Стрижки — это следы, образующиеся на поверхности излома, которые показывают постепенный рост усталостной трещины. Бороздка отмечает положение вершины трещины во время ее образования. Термин бороздка обычно относится к пластичным бороздкам, которые представляют собой округлые полосы на поверхности излома, разделенные углублениями или трещинами, и могут иметь одинаковый вид по обе стороны сопряженных поверхностей усталостной трещины. Хотя некоторые исследования предполагают, что для образования одной бороздки требуется много циклов нагрузки, в настоящее время принято считать, что каждая бороздка является результатом одного цикла нагрузки.
Наличие бороздок используется в анализе отказов как признак того, что усталостная трещина растет. Борозды обычно не видны, когда трещина маленькая, даже если она растет из-за усталости, но начнут появляться по мере того, как трещина становится больше. Не все периодические отметки на поверхности излома являются бороздками. Размер борозды для конкретного материала обычно связан с величиной нагрузки, характеризуемой диапазоном коэффициента интенсивности напряжений, средним напряжением и окружающей средой. Ширина борозды указывает на общую скорость роста трещины, но может быть локально быстрее или медленнее на поверхности излома.
Особенности полосатости
Изучение поверхности излома известно как фрактография. Изображения трещины могут быть использованы для выявления особенностей и понимания механизмов роста трещины. Хотя бороздки довольно прямые, они имеют тенденцию изгибаться на концах, что позволяет определить направление роста трещины по изображению. Борозды обычно образуются на разных уровнях в металлах и разделены полосой разрыва между ними. Полосы разрыва приблизительно параллельны направлению роста трещины и создают то, что известно как речной узор, так называемый, потому что он похож на расходящийся узор, наблюдаемый в речных потоках. Источник речного узора сходится в одной точке, которая обычно является источником усталостного разрушения.
Бороздки могут появляться по обе стороны сопряженной поверхности излома. Существуют некоторые разногласия относительно того, соответствуют ли борозды, образующиеся по обе стороны поверхности излома, пик-пик или пик-впадина. Форма бороздок также может быть разной по обе стороны поверхности излома. Бороздки не возникают равномерно по всей поверхности излома, и многие области усталостной трещины могут быть лишены бороздок. Бороздки чаще всего наблюдаются в металлах, но также встречаются в пластиках, таких как поли(метил_метакрилат).
Небольшие полосы можно увидеть с помощью сканирующего электронного микроскопа. Как только размер полосы превышает 500 нм (разрешающая длина волны света), их можно увидеть с помощью оптического микроскопа. Первое изображение полос было получено Цапффе и Уорденом в 1951 году с помощью оптического микроскопа.
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.
Переменные амплитудные нагрузки создают полосы различной ширины, и изучение этих полосовых узоров использовалось для понимания усталости. Хотя различные методы подсчета циклов могут быть использованы для извлечения эквивалентных циклов постоянной амплитуды из последовательности переменной амплитуды, полосатый узор отличается от циклов, извлеченных с использованием метода подсчета дождевого потока.
Высота бороздки связана с коэффициентом напряжения приложенного цикла нагрузки, где и, таким образом, является функцией минимума и максимальное интенсивность напряжения приложенного цикла нагрузки.
Профиль бороздки зависит от степени нагрузки и разгрузки в каждом цикле. Разгрузочная часть цикла вызывает пластическую деформацию на поверхности бороздки. Расширение трещины происходит только с восходящей части цикла нагрузки.
Черты, похожие на полоски
Другие периодические следы на поверхности излома можно ошибочно принять за борозды.
Маркерные полосы
Переменная амплитудная нагрузка заставляет трещины изменять плоскость роста, и этот эффект можно использовать для создания маркерных полос на поверхности излома. При применении ряда циклов постоянной амплитуды они могут создавать плато роста на поверхности излома. Маркерные полосы (также известные как метки прогрессии или береговые следы) могут быть получены и легко идентифицированы на поверхности излома, даже если величина нагрузок может быть слишком мала для создания отдельных полос.
Кроме того, маркерные полосы могут также образовываться при больших нагрузках (также известных как перегрузки), создавая область быстрого разрушения на поверхности трещины. Быстрое разрушение может образовывать область быстрого расширения, прежде чем притупление вершины трещины остановит рост, и дальнейший рост происходит во время усталости. Быстрое разрушение происходит в процессе коалесценции микропустот, когда разрушения начинаются вокруг интерметаллических частиц. Самолет F111 подвергался периодическим контрольным испытаниям, чтобы убедиться, что любые имеющиеся трещины были меньше определенного критического размера. Эти нагрузки оставляли следы на поверхности разрушения, которые можно было идентифицировать, что позволяло измерять скорость промежуточного роста, происходящего в процессе эксплуатации.
Следы также возникают из-за изменения окружающей среды, где могут скапливаться нефть или едкие среды, или из-за чрезмерного воздействия тепла, и окрашивают поверхность излома вплоть до текущего положения вершины трещины.
Маркерные полосы могут использоваться для измерения мгновенной скорости роста применяемых циклов нагрузки. Применяя повторяющуюся последовательность, разделенную нагрузками, которые создают отличительный рисунок, рост от каждого сегмента нагрузки может быть измерен с помощью микроскопа в технике, называемой количественной фрактографией, скорость роста для сегментов нагрузки с постоянной амплитудой или переменной амплитудой может быть измерена непосредственно с поверхности разрушения.
Следы шин
Следы шин — это отметины на поверхности излома, которые оставляет что-то, оставляя отпечаток на поверхности при повторном открытии и закрытии поверхностей трещины. Это может быть вызвано либо частицей, которая застревает между поверхностями трещины, либо самими поверхностями, которые смещаются и напрямую контактируют с противоположной поверхностью.
Грубые полосы
Грубые бороздки представляют собой общую смятость поверхности излома и не соответствуют одному циклу нагрузки и поэтому не считаются истинными бороздками. Они образуются вместо обычных бороздок, когда атмосферной влаги недостаточно для образования водорода на поверхности вершины трещины в алюминиевых сплавах, тем самым предотвращая активацию плоскостей скольжения. Морщины на поверхности пересекаются и поэтому не отражают положение вершины трещины.
Образование полос на алюминии
Влияние окружающей среды
В высокопрочных алюминиевых сплавах часто образуются бороздки. В этих сплавах присутствие водяного пара необходимо для образования пластичных бороздок, хотя слишком много водяного пара приведет к образованию хрупких бороздок, также известных как бороздки скола. Хрупкие борозды более плоские и крупные, чем пластичные борозды, образующиеся при той же нагрузке. В атмосфере достаточно водяного пара для образования пластичных бороздок. Трещины, растущие изнутри, изолированы от атмосферы и растут в вакууме. Когда водяной пар осаждается на свежеобнаженной 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 при наличии водяного пара. Считается, что механизм заключается в водородной хрупкости в результате поглощения водорода в пластическую зону на вершине трещины.
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.
Плоскость трещин
В алюминии (гранецентрированном кубическом материале) трещины растут вблизи плоскостей с низким коэффициентом преломления, таких как плоскости {100} и {110} (см. Индекс Миллера). 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. Полосы обычно наблюдаются только на стадии роста II.
Хрупкие бороздки обычно образуются на плоскостях {100}.
Модели формирования полосчатости
Было разработано много моделей для объяснения процесса формирования полос и их результирующей формы. Вот некоторые из значимых моделей: