CC BY
530
Предел усталости и выносливости как характеристики материала или элемента конструкции с позиций синергетики
А.А. Шанявский, М.А. Артамонов
Государственный центр «Безопасность полетов на воздушном транспорте», Москва, 103340, Россия
Обобщены представления о последовательности изменения положения очага усталостного разрушения на поверхности и под поверхностью материала или элемента конструкции в связи с уменьшением уровня переменного напряжения. Приведены результаты исследования разрушенных в области малоцикловой и многоцикловой усталости упрочненных с поверхности образцов из алюминиевого сплава 2024-Т351 и титанового сплава Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo-0.1Si, когда зарождение трещины реализуется под поверхностью образцов. Предложены бифуркационная диаграмма и обобщенная усталостная кривая для описания металла как открытой и замкнутой системы с точки зрения способа диссипации энергии при циклическом нагружении на разных масштабных уровнях в области малоцикловой, многоцикловой и сверхмногоцикловой усталости. Показано, что в области многоцикловой усталости разрушение следует относить не к материалу, а к твердому телу, обладающему свойством сопротивляться циклической нагрузке при заданном количестве циклов нагружения из-за непрерывного обмена энергией через свободную поверхность с окружающей средой. В области сверхмногоцикловой усталости металл является замкнутой системой, что приводит к зарождению трещин под поверхностью образца или элемента конструкции.
1. Введение
Предельное состояние элемента конструкции при
эксплуатации, в частности воздушного судна гражданс-
кой авиации, оценивают из условия его функциониро-
вания по различным критериям. Так, например, для дис-
ков турбины двигателя, изготавливаемых из жаропроч-
ных сплавов, предельное состояние определяется длительной прочностью (процессом ползучести) или тер-
мической усталостью (допускаемое число теплосмен).
Менее вероятны разрушения в области малоцикловой усталости [1].
Среди разных критериев достижения предельного
состояния материалом предел усталости, выносливости и усталостная долговечность используются для характеристики поведения наибольшего числа элементов конструкций. Предельное состояние при том или ином числе циклов нагружения характеризуют кривой усталости или распределения предела выносливости [2]. Используя эти кривые, можно установить абсолютное значение напряжения цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытаний. Используют также и ограниченный предел выносливости, соответствующий задаваемой циклической долговечности.
Уровень напряжения ниже предела усталости ст ш используют для определения допустимого периода эксплуатации без разрушения и даже зарождения усталостной трещины для многих элементов конструкций в области многоцикловой усталости, когда количество циклов нагружения превышает 107 циклов. В частности, лопатки компрессоров газотурбинных двигателей [3], изготавливаемые из титановых сплавов, зубчатые колеса редукторов вертолетов [4] и валы двигателей [5], изготавливаемые из высоколегированных сплавов на основе железа, а также другие детали [6] работают при высоком уровне частот нагружения, вплоть до 104 Гц. К моменту достижения предполагаемого предельного состояния указанные элементы конструкции при эксплуатации могут нарабатывать 1010-1011 циклов. Естественно, что если к указанной наработке изделия не произошло его разрушения, то возникает задача о возможном продлении срока службы, поскольку предел циклической долговечности не достигнут, если считать, что возникновения усталостной трещины и ее подрастания еще не произошло.
Вместе с тем, испытания образцов в области сверхмногоцикловой усталости при уровне напряжения существенно ниже предела усталости показали, что в об-
© Шанявский А.А., Артамонов М.А., 2004
ласти наработок 108-109 циклов происходит разрушение материала [7]. В связи с этим возникает вопрос о том, правомерно ли говорить о пределе усталости или выносливости материала?
