Природа усталостного разрушения

Природа усталостного разрушения

Усталостное разрушение является результатом многократно повторных быстро чередующихся упругих и пластических деформаций, распределяющихся в силу неоднородности материала неравномерно по объему детали. Первичные повреждения возникают в микрообъемах, неблагоприятно ориентированных относительно действия нагрузки, преднапряженных остаточными напряжениями и ослабленных местными дефектами. Постепенно накапливаясь и суммируясь, локальные повреждения дают начало общему разрушению детали.

В процессах усталостного повреждения большую роль играет очаговое тепловыделение в микрообъемах, подвергающихся деформациям. В результате повышения температуры прочность материала в микрообъемах снижается, что облегчает образование новых пластических сдвигов, которые, в свою очередь, способствуют повышению температуры. У закаленных сталей микронагрев вызывает локальный отпуск и возникновение в перенапряженных микрообъемах трооститной или сорбитной структуры с пониженной по сравнению с мартенситом прочностью.

Тепловыделение в микрообъемах тем больше, чем больше амплитуда напряжений и меньше коэффициент асимметрии цикла. С другой стороны, местное повышение температуры зависит от свойств материала и его структурных составляющих. Повышение температуры в микрообъемах тем больше, чем меньше теплопроводность и теплоемкость материала и выше его циклическая вязкость, определяющая (на стадии упругих деформаций) долю необратимого превращения энергии колебаний в тепловую энергию.

С этой точки зрения объяснимо, что пределы выносливости имеют наименьшее значение в случае симметричных циклов напряжений, вызывающих наибольшие противоположно направленные сдвиги. Этим же, по-видимому, объясняется и то, что кратковременные циклические перегрузки мало сказываются на сопротивлении усталости; теплота, возникающая в перенапряженных микрообъемах, быстро рассеивается в окружающие массивы материала.

Поскольку можно свести в единую картину различные наблюдения, процесс возникновения усталостной трещины состоит из нескольких стадий (рис. 168).

Ориентация кристаллитов относительно действующих сил

Трещины зарождаются на первых этапах нагружения в границах кристаллических объемов как результат пластических сдвигов пачек кристаллических плоскостей, параллельных действию максимальных касательных напряжений, т. е. направленных под углом примерно 45° к растягивающим напряжениям (октаэдрические напряжения). В зависимости от ориентации кристаллитов сдвиги могут происходить в одной плоскости, одновременно по двум (рис. 168, III, а, б) или трем (рис. 168, III, в) плоскостям.

Возникновение усталостных трещин

На определенной стадии нагружения толща металла представляет собой мозаику из зерен, испытывающих пластическую деформацию (рис. 169, а), и зерен, менее напряженных в силу более благоприятной ориентации кристаллических плоскостей относительно касательных напряжений. Общая упругопластическая деформация металла происходит за счет вытяжки перенапряженных зерен, межзеренных сдвигов и поворота зерен относительно друг друга.

Образование зародышевых трещин в пределах зерна представляет собой (по Одингу) результат направленного размножения и перемещения (диффузия) дислокаций типа вакансий к границам зерна. Скорость диффузии пропорциональна напряжениям и температуре и, следовательно, ускоряется в результате микронагрева материала.

Скопление вакансий вызывает разрыхление структуры, возникновение субмикропор и образование первичных трещин.

На начальных стадиях процесс обратим. При прекращении действия напряжений (периоды отдыха) вакансии мигрируют в обратном направлении; скопления вакансий постепенно рассасываются, распределяясь равномерно в микрообъемах зерна; материал возвращается в исходное состояние. Этот процесс можно ускорить повышением температуры. Как показывают опыты, первичные повреждения можно залечить диффузионным отжигом (отпуском) при 500—600 °С.

Если напряжения продолжают действовать, то процесс повреждения развивается. Постепенно распространяясь, дислокации выходят на поверхность зерна (рис. 169, б). Здесь их движение приостанавливается главным образом из-за препятствия, создаваемого иной кристаллической ориентацией смежных зерен; разориентированность кристаллических поверхностей приводит к заклиниванию пластических сдвигов.

Другим препятствием служат межзеренные прослойки (поверхности спайности), обладающие из-за наличия примесей сильно искаженной атомно-кристаллической решеткой, иногда отличной по типу от кристаллической решетки зерна. Образуется своеобразный межзеренный барьер, эффективно тормозящий распространение повреждений. Для того чтобы преодолеть этот барьер, требуется напряжение, значительно превосходящее напряжение, вызывающее внутрикристаллитные сдвиги.

