Исчерченность (усталость)

Изображение усталостных полос, возникших в результате нагрузки постоянной амплитуды, на сканирующем электронном микроскопе. Трещина растет слева направо.

Полосы — это следы на поверхности излома, которые показывают постепенный рост усталостной трещины. Полоса отмечает положение вершины трещины в момент ее образования. Термин «бороздка» обычно относится к пластичным полосам , которые представляют собой закругленные полосы на поверхности излома, разделенные впадинами или трещинами, и могут иметь одинаковый внешний вид по обе стороны от сопрягаемых поверхностей усталостной трещины. Хотя некоторые исследования показали, что для образования одной полоски требуется множество циклов нагрузки, сейчас принято считать, что каждая полоса является результатом одного цикла нагрузки. ^{[ 1 ]}

Наличие бороздок используется при анализе отказов как признак роста усталостной трещины. Полосы обычно не видны, когда трещина маленькая, даже если она растет из-за усталости, но начинают появляться по мере увеличения трещины. Не все периодические следы на поверхности излома являются бороздками. Размер борозды для конкретного материала обычно связан с величиной нагрузки, характеризуемой диапазоном коэффициентов интенсивности напряжений , средним напряжением и окружающей средой. Ширина борозды указывает на общую скорость роста трещины, но на поверхности трещины она может быть локально быстрее или медленнее.

Особенности страйирования

Исследование поверхности излома известно как фрактография . Изображения трещины можно использовать для выявления особенностей и понимания механизмов роста трещины. Хотя полосы довольно прямые, они имеют тенденцию изгибаться на концах, что позволяет определить направление роста трещин по изображению. В металлах страты обычно образуются на разных уровнях и разделены разрывной полосой между ними. Полосы разрыва примерно параллельны направлению роста трещин и образуют так называемый речной узор , потому что он выглядит как расходящийся узор, наблюдаемый у речных потоков. Источник речной структуры сходится к одной точке, которая обычно является источником усталостного разрушения. ^{[ 2 ]}

Бороздки могут появляться с обеих сторон сопрягаемой поверхности излома. Существует некоторый спор относительно того, совпадают ли борозды, образующиеся на обеих сторонах поверхности излома, от пика к пику или от пика к впадине. Форма борозд также может быть разной на каждой стороне поверхности излома. ^{[ 3 ]} Полосы возникают неравномерно по всей поверхности излома, и многие участки усталостной трещины могут быть лишены бороздок. Полосы чаще всего наблюдаются в металлах, но также встречаются и в пластиках, таких как поли(метилметакрилат) . ^{[ 4 ]}

Небольшие полоски можно увидеть с помощью сканирующего электронного микроскопа . ^{[ 5 ]} Когда размер страты 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 полоски указывает на локальную скорость роста трещины и типична для общей скорости роста трещины по поверхности разрушения. Скорость роста можно предсказать с помощью уравнения роста трещины, такого как уравнение Пэрис-Эрдогана . Дефекты, такие как включения и границы зерен, могут локально замедлять скорость роста.

Нагрузки переменной амплитуды вызывают образование полос разной ширины, и изучение этих полос использовалось для понимания усталости. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Хотя для извлечения эквивалентных циклов с постоянной амплитудой из последовательности с переменной амплитудой можно использовать различные методы подсчета циклов, структура полос отличается от циклов, извлеченных с использованием метода подсчета дождевых потоков .

Высота борозды связана с коэффициентом напряжений. $R$ приложенного цикла нагружения, где $R=K_{\text{min}}/K_{\text{max}}$ и, таким образом, является функцией минимума $K_{\text{min}}$ и максимум $K_{\text{max}}$ интенсивность напряжений приложенного цикла нагружения. ^{[ 8 ]}

Профиль исчерченности зависит от степени нагрузки и разгрузки в каждом цикле. Разгрузочная часть цикла вызывает пластическую деформацию поверхности бороздки. Расширение трещины происходит только в нарастающей части цикла нагрузки. ^{[ 9 ]}

Особенности, похожие на полосатость

Другие периодические следы на поверхности излома можно принять за бороздки.

