Нестабильному разрушению

где ho и hKp - начальная (фактическая) и критическая (в момент начала нестабильного разрушения) глубина продольной поверхности трещины; К°е и К,^ коэффициенты интенсивности упруго-пластических деформаций до начала эксплуатации и в предельном состоянии (К\ =

3.9. При выводе формул (12) и (13) за предельное состояние принимался момент наступления нестабильного разрушения, поэтому найденное значение tp необходимо разделить на коэффициент запаса прочности

При выводе формул (4.12) и (4.13) за предельное состояние принимался момент наступления нестабильного разрушения, поэтому найденное значение tp необходимо разделить

Установить точно значение показателя степени для этапа нестабильного разрушения при постоянной нагрузке сложно из-за неустойчивости роста трещины, поэтому эта область роста трещины наименее изучена. Вместе с тем немногочисленные работы [125, 126] свидетельствуют о соответствии указанного показателя степени экспериментальным данным.

Статистический анализ экспериментальных данных, полученных в результате измерения максимальной длины усталостной трещины перед переходом к долому образцов из алюминиевых сплавов Д1Т, Д16Т, АК6 и АВТ показал, что максимальная длина зоны нестабильного разрушения при постоянной нагрузке определяется соотношением

Возрастание асимметрии цикла связано с уменьшением размаха коэффициента интенсивности напряжения и, согласно соотношению AKi/Ki = 1 - R, одинаковую асимметрию цикла можно достичь при разном сочетании размаха и максимальной величины КИН. Предельный переход через точку бифуркации в связи с наступлением нестабильного роста трещины определяется максимальной величиной КИН. По мере возрастания асимметрии цикла все меньшая величина размаха цикла может быть реализована перед наступлением нестабильного разрушения. Следовательно, все меньшая величина СРТ может быть достигнута к моменту начала нестабильного роста трещины и все меньший диапазон изменения размаха КИН может быть реализован в процессе роста трещины до наступления ее нестабильного развития.

Последовательное возрастание асимметрии цикла нагружения не нарушает последовательности смены механизмов разрушения, поскольку указанная смена, согласно принципам синергетики, является свойством открытой системы. Внешние условия нагружения влияют только на диапазон, в пределах которого ведущий механизм эволюции открытой системы остается неизменным. Более того, возможно создание таких внешних условий, когда один из механизмов разрушения вообще не может быть реализован при неизменных параметрах цикла нагружения. Рассматривая влияние асимметрии цикла на рост трещин, следует ввести условие сохранения неизменным ведущего механизма разрушения в срединных слоях материала вплоть до наступления нестабильности. Таким условием является достижение некоторой пороговой величины асимметрии цикла (Rth)ps-При условии Rj > (Rth)Ps смена механизма роста трещины не происходит ни в срединной части образца, ни у поверхности вплоть до наступления нестабильного разрушения. При меньшей асимметрии цикла, чем введенная пороговая величина, в срединной части образца или детали могут быть последовательно реализованы в большей или меньшей мере все механизмы роста трещины, присущие данному материалу.

тия берегов трещины по I стадии роста трещины, где доминируют процессы разрушения путем скольжения, протекающие на микроскопическом масштабном уровне. Пороговая величина асимметрии цикла, соответствующая указанному переходу, составила (Rth)ps = 0,8. В диапазоне асимметрии цикла 1> R > 0,8 механизм разрушения в случае регулярного нагружения не может быть изменен, и до наступления нестабильного разрушения не происходит самоорганизованный переход к процессу формирования усталостных бороздок.

щин в центральной части по толщине образцов отвечала третьей стадии усталостного разрушения сплавов на основе Ti. Расхождение с ЕКД кинетических кривых при вязком внутризеренном разрушении материала с формированием в изломе усталостных бороздок (образец № 2) не превышала 10 %, а при хрупком разрушении материала по границам фаз (образец № 3) — 20 %. Кинетика усталостных трещин по поверхности образцов отвечала стадии нестабильного разрушения материала. Трещина вышла на поверхность образцов только на финальной стадии разрушения.

Начало нестабильного разрушения в титановых сплавах в соответствии с единой кинетической кривой (см. главу 5) происходит при достижении К%з = 70 МПа • м1/2. Тогда на основе формулы (9.27), принимая значение поправочной функции на длину трещины равной единице, получаем для длины трещины 33 мм оценку уровня эквивалентного напряжения около 240 МПа. Полученная оценка является несколько завышенной, так как длина трещины и форма фронта указывают на необходимость использования в расчетах поправочной функции более единицы. Тем не менее, величина оценки существенно ниже предела усталости титанового сплава ВТ8, что согласуется с выявленной морфологией рельефа излома, отражающей разрушение материала в области МНЦУ.

ния отсутствуют макро- и микроскосы от пластической деформации. Они наблюдаются по наружной поверхности на длине выше 30 мм, и их величина резко возрастает на небольшом интервале длины. При этом на этапе нестабильного разрушения наблюдается полное смыкание скосов от пластической деформации, что указывает на наличие в материале требуемого уровня пластичности (вязкое разрушение при окончательном разрушении).

Роль окружающей среды в протекании процесса пластической деформации у вершины трещины проявляется через концентрацию водорода, которая возрастает в непосредственной близости к этой вершине. Это наиболее близкая к реальной ситуации схема повреждения материала, которая используется для описания влияния агрессивной среды на ускорение процесса разрушения. В соответствии с соотношением (2.23) критическое раскрытие трещины уменьшается при увеличении интенсивности воздействия среды в момент перехода к нестабильному разрушению. Вместе с тем распространение усталостной трещины в коррозионной среде сопровождается ее ветвлением как по телу зерна, так и по границам зерен или иным структурным элементам [94]. Предельное состояние наступает одновременно по нескольким локальным вершинам трещины в каждом сечении вдоль всего ее фронта. В этой ситуации предельное состояние достигается при существенно иной интенсивности напряженного состояния материала, чем без ветвления мезотрещин вдоль макровершины трещины.