На определенном этапе происходит массовый прорыв дислокаций через межзеренные прослойки и переход трещины в смежное зерно. Пробивное напряжение зависит от прочности прослойки и степени разориентировки кристаллических плоскостей смежных зерен. Легче всего преодолеваются прослойки между зернами с одинаково направленными кристаллическими плоскостями. Но случаи смежного расположения одинаково ориентированных кристаллов статистически редки.

Средняя величина напряжения, необходимого для преодоления межзеренных барьеров, определяет сопротивление усталости материала. Предел выносливости можно рассматривать как средний уровень напряжения, при котором трещины еще остаются в пределах зерен и частично или полностью залечиваются в периоды отдыха.

Сопротивление материала внутризеренным сдвигам зависит от его физико-механических свойств и тонкого кристаллического строения зерна.

Движение вакансий задерживается скоплениями примесных атомов, границами фаз и структурных составляющих, поверхностями кристаллических блоков (внутризеренные кристаллические образования размером в несколько сотых долей микрометра). Распространение первичных трещин эффективно блокируют включения пластичных фаз, расположенные на пути трещины, в которых происходит релаксация напряжений. Измельчение кристаллических блоков, увеличение степени их разориентировки, а также искажения атомно-кристаллической решетки, вносимые примесями и возникающие при наклепе, выделении вторичных фаз и образовании неравновесных (закалочных) структур, сокращая пробег дислокаций, повышают сопротивление внутризеренным сдвигам и увеличивают прочность материала. К этому, в сущности, и сводится упрочняющий эффект легирования, термической обработки и пластического деформирования.

Выходя за пределы зерна, трещина скачкообразно расширяется, превращаясь в макротрещину, и меняет направление, продвигаясь по наиболее слабым участкам материала примерно перпендикулярно направлению действия максимальных растягивающих напряжений (рис 169, в). Развитие трещины ускоряется из-за возникающей у ее основания резкой концентрации напряжении. Нагрев, происходящий при локальном разрушении, размягчает металл и, в свою очередь, облегчает распространение трещины. Макротрещина может расти под действием напряжений, гораздо более низких, чем напряжения, потребные для преодоления межзеренного барьера, причем напряжения, необходимые для распространения трещины, уменьшаются по мере ее роста.

Одновременно развивается большое число трещин (рис. 169, г). Некоторые трещины, наталкиваясь на препятствия, останавливаются; другие продолжают развиваться. На определенном этапе процесс локализуется: разрастается преимущественно одна трещина или группа смежных трещин, опередивших в своем развитии остальные в силу сосредоточения на данном участке дефектов материала, локальных преднапряжений или в силу неблагоприятной ориентации кристаллитов относительно действующих напряжений. Смежные трещины соединяются, образуя глубокую разветвленную систему. Новые пластические сдвиги и трещины не возникают, а успевшие образоваться — прекращают или замедляют свое развитие, так как все деформации принимает на себя главная трещина. Распространение главной трещины в конечном счете приводит к разрушению детали в результате уменьшения ее нетто-сечения.

В противоположность первым стадиям возникновения внутризеренных и межзеренных трещин, развивающихся в течение длительного времени, окончательное разрушение наступает внезапно и носит характер хрупкого излома.

На усталостных изломах обычно обнаруживаются две зоны. Зона распространения усталостной трещины имеет матовую фарфоровидную поверхность, свойственную изломам с преобладанием транскристаллитного разрушения. На краях трещины нередко бывают видны заглаженные до блеска, наклепанные участки — результат соударения, смятия и истирания стенок трещины при периодических деформациях материала. Зона окончательного разрушения имеет кристаллическую поверхность, свойственную хрупким изломам с преобладанием интеркристаллитного разрушения (например, ударным изломам и изломам хрупких материалов).

В зоне разрушения обычно виден полосатый узор, состоящий из ряда параллельных линий — следов скачкообразного продвижения трещины по мере накопления повреждений.

Первичные трещины почти всегда (за исключением деталей с крупными внутренними дефектами) возникают в поверхностном слое толщиной около трех поперечников зерна (для стали в среднем 0,05—0,20 мм). Чаще всего трещины образуются в поверхностных зернах, поврежденных действием предшествующей механической обработки.

Таким образом, поверхностный слой имеет определяющее значение для сопротивления усталости. Во-первых, при большинстве видов нагружения поверхностный слой подвергается максимальным напряжениям. Укладка атомов в поверхностном слое плотнее, чем в нижележащих. В результате взаимодействия с нижележащими, менее плотными слоями в поверхностном слое возникают растягивающие напряжения и образуются разрыхления, являющиеся потенциальными источниками образования трещин.

