Малые (короткие) трещины.

МТ обычно трактовались как повреждения, возникающие при циклическом нагружении металлов при амплитуде напряжений ниже предела усталости. Это, как правило, дефекты структурного размерного уровня и их относят к неразвивающимся трещинам. Однако дальнейшие исследования показали, что процессы зарождения и распространения МТ играют значительную роль при повреждаемости конструкционных материалов как одна из основных стадий развития разрушения. Эта стадия именуется инкубационной стадией макроразрушения.

Большинство экспериментальных данных по росту МТ в конструкционных материалах представлялось в виде универсальной кинетической диаграммы роста

усталостных трещин. При этом КИН без надлежащей физической интерпретации вычисляется таким же образом, как и для длинных трещин. Это приводит к существенным отличиям в закономерностях распространения коротких и длинных трещин:

· скорость роста МТ выше, чем у длинных при тех же значениях КИН;

· имеется значительный разброс результатов;

· МТ растут при КИН, меньших порогового значения для длинных трещин;

· с увеличением длины малой трещины скорость ее роста обычно уменьшается (рис. 10).

Рис. 10. Схематические зависимости длины трещины от числа циклов нагружения (а) и скорости роста усталостных трещин от КИН (б), отражающие особенности распространения малых и больших трещин. 1 - нераспространяющиеся МТ; 2 - распространяющиеся МТ

 

Принимая во внимание определение МТ, можно заключить, что любая трещина, зародившаяся в пределах зерна поликристаллического материала, является малой.

Обычно различают две основные стадии роста усталостной трещины. На первой стадии трещина растет вдоль первичной плоскости скольжения, в которой она зародилась (плоскости действия касательных напряжений). Далее, на второй стадии, трещина распространяется в плоскости, перпендикулярной оси действия напряжений. Обычно все исследования кинетики МТ относятся ко второй стадии.

При описании кинетики малых трещин предлагается применять микроструктурную механику разрушения (ММР) на ранней стадии роста трещины, упругопластическую механику разрушения (УПМР) - в промежуточном диапазоне и использовать линейную упругую механику разрушения (ЛУМР) для длинных трещин и низких напряжений. Соответствующие уравнения для роста трещин имеют вид

для ММР; (28)

для УПМР; (29)

для ЛУМР, (30)

где - длина трещины; N - число циклов; - размах пластической деформации в цикле; d - размер зерна; A, B, C, D, a, b и n - константы (D - пороговое условие для трещин УПМР).

Уравнение (28) описывает уменьшение скорости роста трещины с увеличением ее длины (рис. 7). Природа замедления скорости трещины связывается с преодолением упрочненного поверхностного слоя или со сменой вида напряженно-деформированного состояния - от плосконапряженного на поверхности до плоской деформации внутри.

Уравнение (29) описывает экспоненциальную зависимость длины трещины от числа циклов нагружения. Такой тип зависимости наблюдали и при циклическом нагружении с постоянной амплитудой напряжения :

, (31)

где H и h - константы (h » 8).

Следует отметить, что хотя для МТ и можно выделить определенные общие закономерности роста, однако общий характер зависимостей длины трещины от времени (числа циклов нагружения) отличается значительной неоднородностью. Наблюдения за поведением коллектива рассеянных на поверхности образца трещин показывают, что некоторые зародившиеся трещины могут быть нераспространяющиеся, часть растет стабильно, но со значительным разбросом скоростей, некоторые существенно ускоряют свой рост из-за объединения с соседними трещинами. Это свидетельствует о том, что скорость роста МТ является случайной величиной и поэтому описание коллективного поведения системы рассеянных трещин необходимо осуществлять в вероятностном аспекте.

На долговечность ответственных конструктивных элементов самолетов и авиационных двигателей помимо распространения МТ очень большое влияние оказывают процессы их зарождения. Обычным проявлением поврежденности конструкций является наличие на ограниченной площади поверхности совокупности рассеянных малоразмерных трещин. При увеличении во времени их количества и размеров начинается процесс объединения дефектов, что опасно из-за возможности внезапного формирования трещины критической длины.

Процессы зарождения роста и объединения трещин называются множественным (многоочаговым, дисперсным) разрушением (МР). Так, при малоцикловой усталости МР является доминирующим процессом, который составляет 80…98% общей долговечности. Предельное состояние конструкции достигается за счет процессов зарождения и накопления рассеянных трещин, при повышении концентрации которых реализуется объединение близлежащих повреждений и формирование трещины критической длины. Такая схема разрушения присуща практически всем конструкционным материалам и проявляется при различных видах силового воздействия в самом широком размерном интервале.

В рекомендательных и нормативных документах по обеспечению и поддержанию конструктивной летной годности воздушных судов указывается, что особое внимание при оценке живучести и выносливости конструкций необходимо уделять многоочаговому разрушению. По определению многоочаговое повреждение это «ряд небольших, расположенных близко друг от друга трещин, которые могут внезапно объединиться в одну длинную трещину, что приведет к снижению остаточной прочности конструкции ниже допустимого уровня». В этой связи изучение механики разрушения, особенно процессов растрескивания материалов, является весьма актуальным.