Усталостное разрушение

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводяший к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению, называют ус­талостью, а свойство противостоять усталости - сопротивлением усталости. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается в глубь образца или детали, образуя острый надрез. Распространение усталостной трещины обычно длитель­но. Оно продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушаю­щие. Тогда произойдет быстрое разрушение, как правило хруп­кое, из-за наличия острого надреза. Задача усталостных испытаний - дать количественную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

По мере увеличения числа циклов при любых напряжениях выше предела выносливости в образце последовательно идут сле­дующие основные процессы: 1) пластическая деформация; 2) зарождение трещин; 3) постепенное развитие некоторых из них и преимущественное распространение одной, главной трещины; 4) быстрое окончательное разрушение.

Зародышами усталостных трещин являются поверхностные впадины. Они могут возникнуть при последовательном действии источников, генерирующих дисло­кации в разных системах. Предоложим, что вблизи поверхности образца имеются два источника М₁ и М₂ (рис. 9 а). Под действием прямого полуцик­ла напряжений источник М₁ генерирует дислокации, при выходе которых на поверхность образуется ступенька одного направле­ния (А на рис. 9 б), а от источника М₂ - другого (В на рис. 9 в). На обратном полуцикле источники генерируют дислокации противоположного знака, образующие ступеньки С (рис. 9 г) и D (рис. 9 д). При этом ступеньки А и В не уничтожаются из-за смещения плоскостей скольжения, по которым скользят дислокации от каждого источника, после смены знака напряже­ний. В результате за полный цикл на поверхности образуются выступ и впадина, растущие по мере увеличения числа циклов.

Рис. 9. Механизм образования поверхностных выступов и впадин при циклическом нагруже­нии

Вначале зародышевые трещины распространяются вдоль полос скольжения, а затем растут перпендикулярно направлению растягивающих напряжений (нормально поверхности образца). Усталостная трещина развивается скачками. На усталостном изломе в этот период под микроскопом хорошо видны бороздки, отра­жающие последовательное положение распространявшейся тре­щины (рис. 10).

Рис. 10. Устолостные бороздки в структуре излома

Усталостная трешина - это глубокий и острый надрез. Площадь сечения образца в месте этого надреза со временем умень­шается настолько, что приложенные напряжения оказываются выше разрушаюшего. Как только такое условие будет достигнуто, произойдет очень быстрое окончательное разрушение - чаще хрупкое, иногда (у очень пластичных материалов) вязкое.