Государственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию
Российский Государственный Авиационный Технологический
Университет имени К.Э. Циолковского - (МАТИ)
Курсовая работа по физическому материаловедению
Тема: Закрытие трещин и его влияние на циклическую
трещиностойкость сплавов
Преподаватель: Ботвина Л.Р.
Студент: Шапиро Р.А.
Москва 1998г
Структурный план курсовой работы
по физическому материаловедению.
1. Проявления и механизм закрытия усталостных
трещин.
2. Влияние условий эксплуатации на закрытие и
кинетику трещин усталости в конструкционных
материалах.
3. Закрытие трещин и структура конструкционных
сплавов.
1. Проявления и механизм закрытия усталостных трещин.
Один из наиболее важных феноменов экспериментальной механики усталостного разрушения, установленных в течение 1970-х г., - явление преждевременного контакта берегов растущей усталостной трещины на протяжении некоторой положительной части цикла напряжений. Этот феномен, называемый смыкание или закрытие трещин, широко используется для объяснения многочисленных кинетических эффектов, сопровождающих усталостное разрушение конструкционных материалов.
Считается, что закрытие трещин обнаружил В. Элбер. По-видимому, правильно сказать, что этот исследователь впервые обнаружил количественную оценку закрытия трещины и указал на его значимость в кинематике усталостного разрушения. Наиболее правдоподобным механизм их образования, предложенный в свое время С. Бичемом, предусматривает взаимное столкновение поверхностей трещины позади ее вершины.
В. Элбер обнаружил закрытие трещин случайно при подготовке образцов для фрактографического исследования. Разрезание образца с усталостной трещиной вызвало его существенную деформацию, заметную невооруженным глазом. Для установления причин такого поведения образца его снабдили датчиком деформации, что позволило получить зависимость приложенной к образцу нагрузки от перемещения краев разреза. Она оказалась нелинейной, хотя нагружение образца осуществлялось в упругой области. Это свидетельствовало о изменении геометрии образца в процессе нагружения. Такое изменение возможно, если в ненагруженном состоянии трещина была закрыта, т.е. ее берега прижаты друг к другу с определенным усилием. Тогда процесс нагружения будет сопровождаться не только равномерной деформацией материала неразрушенной части образца, но и увеличением длины раскрытой части усталостной трещины, т.е. податливость образца будет меняться при изменении приложенного к нему усилия. Путем последовательной регистрации в цикле раскрытия трещины вблизи ее вершины установлено, что усталостные трещины в листах алюминиевого сплава закрываются еще до полного снятия с образца растягивающей нагрузки. В полуцикле нагружения раскрытие берегов трещины вначале не зависит от приложенного извне напряжения (рис. 1, а) и лишь при достижении последним определенного значения трещина начинает открываться, инициируя таким образом процесс деформирования и усталостного повреждения материала в зоне предразрушения. Используя терминологию механики разрушения, можно сказать, что закрытие трещины фиксирует в ее вершине некоторое значение коэффициента интенсивности напряжения К=Кор (пропорциональное текущей длине трещины и нормальному напряжению в момент открытия трещины ор), препятствуя снижению этого параметра до уровня К=Кmin . В результате искажается характер формы цикла и величина трещины (рис. 1, б), а также коэффициент интенсивности напряжения в вершине трещины (рис. 1, в). На основании полученных результатов В. Элбер пришел к выводу о неэффективности с точки зрения роста усталостной трещины некоторой части цикла напряжений. Указывая на необходимость учета явления закрытия трещины при анализе напряженно-деформационного состояния тел с трещинами, он уточнил зависимость скорости роста усталостной трещины от размаха коэффициента интенсивности напряжения, введя эффективное значение последнего параметра: ,
где С и n - коэффициенты Пэриса; - эффективный размах коэффициента интенсивности напряжения, соответствующий открытой трещине
Kmax - Kор
Рис. 1. Зависимость между приложенным к образцу напряжением и раскрытием берегов трещины (а), а также схема формы цикла внешней нагрузки (б) и коэффициента интенсивности напряжения (в).
В зависимости от конкретных условий реализации закрытия трещины связывают с несколькими механизмами. Первый из них предложен В.Элбером, который заметил отличие реальной усталостной трещины от идеальной, т.е. острого надреза нулевой ширины надр. Оно заключается в наличии на берегах реальной усталостной трещины пластически деформируемого материала (рис. 2). Поэтому при однократном нагружении до одинаковых значений коэффициента интенсивности напряжения раскрытие берегов реальной усталостной трещины тр (рис. 2, а) меньше, чем идеальной (рис. 2, б). Если предположить, что в полуцикле разгрузки раскрытия реальной и идеальной трещин будет уменьшаться в равной степени, то берега усталостной трещины сомкнуться раньше полного снятия нагрузки. Поэтому, согласно В. Элберу, усталостная трещина закрывается при положительном значении приложенного извне напряжения благодаря наличию на ее берегах определенного объема пластически деформированного материала, увеличенного по сравнению с исходным недеформируемым, и воздействия на этот объем неразрушенной части сечения