Во-вторых, частицы металла, выходящие на поверхность, обладая только односторонними металлическими связями с нижележащим металлом, имеют повышенную активность и легко вступают в связи с частицами окружающей среды. На поверхности металла образуются прочные, неудалимые обычными механическими и химическими способами адсорбированные пленки пара, газа, влаги, масел и т. д. Проникая через микротрещины в глубь металла, адсорбированные пленки нарушают сплошность металла и вызывают ослабление приповерхностного слоя. Большое влияние оказывает расклинивающее действие частиц поверхностно-активных веществ (например, активизированных смазочных масел), проникающих в микрощели на поверхности металла (эффект Ребиндера). При ширине щелей порядка сотых долей микрометра развиваются давления в несколько сот и тысяч атмосфер, способствующие разрушению металла.

В-третьих, следует отметить технологические факторы. Поверхностный слой всегда в большей или меньшей степени поврежден предшествующей обработкой. Механическая обработка представляет собой по существу процесс пластической деформации и разрушения металла, она сопровождается срезом зерен, выкрашиванием и вырывом отдельных зерен, появлением микротрещин и возникновением в поверхностном и приповерхностном слоях высоких остаточных напряжений растяжения, близких к пределу текучести материала. Тепловыделение при механической обработке вызывает частичную рекристаллизацию поверхностного слоя, а иногда сопровождается фазовыми и структурными превращениями.

При нагреве в процессе термообработки в поверхностном слое нередко происходят химические и фазовые изменения, например, в сталях — обезуглероживание (разложение цементита с образованием непрочной ферритной корки).

В-четвертых, поверхность металла подвержена атакам всех встречающихся в эксплуатации видов коррозии, вызывающей глубокие повреждения поверхностного слоя. Коррозия обычно распространяется по межзеренным прослойкам и микротрещинам.

Поверхности, работающие в условиях трения, подвержены еще одному виду ослабления — износу, который, нарушая кристаллическое состояние поверхностного слоя, существенно снижает циклическую прочность.

Таким образом, в поверхностном слое сосредотачиваются многочисленные и разнообразные субмикро-, микро- и макродефекты, вызванные механическими, физическими и химическими факторами и неизбежные по технологическим условиям образования поверхностного слоя, а также в силу особой роли наружного слоя как поверхности раздела между металлом и окружающей средой. Поверхностный слой является присущим каждой детали концентратором напряжений, влияние которого можно ослабить комплексом мероприятий, но нельзя устранить полностью.

Все факторы, нарушающие сплошность и однородность поверхностного слоя и вызывающие очаги повышенных разрывающих напряжений, облегчают возникновение и развитие первичных трещин и резко снижают циклическую прочность материала. Напротив, уплотнение природно-рыхлой структуры поверхностного слоя, создание в нем предварительных напряжений сжатия, хотя бы на небольшой глубине (наклеп, накатывание) значительно повышают сопротивляемость материала циклическим нагрузкам.

Поверхностный слой упрочняют химико-термической обработкой, поверхностным термодиффузионным легированием, уплотнением с помощью наклепа и т. д. Существенное значение имеет устранение макро- и микродефектов в поверхностном слое, в частности дефектов, вызванных механической обработкой.

У полых деталей, вроде труб, подвергающихся растягивающим напряжениям или сложным напряжениям с преобладанием растягивающих, состояние внутренней поверхности играет такую же важную роль, как и наружной. Внутренние поверхности таких деталей следует подвергать упрочняющей обработке и тщательно контролировать на наличие дефектов.

Как установлено опытами, циклическая прочность, в противоположность статической, слабо зависит от величины зерна (в обычном для конструкционных сталей диапазона размеров зерен 10—50 мкм). Это объясняется тем, что сопротивление разрушению определяется напряжением, необходимым для преодоления первых межзеренных барьеров, после прорыва которых трещина, скачкообразно расширяясь, легко пересекает все последующие барьеры, распространяясь обычным для макротрещин путем (при умеренных температурах транскристаллитно, а при повышенных — интеркристаллитно).

Заметное падение предела выносливости наблюдается лишь при очень крупном зерне (> 100 мкм), что обусловлено пониженным сопротивлением внутризеренным сдвигам вследствие огрубления структуры зерна (укрупнение субзерен и внутризеренных блоков).