2. Бифуркации на усталостной кривой
при самоорганизованных переходах в способах
диссипации энергии в момент зарождения трещин
В процессе эволюции любой открытой системы осуществляется непрерывный обмен энергией с окружающей средой тем или иным способом, а применительно к металлам речь идет о сменах механизмов накопления повреждений [8-10]. При любом фиксированном уровне циклического напряжения процесс накопления дефектов материала характеризуют, как минимум, два перехода через точки бифуркации: во-первых, переход к возникновению трещины, а во-вторых, предельный переход к полному разрушению. Это точки неустойчивости в поведении металла. Поэтому предельное состояние, например, по моменту возникновения трещины, может быть достигнуто при разном числе циклов нагружения. В результате на усталостной кривой имеет место рассеивание долговечности при фиксированном уровне напря-
жения. Долговечность характеризует достижение предельного состояния, включая в себя неустойчивость (рассеивание долговечности) в момент возникновения усталостной трещины и в момент окончательного разрушения образца или детали.
Представление о соотношении между периодом развития трещины и долговечностью материала в области малоцикловой и многоцикловой усталости может быть получено при более детальном рассмотрении кривой усталостного разрушения материалов по стадиям накопления повреждений и роста трещин [11]. В процессе циклического нагружения при постоянном уровне переменного напряжения в материале первоначально протекает процесс накопления необратимой повреждаемости и при достижении некоторого критического уровня плотности дефектов возникает начальная поверхность трещины или зона очага разрушения (рис. 1). На представленных диаграммах не показаны стадии накопления повреждений в материале к моменту возникновения трещины. Считается, что после достижения критического уровня дефектов (плотности дислокаций, полосовой дислокационной структуры в поверхностном слое образца или детали) возникает усталостная трещина.
Облас Малоциклова^ч усталость \ Динамический пре. Многоцикловая усталость ть повторно-статического разрушения (квазистатический излом) і о Ч -О ° т ^ Н 3= (С цел текучести (С о о ^ С о г Ю ^ со \ О н ^ о
N1,- 104 мг~ Ю7-108 Н
Количество циклов 1\^
Рис. 1. Диаграммы циклического разрушения материалов (а) и относительной их живучести (б) по стадиям: I — необратимой повреждаемости; II — зарождения трещины; III — роста трещины; IV — полной долговечности, связанной с разрушением материала; V — повторно-статическим разрушением [11]
о
о
ш
т
6
го
с;
=г
го
о.
о
-а
ш
1\1Г, циклы
Рис. 2. Схема (а) и экспериментальные данные (б) по испытаниям литой стали ферритного класса в области малоцикловой усталости с указанием областей зарождения трещины под поверхностью (С-D), (С'-О') и на поверхности образца (В—А), (В'-А') [12]
Рис. 3. Очаг усталостного разрушения образца из алюминиево-медного сплава, сформированный при разрушении на базе 1 650000 циклов нагружения
области сверхмногоцикловой усталости показало, что дальнейшее снижениие уровня напряжения сопровождается появлением разрушений [7] (рис. 4). Разрушения материала в области долговечностей более 108 циклов связаны с возникновением усталостной трещины под поверхностью образца. Такая ситуация возможна в том случае, когда возникающая свободная поверхность претерпевает окисление, что препятствует возможности «самозалечивания» или восстановления связей между двумя ответными частями рассоединенного материала. Из этого следует, что в металле имеет место диффузия газов в зону зарождения трещины под поверхностью. Основная долговечность детали с трещиной в рассматриваемой ситуации определяется периодом зарождения трещины и ее распространения до выхода на поверх-
Рассмотрим последовательность изменений ситуации в зарождении усталостной трещины в образце по мере перехода из области повторно-статического разрушения (см. рис. 1, а) в область малоцикловой усталости, а далее многоцикловой усталости. При высоком уровне напряжения, близком к пределу прочности материала, и при отсутствии концентраторов напряжения зарождение трещины реализуется под поверхностью [12] (рис. 2). Доля периода роста трещины в общей долговечности материала составляет 100 %. Это область малых долговечностей, когда по мере уменьшения уровня напряжения, при прочих равных условиях, доля периода роста трещины уменьшается, а очаг разрушения перемещается и рассредоточивается на поверхности элемента конструкции.
