Разрушение при усталости

Разрушение материалов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. Оно характеризуется отсутствием в изломе внешних признаков пластической деформации, т. е. в целом усталостный излом имеет характер хрупкого излома. Однако в микрообъемах и тонких слоях сечения нагруженного образца имеет место пластическая деформация, приводящая к зарождению трещин, которые, постепенно развиваясь и распространяясь, доводят материал до окончательного разрушения. При усталостном нагру-жении начало пластической деформации, обусловленное движением дисло­каций, может иметь место при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения растет плотность дислокаций, прежде всего в поверхностных слоях. Тонкие линии скольжения на поверхности превращаются в характерные полосы, профиль которых состоит из выступов и впадин. Глубина впадин в зависимости от времени испытания может дос­тигать 10—30 мкм. При образовании устойчивых полос скольжения наблю­дается чередование областей с высокой и низкой плотностью дислокаций.

Зарождение усталостных трещин начинается в поверхностных впадинах. Один из возможных механизмов образования выступов и впадин связан с круговым движением винтовых дислокаций. Винтовая дислокация может перемещаться из одной плоскости в другую по замкнутому контуру за счет поперечного скольжения. В результате дислокация выходит на поверхность, где впоследствии формируются выступы и впадины.

Зарождение микротрещин при циклическом нагружении происходит на начальной стадии испытания. Микротрещина может зарождаться за счет притока вакансий и последующего возникновения и слияния микропор. В образце может возникнуть множество микротрещин. Однако развиваются не все, а только те, которые имеют наиболее острую вершину и наиболее бла­гоприятно расположены по отношению к действующим напряжениям. Самая длинная, острая и глубокая трещина, распространяясь по сечению образца, доводит его до окончательного разрушения. Для усталостного излома образ­ца характерно наличие зоны прогрессивно растущей трещины и зоны окон-

чательного излома (рис. 2.20). В зоне про­грессивно растущей трещины можно на­блюдать полосы в виде изогнутых линий (рис. 2.20). Полосы возникают за счет рыв­ков и задержек движения трещины вследст­вие упрочнения металла у ее основания и расширения ее фронта.

На процесс разрушения при цикличе­ских нагрузках существенное влияние ока­зывают концентраторы напряжений. Кон­центраторы напряжений могут быть конст­руктивными (резкие переходы от сечения к сечению), технологическими (царапины, трещины, риски от резца), металлургиче­скими (поры, раковины, неметаллические включения). Независимо от своего проис­хождения концентраторы напряжений в той или иной степени снижают пре­дел выносливости при одном и том же уровне переменных напряжений. Для оценки влияния концентратора напряжений на усталость испытывают глад­кие и надрезанные образцы при симметричном цикле напряжений. Надрез на образце выполняется в виде острой круговой выточки. Отношение предела выносливости, определенного на гладких образцах а_,, к пределу выносливости,

определенному на надрезанных образцах 0".,„, называют эффективным

коэффициентом концентрации напряжений К„:

К₀=ст.,/^ст-.н-