Стадия малой трещины 1 страница

Стадия малой трещины является в настоящее время наименее изученной. Но в первом приближении можно сказать, что на стадии малой трещины из-за малости КИН напряжения и деформации перед вершиной сравнимы с номинальными. Значительное влияние оказывает структура металла. КДУР малой трещины может носить различный характер (рис.4.13 пунктир).

Таким образом, долговечность детали слагается из времени до зарожде-ния трещины, времени существования малой трещины и времени, необхо-димого для того, чтобы трещина Гриффитса (большая) достигла критичес-кой длины , такой, что , после чего следует катастрофическое разрушение.

5. ФАКТОРЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ЗАРОЖДЕНИЮ ТРЕЩИН

5.1. Механизм зарождения трещин

Как уже говорилось ранее, долговечность детали складывается из пери-ода до зарождения трещины и периода ее роста до критической величины, после чего наступает катастрофическое разрушение. Имеет смысл более подробно остановиться на процессах, которые приводят к нарушению сплошности металла и зарождению трещин.

При растяжении металла возможно протекание двух процессов: его удлинение, упругое или пластическое, или разрушение на части с образова-нием новой поверхности. Если рассматривать металл на микроуровне,то можно сказать, что при приложении нагрузки возникают три варианта: растяжение межатомных связей, их разрыв, или проскальзывание атомных плоскостей друг относительно друга при прохождении дислокаций, т.е. пластическая деформация (рис.5.1).

Осуществляется тот из вариантов, который требует минимальных энер-гетических затрат в зависимости от состояния материала. У конструкцион-ных металлов легче всего протекает упругая деформация, затем, после дос-тижения в металле напряжений предела текучести, пластическая, и, наконец, разрушение с образованием новых поверхностей. Это происходит от того, что наибольшая энергия затрачивается на образование новых поверхностей, на которых связи атомов металла насыщены не полностью. Очевидно, что при разрушении энергия свободной поверхности максимальна.

Таким образом, казалось бы, разрушение пластичных металлов должно происходить по чисто пластическому механизму путем вытягивания в нить. Однако на практике такое разрушение возможно только в особых случаях в так называемом режиме сверхпластичности, для которого подбираются спе-циальные материалы, деформируемые в узком интервале температур со строго определенной скоростью. В подавляющем же большинстве случаев за некоторым периодом пластической деформации следует разрушение. Это объясняется тем, что в процессе пластического деформирования происхо-дит не только сдвиг одних атомных плоскостей относительно других, но изменяется также и состояние материала. При пластической деформации происходит генерация большого количества дислокаций (их плотность воз-растает от 10⁸ до 10¹² см/см³). Дислокации перепутываются, что затрудняет

их движение, путем которого и осуществляется пластическая деформация, возникают дислокационные скопления и структуры, в которых дислокации находятся на нескольких межатомных расстояниях друг от друга. Но каж-дая дислокация есть сама по себе нарушение сплошности металла. Кроме того, вокруг дислокации имеется поле напряжений, в значительной степени искажающее решетку металла.

В результате, после достаточного искажения и нарушения сплошности решетки, возникших в результате пластической деформации, энергетически выгодным становится не дальнейшее ее искажение и микроразрушение, а макроразрушение, то есть образование двух новых свободных поверхнос-тей. То есть, после периода упругого и пластического растяжения металла наступает его разрушение. Из предложенной модели легко можно понять, какие факторы могут способствовать переходу от пластического деформи-рования к разрушению металла. Во первых, это явления, повышающие уровень пластической деформации, что приводит к более быстрому исчер-панию пластичности материала, или снижающие запас пластичности, во-вто- рых, явления, уменьшающие поверхностную энергию металла.

Уровень локальной пластической деформации возрастает перед концент-раторами, как конструктивными (надрезами, выточками, галтелями, отвер-стиями), так и технологическими (порами, раковинами, разного рода сва-рочными дефектами и т.д.). Запас пластичности может быть снижен предва-рительным пластическим деформированием материала либо насыщением поверхностного слоя элементами внедрения: кислородом, азотом, водоро-дом, углеродом, бором. Поверхностная энергия снижается, если металл находится в поверхностно активных средах, например жидком металле или в водороде.

5.2. Механизмы зарождения трещин при циклическом нагружении

При циклическом нагружении в пластической области можно, в первом приближении, суммировать деформацию, накапливаемую при каждом цикле нагружения. Когда накопленная металлом деформация достигает критичес-кой величины, энергетически выгодным на очередном цикле нагружения становится образование трещины. При нагружении металла циклическими усилиями ниже предела текучести процесс зарождения трещин более сло-жен. В принципе, для абсолютно однородного материала предел текучести должен совпадать с пределом выносливости, так как все упругие воздействия обратимы. Однако в реальности металл имеет целый ряд неоднородностей различного размера:

- Макронеоднородности - разного рода поры, включения, царапины, неровности поверхности. Сама поверхность также является нарушением однородности и, следовательно, одним большим дефектом. Причем поверх-ность является дефектом как бы на двух уровнях. Первый - это то, что поверхностные атомы имеют свободные связи. Поэтому свойства материала на глубину нескольких атомных слоев ~ 10 отличаются от основного металла кардинальным образом. Кроме того, движение дислокаций у поверхности отличается от движения в глубинных слоях из-за влияния так называемых сил отражения. Все это приводит к тому, что предел текучести приповерхностного слоя металла глубиной 0,05 - 0,1 мм ниже, чем у глу-бинных слоев на 30 - 40 %. При стандартных испытаниях на растяжение мы этого не чувствуем, так как объем металла, переведенного за предел текучести, весьма невелик.

- Микронеоднородности, под которыми можно понимать зеренное строение металла. Металл, как известно, состоит из кристаллов размером 0.1 - 0.01 мм. Предел текучести этих кристаллов в разных направлениях может отличаться на 20 - 40 %. Имеются отличия также в модуле упругос-ти по кристаллографическим направлениям. В результате, в районе тройных стыков зерен возникают участки, в которых напряжения могут превосхо-дить номинальные и превышать предел текучести.

- Субмикронеоднородности: субзерна, разного рода дислокационные структуры и т.п.

Следствием всего этого является наличие на поверхности зон, которые подвергаются циклическому пластическому деформированию, в то время как основная масса материала находится в упругой области. В пластически деформированных областях происходит накопление пластической дефор-мации и зарождение микротрещин. Большая часть этих микротрещин не растет. Некоторые из них, однако, продолжают развиваться и, в конце концов, одна становится магистральной.

5.3. Концентраторы напряжений

Зарождение трещины почти всегда происходит в области концентра-торов напряжений. Концентраторы можно условно разделить на конст-руктивные, предусмотренные чертежами детали, технологические, возник-шие при изготовлении детали, металла или полуфабриката и эксплуатаци-онные, т.е. возникшие при эксплуатации.

5.3.1. Конструктивные концентраторы

К конструктивным концентраторам относят отверстия, выточки, гал-тели, резьбы, в общем, любые нарушения регулярной кривизны поверхно-сти. В качестве концентраторов деформаций можно рассматривать про-дольные вдоль напряжений острые ребра деталей. Опасность концентратора возрастает с увеличением его остроты. Поэтому, в частности, при изготовле-нии авиационных конструкций не применяются радиусы кривизны меньше 1 - 2 мм. Наиболее вероятно зарождение трещин в месте сочетания кон-центраторов, например на краю отверстия, где совместно влияют отверстие как концентратор напряжений и острое ребро, направленное вдоль нагруз-ки (рис.5.2). При расчете деталей на прочность концентрация напряжений у разного рода отверстий и надрезов учитывается и, тем не менее, вероятность обнаружить трещину возле конструктивного концентратора много больше, чем на регулярном участке той же детали.

5.3.2. Технологические концентраторы

Технологические концентраторы можно подразделить по производст-венным операциям, при которых они возникают. При изготовлении слитка могут возникнуть разного рода поры, несплошности, включения, участки с измененным химическим составом, структурные неоднородности. При пос-ледующей термомеханической обработке (ковке, прокатке, вытяжке) литей-ные дефекты частично ликвидируются, однако, могут возникнуть так назы-ваемые заковы и закаты, появляющиеся при образовании складки на окис-ленной поверхности и ее последующего закрытия с заносом вглубь металла участка окалины.

В литых деталях, не подвергающихся термомеханической обработке обнаруживаются те же дефекты, что и в слитке. Большое количество концентраторов возникает при проведении сварочных операций. В первую очередь к ним можно отнести саму конфигурацию шва (рис.5.3). Поэтому в ответственных деталях, если это возможно, в месте сварного шва делается усиление, которое затем частично сфрезеровывается (рис.5.4).

Значительную опасность представляют непровары и несплавления (рис.5.5). При многослойной сварке возможны несплавления при наложе-нии слоев. При сварке образуются сварочные поры и раковины, которые тем более опасны, чем они крупнее и ближе к поверхности. При сварке всегда возникает значительный градиент структур от структуры после рас-плавления металла в центре шва до неизменившейся структуры холодного деформированного полуфабриката. Зона с измененной структурой называ-ется околошовной. При сварке возникают напряжения, достигающие преде-ла текучести материала. Той же величины достигают остаточные напряже-ния после сварки. Под действием этих напряжений возможно образование трещин и микротрещин.

Наконец, при сварке возможно насыщение металла кислородом, азотом и водородом, что может вызвать снижение свойств металла и его растрески-вание.

При механической обработке значительное влияние на зарождение тре-щин может оказывать шероховатость поверхности, так как микронеровно-сти являются по существу концентраторами напряжений. При механической обработке следует также обратить внимание на величину и знак остаточных напряжений.

5.3.3. Эксплуатационные концентраторы

Эксплуатационные концентраторы - это разного рода царапины, забо-ины, потертости. В условиях боевого применения техники к ним добав-ляются пробоины.

Весьма неприятны сочетания концентраторов. Например, нахождение металлургического дефекта вблизи отверстия. При таком сочетании коэф-фициент концентрации деформаций резко увеличивается.

5.4. Остаточные напряжения

Одним из важных факторов, влияющих на усталостную долговечность, в частности, на зарождение трещин, являются остаточные напряжения. Осо-бенно велико их воздействие при многоцикловой усталости. Растягивающие остаточные напряжения снижают долговечность и предел выносливости, сжимающие повышают. Для более четкого представления о воздействии остаточных напряжений на усталость необходимо разделить стадии зарож-дения и подроста малой трещины.

Для зарождения трещины нужно, чтобы на участке металла, на котором превышен предел локальной текучести, накопилась достаточная пластичес-кая деформация. Добавляя постоянную составляющую, мы можем перевести материал, деформируемый в упругой области, в пластическую (рис.5.6), то есть создать условия для зарождения трещины. Обратно сжимающие напря-жения выводят материал из зоны пластического растяжения (рис.5.7).

При этом, однако, металл может попасть в зону пластического сжатия (если цикл симметричный). Если цикл отнулевой - пульсирующий, это маловероятно. Из опыта известно, что такая ситуация не приводит к сни-жению долговечности или предела выносливости. Объяснить это можно тем, что микротрещины хотя и образуются, но не могут раскрываться и, следовательно, распространяться. Не исключено, однако, что и зарождение трещины в зоне сжатия затруднено.

5.5. Пластическая деформация поверхности

В большинстве конструкционных материалов при пластической дефор-мации происходит рост предела текучести. Иначе говоря, при наклепе ма-териал упрочняется. Во многих случаях это приводит к повышению предела выносливости. В особенности сильно это влияние сказывается в области многоцикловой усталости при относительно небольших напряжениях. Различные металлы в разной степени изменяют свои свойства под действием наклепа. Так, например, сплавы алюминия значительно повышают предел текучести и предел выносливости, а титановые сплавы реагируют достаточно слабо. В основном это объясняется разницей диаграмм нагрузка-деформа-ция (рис.5.8) или, другими словами, перепадом между пределом текучести и пределом прочности. Чем этот перепад больше, тем лучше материал упроч- няется наклепом.

Необходимо отметить, что одновременно с повышением предела теку-чести происходит исчерпание запаса пластичности металла. Поэтому пере-наклеп ведет не к повышению, а к понижению предела выносливости (рис.5.9).

Как правило, поверхностный наклеп воздействует одновременно с поверхностными остаточными напряжениями сжатия (так называемая по-верхностная упрочняющая обработка). Их совместное влияние позволяет в отдельных случаях поднять предел выносливости в два раза и более.

