Prążkowanie (zmęczenie)
Prążki to ślady powstałe na powierzchni pęknięcia, które pokazują stopniowy wzrost pęknięcia zmęczeniowego . Prążkowanie oznacza położenie wierzchołka pęknięcia w momencie jego powstania. Termin prążkowanie ogólnie odnosi się do ciągliwych prążków które są zaokrąglonymi pasmami na powierzchni pęknięcia oddzielonymi wgłębieniami lub szczelinami i mogą mieć ten sam wygląd po obu stronach współpracujących powierzchni pęknięcia zmęczeniowego. Chociaż niektóre badania sugerują, że do utworzenia pojedynczego prążkowania potrzeba wielu cykli ładowania, obecnie ogólnie uważa się, że każde prążkowanie jest wynikiem pojedynczego cyklu ładowania.
Obecność prążków jest wykorzystywana w analizie uszkodzeń jako wskazówka, że pęknięcie zmęczeniowe narasta. Prążkowania na ogół nie są widoczne, gdy pęknięcie jest małe, mimo że powiększa się pod wpływem zmęczenia, ale zaczną się pojawiać, gdy pęknięcie stanie się większe. Nie wszystkie okresowe ślady na powierzchni pęknięcia są prążkami. Wielkość prążkowania dla konkretnego materiału jest zwykle związana z wielkością obciążenia, które charakteryzuje się współczynnikiem intensywności naprężeń zasięgu, średniego stresu i środowiska. Szerokość prążkowania wskazuje na ogólne tempo wzrostu pęknięć, ale może być lokalnie szybsze lub wolniejsze na powierzchni pęknięcia.
Funkcje prążkowania
Badanie powierzchni pęknięcia jest znane jako fraktografia . Obrazy pęknięć można wykorzystać do ujawnienia cech i zrozumienia mechanizmów wzrostu pęknięć. Chociaż prążki są dość proste, mają tendencję do zakrzywiania się na końcach, co pozwala określić kierunek wzrostu pęknięć na podstawie obrazu. Prążki zwykle tworzą się na różnych poziomach w metalach i są oddzielone pasmem łez . Pasma łez są w przybliżeniu równoległe do kierunku wzrostu pęknięć i tworzą tak zwany wzór rzeki , tak zwany, ponieważ wygląda jak rozbieżny wzór widziany z przepływami rzek. Źródło wzoru rzeki zbiega się do jednego punktu, który jest zazwyczaj źródłem uszkodzenia zmęczeniowego.
Prążki mogą pojawić się po obu stronach współpracującej powierzchni pęknięcia. Istnieje spór co do tego, czy prążki powstałe po obu stronach powierzchni pęknięcia pasują do szczytu do szczytu lub doliny. Kształt prążków może być również różny po każdej stronie powierzchni pęknięcia. Prążki nie występują równomiernie na całej powierzchni pęknięcia i wiele obszarów pęknięcia zmęczeniowego może być pozbawionych prążków. Prążki są najczęściej obserwowane w metalach, ale występują również w tworzywach sztucznych, takich jak poli(metakrylan metylu) .
Małe prążki można zobaczyć za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego . Gdy rozmiar prążkowania przekroczy 500 nm (rozdzielcza długość fali światła), można je zobaczyć pod mikroskopem optycznym . Pierwsze zdjęcie prążków wykonali Zapffe i Worden w 1951 roku przy użyciu mikroskopu optycznego.
Szerokość prążkowania wskazuje na lokalne tempo wzrostu pęknięć i jest typowa dla ogólnego tempa wzrostu na powierzchni pęknięcia. Tempo wzrostu można przewidzieć za pomocą równania wzrostu pęknięć, takiego jak równanie Parisa-Erdogana . Wady, takie jak inkluzje i granice ziaren, mogą lokalnie spowolnić tempo wzrostu.
o zmiennej amplitudzie tworzą prążki o różnej szerokości, a badanie tych wzorów prążkowania zostało wykorzystane do zrozumienia zmęczenia. Chociaż można zastosować różne metody zliczania cykli, aby wyodrębnić równoważne cykle o stałej amplitudzie z sekwencji o zmiennej amplitudzie, wzór prążkowania różni się od cykli wyodrębnionych metodą zliczania opadów deszczu .
Wysokość prążkowania została powiązana ze współczynnikiem naprężeń zastosowanego cyklu obciążenia, gdzie displaystyle K _ .
Profil prążkowania zależy od stopnia obciążenia i odciążenia w każdym cyklu. Odciążająca część cyklu powodująca odkształcenie plastyczne na powierzchni prążkowania. Rozszerzanie się pęknięć występuje tylko od wznoszącej się części cyklu obciążenia.
Cechy przypominające prążki
Inne okresowe ślady na powierzchni pęknięcia można pomylić z prążkami.
Paski znaczników
Obciążenie o zmiennej amplitudzie powoduje, że pęknięcia zmieniają płaszczyznę wzrostu, a efekt ten można wykorzystać do tworzenia pasm znacznikowych na powierzchni pęknięcia. Gdy stosuje się pewną liczbę cykli o stałej amplitudzie, mogą one wytworzyć plateau wzrostu na powierzchni pęknięcia. Pasma znaczników (znane również jako znaki progresji lub znaki na plaży ) mogą być wytwarzane i łatwo identyfikowane na powierzchni pęknięcia, nawet jeśli wielkość obciążeń może być zbyt mała, aby wytworzyć pojedyncze prążki.
