Усталостный перелом металла, как и другие типы разрушения металла, несет в себе богатую информацию о процессе разрушения. Это дает подсказку о том, где возникла трещина, как она распространялась и как в конечном итоге произошла трещина. На морфологию поверхности излома влияют такие факторы, как свойства материала, условия напряжения, уровни напряжения и факторы окружающей среды. Поэтому анализ усталостного разрушения является одним из ключевых методов изучения усталостного разрушения.
Типичный усталостный перелом обычно состоит из трех областей: источника усталости, зоны распространения усталости и зоны окончательного разрушения. См. рисунок 1.
Рисунок 1
Происхождение усталости
Источником усталости является область, где зарождается усталостная трещина. Он часто располагается в слабых местах компонента, таких как царапины на поверхности, механические повреждения, коррозионные язвы, участки внезапного изменения поперечного сечения или внутренние металлургические дефекты, такие как трещины, хрупкие включения, сегрегация, пористость и т. д.
На поверхности усталостного излома может быть один или несколько очагов усталости. Например, в случае многократного изгиба могут быть две причины усталости при изгибе, а в агрессивной среде коррозионная усталость может привести к множественным причинам.
Чем выше коэффициент концентрации напряжений или уровень знакопеременных напряжений, тем больше очагов усталости на поверхности излома. На рисунке 2 показано усталостное разрушение множественного происхождения.
Рисунок 2
Зона распространения усталостных трещин
Эта зона является зоной докритического распространения трещины и представляет собой наиболее сложную и информационную область поверхности разрушения. Характеристики этой зоны являются ключевыми для определения того, является ли перелом результатом усталости. Наиболее распространенной особенностью является наличие «отметок», видимых при небольшом увеличении, и полос усталости (также известных как отметки распространения усталости), видимых при большом увеличении. Однако некоторые поверхности изломов могут не иметь этих свойств и вместо этого иметь гладкие, полированные, керамические характеристики, признаки экструзионной деформации или отпечатки, подобные шинам, среди прочего. Полосы распространения усталости можно увидеть на рисунке 3.
Рисунок 3
3.Зона окончательного разрушения
В этой области трещина распространяется быстро и нестабильно. На стадии роста метастабильной трещины усталостная трещина постепенно расширяется с каждым циклом напряжения, но скорость роста относительно медленная и следует более последовательному и предсказуемому образцу. Однако, как только трещина достигнет критического размера, она начнет быстро ускоряться, что приведет к окончательному разрушению. Эта зона отмечает переход от устойчивого роста трещины к быстрому разрушению.
Поскольку длина трещины продолжает увеличиваться, когда она достигает критического размера c, концентрация напряжений на вершине трещины становится достаточно большой, чтобы превысить прочность материала на разрушение. В этот момент трещина становится нестабильной и быстро распространяется. Неповрежденная часть в передней части трещины разрушается почти мгновенно.
Поверхность излома в зоне окончательного излома относительно шероховатая, и, поскольку она представляет собой последнюю точку излома, она часто имеет более яркий цвет. Перелом в этой области по существу аналогичен перелому при статической нагрузке. Для хрупких материалов микроструктура обычно демонстрирует особенности скола, тогда как для пластичных материалов микроструктура демонстрирует характеристики излома с ямочками.
Зона окончательного разрушения часто располагается на стороне, противоположной очагу усталости. Однако если материал подвергнуть ротационному изгибу, положение конечной зоны разрушения сместится на определенный угол в противоположном направлении вращения.