5.6. Изменение химического состава поверхности

Как в технологическом процессе, так и при эксплуатации возможно изменение химического состава поверхности. В технологии это могут быть специальные химико-термические обработки: цементация, азотирование, алитирование и другие. Большинство этих обработок повышает предел текучести материала поверхностного слоя, однако, приводит к значитель-ному его охрупчиванию. В отдельных случаях возможно даже образование микротрещин в поверхностном слое еще до начала эксплуатации. Поэтому, в зависимости от конкретного режима эти обработки могут как повышать, так и понижать предел выносливости.

Помимо специальных обработок существуют процессы, которые могут изменить химический состав поверхности. К такого рода процессам можно отнести окисление, насыщение поверхности кислородом, азотом, а также углеродом, наводороживание, которое чаще всего происходит при гальва-нических процессах - травлении и нанесении покрытий. Практически все эти явления снижают усталостную долговечность вследствие более быстрого зарождения трещин. А наводороживание может привести также к более быстрому их распространению. Дело в том, что коэффициент диффузии водорода в металле на много порядков выше, чем у остальных элементов. Поэтому, если для кислорода, азота и углерода речь может идти о глубинах проникновения от долей микрона до сотен микрон, в зависимости от тем-пературы операции, то водород может проникнуть в металл на несколько сантиметров. Есть ситуации, когда происходит сквозное наводороживание детали. Возможно насыщение или обеднение поверхности элементами замещения. Это может происходить вследствие избирательного испарения или напыления, как правило, при вакуумных нагревах. Возможно также насыщение при контакте детали в печи с лементами оснастки.

Значительную опасность представляют так называемые "прижоги", образующиеся при шлифовке деталей из металла с низкой теплопровод-ностью (титановые и никелевые сплавы). Прижоги возникают при локаль-ном повышении температуры вследствие слишком сильного прижатия шли-фовального круга или остановки его на одном месте. В перегретом участке возможно окисление, и наводороживание вследствие взаимодействия метал-ла с воздухом и парами смазочно-охлаждающей жидкости.

При эксплуатации горячих деталей не исключено их окисление и насы-щение поверхности кислородом. Если деталь работает в водородосодержа-щей атмосфере, возможно ее наводороживание. (Например, турбина раке-тотурбинного двигателя). В холодных деталях может иметь место, по-видимому, только наводороживание при контакте с электролитами или газами, которые могут образовать электролит, например H₂S, HCl и т.д. При трении деталей друг о друга возможен перенос вещества одной детали на другую.

5.7. Локальные структурные изменения

Наиболее часто локальные структурные изменения возникают при при-жогах, когда небольшой (несколько квадратных сантиметров) участок по-верхности нагревается до высоких температур. В результате возможен рост зерна, образование грубых структур, создание участка с растягивающими напряжениями. Таким образом, в месте прижога возможны сразу четыре фактора, способствующих зарождению трещин. Накислороживание, наводо-роживание, огрубление структуры и растягивающие остаточные напряже-ния.

Измененная структура всегда существует в районе сварных швов. Наибо-лее опасной с точки зрения зарождения трещин является, как правило, околошовная зона. Однако в этом случае возможное снижение усталостных характеристик предусматривается заранее.

Вообще, опасность, с точки зрения зарождения трещин, представляют не только "плохие" структуры сами по себе, но и стыки двух "хороших" структур.

5.8. Коррозия

Существует большое количество различных видов коррозии металлов. Однако для нашего рассмотрения любой вид коррозии можно свести к нарушению, вследствие растворения металла, гладкости поверхности (вплоть до образования сквозных отверстий) и наводороживанию, а следовательно, охрупчиванию материала. Преимущественное растворение металла в элект-ролитах происходит в местах, где кристаллическая решетка наименее совер-шенна, то есть, как правило, по границам. Одновременно на других участ-ках может идти наводороживание. А так как металл нагружен, то может происходить микрорастрескивание. В результате мы можем получить весьма неприятное сочетание острых концентраторов напряжения и охрупченного вследствие наводороживания металла. Бывает растворение без наводорожи-вания или наводороживание без растворения. Это опасно в меньшей сте-пени, но тоже достаточно неприятно.

