Механизм зарождения трещины конструкционных материалов в режиме гигацикловой усталости (обзор)

Нвачукву Окечукву Пасчал; Гридасов Александр Валентинович; Гридасова Екатерина Александровн; Сухорада Алексей Евгеньевич

МЕХАНИКА. Механика деформируемого твердого тела

D0I.org/10.5281/zenodo.1286009 УДК 669-1

О.П. Нвачукву, А.В. Гридасов, Е.А. Гридасова, А.Е. Сухорада

НВАЧУКВУ ОКЕЧУКВУ ПАСЧАЛ - аспирант, e-mail: [email protected] ГРИДАСОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ - к.т.н., заведующий кафедрой, e-mail: [email protected]

ГРИДАСОВА ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА - к.т.н., доцент кафедры, e-mail: [email protected]

СУХОРАДА АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ - аспирант, e-mail: [email protected] Кафедра сварочного производства Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091

Механизм зарождения трещины конструкционных материалов в режиме гигацикловой усталости (обзор)

Аннотация: Представлен обзор исследований механизмов зарождения трещин в конструкционных материалах в режиме гигацикловой усталости. ^временное понимание механизма зарождения усталостных трещин при гигацикловом нагружении связывают с наличием двух типов структурных неоднородностей: неметаллических включений и пор, влияние которых достаточно сложно оценить. С теоретической точки зрения механизмы зарождения усталостных трещин для различных материалов должны существенно различаться, поэтому данная проблема требует дальнейшего экспериментального исследования.

Ключевые слова: микротрещины в материалах, гигацикловая усталость, конструкционные материалы, высокочастотные машины, механизм разрушения, количество циклов.

Введение

Гигацикловая усталость инженерных материалов - явление, открытое сравнительно недавно. Традиционно считающиеся безопасными конструкции с достаточно высоким числом циклов 8 10 „ нагрузки (10 -10 ) внезапно начинали разрушаться. Материалы ведут себя достаточно устойчиво

при числе циклов до 107, но при дальнейшем их росте наблюдается значительное снижение усталостной прочности. К числу деталей и узлов, подверженых гигацикловой усталости, можно отнести диски газовых турбин (1010), головки блоков цилиндров и цилиндры двигателей внутреннего сгорания автомобилей (108), подшипники (109), колеса высокоскоростных поездов 109, дизельные двигатели кораблей 10 , высокочастотные машины для бурения 10 [1-3] и другие.

Исследованию работы материалов в гигацикловом режиме посвящено немало трудов. В [20] авторы использовали асимптотический метод для оценки времени зарождения усталостных трещин в 60Si2CrVA стали. В [13] было установлено, что аустенитная сталь 316L показывает меньшую усталостную прочность по сравнению с комнатной температурой. Также авторы предложили использовать контроль температуры материала при его работе в гигацикловом режиме для определения возникновения усталостной трещины, поскольку по величине остаточной прочности материала трудно судить о начале ее зарождения.

Помимо сталей, риск развития усталостных трещин в твердых сплавах WC-Co был оценен в [10], где роль поверхностных дефектов была названа определяющей. Аналогичные выводы о вкладе поверхностных дефектов в зарождение усталостных трещин в Ti-6Al-4Vсплавах были сформулированы в [8]

В некоторых работах отмечают, что детали, соединенные сваркой, могут обладать меньшей усталостной прочностью. Так, авторы [19] определили, что сваренные детали из высокопрочной стали обладают на 8% меньшей усталостной прочностью по сравнению с исходными деталями.

Несмотря на большое количество публикаций по проблеме усталостных механизмов, происходящих при гигацикловом режиме нагружения, эти данные довольно отрывочные, поэтому вопрос нуждается в дальнейшем детальном изучении. Настоящая статья, представляющая обзор современного состояния исследований в области изучения механизмов зарождения трещин конструкционных материалов при гигацикловом нагружении, посвящена обобщению представлений о данной проблеме.

Механизм инициирования трещин

Авторами [10, 14, 18 и др.] установлено, что основными причинами возникновения трещин при гигацикловом нагружении являются шлаковые включения. При этом зарождение трещины занимает 80-90% от полного времени жизни усталости. Стоит отметить, что данные по зависимости усталостной прочности от числа циклов нагружения являются несколько противоречивыми: для некоторых материалов предел усталости сохраняется до 10 циклов, некоторые же показывают постепенное снижение усталостной прочности только по достижении гигациклового режима нагру-жения [4, 21]. У большинства материалов нет выраженного предела усталости при 107 циклов, и присутствует непрерывное снижение усталостной прочности при увеличении числа циклов, причем скорости снижения прочности варьируются в зависимости от типа материала.