Переход в область малоцикловой усталости по мере снижения уровня напряжения сопровождается дискретным переходом через первую точку бифуркации, характеризующую смену способа диссипации энергии в момент зарождения трещины. Очаг разрушения переходит на поверхность образца. Первоначально зарождение трещины происходит на поверхности от нескольких центров (многоочаговое разрушение), а далее по мере снижения уровня напряжения реализуется каскад переходов, связанных с уменьшением числа очагов. С переходом в область многоцикловой усталости имеет место развитие трещины с поверхности от одного очага разрушения. Такую ситуацию можно, например, наблюдать в случае разрушения образца из алюминиево-медного сплава BS L65 (4 % Си, 0.75 % М^ 0.75 % Si, 0.8 % Мп) при пульсирующем цикле нагружения на базе 1650000 (рис. 3).
Предел усталости материала, реализуемый в оговоренных условиях опыта, соответствует уровню напряжения, ниже которого разрушения материала не должно происходить, по крайней мере в интервале долговечностей 107-108 циклов. Однако исследование сталей в
0
---------------1---------------1--------
107 1012
Ю3 105 107 109
1\Ц ЦИКЛЫ
Рис. 4. Схематическое представление кривой Веллера в области сверхмногоцикловой усталости с двумя пределами усталости (а) и экспериментальная кривая Веллера, построенная для круглых образцов из стали SUJ2 (1.01 % С, 1.45 % Сг) при трехточечном изгибе с вращением с частотой 50 Гц по данным работы [7]
ность. Распределение вероятного появления трещин в разных зонах образца показывает, что зарождение трещины под поверхностью может происходить даже в области многоцикловой усталости, хотя и с уменьшающейся вероятностью при возрастании уровня напряжений (см. рис. 4, б).
Указанная эволюция месторасположения доминирующего (основного) очага разрушения на или под поверхностью образца и уменьшение числа центров зарождения трещины в материала по мере снижения уровня напряжения свидетельствуют о самоорганизованных переходах в выборе материалом зон исчерпания пластической деформации при неизменных условиях внешнего циклического воздействия. В области сверхмно-гоцикловой усталости роль состояния поверхности в накоплении повреждений перестает играть решающую роль в сопротивлении материала усталостному разрушению. Каково в таком случае влияние внешних условий нагружения на поведение материала при его циклическом нагружении?
3. Напряженное состояние материала
Напряженное состояние в элементах конструкции в зависимости от условий нагружения меняется от одноосного к трехосному и поэтому может существенно отличаться от напряженного состояния образца. Исчерпание пластической деформации у поверхности при низком уровне напряжения в области сверхмногоцик-ловой усталости может происходить с опозданием по отношению к объемам металла на удалении от поверхности. В случае одноосного циклического растяжения реализуется неоднородное течение материала в силу неравномерного распределения химических элементов, существования границ раздела по упрочняющим частицам, фрагментам двухфазной структуры, блокам и зернам. Во внутренних объемах концентрация напряжений и стеснение пластической деформации оказываются выше, чем у поверхности. В силу этого обстоятельства зарождение трещины под поверхностью происходит из-за опережающего исчерпания пластической деформации внутри материала по отношению к бездефектной поверхности, где на границах раздела напряженное состояние может быть только двухосным. Во внутренних объемах при этом напряженное состояние материала на границах раздела трехосное или объемное.
Поверхность в случае одноосного нагружения играет доминирующую роль в процессе зарождения усталостной трещины только до определенного уровня амплитуды переменной нагрузки, когда нагрузка еще превосходит своим влиянием различия в напряженном состоянии под поверхностью материала и на его поверхности. Эта ситуация аналогична разрушению в области малоцикловой усталости. Там высокий уровень напряжения приводит к одновременному разрушению мате-
риала от нескольких центров на поверхности. Снижение уровня напряжения приводит к доминированию одного из очагов на поверхности, потому что именно около него имеет место наибольшее стеснение пластической деформации. Следует подчеркнуть, что речь идет о пульсирующем или о симметричном цикле с неизменными условиями нагружения — состояние и состав окружающей среды, температура и частота нагружения.
При достижении некоторой пороговой (критической) амплитуды снижения напряжения согласно диаграмме Китагава-Такахаши не наблюдается влияния малых по размеру дефектов типа трещин на изменение числа циклов нагружения, при котором не происходит разрушение образца на базе 107 циклов нагружения [13]. Из этого, правда, не следует, что увеличение продолжительности испытаний не приведет к страгиванию трещины с последующим разрушением образца. Наличие трещины у поверхности подразумевает возникновение в последующем магистрального разрушения, если у вершины трещины при циклическом нагружении реализуется пластическая деформация.
