Specifika vysokocyklové a gigacyklové únavy

Únavový proces je podmíněn cyklickou plastickou deformací. Bez opakované plastické deformace by nedocházelo k únavě. Toto konstatování se zdá zřejmé pro nízkocyklovou a také pro vysokocyklovou únavu. Např., amplituda plastické deformace na mezi únavy (nedochází k porušení po 106 - 107 cyklů) je pro čisté kovy a slitiny tato řádově 10-5. V oblasti gigacyklové únavy, kde počet cyklů do porušení může dosahovat řádu 1010 cyklů, či více může amplituda plastické deformace nabývat řádu 10-7 a méně; takto malou cyklickou plastickou deformaci však není možné experimentálně naměřit a pro její velikost lze tedy pouze odhadovat z extrapolace Manson-Coffinových křivek. Takto malé amplitudy plastické deformace aplikované pouze jednou nezpůsobí detekovatelnou změnu v substruktuře materiálu, ale jejich mnohonásobné opakování vede ke kumulativnímu poškození končícímu lomem obr. 3. Elastická deformace je plně reverzibilní a nemůže tedy způsobit poškození, toto je vyhrazeno plastické deformaci (v některých případech v kombinaci s vlivem prostředí), která způsobuje ireverzibilní změny v substruktuře materiálu, hlavně v substruktuře dislokační. Obecně může být únavový proces rozdělen na tři následné a částečně se překrývající etapy lišící se druhem a lokací ireverzibilní změny: (i) Cyklické zpevnění a/nebo změkčení, tato etapa se týká celého cyklicky zatíženého objemu materiálu. (ii) Iniciace mikrotrhlin, postihující malou část z celkového objemu, typicky je lokalizována do povrchové vrstvy. (iii) Šíření únavové trhliny končící finálním lomem. Rozhodujícím faktorem pro šíření trhliny je cyklická plastická deformace v rámci plastické zóny na špici trhliny. Detaily akumulace únavového poškození závisí na amplitudě deformace nebo amplitudě napětí. Není pochyb, že cyklické deformační procesy charakteristické pro všechna tři stádia únavy se uplatňují také v oblasti gigacyklové únavy [7].


Role persistentních skluzových pásů a iniciace mikrotrhlin

Nejvýznamnějším znakem cyklické plasticity je formování persistentních skluzových pásů (PSP) v některých materiálech při vhodných podmínkách v oblasti vysokocyklové únavy a částečně také v oblasti únavy nízkocyklové. PSP reprezentují zóny lokalizace cyklické deformace a tedy pre-iniciaci únavového poškození. Jejich hlavní charakteristiky jsou (i) podstatně vyšší amplituda plastické deformace ve srovnání s okolní matricí, což vede ke (ii) vzniku dislokační struktury odlišně od okolní matrice a k (iii) formování povrchového reliéfu (extruze a intruze). K iniciaci mikrotrhlin dojde na místě kde se PSP stýkají s povrchem, konkrétně v intruzi. Nezbytnými podmínkami pro nukleaci mikrotrhlin jsou (i') významná vrubová topografie, (ii') vysoce lokalizovaná plastická deformace v kořeni intruze, a (iii') vhodné dislokační uspořádání podél povrchových intruzí. Tyto tři podmínky jsou neoddělitelně spolu spjaty.

Vrubová topografie zapříčiňuje geometrickou koncentraci napětí, toto však nepostačuje, intenzita nevratné cyklické plastické deformace, tj. nevratná část dislokačního skluzu, musí být v kořeni intruze vyšší než v ostatních místech. Toto vyžaduje dislokační strukturu k zabránění lokální relaxace napětí, ke kterému by došlo vlivem skluzu dislokací mimo kritický objem, a současně příspěvek k zvýšení "ostrosti" kořene intruze. Z tohoto důvodu je nezbytná existence vhodného dislokačního uspořádání. Např. ostrý vryp vytvořený na povrchu monokrystalu Cu nemusí být místem iniciace trhliny při následném cyklování, přestože jde o koncentrátor napětí. Důvodem je vhodné lokální uspořádání dislokací garantující nesplnění zbývajících dvou podmínek [11].

U materiálů se snadným příčným skluzem je reliéf skluzového povrchu vztažen ke skluzové aktivitě PSP pro odpovídající oblast zátěžných parametrů obr. 4.

Výše uvedená tvrzení potvrzuje velké množství experimentů, kdy bylo prováděno pozorování prostřednictvím optické a elektronové mikroskopie, replikačních technik, prokázalo, že k nukleaci trhlin homogenního materiálu dochází vždy na volném povrchu. U součástí makroskopicky strukturně nehomogenních není nukleace vždy vázána na povrch. Např. u materiálů s výrazně zpevněnou povrchovou vrstvou, k jejíž plastické deformaci je zapotřebí podstatně vyšších napětí než k deformaci základní matrice, dochází k nukleaci na rozhraní této tvrdé povrchové vrstvy a základní matrice.

U součástí s vnitřními geometrickými defekty nukleace rovněž nemusí být záležitostí povrchové vrstvy. Pokud jde o vnitřní defekty typu trhlin, je zřejmé, že stadium nukleace zcela chybí.

Bylo zjištěno, že hustota PSP (ve smyslu zón se specifickou dislokační strukturou) klesá s klesající amplitudou deformace v oblasti vysokocyklové únavy. Extrapolací do oblasti gigacyklové únavy (UHCF) v souladu s předchozím tvrzením předpokládáme, že v této oblasti nejsou PSP obr. 4. Nicméně konečný důkaz o neexistenci PSP v této oblasti neexistuje, protože takovýto důkaz by vyžadoval pozorování dislokační struktury v celém cyklicky zatíženém objemu.

Dislokační struktura ve šrafované oblasti na obr. 4 je složena ze dvou typů (žebříkovité, nebo buňkové PSP vestavěné v žilové dislokační struktuře), struktura mimo šrafovanou oblast je jednoho typu a to dislokační strukturou žilovou pod šrafovanou oblastí, a všude jinde strukturou buňkovou. Ve šrafované oblasti jsou povrchové skluzové pásy jasně vztaženy k PSP. Mimo šrafovanou oblast vznikají povrchové skluzové pásy vzájemným skluzem vrstev buněk pro amplitudy napětí a/nebo amplitudy deformace nad konvenční mezí únavy. V oblasti UHCF (pod konvenční mezí únavy), se PSP nevytváří a mechanismus porušení je vztažen k ireverzibilitě cyklického skluzu. Tato malá ireverzibilita opakovaná 108 až 1010 krát může také vést k formování dostatečně intenzivního povrchu "valley and hill topography" a tedy přípravě podmínek pro iniciaci mikrotrhliny.