В некоторых случаях закрытие трещины может усиливаться за счет увеличения объема материала в зоне предразрушения вследствие локальных фазовых превращений, вызываемых механическими напряжениями. Этот механизм закрытия трещины во многом аналогичен ЗТП, отличаясь, однако, физической природой процесса образования “лишнего” материала и полости распространяющейся трещины.

Таким образом, различаются пять механизмов закрытия трещины усталости (рис. 7). В силу специфической природы реализация двух последних (рис. 7, а, б) возможна лишь в особых условиях: при наличии жидкой среды в вершине трещины или при усталостном разрушении сложнолегированных металлических сплавов, содержащих метастабильные структурные составляющие. В то же время ЗТП, ЗТО и ЗТШ (рис. 7, в-д) более универсальны.

Рис. 7. Схемы механизмов закрытия трещины, обусловленных вязкостью рабочей среда (а), фазовыми превращениями в зоне предразрушения (б), ЗТП (в), ЗТО (г) и ЗТШ (д).

2. Влияние условий эксплуатации на закрытие и кинетику

трещин усталости в конструкционных материалах.

Уровень закрытия трещины определяется рядом факторов, которые условно делятся на две группы - эксплуатационные и структурные. К первой относятся параметры цикла напряжений (размах, асимметрия, частота), окружающая среда (ее химическая активность, влажность, температура), а также характер напряженно- деформированного состояния у вершины трещины в образце или элементе конструкции, который определяется их геометрией и размерами. Основные структурные факторы (вторая группа) обусловлены химическим составом материала и его микроструктурным состоянием.

Зависимость закрытия трещины от уровня размаха коэффициента интенсивности напряжения. Закрытие трещины характерно для припорогового роста усталостной трещины, оно монотонно ослабевает по мере роста размаха коэффициента интенсивности напряжения . Это объясняется увеличением по мере роста коэффициента интенсивности напряжения раскрытия трещин, величина которого в конечном итоге исключает появление закрытия трещины. Максимальный коэффициент интенсивности напряжения Kmax, при котором не происходит закрытие трещины, зависит от ряда факторов, в том числе от структуры сплава и эксплуатационных условий, включая асимметрию цикла.

Связь закрытия трещины с асимметрией цикла. Влияние асимметрии цикла на проявление закрытия трещины исследовано весьма широко. Повышение коэффициента асимметрии в сторону положительных значений вызывает снижение закрытие трещины и увеличение скорости роста усталостной трещины. По мере снижения размаха коэффициента интенсивности напряжения и скорости рост усталостной трещины чувствительность закрытия к асимметрии цикла напряжений усиливается до максимального уровня на пороге усталости. Ослабление роли закрытия трещины по мере роста коэффициента асимметрии объяснят тем, что повышении коэффициента асимметрии происходит сближение значений минимального коэффициента интенсивности напряжения Kmin и коэффициента интенсивности напряжения, характеризующего момент открытия трещины Kор. Поэтому при более высоких коэффициентах асимметрии уменьшается размах коэффициента интенсивности напряжения, соответствующий закрытой трещине = Kop - Kmin и, следовательно, возрастает эффективный размах (рис. 8, а). Такие соображения приводят к зависимостям пороговых характеристик ( рис. 8, б), и хорошо согласуются с результатами опытов.

Рис. 8. Параметры цикла нагружения (а) и зависимости пороговых размаха коэффициента интенсивности напряжения (б).

Частота нагружения. На воздухе частотные зависимости пороговой интенсивности напряжений различных материалов неоднозначны. Если в титановом сплаве Ti-6Al-6V-2Sn повышение частоты цикла снижает пороговый размах коэффициента интенсивности напряжения, то в алюминиевом сплаве эффект обратный. При этом линейная зависимость параметраот частоты сохраняется для всех исследуемых форм циклов напряжений. Увеличение частоты нагружения значительно интенсифицирует автокаталитическое окисидообразавание на поверхности разрушения, о чем свидетельствует и различный характер зависимостей скорости роста усталостной трещины при постоянном размахе коэффициента интенсивности напряжения от ее длины, а также вид поверхностей разрушения.

Влияние повышенной температуры испытаний. Данные о влиянии температуры испытаний на кинематику роста усталостной трещины в припороговой области весьма противоречивы. Например, сопротивление припороговому росту усталостной трещины нержавеющей стали повышается с увеличением температуры от 290 до 970К при испытаниях на воздухе, однако остается постоянным в вакууме и гелии. Для корпусных перлитных сталей зависимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от температуры испытаний немонотонна - снижение порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения при повышении температуры до 420-470К сменяется его ростом при более высоких температурах. Характерной особенностью роста усталостной трещины при повышенных температурах является независимость порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения от температуры испытаний в условиях нагружения с высокой асимметрией цикла напряжений.

Для понимания причины, определяющих особенности припороговой кинетики роста усталостной трещины в конструкционных сталях при повышенных температурах, весьма полезным оказалось привлечение концепции закрытия трещины, в частности анализ развития ЗТШ и ЗТО при повышенных температурах. Установлено, что с ростом температуры вследствие усиления поперечного скольжения снижается шероховатость поверхности разрушения, что ослабляет ЗТШ, обеспечивая снижение нормального порогового размаха коэффициента интенсивности напряжения .

Оценка масштабного фактора с учетом закрытия трещины. Вопрос о влиянии масштабного фактора, т.е. размера образца, на характеристики циклической трещиностойкости - один из важнейших в механике усталостного разрушения, так как он касается адекватности результатов испытаний лабораторных образцов и натуральных изделий при прогнозировании работоспособности последних. Единого мнения относительно влияния трещины используемых образцов на сопротивление сталей припороговому росту усталостной трещины нет. Зафиксировано снижение, повышение и постоянство пороговых размахов коэффициента интенсивности напряжения различных сталей при увеличении толщины образцов. Столь противоречивые данные объясняются с позиций концепции закрытия трещины на основе рассмотрения влияния напряженно-деформационного состояния на реализацию того или иного механизма закрытия трещины. Установлено, что даже в условиях припорогового роста усталостной трещины вдоль фронта трещины существуют различия в напряженно-деформационном состоянии материала, в связи с чем изменяются условия проявления закрытия трещины.