5.9. Фреттинг

Фреттингом называют явления, возникающие при трении друг о друга двух участков материала. Причем, материалы могут быть как одними и теми же, так и различными. Фреттинг появляется в разного рода соединениях при возникновении перемещений там, где их быть не должно (например, тугая посадка, оказавшаяся недостаточно тугой) или в случае недостатка смазки.

При трении двух участков металла друг о друга происходит зацепление и срыв микронеровностей (рис.5.10). То есть имеет место локальная плас-тическая деформация металла, возможен локальный нагрев до температуры плавления. В результате расходуется запас пластичности поверхностного слоя, происходит его растрескивание и выкрашивание. Кроме того, нагре-тые участки реагируют с влагой и кислородом воздуха - окисляются и наво-дороживаются, что в свою очередь способствует охрупчиванию поверхност-ного слоя. В результате в местах фреттинга часто зарождаются трещины. В качестве примера можно привести участки вала, находящиеся под муфтой электродвигателя. Хотя шпонка вроде бы должна предотвратить проскаль-зывание, но оно все равно имеет место. И при отсутствии смазки на валу и под шпонкой обнаруживаются следы фреттинга и растрескивания.

5.10. Влияние среды

До сих пор мы рассматривали разного рода воздействия, которые влия-ют на объем металла хотя бы приповерхностный. Однако даже в случае простого контакта поверхности металла с некоторыми средами,когда в реакцию вступает только один верхний атомный слой материала возможно изменение усталостных характеристик. Это происходит вследствие взаимо-действия адсорбированного на поверхности слоя молекул среды со свобод-ными связями атомов металла и изменение вследствие этого свободной поверхностной энергии (рис.5.11).

Наиболее сильное воздействие на поверхность оказывают жидкие метал-лы. Влияют также водород (особенно при высоких давлениях), водяной пар в воздухе, вода, различные жидкости. В инертных газах и в вакууме уста-лость, как правило, повышается (так как адсорбция отсутствует). Однако при долгой выдержке в сверхвысоком вакууме, например в космосе, воз-можно испарение металла границ зерен, образование острых концентрато-ров и из-за этого провал усталости.

6. РАЗРУШЕНИЕ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Значительное количество деталей двигателя работает при высоких тем-пературах, поэтому большой интерес представляют механизмы высокотем-пературного разрушения материала. Для высокой температуры характерны (помимо обычных статического и усталостного) два типа разрушений. Один из них происходит из-за изменения свойств самого металла под действием высокой температуры. Способность металла противостоять этому виду раз-рушения называется жаропрочностью. В основном это способность металла сопротивляться ползучести и замедленному разрушению. Другой имеет место вследствие взаимодействия металла с окружающей атмосферой (с воз-духом или продуктами сгорания). Способность противостоять этому виду разрушения называется жаростойкостью. Металл может иметь очень высо-кую жаропрочность и низкую жаростойкость, например вольфрам.

6.1. Ползучесть

Ползучесть металла - это его способность деформироваться под действи-ем приложенного постоянного напряжения. Типичная кривая ползучести (рис.6.1) состоит из трех участков: неустановившейся, установившейся и ускоренной ползучести. Пределом ползучести называют напряжение, кото-рое вызывает за определенное время при заданной температуре деформацию определенной величины. Например, - это деформация 0,2% при выдержке 100ч.

Существует несколько видов ползучести: логарифмическая ползучесть, высокотемпературная ползучесть или ползучесть Андраде и диффузионная ползучесть (рис.6.2). Логарифмическая или затухающая ползучесть описы-вается выражением

,

где - деформация материала,

- мгновенная деформация,

t - время,

и - константы.

Это неустановившаяся ползучесть. Описывается схемой уменьшения количества (истощения) дислокаций, срывающихся с препятствий под дей-ствием тепловых флуктуаций.

Высокотемпературная ползучесть описывается выражением

,

где , и n - константы,

, чаще всего 1/3. - экспоненциально зависит от температуры

. При высокотемпературной ползучести длина образца может увеличится в несколько раз.

Явление установившейся ползучести объясняют снятием деформацион-ного упрочнения за счет того или иного явления возврата.

Диффузионная ползучесть объясняется направленным диффузионным потоком атомов металла по направлению к поверхностям зерна, перпенди-кулярным приложенн ому напряжению.