Переход к сложному напряженному состоянию радикально меняет поведение материала, особенно когда меняется асимметрия цикла. Испытания крестообразных образцов из алюминиевого сплава Д16Т (аналог 2024Т3) показали, что при одном и том же уровне первого главного напряжения 147 МПа и соотношении главных напряжений -1.0-+1.5 с асимметрией цикла 0.10.8 имеет место немонотонное изменение долговечности в области малоцикловой и многоцикловой усталости [14]. Наиболее сильное влияние на изменение долговечности при асимметрии цикла до 0.5 оказывало изменение соотношения главных напряжений, меняя долговечность более чем на порядок. Однако при достижении асимметрии цикла 0.8 изменение соотношения главных напряжений в диапазоне 0.1-0.8 приводило к изменению долговечности всего в два раза.
В общем случае предельное состояние материала, воплощенного в элементе конструкции, наступает при многопараметрическом циклическом воздействии, что следует характеризовать кривой Веллера до достижения первого предела усталости ст №1 в таком виде:
а ^ = С = С 0[1 + / (Х1) + / (Х2) +... + / (X)]. (1)
В рассматриваемом соотношении (1) предполагается, что при многопараметрическом взаимодействии влияние факторов Х{ на поведение материала учитывается только функциями / (Xг-) без взаимного влияния факторов друг на друга. Однако рассмотренное выше одновременное двухосное и асимметричное воздействие приводит к нелинейности их влияния на циклическую прочность материала при прочих равных условиях. В этом случае поправка имеет общий вид J(R; X) без суммирования влияния отдельно каждого фактора асим-
« V
«г ' а
г - ■ . .И.. IV > тГ Жл
$г
!
ЙГЛ
196 Эи
й-и
> V. *>
Ж1 7 г!А
-Щ&&Ш
. 5 ■ Я* 1 «К
10.еи
Рис. 5. Общий вид (а) излома образца из титанового сплава Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo-0.1Si и его схема (б), а также фасеточный рельеф излома в очаге разрушения (в) и на удалении от него (г). На схеме 5 = 1 мкм обозначает шаг усталостных бороздок
метрии Я и соотношения главных напряжений X на долговечность [14]. Более того, относительная доля периода роста трещины изменялась нелинейно при различных сочетаниях напряженного состояния материала и асимметрии цикла нагружения. С увеличением асимметрии цикла относительная доля периода роста трещины мало менялась в широком диапазоне изменения главных напряжений. Аналогичным образом менялась долговечность.
Возрастание агрессивного воздействия среды приводит к тому, что предел усталости на базе 107 циклов
достигается при низком уровне напряжения [15]. Его величина может в два-три раза отличаться от таковой при умеренной роли среды в зарождении трещин. Однако и в этом случае можно выделить тот минимальный размер повреждения поверхности в виде коррозионной каверны, до достижения которого страгивания трещины на базе 107 циклов не наблюдается.
Итак, существуют ситуации в поведении материала, когда уровня накопленной им энергии достаточно для самоорганизованного перехода через точку бифуркации к тому или иному способу потери устойчивости при на-
Рис. 6. Усталостные кривые для алюминиевого сплава 2024-Т351 при различных видах поверхностного упрочнения
качке в него энергии в связи с исчерпанием пластической деформации и зарождением трещины либо по поверхности либо в срединных слоях. В этих двух разных ситуациях следует рассматривать два разных поведения материала с позиций синергетики.
4. Поведение элемента конструкции как открытой и металла как замкнутой системы
Состояние поверхности образца или элемента конструкции влияет на зарождение трещин таким образом, что по мере снижения уровня напряжения имеет место снижение числа центров (очагов) разрушения на поверхности до одного при приближении к первому пределу усталости аш. Переход в область долговечностей более 107 циклов сопровождается изменением положения очага разрушения — начало разрушения в большей части образцов реализуется под поверхностью (см. рис. 3).
Аналогичная ситуация наблюдается при сравнении разрушения неупрочненных и упрочненных с поверхности образцов в области малоцикловой и многоцикловой усталости. После поверхностного упрочнения очаг разрушения располагается под поверхностью, на некотором удалении от нее. Причем глубина расположения очага разрушения зависит от глубины проникновения упрочненного слоя. Важным является тот факт, что долговечность образцов после их упрочнения на любом уровне напряжения возрастает, даже в области малоцикловой усталости при уровне долговечности 500-15 000 циклов [16]. Речь идет о той области, где на неупрочненной поверхности образца имеет место многоочаговое зарождение разрушения. При этом типичным является зарождение трещины под поверхностью на некотором удалении от нее даже при длительности испытаний 500 циклов (рис. 5). Указанная особенность расположения очага разрушения под поверхностью образца не зависит от того, каким был представленный выше в качестве примера титановый сплав — однофаз-
ным или двухфазным, с пластинчатой структурой или ориентированными колониями пластин.
Образцы из алюминиевого сплава 2024-Т351 (аналог Д16Т) в случае их поверхностного упрочнения лазером в сравнении с упрочнением шариками [17] показали следующее в переходной области «малоцикловая усталость - многоцикловая усталость». При высоком уровне напряжения лазерное упрочнение менее эффективно, чем пластическое деформирование поверхности шариками, применительно к алюминиевому сплаву 2024-Т351 (рис. 6). Меньшая эффективность может быть охарактеризована, в том числе, тем, что усталостная трещина зарождалась непосредственно у поверхности в пределах упрочненного слоя. Для области малоцикловой усталости такая ситуация почти аналогична тому, что происходит с материалом без упрочнения — трещина зарождается на поверхности. Тем не менее, последующий рост трещины после ее зарождения в упрочненном слое происходит от очаговой зоны по всему контуру ее поверхности, а далее имеет место распространение трещины как от подповерхностного источника.
Переход в область многоцикловой усталости по мере снижения уровня напряжения приводит к возрастанию роли роста трещины под поверхностью образца. Причем наблюдается зарождение новой трещины от границы уже созданного фронта, что свидетельствует о переходе интенсивности разрушения материала от одних участков фронта к другим (рис. 7) на базе испытаний 11615 279 циклов. К сожалению, существенный разброс полученных экспериментальных данных и несовершенство все еще отрабатываемой технологии упрочнения поверхности не дают оснований для более глубокого анализа рассматриваемых закономерностей.
В области малоцикловой усталости, когда влияние поверхности на процесс пластической деформации значительно на стадии зарождения трещины, оно может
Рис. 7. Очаг разрушения (сверху) образца из алюминиевого сплава 2024-Т351, сформированный под поверхностью упрочненного слоя лазерной обработкой
Рис. 8. Обобщенные усталостные кривые для металлических материалов с указанием областей их поведения как открытой и замкнутой системы (а) и схема последовательности изменения положения усталостных кривых (б) при агрессивном воздействии окружающей среды (1) и в предельном случае (4) полностью замкнутой системы (комментарии даны в тексте)
быть компенсировано только интенсивным поверхностным упрочнением. Поэтому при одинаковой интенсивности упрочнения образцов возрастание долговечности незначительно в области малоцикловой усталости и существенно в области многоцикловой усталости, что характеризует неэквидистантный характер смещения усталостной кривой после упрочнения поверхности (см. рис. 6). Тем не менее, после упрочнения даже в области малоцикловой усталости старт трещины происходит под поверхностью (см. рис. 5). Исходя из этого, можно подобрать такой режим и способ упрочнения поверхности со снижением его интенсивности для уменьшающегося уровня циклического напряжения, когда усталостная кривая будет единым образом характеризовать разрушение материала вплоть до области сверхмного-цикловой усталости при одинаковом условии зарождения трещины под поверхностью. Поведение материала будет характеризовать его способность сопротивляться росту трещины единым образом.
