависящая •от величины напряжений и вида сплава. В некоторых теориях принимают п ft 1 [46], тогда как Хед [47] определил, что п = 3/2; оба эти значения получены на основании результатов экспериментов, однако есть основания ¦считать, что иногда п может достигать значения, равного 3.
Было установлено также, что скорость роста трещины является функцией Oq]/ с, где O0 — напряжение, рассчитанное на полное сечение образца [45]. Таким образом, для двух образцов, в которых трещины растут с одинаковой скоростью,
A1Cf ---А;2с? (14.7)
и OGiVCi = Qg2Vc2i откуда А {оа)2п с? = А (Оо2)2п с% и коэффициент пропорциональности U = AuQ1', следовательно,
dx і fi„ и
так что
dN G
dx
log(-^)=log4 + 2nlogagcv.. (14.
Таким образом, результаты экспериментов должны укладываться на прямую линию с наклоном 2п, если их наносить в виде зависимости log (dxIdN) от log о-с1/2. Однако данные опытов не полностью отвечают этой закономерности, если принять п равным 1 или 1,5. При низких напряжениях 7г ft 2, тогда как при высоких напряжениях п изменяется и приближается к 3. Таким образом, не существует простого выражения, которое было бы справедливо для всего интервала условий эксперимента, однако не вызывает сомнения чрезвычайно большая роль как величины напряжения, так и длины трещины.