Маркерные полосы

Нагрузка переменной амплитуды приводит к изменению плоскости роста трещин, и этот эффект можно использовать для создания маркерных полос на поверхности разрушения. Когда применяется несколько циклов постоянной амплитуды, они могут привести к появлению плато роста на поверхности трещины. Маркерные полосы (также известные как следы прогрессии или пляжные отметки ) могут образовываться и легко идентифицироваться на поверхности излома, даже если величина нагрузок может быть слишком мала для образования отдельных бороздок. ^{[ 10 ]}

Кроме того, маркерные полосы также могут образовываться под действием больших нагрузок (также известных как перегрузки), образующих область быстрого разрушения на поверхности трещины. Быстрое разрушение может привести к образованию области быстрого расширения, прежде чем притупление вершины трещины остановит рост, и дальнейший рост произойдет во время усталости. Быстрое разрушение происходит в результате процесса слияния микропор , когда разрушение начинается вокруг интерметаллических частиц. Самолет F111 подвергался периодическим контрольным испытаниям, чтобы убедиться, что все имеющиеся трещины меньше определенного критического размера. Эти нагрузки оставили следы на поверхности излома, 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 могут откладываться масло или агрессивные среды, или из-за чрезмерного теплового воздействия и окрашивания поверхности излома вплоть до текущего положения вершины трещины. ^{[ 10 ]}

Маркерные полосы можно использовать для измерения мгновенной скорости нарастания приложенных циклов нагрузки. Применяя повторяющуюся последовательность, разделенную нагрузками, которые создают характерную картину, рост каждого сегмента нагрузки можно измерить с помощью микроскопа с помощью метода, называемого количественной фрактографией . Скорость роста сегментов нагрузки с постоянной или переменной амплитудой может быть измерена напрямую. измеряется от поверхности излома. ^{[ 12 ]}

Следы шин

Следы шин — это следы на поверхности трещины, оставленные чем-то, оставшимся на поверхности в результате многократного открытия и закрытия поверхностей трещины. Это может быть вызвано либо частицей, которая оказывается зажатой между берегами трещины, либо самими поверхностями, смещающимися и непосредственно контактирующими с противоположной поверхностью. ^{[ 13 ]}

Грубые полосы

Грубые бороздки представляют собой общее смятие поверхности излома, не соответствуют одному циклу нагружения и поэтому не считаются настоящими бороздками. Они образуются вместо регулярных бороздок при недостаточности атмосферной влаги 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.

Образование полос в алюминии

Влияние окружающей среды

Стразы часто изготавливаются из высокопрочных алюминиевых сплавов. В этих сплавах присутствие водяного пара необходимо для образования пластичных полос, хотя слишком большое количество водяного пара приводит к хрупким полосам, также известным как полосы скола . Хрупкие бороздки более плоские и крупные, чем пластичные бороздки, полученные при той же нагрузке. В атмосфере присутствует достаточное количество водяного пара для образования пластичных полос. Трещины, растущие внутрь, изолированы от атмосферы и растут в вакууме . ^{[ 14 ]} Когда водяной пар осаждается на только что обнаженной поверхности излома алюминия, он диссоциирует на гидроксиды и атомарный водород . Водород взаимодействует с вершиной трещины, влияя на внешний вид и размер бороздок. Скорость роста обычно увеличивается на порядок в присутствии водяного пара. ^{[ 15 ]} Предполагается, что этот механизм заключается в водородном охрупчивании в результате поглощения водорода пластической зоной у вершины трещины. ^{[ 16 ]}

При выходе внутренней трещины на поверхность скорость роста трещины и внешний вид поверхности излома изменяются из-за присутствия водяного пара. Грубые борозды возникают, когда усталостная трещина растет в вакууме, например, из внутреннего дефекта. ^{[ 15 ]}

Растрескивающийся самолет

В алюминии ( гранецентрированном кубическом материале) трещины растут вблизи плоскостей с низким коэффициентом 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

Было разработано множество моделей, объясняющих процесс формирования полос и их форму. Некоторые из важных моделей:

Пластиковая притупляющая модель Лэрда ^{[ 18 ]}
Пилообразная модель Макмиллана и Пеллу. ^{[ 6 ]}
Модель грубого скольжения Неймана. ^{[ 19 ]}
Модель полосы сдвига Чжана ^{[ 20 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б МакЭвили, Эй Джей; Мацунага, Х. (2010). «О полосах усталости». Транзакция Б: Машиностроение . 17 (1).
^ Халл, Дерек (1999). Фрактография: наблюдение, измерение и интерпретация топографии структуры трещин . Издательство Кембриджского университета.
^ Jump up to: ^а ^б Никс, К.Дж.; Флауэр, HM (1982). «Микромеханизмы роста усталостных трещин в промышленном сплаве Al-Zn-Mg-Cu». Акта Металлургика . 30 (8): 1549–1559. дои : 10.1016/0001-6160(82)90175-4 .
^ Джонсон, Т. А. (1972). «Усталостное разрушение полиметилметакрилата». Журнал прикладной физики . 43 (3): 1311–1313. Бибкод : 1972JAP....43.1311J . дои : 10.1063/1.1661271 .
^ Брукс, Чарли Р.; МакГилл, Б.Л. (1994). «Применение сканирующей электронной микроскопии во фрактографии». Характеристика материалов . 33 (3): 195–243. дои : 10.1016/1044-5803(94)90045-0 .
^ Jump up to: ^а ^б Макмиллан, Джей Си; Пеллу, RMN (1967). «Распространение усталостных трещин при программных и случайных нагрузках». Распространение усталостных трещин . ASTM STP 415. ASTM International. стр. 505–535.
^ Шийве, Дж. (1999). «Значение фрактографии для исследования роста усталостных трещин при нагружении переменной амплитуды» . Усталость и разрушение технических материалов и конструкций . 22 (2): 87–99. дои : 10.1046/j.1460-2695.1999.00147.x .
^ Учида, Ю.; Шомоджоп, М.; Хиго, Ю. (1999). «Связь между высотой усталостных полос и коэффициентом напряжений». Журнал материаловедения . 34 (10): 2411–2419. дои : 10.1023/А:1004510615621 . S2CID 134254877 .
^ Макмиллан, Джей Си; Пеллу, РМ (1970). «Распространение усталостных трещин при программных нагрузках и смещения раскрытия вершин трещин». Инженерная механика разрушения . 2 : 81–84. дои : 10.1016/0013-7944(70)90031-7 .
^ Jump up to: ^а ^б Линч, СП (2007). «Отметины прогрессирования, полосы и следы остановки трещин на поверхностях изломов». Материаловедение и инженерия А. 468–470: 74–80. дои : 10.1016/j.msea.2006.09.083 .
^ Бартер, ЮАР; Молент, Л.; Ванхилл, RJH (2009). «Маркерные нагрузки для количественной фрактографии усталостных трещин в авиационно-космических сплавах». 25-й симпозиум ICAF – Роттердам, 27-29 мая 2009 г.
^ Макдональд, М.; Бойкетт, Р.; Джонс, М. (2012). «Количественные фрактографические маркеры для определения скорости роста усталостных трещин в алюминиевых и титановых авиационных конструкциях». 28-й Международный конгресс авиационных наук .
^ «Особенности усталостного разрушения металлов» . Проверено 29 июня 2019 г.
^ Шийве, Дж. (1978). «Внутренние усталостные трещины растут в вакууме» . Инженерная механика разрушения . 10 (2): 359–370. дои : 10.1016/0013-7944(78)90017-6 .
^ Jump up to: ^а ^б Руис, Дж.; Элис, М. (1996). «Влияние давления и частоты водяного пара на усталостное поведение пластины из алюминиевого сплава 7017-T651». Акта Материалия . 45 (1): 291–293.
^ Робертсон, Ян М.; Софронис, П.; Нагао, А.; Мартин, ML; Ван, С.; Гросс, Д.В.; Нигрен, К.Э. (2015). «Понимание водородной хрупкости» . Металлургические и сырьевые операции А . 46А (6): 2323–2341. Бибкод : 2015MMTA...46.2323R . дои : 10.1007/s11661-015-2836-1 .
^ Jump up to: ^а ^б Суреш, С. (2004). Усталость материалов (Второе изд.). Издательство Кембриджского университета.
^ Лэрд, Кэмпбелл (1996). "Усталость". В Кане, RW; Хаасент, П. (ред.). Физическая металлургия (Четвертое изд.). Эльзевир Сайенс Б.В.
^ Нойманн, П. (1974). «Модель усталости грубого скольжения». Акта Металлургика . 17 (9): 1219–1225. дои : 10.1016/0001-6160(69)90099-6 .
^ Чжан, JZ (2000). «Модель декогезии полосы сдвига для роста небольших усталостных трещин в сверхмелкозернистом алюминиевом сплаве». Инженерная механика разрушения . 65 (6): 665–681. дои : 10.1016/S0013-7944(99)00148-4 .

Внешние ссылки

Характеристики усталостного разрушения металлов.

[mcevily-1] Jump up to: ^а ^б МакЭвили, Эй Джей; Мацунага, Х. (2010). «О полосах усталости». Транзакция Б: Машиностроение . 17 (1).

[2] Халл, Дерек (1999). Фрактография: наблюдение, измерение и интерпретация топографии структуры трещин . Издательство Кембриджского университета.

