Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изображение на растровом электронном микроскопе усталостных полос, образовавшихся в результате нагружения постоянной амплитуды. Трещина растет слева направо.

Штрихи - это отметки на поверхности излома, которые показывают постепенный рост усталостной трещины. Штрих отмечает положение вершины трещины во время ее создания. Термин « бороздка» обычно относится к пластичным бороздкам, которые представляют собой округлые полосы на поверхности разрушения, разделенные углублениями или трещинами, и могут иметь одинаковый внешний вид с обеих сторон сопрягаемых поверхностей усталостной трещины. Хотя некоторые исследования предполагают, что для образования единой бороздки требуется несколько циклов нагружения, в настоящее время обычно считается, что каждая бороздка является результатом одного цикла нагружения. [1]

Наличие бороздок используется при анализе отказов как показатель роста усталостной трещины. Обычно полосы не видны, когда трещина мала, даже если она растет от усталости, но они начнут появляться по мере того, как трещина становится больше. Не все периодические следы на поверхности излома являются бороздками. Размер полосы для конкретного материала обычно зависит от величины нагрузки, характеризующейся диапазоном коэффициента интенсивности напряжения , средним напряжением и окружающей средой. Ширина полосы указывает на общую скорость роста трещины, но может быть локально быстрее или медленнее на поверхности трещины.

Особенности полосатости [ править ]

Исследование поверхности излома известно как фрактография . Изображения трещины могут быть использованы для выявления особенностей и понимания механизмов роста трещины. Хотя бороздки довольно прямые, они имеют тенденцию изгибаться на концах, что позволяет определить направление роста трещины по изображению. В металлах полосы обычно образуются на разных уровнях и разделены разрывной полосой между ними. Полосы отрыва приблизительно параллельны направлению роста трещины и образуют так называемый узор реки , так называемый, потому что он выглядит как расходящийся узор, наблюдаемый при речных потоках. Источник русла реки сходится к одной точке, которая обычно является источником усталостного разрушения. [2]

На обеих сторонах сопрягаемой поверхности излома могут появиться полосы. Существует некоторый спор относительно того, соответствуют ли бороздки, образованные на обеих сторонах поверхности трещины, от пика до пика или от пика до впадины. Форма полосок также может быть разной на каждой стороне поверхности излома. [3] Бороздки не возникают равномерно по всей поверхности излома, и многие участки усталостной трещины могут быть лишены бороздок. Полосы чаще всего наблюдаются в металлах, но также встречаются и в пластмассах, таких как поли (метил-метакрилат) . [4]

Небольшие полосы можно увидеть с помощью сканирующего электронного микроскопа . [5] Если размер полосок превышает 500 нм (разрешающая длина волны света), их можно увидеть в оптический микроскоп . Первое изображение полос было получено Цапффе и Уорденом в 1951 году с помощью оптического микроскопа. [1]

Ширина полосы указывает на локальную скорость роста трещины и типична для общей скорости роста по поверхности трещины. Скорость роста можно предсказать с помощью уравнения роста трещины, такого как уравнение Париса-Эрдогана . Такие дефекты, как включения и границы зерен, могут локально замедлять скорость роста.

Нагрузки с переменной амплитудой создают бороздки разной ширины, и изучение этих структур использовалось для понимания усталости. [6] [7] Хотя для извлечения эквивалентных циклов постоянной амплитуды из последовательности переменной амплитуды можно использовать различные методы подсчета циклов, рисунок полос отличается от циклов, извлеченных с использованием метода подсчета дождевого потока .

Высота бороздки была связана с отношением напряжений прикладываемого цикла нагружения, где и, таким образом, является функцией минимальной и максимальной интенсивности напряжений прикладываемого цикла нагружения. [8]

Профиль штриховки зависит от степени загрузки и разгрузки в каждом цикле. Разгрузочная часть цикла, вызывающая пластическую деформацию на поверхности бороздки. Расширение трещины происходит только в возрастающей части цикла нагрузки. [9]

Полосообразные особенности [ править ]

Другие периодические отметки на поверхности излома можно принять за бороздки.