Сказанное может быть проиллюстрировано предельной усталостной кривой, представленной на рис. 8. Представляется очевидным, что путем снижения интенсивности упрочнения поверхности при переходе от области малоцикловой усталости в область многоцикловой усталости можно получить единственную или единую! кривую Веллера для образцов в области малоцикловой, многоцикловой и сверхмногоцикловой усталости с очагом усталостного разрушения, расположенным под поверхностью.
Это показывает, что именно состояние поверхности образца (или элемента конструкции) определяет долговечность образца при одном и том же состоянии исследуемого (испытываемого путем циклического нагружения) материала только в области малоцикловой и многоцикловой усталости. С возрастанием длительности нагружения все более важную (конкурирующую) роль в «выборе» места расположения очага разрушения иг-
рает окружающая среда. Ее агрессивное воздействие на материал снижает прочность поверхности и способствует зарождению разрушения именно с поверхности. Снижая агрессивное воздействие среды, можно уменьшить угол а 1 и приблизиться к усталостной кривой для элемента конструкции как открытой системы, с чувствительной поверхностью к условиям внешнего воздействия. В области долговечностей более 107 циклов нагружения, когда происходит самоорганизованный переход к формированию очага разрушения под поверхностью элемента, металл становится замкнутой системой и состояние поверхности не определяет более длительности нагружения до разрушения элемента конструкции. Упрочнение поверхности позволяет влиять на положение усталостной кривой путем изменения угла а2, переводя открытую систему в замкнутую.
Испытания нержавеющих сталей в условиях агрессивного воздействия морской воды и 4 % раствора №С1 в воде показали, что образцы достигали долговечности около 107 циклов и разрушались при соотношении 0.1-0.2 между уровнем действовавшего напряжения и пределом прочности материала [15]. Аналогичный результат был получен в других агрессивных средах для различных марок сталей [18, 19]. Опираясь на эти экспериментальные данные и рассмотренные выше закономерности поведения материала при формировании очагов зарождения усталостных трещин, следует рассматривать обобщенную диаграмму усталостного разрушения материала как открытой и замкнутой системы (рис. 8). Предельная кривая 1 — усталостная кривая в условиях агрессивного воздействия окружающей среды. Она характеризует материал как открытую систему, которая взаимодействует с окружающей средой и достигает предельного состояния при минимальной долговечности на всех уровнях действующего напряжения. Достижение предела усталости аш в этом случае проблематично и в известной авторам литературе не проде-
Р|п Микрс 1 -нано Мезо ^ Мг Г жро
Оди[ ] Б 1 н очаг | N очагов к_|а
0.0 0.5 1.0
ст^ств
Рис. 9. Бифуркационная диаграмма изменения вероятности зарождения трещины под поверхностью и на поверхности образца от одного или нескольких очагов при возрастании уровня напряжения: 0 W2 /0 В ~ 0-3 (1); 0 Wl/0 В ~ 0-5 (2); 0 0.2/° В ~ 0-7 - 0-8 (3);
0 Nf=10 7 ° В = 09 (4)
монстрировано. Его величина будет зависеть от степени агрессивности окружающей среды. Кривая 2 — усталостная кривая для материала как открытой системы, на которую оказывает умеренное воздействие окружающая среда без инициирования трещин в результате коррозионного питтинга, и процесс усталостного разрушения длится вплоть до достижения предела усталости. Кривая 3 представляет собой усталостную кривую материала как замкнутой системы, разрушение которого начинается из внутренних объемов либо естественным путем (сплошная линия), либо в результате упрочнения поверхности (штриховая линия). Предполагаемая усталостная кривая 4 характеризует предельное состояние для сплава как замкнутой системы, когда в нем наведены по всему объему внутренние сжимающие напряжения, позволяющие компенсировать (частично) внешнюю нагрузку растяжения. Если в результате технологических приемов, например многократной прокатки с неполным последующим отжигом, в материале сохраняются остаточные сжимающие напряжения в зонах с наибольшей концентрацией напряжения, то зарождение трещины под поверхностью будет задержано и усталостная кривая развернется на некоторый угол а правее, чем предельная кривая, представленная на рис. 8. Важно подчеркнуть, что наименее заметно влияние упрочнения поверхности и внутренних объемов материала в области малоцикловой усталости. Здесь долговечность может увеличиваться в несколько раз, тогда как в области многоцикловой усталости увеличение долговечности может достигать нескольких порядков.
