2.4. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В данной главе рассмотрены особенности хрупкого, вязкого и усталостного разрушений материала при. кратковременном

статическом и малоцикловом нагружениях. Общим для, рассматриваемых типов разрушений является слабая чувствительность параметров, контролирующих предельное состояние материала, к скорости деформирования. Во всех случаях принимается, что образование макроразрушения есть разрушение структурного элемента, которое происходит при нестабильном развитии повреждений. При хрупком и усталостном разрушениях носителями повреждений являются микротрещины, при вязком — микропоры.

Реализация хрупкого разрушения в ОЦК металлах происходит при выполнении трех условий: зарождения острых микротрещин (притупление равно параметру решетки), их страгивания и распространения микротрещин скола через различные эффективные барьеры — микронапряжения или границы деформационной субструктуры материала.

Зарождение острой микротрещины может происходить только по механизмам, обеспечивающим такую ориентацию образовавшихся несплошностей, при которой практически исключается эмиссия дислокаций из вершины зародышевой микротрещины и, как следствие, ее пластическое притупление и превращение в пору. Зарождение острых микротрещин в ряде случаев (при умеренных температурах) происходит при напряжениях, значительно превышающих предел текучести, т. е. при пластической деформации, составляющей примерно 1—20%. Значительно раньше, например при может происходить зарождение пор, т. е. микротрещин, которые при зарождении сразу притупляются за счет эмиссии дислокаций из вершин. Если при зарождении острой микротрещины условие страгивания Гриффитса не выполнено, дальнейший ее рост, как и рост пор, может быть только стабильным, обусловленным пластическим деформированием в ее вершине.

После страгивания развивающаяся микротрещина может быть остановлена барьерами различной природы: при небольших пластических деформациях — микронапряжением, а при больших — границами деформационной субструктуры. Для зарождения хрупкого макроразрушения нестабильно развивающаяся микротрещина должна преодолеть вышеназванные барьеры.

Выявленные закономерности послужили основой для разработки физико-механической модели хрупкого разрушения ОЦК металлов и формулировки критерия разрушения в терминах механики сплошной деформируемой среды. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что зарождение микротрещины контролируется эффективными напряжениями, геометрией дислокационного скопления, определяющей концентрацию эффективных напряжений в голове скопления, а также наибольшим главным напряжением. С ростом температуры и пластической деформации концентрация эффективных

напряжений уменьшается и для зарождения микротрещины требуется более высокий уровень эффективных напряжений.

Условие страгивания микротрещины практически не зависит от температурно-деформационного режима нагружения.

Исследования барьерной роли микронапряжений и составляющих деформационной субструктуры позволили установить, что с ростом пластической деформации эффективность указанных барьеров по остановке трещин увеличивается. Используя взаимосвязь критического напряжения хрупкого разрушения с сопротивлением материала развитию микротрещин, т. е. с барьерами различной природы, предложен подход к аналитическому прогнозированию в статически и циклически деформированном материале. Оказалось, что независимо от истории нагружения монотонно увеличивается с ростом накопленной деформации, мерой которой может служить параметр Одквиста.

Предварительная пластическая деформация приводит к более легкому зарождению хрупкого разрушения по механизму снижения прочности эффективного препятствия, на котором происходит возникновение микротрещин.

При вязком разрушении по механизму образования, роста и объединения пор критической величиной служит, как правило, пластическая деформация в момент разрыва — образования макроразрушения. Для расчета Томасоном, Макклинтоком, Маккензи и другими исследователями предложен ряд моделей, в которых критическая деформация при зарождении макроразрушения связывается с достижением некоторой другой эмпирической критической величины, например с критическим расстоянием между порами, с критическими напряжениями в перемычках между порами, с критическим размером поры и т. п. Альтернативным подходом к определению не требующим введения эмпирических параметров, является физико-механическая модель вязкого разрушения, использующая понятие микро-пластической неустойчивости структурного элемента . В модели предполагается, что деформация отвечает ситуации, когда случайное отклонение в площади пор по какому-либо сечению структурного элемента не компенсируется деформационным упрочнением материала и тем самым приводит к локализации деформации по этому сечению, а следовательно, к потере пластической устойчивости рассматриваемого элемента без увеличения его нагруженности.