Полосы маркера [ править ]

Нагрузка с переменной амплитудой заставляет трещины менять плоскость роста, и этот эффект можно использовать для создания полос-маркеров на поверхности трещины. Когда применяется ряд циклов с постоянной амплитудой, они могут давать плато роста на поверхности излома. Маркерные полосы (также известные как отметки прогрессии или отметки берега ) могут быть созданы и легко идентифицированы на поверхности трещины, даже если величина нагрузок может быть слишком мала для образования отдельных полос. [10]

Кроме того, маркерные полосы также могут образовываться большими нагрузками (также известными как перегрузки), вызывая область быстрого разрушения на поверхности трещины. Быстрое разрушение может привести к быстрому расширению области до того, как притупление вершины трещины остановит рост, и дальнейший рост произойдет во время усталости. Быстрое разрушение происходит в процессе слияния микропустот, когда разрушения возникают вокруг интерметаллических частиц. F111 самолет был подвергнут периодическим контрольных испытаний , чтобы обеспечить любые трещины присутствовали меньше некоторого критического размера. Эти нагрузки оставили следы на поверхности трещины, которые можно было идентифицировать, что позволило измерить скорость промежуточного роста, происходящего в процессе эксплуатации. [11]

Следы также возникают из-за изменения окружающей среды, в которой может образовываться масло или коррозионная среда, или из-за чрезмерного теплового воздействия и окрашивания поверхности трещины вплоть до текущего положения вершины трещины. [10]

Маркерные полосы можно использовать для измерения мгновенной скорости роста применяемых циклов нагрузки. Применяя повторяющуюся последовательность, разделенную нагрузками, которые создают характерный узор, рост каждого сегмента нагрузки может быть измерен с помощью микроскопа в методике, называемой количественной фрактографией , скорость роста сегментов нагрузки постоянной амплитуды или нагрузки переменной амплитуды может быть непосредственно измеряется от поверхности излома. [12]

Следы шин [ править ]

Следы шин - это следы на поверхности излома, образованные чем-то, оставляющим отпечаток на поверхности в результате многократного открытия и закрытия поверхностей трещин. Это может быть вызвано либо частицей, которая оказывается захваченной между поверхностями трещины, либо самими поверхностями, перемещающимися и непосредственно контактирующими с противоположной поверхностью. [13]

Крупные бороздки [ править ]

Грубые бороздки представляют собой обычное смятие поверхности излома и не соответствуют одному циклу нагружения и поэтому не считаются настоящими бороздками. Они образуются вместо регулярных полос, когда атмосферной влаги недостаточно для образования водорода на поверхности вершины трещины в алюминиевых сплавах, что предотвращает активацию плоскостей скольжения. Морщины на поверхности пересекаются и поэтому не отражают положение вершины трещины.

Формирование полос в алюминии [ править ]

Влияние окружающей среды [ править ]

Штрихи часто изготавливают из высокопрочных алюминиевых сплавов. В этих сплавах присутствие водяного пара необходимо для образования пластичных полос, хотя слишком много водяного пара приведет к образованию хрупких полос, также известных как полосы расщепления . Хрупкие полосы более плоские и крупнее, чем пластичные полосы, полученные при такой же нагрузке. В атмосфере присутствует достаточно водяного пара для образования пластичных полос. Растущие внутри трещины изолированы от атмосферы и растут в вакууме . [14] Когда водяной пар осаждается на свежеоткрытой поверхности алюминиевой трещины, он диссоциирует на гидроксиды и атомарный водород.. Водород взаимодействует с вершиной трещины, влияя на внешний вид и размер полос. Скорость роста обычно увеличивается на порядок при наличии водяного пара. [15] Механизмом считается водородное охрупчивание в результате поглощения водорода пластической зоной на вершине трещины. [16]

Когда внутренняя трещина прорывается на поверхность, скорость роста трещины и внешний вид поверхности разрушения изменяются из-за присутствия водяного пара. Грубые бороздки возникают, когда усталостная трещина растет в вакууме, например, из-за внутреннего дефекта. [15]

Самолет взлома [ править ]

В алюминии ( гранецентрированный кубический материал) трещины растут вблизи плоскостей с низким показателем преломления, таких как плоскости {100} и {110} (см. Индекс Миллера ). [3] Обе эти плоскости делят пополам пару плоскостей скольжения . Рост трещины с участием одной плоскости скольжения называется ростом стадии I, а рост трещины с участием двух плоскостей скольжения называется ростом стадии II . [17] Полосы обычно наблюдаются только на стадии роста II.

