2.3.2.1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ФОРМУЛИРОВКЕ КРИТЕРИЯ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

Рассмотрим усталостное разрушение зерна поликристаллического ОЦК металла. При периодическом нагружении процесс усталостного разрушения зерна можно подразделить на стадии: 1) зарождение микротрещин по границам и в теле фрагментированной (или ячеистой) дислокационной структуры, возникающей в процессе циклического деформирования; 2) стабильный рост микротрещин за счет эмиссий дислокаций из их вершин; 3) образование разрушения в масштабе зерна при нестабильном росте микротрещин.

Долговечность первой стадии весьма мала по отношению к долговечности, отвечающей зарождению макроразрушения [110, 111, 152]. На самых ранних стадиях процесса формирования зародышевых усталостных микротрещин цроисходит их притупление за счет пластического деформирования при обратном нагружении. Поэтому микротрещины после зарождения растут стабильно (из-за притупления напряжения в их вершине меньше теоретического предела прочности по механизму стока дислокаций в их вершины при циклическом нагружении. Условие нестабильного роста иикрбтрещйн выполняется при значительном увеличении их длины. Количество циклов,

связанное со стадией стабильного роста усталостных микротрещин, практически определяет долговечность до зарождения разрушения в мезообъеме — в объеме зерна. По достижении критического размера микротрещины нестабильно развиваются до границ ячеек дислокационной структуры, которые к этому моменту становятся тормозящими микротрещины барьерами (изложенное утверждение будет доказано ниже).

Рис. 2.29. Модельное представление об усталостном разрушении зерна: а — стабильный рост микротрещин; б - момент нестабильного развития микротрещин в ячейке; в — торможение микротрещин границами ячеек: — линия, ограничивающая разгруженную область фрагмента субструктуры

Далее в текущем или в следующем цикле происходит объединение микротрещин путем «дорывов» в масштабе зерна (рис. 2.29). Поверхность макроразрушения в масштабе зерна ориентирована перпендикулярно максимальным напряжениям, что, следуя работе [74], можно объяснить следующими обстоятельствами. Во многих случаях при усталости происходит множественное зарождение микротрещин у различных барьеров — границ блоков, дислокационных ячеек, зерен [110, 111, 278, 279, 298]. Направление стабильного роста микротрещин является случайной величиной: При этом инициатором разрушения зерна могут быть сразу несколько микротрещин в каждой дислокационной ячейке. Наиболее быстрый темп объединения микротрещин будет наблюдаться в плоскости, перпендикулярной действию максимальных нормальных напряжений. Дело в том, что нестабильный рост микротрещин, не лежащих в указанной плоскости, будет происходить по криволинейной траектории под действием как касательных, так и нормальных напряжений [121] (рис. 2.29,б). В то же время траектория микротрещин, лежащих в плоскости, перпендикулярной действию максимальных нормальных напряжений (сечение прямолинейна. Ясно, что при равной скорости нестабильного роста микротрещин именно в этой плоскости будет происходить наиболее быстрое формирование макроразрушения.

Опережающее развитие в дислокационных ячейках этого процесса приведет к разгрузке вершин микротрещин,

развивающихся по криволинейным траекториям, и, следовательно, к их торможению. Таким образом, развитие усталостного разрушения происходит в направлении, перпендикулярном ориентации максимальных нормальных напряжений.

При описании картины усталостного разрешения поликристаллического материала одним из ключевых вопросов является выбор минимального объема, для которого оказываются применимы соотношения, связывающие долговечность с НДС, рассчитываемым по уравнениям механики сплошной среды. В работах [72, 73] показано, что необходимым и достаточным условием накопления повреждении в материале является достижение зоной знакопеременной пластической деформации размера, равного диаметру зерна (при анализе развития трещин указанное условие соответствует равенству Только в этом случае уравнения усталостного разрушения материала в терминах напряжений и деформаций оказываются применимы. Физически данное утверждение можно интерпретировать следующим образом. При плоские скопления дислокаций не доходят до границ зерен и в результате здесь не создается необходимая для зарождения микротрещин концентрация напряжений. С другой стороны, и в теле зерна отсутствуют барьеры дислокационного происхождения, которые могут служить стопорами для скопления дислокаций. Поэтому можно считать, что при микротрещины не образуются. Очевидно, что при наличие барьеров для плоских скоплений дислокаций делает весьма вероятными образование и рост микротрещин и соответственно накопление, повреждений в материале. Таким образом, для описания усталостного разрушения целесообразно использовать введенное ранее (см. раздел 2.2) понятие структурного элемента, соответствующего зерну поликристалла.