Раздел 3. Характеристики сопротивления развитию трещины при циклическом нагружении

Процесс усталостного разрушения включает стадии зарождения и развития усталостной трещины, а также стадию статического разрушения. Это подтверждается видом поверхности усталостного излома. При усталостном разрушении на поверхности излома можно выделить пять зон:

- фокус излома- микроскопическая зона зарождения излома;

- очаг разрушения- макроскопическая зона зарождения излома;

- зона усталостного развития трещины;

- зона ускоренного развития трещины;

- зоны окончательного статического долома.

Длительность развития усталостной трещины составляет 40-60% долговечности до разрушения элемента конструкции. Поэтому особый интерес представляет скорость развития трещины до её достижения критического размера. Данные по скорости роста трещины (СРТУ) получают на образцах типа «пластина с центральной трещиной» (рис. 4.11а).

Рисунок 4.11

В результате испытаний при постоянном значении асимметрии цикла R получают зависимость длины трещины от количества циклов нагружения «a–N» (рис. 4.11б), которая потом перестраивается в зависимость «lg da/dN‑lg DK» (рис. 4.11б), где:

da/dN - скорость роста трещины;

DK = K_max‑ K_min - размах коэффициента интенсивности напряжений в цикле нагружения.

Зависимость «lg da/dN‑lg DK» называют кинетической диаграммой разрушения (КДР). Для большинства металлических материалов КДР представляет собой S -образную кривую с тремя характерными участками.

Первый участок охватывает область низких значений DK от DK≈К_th до DK, примерно равной DK≈2.5К_th, где К_th - пороговый коэффициент интенсивности напряжений, ниже которого трещина не развивается.

Второй участок, который в первом приближении можно считать прямолинейным в двойных логарифмических координатах, находится в диапазоне DK, примерно от DK≈2.5К_th до DK≈0,5К_С^у.,где К_С^у - критическое значение условного коэффициента интенсивности напряжений при плоско-напряженном состоянии.

Третий участок (предразрушения) находится в диапазоне примерно от DK≈0.5К_С^у до DK≈К_С^у.

Для описания КДР применяют аппроксимирующие зависимости. Наиболее часто используются зависимости «Пэриса-Уолкера», «Формана» и «Коллиприста»:

- Пэрис-Уолкер;

- Форман;

- Коллиприст;

где:

ΔК_эфф = ΔК/(1–R)^р;

C_p, C_f, C_k, n_p, n_f, n_k, p – параметры, полученные по экспериментальным данным.

Зависимость Пэриса-Уолкера используется в основном для аппроксимации среднего участка КДР. Зависимость Формана описывает второй и третий участок и является при ее использовании в расчетах наиболее консервативной. Зависимость Коллиприста применяется для описания для описания всей КДР. Она учитывает особенности распространения трещины на всех трех участках.

В качестве расчетных характеристик СРТУ принимаются средние значения скорости роста трещины (средние параметры кинетической диаграммы разрушения КДР) в случае удовлетворения требованиям к объему и представительности экспериментальных данных и не превышения типичного значения рассеяния. Типичным значением среднеквадратичного отклонения логарифмов СРТУ является s_lg(da/dN) =0,1. Оно определяется на среднем (Пэрисовском) участке КДР.

Для наиболее применяемых в авиационных конструкциях константы зависимостей «Пэриса-Уолкера», «Формана» и «Коллиприста», аппроксимирующих средние параметры кинетических диаграмм разрушения, металлических конструкционных материалов приведены в таблице 4.3.

В таблице 4.3 величины C_p, C_f и C_k приведены в следующих размерностях C_p [ ], C_f [ ], C_k [ ].

Таблица 4.3