Движение дислокаций и образование линий скольжения в условиях повторно-переменных нагрузок наблюдается даже при напряжениях меньше предела выносливости который в свою очередь, как правило, ниже макроскопического предела упругости материала. Скольжение происходит в тех же кристаллографических плоскостях и направлениях, что и при статической деформации. Начинается пластическая деформация в благоприятно ориентированных зернах вблизи концентраторов напряжений. Развитие пластической деформации приводит к деформационному упрочнению, которое особенно существенно при малоцикловой усталости, когда величина действующих напряжений велика. Наглядной характеристикой деформационного упрочнения может служить ширина петли гистерезиса в координатах напряжение - деформация.

В стандартных многоцикловых усталостных испытаниях такие кривые не записывают, но если их построить по результатам динамических измерений напряжений и деформаций, то полученная диаграмма за каждый цикл нагружения будет иметь вид асимметричной петли (рис.1).

Асимметрия связана с проявлением эффекта Баушингера. Если образец в первом полуцикле подвергают сжатию, то при заданных характеристиках цикла первая петля (см. рис.1) придет из точки А в точку В, когда образец будет заметно пластически деформирован. В результате разгрузки кривая попадет в точку С по прямой, соответствующей снятию упругой деформации. Когда в следующем полуцикле образец подвергается растяжению, пластическая деформация начинается при более низком напряжении. Это и есть эффект Баушингера. Чем больше баушингеровская деформация, тем шире петля гистерезиса. Если материал будет упрочняться в процессе усталостного испытания, то величина этой деформации и ширина·петли должны уменьшаться из-за возрастающих трудностей перераспределения дислокаций при изменении знака напряжений. Действительно, эксперименты показывают быстрое уменьшение ширины W петли гистерезиса по мере увеличения числа циклов нагружения N ряда материалов (см. рис. 1).

Рис. 1. Петли гистерезиса при циклическом нагружении монокристалла алюминия (Томпсон и др.). Цифры у кривых - номер цикл

Материалы, у которых ширина петли гистерезиса при мягком нагружении уменьшается, а максимальное напряжение цикла при жестком нагружении увеличивается, называются циклически упрочняющимися. Но есть и такие материалы, у которых ширина петли гистерезиса при мягком нагружении по мере увеличения числа циклов, наоборот, растет, а максимальное напряжение цикла при жестком нагружении уменьшается. Такие материалы называют циклически разупрочняющимися. Наконец, в ряде случаев ширина петли гистерезиса практически не меняется с ростом числа циклов. В этих случаях мы имеем дело с так называемыми циклически стабилизирующимися материалами. Циклическое упрочнение или разупрочнение металлов и сплавов связано с особенностями их пластической деформации, зависящими от исходной структуры. В условиях симметричного растяжения - сжатия гладких образцов связь между амплитудами напряжений у_а и пластической деформации Ера подчиняется уравнению

,

Где К' - коэффициент циклической прочности; q' - показатель циклического деформационного упрочнения. Последний высок у металлов и сплавов с большой энергией дефектов упаковки (алюминий, никель, малоуглеродистые стали) и мал у материалов с низкой энергией дефектов упаковки (магний, б-латуни, нержавеющие аустенитные стали). Но вне зависимости от энергии дефектов упаковки, чистые металлы и однофазные сплавы, отличающиеся в отожженном состоянии высокой пластичностью и относительно низкой прочностью, относятся К циклически упрочняющимся материалам. После сильной холодной деформации эти же материалы ведут себя как циклически разупрочняющиеся. Циклическое разупрочнение наблюдается также у большинства высокопрочных сплавов, в частности, содержащих в структуре большое количество дисперсных вьщелений избыточных фаз. Склонность материала к циклическому упрочнению или разупрочнению хорошо скоррелирована с отношением у_в/ у_а0,2 Если оно меньше 1,2, то материал является циклически разупрочняющимся, если у_в/ у_{а0,2 ?}1,4, то материал циклически упрочняется. При промежуточных значениях у_в/ у_а0,2, материал ведет себя как циклически стабилизирующийся (возможно также слабое упрочнение или разупрочнение). Знак упрочнения и усталостная повреждаемость металлических материалов в значительной мере обусловлены особенностями дислокационной структуры, формирующейся в условиях циклической деформации По мере увеличения числа циклов нагружения растет плотность дислокаций, особенно быстро в поверхностных слоях. Отличительный признак дислокационной структуры металлов после низкотемпературного циклического нагружения - многочисленные пороги и дислокационные петли, появляющиеся уже на начальных этапах испытания. Это результат частых пересечений дислокаций и повышенной концентрации точечных дефектов, возникающих при движении дислокаций с порогами под действием переменных напряжений. С увеличением числа циклов образуются скопления петель и дислокаций со ступеньками, дислокационных сплетений, а затем формируются плоские малоугловые границы. По мере роста числа циклов нагружения тонкие линии скольжении на поверхности превращаются в грубые полосы с необычным для статической деформации рельефом. Анализ профиля этих полос показывает наличие в них выступов и впадин. Развитие полос скольжения в условиях действия больших напряжений качественно аналогично наблюдаемому при статической деформации. Они могут быть удалены полировкой поверхности, и долговечность образца повысится. Но многие полосы, образующиеся при испытании с малой амплитудой напряжений, более устойчивы и полировкой уже не удаляются. Впадины в таких устойчивых полосах сначала имеют глубину не более 10 мкм, а по истечении - 25 % общего времени испытания - до 30 мкм.

Устойчивым полосам скольжения на поверхности соответствует специфическая дислокационная структура в приповерхностных слоях и в объеме образца (детали). В разных металлах эта структура различна. Например, в меди устойчивые полосы скольжения состоят из вытянутых вдоль полос дислокационных ячеек. В целом на стадии образования устойчивых полос скольжения для металлов характерно регулярное чередование областей с высокой и низкой плотностью дислокаций.

Зарождение усталостных трещин