Следующая критическая точка отвечает середине кинетической диаграммы. Ее достижение характеризуют коэффициентом интенсивности напряжения KIS [5, 9] на длине трещины а2 и скоростью роста трещины (da/dN)is = V2. Особенности поведения материала и смены процесса разрушения в указанной точке будут рассмотрены далее. Пока отметим, что последующий рост трещины связан с быстрым нарастанием деструктивных процессов, вызывающих возрастание ускорения роста трещины. Эти процессы отвечают тем механизмам разрушения, которые доминируют на следующем, масштабном макроскопическом уровне. С точки зрения принципов синергетики в рассматриваемой точке нарушается принцип однозначного соответствия. Меняется не сам доминирующий механизм разрушения, а в направлении роста трещины существенную роль начинают играть процессы, приводящие к нестабильному разрушению сначала в локальном объеме, а затем и на масштабном макроскопическом уровне.

усталостных бороздок) и макроскопический, который соответствует переходу к нестабильному разрушению). На второй стадии роста трещин, отвечающей мезоскопическому масштабному уровню, следует учитывать переход от мезоуровня I к мезо-уровню II при введении синергетического описания всего кинетического процесса развития усталостных трещин.

Нестабильное разрушение при росте трещины начинается в момент достижения предельного напряженного состояния материала, при котором уже не может быть реализовано ее стабильное подрастание в цикле нагружения. Предельный переход к нестабильному разрушению в условиях постоянной деформации и постоянного нагружения достигается при одной и той же величине предельного шага усталостной бороздки, поскольку именно ее величина характеризует свойство материала реализовывать работу пластической деформации и разрушения вплоть до достижения критического состояния, связанного с достижением неустойчивости в точке бифуркации. Это позволяет записать в случае постоянной деформации

формирования псевдобороздчатого рельефа, если выполняется условие AKi < (AK])i2- Появление асимметрии цикла за счет растяжения материала при том же размахе КИН приводит к смене механизма разрушения, что реализуется при меньших величинах размаха (AKi)12, чем при пульсирующем цикле нагружения. Поэтому большей асимметрии цикла нагружения соответствует меньшая величина размаха в момент смены механизма разрушения при прочих равных условиях. Однако сами переходы могут быть реализованы только до тех пор, пока может быть превышена определенная пороговая, минимальная величина размаха КИН — (АК{)™п. При достижении некоторой асимметрии цикла рассматриваемая минимальная величина порогового размаха КИН не может быть достигнута. Дальнейшее увеличение асимметрии цикла будет связано с развитием трещины только на первой стадии, на масштабном микроскопическом уровне, вплоть до перехода к нестабильному разрушению.

Обобщение результатов испытаний показало, что с возрастанием асимметрии цикла нагружения переход к нестабильному разрушению начинается при уменьшающейся величине шага усталостных бороздок (рис. 6.2). Достижение асимметрии цикла около 0,8 приводит к снижению предельного шага усталостных бороздок до величины около 10~7м, когда происходит переход к нестабильному росту трещины. Возрастание асимметрии цикла сопровождается сначала снижением шага усталостных бороздок при прочих равных условиях, а затем они перестают формироваться в сплавах АВТ, Д1Т, В95 уже при асимметрии 0,8. В сплавах Д16Т и АК6 при этой асимметрии цикла нагружения шаг усталостных бороздок имел максимальную величину 8-10~8 м.

для возрастающей асимметрии цикла показывают, что уже при достижении асимметрии цикла R = 0,8 переход к нестабильному росту трещины происходит при достижении максимальной скорости 2-Ю"5 мм/цикл. До указанной величины СРТ (см. главы 3 и 4) формирования усталостных бороздок в изломе алюминиевых сплавов не наблюдается. Поэтому развитие разрушения на всей длине усталостной трещины может быть реализовано только путем формирования псевдобороздчатого рельефа без перехода ко второй стадии роста трещины. Достижение предельного перехода к нестабильному разрушению осуществляется без выхода на вторую стадию роста трещины, когда в изломе могут быть сформированы усталостные бороздки. Пропускается мезоскопический масштабный уровень разрушения.

разворачивалась в направлении оси диска. При длине трещины около 17 мм фасетки начали терять четкие грани, что свидетельствует об увеличении пластического деформирования материала при его разрушении и говорит о резком ускорении трещины и начале перехода к нестабильному разрушению.

Расчеты по уравнению (9.29) показали, что для реализации имеющейся у диска № 2 зависимости шага усталостных бороздок от длины трещины напряженность материала диска в зоне зарождения трещины должна была в 2,1 раза превышать его напряженность при критических размерах трещины (см. рис. 9.476). Численное значение эквивалентных напряжений для полуэллиптической трещины можно определить по эквивалентному коэффициенту интенсивности напряжения Ке = 62,5 МПа • м1/2, отвечающему переходу сплава ВТ8 к нестабильному разрушению, из формулы Ирвина [15]

Исследованиями кинетики усталостных трещин в дисках турбин установлено, что в условиях эксплуатации переход к нестабильному разрушению может начинаться при достижении шага усталостных бороздок около 1 мкм в связи, в том числе, со сложным напряженным состоянием материала (см. рис. 10.8).

ходу от стабильного к нестабильному разрушению. В последнем случае для разных металлов имеет место возрастание или убывание максимального коэффициента интенсивности напряжения, при котором достигается начало нестабильного роста трещины (см. главу 6). Для титановых сплавов происходит увеличение указанной пороговой величины на 20-30 % по мере возрастания асимметрии цикла.