На рис. 1 показана диаграмма, отражающая усталость высокопрочных сталей с наличием шлаковых включений с ростом числа циклов: зарождение усталостных трещин начинается в рай-

8 8 9

оне 10 циклов, что приводит к резкому снижению усталостной прочности в диапазоне 10 -10 .

Рис. 1. Диаграмма усталости с ростом числа циклов высокопрочных сталей при наличии в них неметаллических включений [15] (по оси абсцисс - логарифм числа циклов, по оси ординат - логарифм

амплитуды пластической деформации).

В настоящее время для исследования зарождения трещин при гигацикловом нагружении используется ультразвуковой метод, позволяющий оценить зарождение трещин в материалах различной природы (пример испытаний образцов на ультразвуковой машине представлен на рис. 2). Таким методом в магниевом сплаве AZ31 обнаружено, что поверхностные трещины образуются в самом начале многоциклового тестирования, и более 80% времени жизни усталости составляет

зарождение и рост трещин размером менее 1 мм, что указывает на очень длительный период их зарождения [12]. В работе [17] на основании исследований механизма усталостного разрушения при испытаниях высокопрочного чугуна с шаровидным графитом на ультразвуковой установке (25 кГц) на основании результатов растровой электронной микроскопии показано, что трещина зарождается в области дефектов (микропористости) в подповерхностном слое, при этом предел усталости не достигается вплоть до 10 циклов.

В [18], посвященной исследованию алюминиевых сплавов 7075 и 6061 на частоте 20 кГц, установлено, что усталостное разрушение начинается в материалах до достижения 109 циклов.

Рис. 2. Алюминиевый образец, привинченный к рогу ультразвуковой машины для испытания усталости.

Фото О.П. Нвачукву.

При этом скорости роста малых трещин значительно выше по сравнению с крупными трещинами. Авторы отмечали появление в алюминиевых сплавах усталостных пустот в материалах, их рост и коалесценцию, что приводило к формированию и распространению макроскопических трещин. Результаты, полученные при испытаниях на крутильную усталость образцов из стали [6], показали, что усталостные трещины на всех образцах из стали 2-AS5U3G-Y35 образуются на их поверхности, а на образцах из стали AISI52100 - под поверхностью (за счет включения в микроструктуру).

В работе [3] при исследовании сплава АМг6 на испытательной машине резонансного типа

£

авторы указывают на то, что при превышении 10 циклов трещина начинала образовываться внутри образца, а на поверхности разрушения наблюдалась область излома, называемая «рыбий глаз», с очагом разрушения и субмикрокристаллической областью. Закономерности формирования очага разрушения «рыбий глаз» описаны детально в работе [2], и данное поведение наблюдается достаточно часто в алюминиевых сплавах при гигацикловом нагружении.

Существует значительное различие в гигацикловом поведении титановых сплавов. Например, было обнаружено, что усталостная прочность при гигацикловом нагружении незначительно снижается по сравнению со значениями при 106 циклов для титановых сплавов 6246 и T6A4V [6]. Подавляющее большинство исследований сталей также показало, что можно условно разделить все стали на две группы, в которых изменение усталостной прочности выше 50 и ниже 50 МПа (низкоуглеродистые стали, нержавеющая сталь 304, высокопрочный чугун, сталь с содержанием 12% хрома) [1].

Авторы, которые исследовали гигациковое поведение усталости и ее механизм на высокопрочной низколегированной стали [7], отмечают, что между 106 и 108 циклов до разрушения, уста-

лостные трещины образуются преимущественно внутри образца на границе неметаллических включений.

Интересные результаты, полученные при исследовании никелевых сплавов (РМ N18 сплав для дисков турбин), показали, что существует конкурирующее влияние включений и пористости сплава в зарождении и распространении усталостных трещин. Например, когда напряжение цикла нагружения достаточно велико, то преобладает роль включений. В частности, при отсутствии дефектов (поры, шлаковые включения и т.п.) при температуре 450 °С, при числе циклов 109 предел усталости составляет 155 МПа, а при наличии дефектов - 125 МПа [5].