Ponadto, paski znacznikowe mogą być również wytwarzane przez duże obciążenia (znane również jako przeciążenia) tworzące obszar szybkiego pękania na powierzchni pęknięcia. Szybkie pęknięcie może wytworzyć obszar szybkiego wydłużenia, zanim stępienie wierzchołka pęknięcia zatrzyma wzrost, a dalszy wzrost nastąpi podczas zmęczenia. Szybkie pękanie zachodzi w procesie koalescencji mikropustek , w którym wokół cząstek międzymetalicznych inicjowane są uszkodzenia. F111 _ samolot był poddawany okresowym testom sprawdzającym, aby upewnić się, że wszelkie obecne pęknięcia są mniejsze niż określony rozmiar krytyczny. Obciążenia te pozostawiły ślady na powierzchni pęknięcia, które można było zidentyfikować, umożliwiając zmierzenie tempa pośredniego wzrostu występującego podczas eksploatacji.
Ślady pojawiają się również w wyniku zmiany środowiska, w którym może osadzać się olej lub środowiska korozyjne, lub w wyniku nadmiernego narażenia na ciepło i zabarwiają powierzchnię pęknięcia aż do aktualnej pozycji wierzchołka pęknięcia.
Pasma znacznikowe mogą być użyte do pomiaru chwilowego tempa wzrostu zastosowanych cykli ładowania. Stosując powtarzającą się sekwencję oddzieloną obciążeniami, które tworzą charakterystyczny wzór, wzrost z każdego segmentu obciążenia można zmierzyć za pomocą mikroskopu w technice zwanej fraktografią ilościową, tempo wzrostu dla segmentów obciążenia o stałej lub zmiennej amplitudzie obciążenia można bezpośrednio mierzona od powierzchni pęknięcia.
Ślady opon
Ślady opon to ślady na powierzchni pęknięcia powstałe w wyniku odciskania się czegoś na powierzchni w wyniku wielokrotnego otwierania i zamykania powierzchni pęknięć. Może to być spowodowane albo cząstką, która zostaje uwięziona między powierzchniami pęknięcia, albo samymi powierzchniami przesuwającymi się i bezpośrednio stykającymi się z przeciwległą powierzchnią.
Grube prążki
Zgrubne prążki są ogólnym pofałdowaniem powierzchni pęknięcia i nie odpowiadają pojedynczemu cyklowi obciążenia i dlatego nie są uważane za prawdziwe prążki. Powstają zamiast regularnych prążków, gdy w stopach aluminium nie ma wystarczającej wilgoci atmosferycznej do wytworzenia wodoru, zapobiegając w ten sposób aktywacji płaszczyzn poślizgu. Zmarszczki na powierzchni krzyżują się i dlatego nie odzwierciedlają położenia wierzchołka pęknięcia.
Tworzenie się prążków w aluminium
Wpływ środowiska
Prążki są często wytwarzane w stopach aluminium o wysokiej wytrzymałości. W tych stopach obecność pary wodnej jest konieczna do wytworzenia ciągliwych prążków, chociaż zbyt duża ilość pary wodnej spowoduje powstanie kruchych prążków , znanych również jako prążki rozłupujące . Kruche prążki są bardziej płaskie i większe niż ciągliwe prążki wytwarzane przy tym samym obciążeniu. W atmosferze jest wystarczająco dużo pary wodnej, aby wytworzyć ciągliwe prążki. Pęknięcia rosnące wewnętrznie są odizolowane od atmosfery i rosną w próżni . Kiedy para wodna osadza się na świeżo odsłoniętej powierzchni pękniętego aluminium, dysocjuje na wodorotlenki i wodór atomowy . Wodór oddziałuje z końcówką pęknięcia, wpływając na wygląd i rozmiar prążków. Szybkość wzrostu wzrasta zwykle o rząd wielkości w obecności pary wodnej. Uważa się, że mechanizmem jest kruchość wodorowa w wyniku wchłaniania wodoru do strefy plastycznej na wierzchołku pęknięcia.
Gdy wewnętrzne pęknięcie przedostanie się na powierzchnię, tempo wzrostu pęknięcia i wygląd powierzchni pęknięcia zmienią się z powodu obecności pary wodnej. Grube prążki pojawiają się, gdy pęknięcie zmęczeniowe narasta w próżni, na przykład podczas wyrastania z wewnętrznej skazy.
Pękający samolot
W aluminium ( materiał sześcienny skoncentrowany na powierzchni ) pęknięcia rosną blisko płaszczyzn o niskim współczynniku, takich jak płaszczyzny {100} i {110} (patrz Wskaźnik Millera ). Obie te płaszczyzny przecinają parę płaszczyzn poślizgu . Rozwój pęknięcia obejmujący pojedynczą płaszczyznę poślizgu określa się jako etapu I , a rozwój pęknięcia obejmujący dwie płaszczyzny poślizgu określa się jako rozwój etapu II . Prążki są zwykle obserwowane tylko w fazie wzrostu II.
Kruche prążki są zwykle tworzone na {100} płaszczyznach.
Modele powstawania prążków
Opracowano wiele modeli wyjaśniających proces powstawania prążków i ich wynikowy kształt. Niektóre z istotnych modeli to:
- Plastikowy stępiony model Lairda
- Model zęba piły McMillana i Pelloux
- Model z grubym poślizgiem Neummana
- Model pasma ścinania autorstwa Zhanga