В авиационных деталях возможно проявление всех трех видов ползу-чести. В деталях компрессора это может быть логарифмическая ползучесть и при сильном перегреве или превышении оборотов высокотемпературная. В деталях турбины и камеры сгорания высокотемпературная и при пере-греве диффузионная.

Ползучесть лопаток может предшествовать их разрушению, приводить к потере формы и делает возможным задевание лопаток за корпус двигателя (уплотнение) и, как следствие, их разрушению или возгоранию.

6.2. Длительная прочность

Разрушение при длительных выдержках может происходить как при низких, так и при высоких температурах. Механизмы разрушения при этом будут различны. Мы в данном случае рассматриваем только разрушение при высоких температурах.

Разрушение при длительных выдержках при высоких температурах может быть простым результатом предшествующей ползучести, сопровож-дающейся утонением образца. С другой стороны, причина разрушения может заключаться в процессах структурных и фазовых превращений, идущих в металлах при высоких температурах и снижающих его свойства. Это может быть снятие наклепа вследствие возврата, рост зерна, растворе-ние или каогуляция второй фазы и т.д. Разрушение может быть следствием процессов, идущих в металле при высокой температуре при ползучести, например растрескивания границ. Наконец, разрушение может произойти из-за взаимодействия металла с атмосферой: окисления, науглероживания и наводороживания. Вид кривой длительной прочности приведен на рис.6.3.

6.3. Испытания на ползучесть и длительную прочность

Такого рода испытания требуют, как правило, очень больших выдер-жек, в отдельных случаях до нескольких лет. Поэтому используются обычно весовые рычажные машины. Применяются испытания на растяжение на образцах двух типов - гладких и с надрезом.

По ходу кривых длительной прочности можно установить склонен ли металл к охрупчиванию при высокой температуре. В этом случае кривая длительной прочности надрезанного образца идет ниже кривой для глад-кого образца (рис.6.3,б). Если охрупчивания нет, кривые не пересекаются (рис.6.3, а).

6.4. Структура жаропрочного материала

Структура металла, необходимая для достижения высокой жаропрочно-сти не совпадает со структурой, необходимой для получения высоких проч-ностных характеристик при комнатной температуре. Многие жаропрочные сплавы при комнатной температуре просто хрупки.

Для получения максимальной прочности при достаточной пластичности желательно иметь как можно более частые и мелкие препятствия движению дислокаций. Ими обычно являются карбиды в сталях, интерметаллиды в алюминии и т.п. Однако при повышении температуры дислокации легко перерезают и транспортируют слишком мелкие препятствия. Кроме того, мелкие препятствия быстро коагулируют под действием диффузионных про-цессов. Если препятствие слишком крупное, дислокации легко проходят между ними. Существует оптимальный размер препятствий, при котором сопротивление металла ползучести максимально (рис.6.4).

Следует отметить, что в процессе высокотемпературной эксплуатации происходит коагуляция частиц второй фазы (препятствий). Поэтому для больших температур и длительностей выбирают термическую обработку, при которой частицы второй фазы имеют больший размер, что замедляет их коагуляцию. Значительная коагуляция второй фазы является одним из признаков перегрева детали в процессе эксплуатации.

Для анализа структуры жаропрочных сплавов с целью определения нали-чия перегрева проводится исследование фольг или реплик металла с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Фольга - это очень тонкие слои металла, получаемые вначале вырезкой интересующего участка, а затем его травлением до дыр. Окрестность дырок и используют в качестве фольги.

Реплика - это угольный или пластиковый слепок, снятый с поверхности шлифа или излома.

6.5. Жаростойкость

Под жаростойкостью обычно понимают способность материала проти-востоять агрессивному воздействию окружающей атмосферы. Чаще всего имеется в виду воздушная атмосфера, в которой происходит взаимодействие металла с кислородом. Взаимодействие с азотом идет много медленнее, чем с кислородом. Однако в горячих зонах двигателя атмосфера отличается от воздушной меньшим содержанием кислорода, большими количествами СО₂, Н₂О. Таким образом, о жаростойкости (в отличие от жаропрочности) можно говорить только применительно к конкретной атмосфере. Несмотря на меньшее количество кислорода в составе отходящих газов двигателя, основным механизмом взаимодействия этих газов с металлом по-прежнему является окисление.

Окисление металла представляет собой цепь последовательных процес-сов.

Дата добавления: 2015-11-14