Очаг разрушения «рыбий глаз» (/^sheye) часто возникал во многих других видах конструкционных материалов. В [1] описано появление такого очага разрушения в чистом титане марки Grade-4 и в сплаве ВТ-6, а также в алюминиевых сплавах. Данная зона связана с накоплением микроповреждений и образованием усталостной трещины, которая распространяется по закону Пэриса.

При исследовании подповерхностного разрушения некоторых конструкционных сталей [16] на поверхности разрушения наблюдался четкий fisheye, а в его центре было обнаружено включение.

На рис. 3 представлены результаты электронной микроскопии трещины на поверхности, показывающие разрушение типа fisheye [11].

(Ь)

Рис. 3. а - поверхностные дефекты - индуцированное разрушение (аа = 625 МПа, N = 300,600); б - ИэИеуе в режиме многоцикловой усталости (ИОР) после 107 циклов

(аа = 550 МПа, N = 18,704,700) [8].

Выводы

Итак, современное понимание механизма зарождения усталостных трещин при гигацикло-вом нагружении в настоящее время связано с наличием двух типов структурных неоднородностей: неметаллических включений и пор, роль которых сложно оценить на данном уровне развития инструментальных методов исследования механики твердого тела. Таким образом, необходимо про-

ведение дальнейших исследований конструкционных материалов для уточнения механизмов зарождения и распространения усталостных трещин при гигацикловом нагружении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Банников М.В., Оборин В.А., Наймарк О.Б. Исследование стадийности разрушения авиационных титановых сплавов в режиме много- и гигацикловой усталости по данным морфологии поверхности разрушения // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. 2015. Т. 1. С. 375-379.

2. Наймарк О.Б., Банников М.В. ^линейная кинетика развития поврежденности и аномалии упругих свойств металлов при гигацикловом нагружении // Письма о материалах. 2015. Т. 5, № 4(20). С. 497-503.

3. Оборин В.А., Бачурихин В.П., Соковиков М.А., Наймарк О.Б. Исследование морфологии поверхности разрушения алюминиевых сплавов при предварительном динамическом и последующем гигацикловом нагружении // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. 2015. Т. 1. С. 235-239.

4. Baohua Nie et al. Very High Cycle Fatigue Behavior of a Directionally Solidified Ni-Base Superalloy DZ4. Materials. 2018;11:98; doi:10.3390/ma11010098.

5. Bathias C., Paris C. Gigacycle fatigue of metallic aircraft components,17th European Conference on Fracture, Czech Republic. 2008, p. 851-857.

6. Bayraktar E., Xue H., Ayari F., Bathias C. Torsional fatigue behavior and damage mechanisms in the very high cycle regime. Archives of Materials Science and Engineering. 2010(43);2:77-86.

7. Cheng'en Z., Gui'an Q., Youshi H. Fractography and Crack Initiation of Very High Cycle Fatigue for a High Carbon Low Alloy Steel. Key Engineering Materials. 2006(324-325): 1113-1116; doi:10.4028/www .scientific.net/KEM.324-325.1113.

8. Cho I.-S., Park J., Jeon Y. Fatigue behaviour of Ti-6Al-4V alloy under combined low and high cycle and ultrasonic loading. International J. of Materials and Product Technology. 2014;48:18-33.

9. Kazymyrovych V. Very high cycle fatigue of engineering materials: A literature review. Department of Materials Engineering. Karlstad University SE-651 88. Sweden, 2009, p. 22.

10. Kotas A.B., Danninger H., Weiss B., Mingard K., Sanchez J., Llanes L. Fatigue testing and properties of hardmetals in the gigacycle range. International J. of Refractory Metals and Hard Materials. 2017;62:183-191.

11. Liu P. High Cycle Fatigue Property of Carburized 20Cr Gear Steel under Axial Loading. Metals. 2016;6(10):246. doi:10.3390/met6100246.

12. Lu G., Chen Q., Ando S. Fatigue strength and crack growth behavior of as-cast AZ31 alloy under ultrasonic loading, Proceedings of the 4th World Conference on Applied Sciences, Engineering and Technology, 24-26 October 2015, Kumamoto University, Japan, 2015, p. 157-160.

13. Naoe T., Xiong Z., Futakawa M. Gigacycle fatigue behaviour of austenitic stainless steels used for mercury target vessels. J. of Nuclear Materials. 2016;468:331-338.