[nix-3] Jump up to: ^а ^б Никс, К.Дж.; Флауэр, HM (1982). «Микромеханизмы роста усталостных трещин в промышленном сплаве Al-Zn-Mg-Cu». Акта Металлургика . 30 (8): 1549–1559. дои : 10.1016/0001-6160(82)90175-4 .

[4] Джонсон, Т. А. (1972). «Усталостное разрушение полиметилметакрилата». Журнал прикладной физики . 43 (3): 1311–1313. Бибкод : 1972JAP....43.1311J . дои : 10.1063/1.1661271 .

[5] Брукс, Чарли Р.; МакГилл, Б.Л. (1994). «Применение сканирующей электронной микроскопии во фрактографии». Характеристика материалов . 33 (3): 195–243. дои : 10.1016/1044-5803(94)90045-0 .

[mcmillan-6] Jump up to: ^а ^б Макмиллан, Джей Си; Пеллу, RMN (1967). «Распространение усталостных трещин при программных и случайных нагрузках». Распространение усталостных трещин . ASTM STP 415. ASTM International. стр. 505–535.

[7] Шийве, Дж. (1999). «Значение фрактографии для исследования роста усталостных трещин при нагружении переменной амплитуды» . Усталость и разрушение технических материалов и конструкций . 22 (2): 87–99. дои : 10.1046/j.1460-2695.1999.00147.x .

[8] Учида, Ю.; Шомоджоп, М.; Хиго, Ю. (1999). «Связь между высотой усталостных полос и коэффициентом напряжений». Журнал материаловедения . 34 (10): 2411–2419. дои : 10.1023/А:1004510615621 . S2CID 134254877 .

[9] Макмиллан, Джей Си; Пеллу, РМ (1970). «Распространение усталостных трещин при программных нагрузках и смещения раскрытия вершин трещин». Инженерная механика разрушения . 2 : 81–84. дои : 10.1016/0013-7944(70)90031-7 .

[lynch-10] Jump up to: ^а ^б Линч, СП (2007). «Отметины прогрессирования, полосы и следы остановки трещин на поверхностях изломов». Материаловедение и инженерия А. 468–470: 74–80. дои : 10.1016/j.msea.2006.09.083 .

[11] Бартер, ЮАР; Молент, Л.; Ванхилл, RJH (2009). «Маркерные нагрузки для количественной фрактографии усталостных трещин в авиационно-космических сплавах». 25-й симпозиум ICAF – Роттердам, 27-29 мая 2009 г.

[12] Макдональд, М.; Бойкетт, Р.; Джонс, М. (2012). «Количественные фрактографические маркеры для определения скорости роста усталостных трещин в алюминиевых и титановых авиационных конструкциях». 28-й Международный конгресс авиационных наук .

[13] «Особенности усталостного разрушения металлов» . Проверено 29 июня 2019 г.

[14] Шийве, Дж. (1978). «Внутренние усталостные трещины растут в вакууме» . Инженерная механика разрушения . 10 (2): 359–370. дои : 10.1016/0013-7944(78)90017-6 .

[ruiz-15] Jump up to: ^а ^б Руис, Дж.; Элис, М. (1996). «Влияние давления и частоты водяного пара на усталостное поведение пластины из алюминиевого сплава 7017-T651». Акта Материалия . 45 (1): 291–293.

[16] Робертсон, Ян М.; Софронис, П.; Нагао, А.; Мартин, ML; Ван, С.; Гросс, Д.В.; Нигрен, К.Э. (2015). «Понимание водородной хрупкости» . Металлургические и сырьевые операции А . 46А (6): 2323–2341. Бибкод : 2015MMTA...46.2323R . дои : 10.1007/s11661-015-2836-1 .

[suresh04-17] Jump up to: ^а ^б Суреш, С. (2004). Усталость материалов (Второе изд.). Издательство Кембриджского университета.

[18] Лэрд, Кэмпбелл (1996). "Усталость". В Кане, RW; Хаасент, П. (ред.). Физическая металлургия (Четвертое изд.). Эльзевир Сайенс Б.В.

[19] Нойманн, П. (1974). «Модель усталости грубого скольжения». Акта Металлургика . 17 (9): 1219–1225. дои : 10.1016/0001-6160(69)90099-6 .

[20] Чжан, JZ (2000). «Модель декогезии полосы сдвига для роста небольших усталостных трещин в сверхмелкозернистом алюминиевом сплаве». Инженерная механика разрушения . 65 (6): 665–681. дои : 10.1016/S0013-7944(99)00148-4 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]