В процессе пластического деформирования происходит перманентное зарождение пор. Параллельно с указанным процессом наблюдается рост пор. Для адекватного прогнозирования необходимо учитывать, что зарождение и рост пор происходит одновременно в процессе пластического деформирования. В большинстве случаев зарождение пор можно однозначно связать с пластической деформацией, независимо, происходит ли

оно на включениях, что характерно для многих конструкционных материалов, или обусловлено фрагментацией структуру, как в чистых материалах с ростом накопленной деформации темп зарождения пор на включениях падает, а на фрагментах растет. Скорость роста пор определяется скоростью пластического деформирования и жесткостью напряжённого состояния.

В чистых материалах конгломерат пор, при котором реализуется микропластическая Неустойчивость структурного элемента, в основном состоит из зародышевых и незначительно выросших пор; так как темп зарождения растет с увеличением пластической деформации. Поэтому в чистых материалах вязкое разрушение в основном обусловлено процессом зарождения. пор и в значительно меньшей степени процессом их роста. В конструкционных материалах наблюдается обратная картина — основной вклад в разрушение вносит процесс роста пор. Поскольку жесткость напряженного состояния влияет практически только на скорость роста пор, то чувствительность кэтому параметру для чистых материалов значительно меньше, чем для конструкционных.

Процесс малоциклового усталостного разрушения ОЦК металлов может быть подразделен на три этапа: множественное зарождение микротрещин на самых ранних стадиях циклического упруго-пластического деформирования, стабильное подрастание микротрещин за счет эмиссии и стока дислокаций в их вершины и, наконец, нестабильное развитие микротрещин до ближайших эффективных барьеров, которыми могут являться микронапряжения или Границы деформационной субструктуры. Исходя из указанной схематизации усталостного разрушения ясно, что долговечность до зарождения макроразрушения определяется двумя параметрами НДС: неупругой деформацией (точнее, размахом неупругой деформации в цикле) и максимальными напряжениями в цикле. Первый параметр определяет скорость стабильного роста микротрещины, а второй — ее критическую длину.

Размах неупругой деформации при знакопеременном упру-гопластическом деформировании материала в условиях объемного напряженного состояния может быть различным при одном и том же размахе полной деформации. Поэтому долговечность материала в этом случае не описывается однозначно размахом полной деформации.

Выявленные закономерности деформирования и - разрушения материала при циклическом нагружении позволили сформулировать деформационно-силовой критерий, который дает возможность прогнозировать долговечность по условию зарождения макроразрушения при ОНС с учетом максимальных нормальных напряжений: в цикле и особенностей суммирования повреждений при нестационарном нагружении.

Проведенные исследования долговечности при двублрганом нагружении показывают, что правило линейного суммирования не работает при переходе с меньшей амплитудой деформации в блоке на большую суммарное повреждение в случае обратной последовательности блоков нагружения Указанная закономерность связывается авторами с морфологией вершин микротрещин, зависящей от амплитуды деформаций. Так, при переходе с малой амплитуды деформации на большую притупление микротрещины увеличивается, что приводит к увеличению ее критической длины, как следствие, к росту долговечности по сравнению с оценкой по правилу линейного суммирования повреждений, где При обратной последовательности блоков критическая длина микротрещин уменьшается, поэтому долговечность в данном случае становится меньше, чем рассчитанная по правилу линейного суммирования.

Отход от анализа повреждения материала в материальной точке, как это принято в механике деформируемого твердого тела, и рассмотрение процессов усталостного повреждения в конечном объеме структурном элементе — позволяет адекватно прогнозировать не только долговечность, но направление развития разрушения. Такой подход дает возможность разрешить существующее противоречие, связанное с несоответствием при смешанном нагружении по модам I и II: направлений развития усталостной трещины и локализации максимальной повреждаемости материала: трещина развивается перпендикулярно максимальным нормальным напряжениям в область, где повреждаемость, материала не является максимальной.