Технологическая возможность создания во всем объеме внутренних сжимающих напряжений была продемонстрирована ранее [20, 21]. При создании внутреннего давления опрессовки гидроагрегата из алюминиевого сплава АК4-1Т1, которое превышало в 1.8-2.5 раза последующее рабочее давление, долговечность до сквозного прорастания трещины увеличивалась в не-
сколько раз. При достижении уровня перегрузки в 2.75 раза, зарождение трещины на базе испытаний 5 • 106 циклов не было зафиксировано, тогда как без опрессовки разрушения наблюдались на базе не более 5 • 105 циклов.
Обобщая представленные результаты исследований и анализа закономерностей зарождения усталостных трещин в металлах, предлагается следующая бифуркационная диаграмма (рис. 9). Она указывает на последовательность переходов от открытой к замкнутой системе в поведении металла при накоплении им усталостных повреждений в момент возникновения усталостных трещин. Из нее следует, что управление поведением металла в части снижения его чувствительности к воздействию внешней среды возможно в том смысле, что при переходе через точки бифуркации способ управления меняется. Нельзя оставлять неизменным способ воздействия в случае, например, зарождения многоочаговой или одноочаговой трещины или когда зарождение трещины возникает самоорганизованно на поверхности или под поверхностью образца.
Таким образом, представление о пределе усталости в области разрушения многоцикловой усталости следует относить не к материалу, а к твердому телу, имеющему определенную структуру (металла) и обладающему свойством сопротивляться циклической нагрузке без разрушения при заданном количестве циклов нагружения в рассматриваемых условиях его нагружения из-за непрерывного обмена энергией через свободную поверхность с окружающей средой. Состояние поверхности, способ и условия взаимодействия определяют длительность сопротивления твердого тела циклическому нагружению. Переход в область сверхмногоцикловой усталости сопровождается переходом к разрушению замкнутой системы для металла под действием циклической нагрузки. Зарождение трещины под поверхностью происходит из-за исчерпания локальной пластической деформации материала независимо от интенсивности воздействия на него окружающей среды и вида концентрации напряжений. Возможно, что и изменение напряженного состояния материала будет влиять на его поведение только после определенного соотношения главных напряжений. Поэтому в области сверхмного-цикловой усталости материал реализует свои свойства сопротивляться циклической нагрузке как замкнутая система.
Предельное состояние как свойство материала характеризует единая усталостная кривая, для которой во всех областях малоцикловой, многоцикловой и сверх-многоцикловой усталости зарождение трещины реализуется под поверхностью (см. рис. 8). Однако в этом случае следует иметь в виду, что после выхода на поверхность период роста трещины оказывается кратковременным. Основная доля периода роста трещины приходится на тот этап, когда она еще не стала сквозной
и не вышла на поверхность. Поэтому осуществить слежение за процессом роста трещины, чтобы реализовать принцип эксплуатации элементов конструкции по безопасному повреждению, представляется проблематичным с помощью современных средств неразрушающего контроля, ориентированных на выявление сквозных трещин [6].
Литература
1. Шанявский А.А., Лосев А.И. Методы анализа эксплуатационной циклической долговечности дисков газотурбинных двигателей // Воздушный транспорт. - М.: ЦНТИГА, 1991. - 58 с.
2. Сопротивление усталости — основные термины и определения. ГОСТ 23207-78. - М.: Стандарты, 1981. - 47 с.
3. Shaniavski A.A., Skvortsov G.V Crack growth in the gigacycle fatigue regime for helicopter gears // Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. -1999. - V. 22. - P. 609-619.
4. Shaniavski A.A., Losev A.I. Fatigue crack growth in aeroengine compressor disks made from titanium alloys // Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. - 1999. - V. 22. - P. 949-966.
5. Шанявский А.А., Тушенцов А.Л. Закономерности возникновения и развития усталостных трещин в шлицевом стыке крепления вала к втулке винта двигателя АИ-24 // ОРАП. - 2003. - № 15. - С. 64-81.
6. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. -Уфа: Монография, 2003. - 802 с.
7. Sakai Т., Takeda M., Shiozawa K., Ohi Y, Nakajiama M., Nakamura T.,
Oguma N. Experimental Evidence of Duplex S-N Characteristics in Wide Life Region for High Strength Steels // Proc. 7th Intern. Fatigue Congress “Fatigue’99”, 8-12 June 1999, Beijing, PR. China, Ed. by Xue-Ren Wu and Zhong-Guang Wang. - Beijing: Higher Education Press, 1999. - V. I. - P. 573-578.
8. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979. - 512 с.
9. Хакен Г Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. - М.: Мир, 1985. - 214 с.
10. Иванова B.C. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов. - М.: Наука, 1992. - 157 с.
11. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -М.: Металлургия, 1975. - 456 с.
12. Komotori J., Shimizu M. Microstructural effects on fatigue mechanisms and fatigue life in extremely low cycle fatigue // Engineering against Fatigue. - Ed. by Beynon J.H., Brown M.W., Lindley T.C., Smith R.A., Tomkins B. - Rotterdam-Brookfield: A.A. Balkema, 1999. - P. 133-140.
13. Kitagava H., Takahashi S. Fatigue limit for materials with the short crack // Proc. 2nd Int. Conf. on Mechanical Behaviour of Materials. -Boston, USA, 1976. - P. 627-631.
14. Shaniavski A.A., Orlov E.F., Koronov M.Z. Fractographic analysis of fatigue crack growth in D16T alloy subjected to biaxial cyclic loads at various R-ratios // Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. - 1995. -V. 18. - P. 1263-1276.
15. Ragab A., Alawi H., Sorein K. Corrosion fatigue of steel in various aqueous environments // Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. - 1989. -V. 12(6). - P. 469^80.
16. Shaniavski A.A. The effects of loading waveform and microstructure on the fatigue response of Ti-Al-Mo alloys // Proc. Conf. FCP-2003, Parma, Italy, 2003. - CD-disk. - P. 236-242.
17. De los Rios E.R., Trull M., Levers A. Modelling fatigue crack growth in shot peened components of Al 2024-T351 // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. - 2000. - V. 23. - P. 709-716.
18. Fuchs H.O., Stephens R.I. Metal Fatigue in Engineering. - New York: Wiley, 1980. - 496 p.
19. Corrosion Fatigue: Mechanics, Metallurgy, Electrochemistry, and Engineering // ASTM STP 801, ASTM, Philadelphia, 1983.
20. Шанявский А.А., Меерсон М.Г. Способ повышения усталостной прочности металлических изделий. А.С. СССР № 1593740, Б.И. № 35, 23.09.90.
21. Shaniavski A.A. Quantitative fractographic analysis of fatigue crack growth in longerons of in-service helicopter rotor blades // Fatigue Fract. Engng Mater. Struct. - 1996. - V. 19(9). - P. 1129-1141.
Fatigue and endurance strengths as characteristics of the material or structural component from the standpoint of synergetics
A.A. Shanyavski and M.A. Artamonov
State Center of Flight Safety of Civil Aviation, Moscow, 103340, Russia
In the paper we generalize ideas about the sequence of changes in the position of a fatigue fracture site on and under the surface of the material or structural component due to a decrease of the alternating stress level. The investigation results are presented for surface-hardened specimens from aluminum alloy 2024-T351 and titanium alloy Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo-0.1Si fractured in the zone of low- and high-cycle fatigue, when the crack is generated under the surface. We propose the bifurcation diagram and generalized fatigue curve to describe the metal as an open or closed system depending on the way of energy dissipation at cyclic loading at different scale levels in the zone of low-, high- and ultrahigh-cycle fatigue. It is shown that in the high-cycle fatigue zone fracture should be assigned not to the material but to the solid which has cyclic loading resistance at a given number of loading cycles due to continuous energy exchange with the environment through the free surface. In the ultrahigh-cycle fatigue zone the metal is a closed system, which gives rise to crack nucleation under the surface of the specimen or structural component.