14. Nwachukwu O.P., Gridasov A.V., Gridasova E.A. Gigacycle Fatigue of Welded Joints of Structural Materials (A Review). Advanced Engineering Forum. 2016;17:14-30.

15. Perez Mora Ruben. Study of the fatigue strength in the gigacycle regime of metallic alloys used in aeronautics and off-shore industries. Mechanics of materials. Arts et Metiers ParisTech, 2010.

16. Tatsuo Sakai. Review and prospects for current studies on very high cycle fatigue of metallic materials for machine structural use. J. of solid mechanics and materials engineering. 2009(3);3:425-439. doi:10.1299/jmmp.3.425.

17. Wang Q., Bathias C. Fatigue characterization of a spheroidal graphite cast iron under ultrasonic loading. J. of material science. 2004;39:687-689.

18. Wang Q.Y. et al. Gigacycle fatigue behavior of high strength aluminum alloys. Procedia Engineering. 2010;2:65-70.

19. Yeom H., Choi B., Seol T., Lee M., Jeon, Y. Very high cycle fatigue of butt-welded high-strength steel plate. Metals. 2007;7:1-11.

20. Zhang J.-M., Ji L.-K., Bao D.-J., Feng Y.-R., Li S.-X., Weng Y.-Q. Gigacycle fatigue behavior of 1800 MPa grade high strength spring steel for automobile lightweight. J. of Iron and Steel Research International. 2014;21:614-618.

21. Zhao Haimin et al. Very high cycle fatigue fracture behavior of high strength spring steel 60Si2CrVA. Chinese J. of Materials Research. 2008(22);5.

THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE

Mechanics of Deformable Solids

D0I.org/10.5281/zenodo.1286009

Nwachukwu O., Gridasov A., Gridasova E., Sukhorada A.

OKECHUKWU NWACHUKWU, Postgraduate Student, e-mail: [email protected] ALEXANDER GRIDASOV, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Head of Department of Welding Engineering, e-mail: [email protected] EKATERINA GRIDASOVA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, e-mail: [email protected]

ALEXEY SUKHORADA, Postgraduate Student, e-mail: [email protected] Department of Welding Engineering, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091

Mechanism of crack initiation of structural materials under fatigue in gigacyclic regime (Review)

Abstract: The paper provides an overview of the studies of the mechanisms of crack initiation in structural materials under fatigue in the gigacycle regime. Today's understanding of the mechanism of fatigue cracks initiation under gigacyclic loading is associated with the presence of two types of structural inho-mogeneities: nonmetallic inclusions and pores whose effect is difficult to assess. From the theoretical point of view, the mechanisms of the origin of fatigue cracks for different materials differ significantly; therefore the problem requires further experimental investigations.

Key words: mechanism of nucleation, cracks, gigacycle fatigue, structural materials, high-frequency machines, failure mechanism, number of cycles.

REFERENCES

1. Bannikov M.V., Oborin V.A., Naimark O.B. Investigation of the stages of destruction of aviation titanium alloys in the high cycle and gigacycle fatigue regime according to the morphology of fracture surface. Aerospace engineering, high technologies and innovations. 2015(1):375—379.

2. Naimark O.B., Bannikov M.V. Nonlinear kinetics of development of damage and anomalies of the elastic properties of metals under gigacyclic loading. Letters on materials. 2015(5);4(20):497-503.

3. Oborin V.A., Bachurinhin V.P., Sokovikov M.A., Naimark O.B. Investigation of the morphology of failure surface of aluminum alloys under preliminary dynamic and subsequent gigacyclic loading. Aerospace engineering, high technology and innovation. 2015(1):235-239.

4. Baohua Nie et al. Very High Cycle Fatigue Behavior of a Directionally Solidified Ni-Base Superalloy DZ4. Materials. 2018;11:98; doi:10.3390/ma11010098.

5. Bathias C., Paris C. Gigacycle fatigue of metallic aircraft components,17th European Conference on Fracture, Czech Republic. 2008, p. 851-857.

6. Bayraktar E., Xue H., Ayari F., Bathias C. Torsional fatigue behavior and damage mechanisms in the very high cycle regime. Archives of Materials Science and Engineering. 2010(43);2:77-86.

7. Cheng'en Z., Gui'an Q., Youshi H. Fractography and Crack Initiation of Very High Cycle Fatigue for a High Carbon Low Alloy Steel. Key Engineering Materials. 2006(324-325): 1113-1116; doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.324-325.1113.