Хрупкие бороздки обычно образуются на плоскостях {100}. [17]

Модели формирования полосатости [ править ]

Было разработано множество моделей, объясняющих процесс образования полос и их результирующую форму. Некоторые из наиболее значимых моделей:

  • Пластиковая модель затупления Лэрда [18]
  • Модель зуба пилы Макмиллана и Пеллу [6]
  • Модель грубого скольжения Нойммана [19]
  • Модель полосы сдвига от Чжана [20]

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б МакЭвили, AJ; Мацунага, Х. (2010). «О полосах усталости». Сделка B: Машиностроение . 17 (1).
  2. ^ Халл, Дерек (1999). Фрактография: наблюдение, измерение и интерпретация топографии структуры трещин . Издательство Кембриджского университета.
  3. ^ a b Nix, кДж; Цветок, HM (1982). «Микромеханизмы роста усталостной трещины в промышленном сплаве Al-Zn-Mg-Cu». Acta Metallurgica . 30 (8): 1549–1559. DOI : 10.1016 / 0001-6160 (82) 90175-4 .
  4. Перейти ↑ Johnson, TA (1972). «Усталостное разрушение полиметилметакрилата». Журнал прикладной физики . 43 (3): 1311–1313. Bibcode : 1972JAP .... 43.1311J . DOI : 10.1063 / 1.1661271 .
  5. ^ Брукс, Чарли Р .; Макгилл, Б.Л. (1994). «Применение сканирующей электронной микроскопии во фрактографии». Характеристика материалов . 33 (3): 195–243. DOI : 10.1016 / 1044-5803 (94) 90045-0 .
  6. ^ а б Макмиллан, JC; Пеллу, RMN (1967). Распространение усталостных трещин при программных и случайных нагрузках . ASTM STP 415. ASTM International. С. 505–535.
  7. ^ Schijve, J. (1999). «Значение фрактографии для исследования роста усталостной трещины при нагружении переменной амплитуды» . Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций . 22 (2): 87–99. DOI : 10,1046 / j.1460-2695.1999.00147.x .
  8. ^ Uchida, Y .; Shomojop, M .; Хиго, Ю. (1999). «Взаимосвязь между высотой усталостной полосы и соотношением напряжений». Журнал материаловедения . 34 (10): 2411–2419. DOI : 10,1023 / A: 1004510615621 .
  9. ^ Макмиллан, JC; Пеллу, RM (1970). «Распространение усталостной трещины при запрограммированных нагрузках и смещениях раскрытия вершины трещины». Инженерная механика разрушения . 2 : 81–84. DOI : 10.1016 / 0013-7944 (70) 90031-7 .
  10. ^ а б Линч, SP (2007). «Маркировка прогрессирования, бороздки и маркировка остановки трещин на поверхностях излома». Материаловедение и инжиниринг . 468–470: 74–80. DOI : 10.1016 / j.msea.2006.09.083 .
  11. ^ Бартер, SA; Molent, L .; Ванхилл, RJH (2009). «Маркерные нагрузки для количественной фрактографии усталостных трещин в аэрокосмических сплавах». Двадцать пятый ICAF симпозиум - Роттердам, 27-29 мая 2009 .
  12. ^ Макдональд, М .; Boykett, R .; Джонс, М. (2012). «Маркеры количественной фрактографии для определения скорости роста усталостных трещин в алюминиевых и титановых конструкциях самолетов». 28-й Международный конгресс авиационных наук .
  13. ^ «Характеристики усталостного разрушения металлов» . Проверено 29 июня 2019 .
  14. ^ Schijve, J. (1978). «В вакууме растут внутренние усталостные трещины» . Инженерная механика разрушения . 10 (2): 359–370. DOI : 10.1016 / 0013-7944 (78) 90017-6 .
  15. ^ а б Руис, Дж .; Элисес, М. (1996). «Влияние давления и частоты водяного пара на усталостные характеристики пластины из алюминиевого сплава 7017-T651». Acta Materialia . 45 (1): 291–293.
  16. ^ Робертсон, Ян М .; Софронис, П .; Nagao, A .; Мартин, ML; Wang, S .; Брутто, DW; Nygren, KE (2015). «Водородная хрупкость понятна» . Металлургическая и Транзакции материалов A . 46A (6): 2323–2341. Bibcode : 2015MMTA ... 46.2323R . DOI : 10.1007 / s11661-015-2836-1 .
  17. ^ а б Суреш, С. (2004). Усталость материалов (Второе изд.). Издательство Кембриджского университета.
  18. ^ Лэрд, Кэмпбелл (1996). "Усталость". В Кан, RW; Haasent, P. (ред.). Физическая металлургия (Четвертое изд.). Elsevier Science BV.
  19. Перейти ↑ Neumann, P. (1974). «Модель грубого скольжения на усталость». Acta Metallurgica . 17 (9): 1219–1225. DOI : 10.1016 / 0001-6160 (69) 90099-6 .
  20. ^ Zhang, JZ (2000). «Модель декогезии полосы сдвига для роста небольших усталостных трещин в сверхмелкозернистом алюминиевом сплаве». Инженерная механика разрушения . 65 (6): 665–681. DOI : 10.1016 / S0013-7944 (99) 00148-4 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Характеристики усталостного разрушения металлов