Файл: Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие.pdf

Глава II

ВНЕШНИЙ ВИД ИЗЛОМОВ ОТ УСТАЛОСТИ.

ТЕОРИИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

Тщательное изучение внешнего вида усталостных разрушений показывает, что они имеют характерные особенности.

По этим особенностям опытный глаз в ряде случаев

может установить причину аварии, а зная ее, можно избежать той ошибки, которая была допущена при проектировании, изготовлении или эксплуатации дета­ ли и привела к аварии.

§ 6. ОСОБЕННОСТИ И ПРИЧИНА УСТАЛОСТНЫХ РАЗРУШЕНИЙ

Если взять два образца из одной и той же стали и

образец № 1 разрушить при статическом нагружении,

а образец № 2 — при циклическом, то нетрудно заме­ тить следующее. Образец № 1 имеет шейку и большое удлинение, являющиеся признаками пластичного раз­ рушения металла. Образец № 2, наоборот, имеет все признаки хрупкого разрушения: шейки он не имеет, а если сложить его половинки, то начальная форма и дли­ на образца будут полностью восстановлены.

Таким образом, особенностью усталостного разруше­

ния является его хрупкость. Сказанное справедливо да­ же- в отношении мягкой углеродистой стали. В прошлом, как уже говорилось, это Обстоятельство навело иссле­ дователей на мысль о том, что в процессе циклических нагружений металл «перерождается», «устает», из пла­ стичного делается хрупким.

Второй особенностью усталостного разрушения яв­ ляется наличие на поверхности излома обычно двух зон:

£0

зарождения усталостной трещины; 3) подвержены дей­ ствию окружающей среды, которая может снижать их выносливость.

Кроме того, зерна этих слоев являются внешними, чем облегчается появление в них сдвигов; последние в

нального напряжения, от характера распределения действующих напряжений по сечению и от величины коэффициента концентрации напряжений (§ 10).

На рис. 16, а дана схема возможного вида поверхности уста­ лостного излома при циклическом растяжении-сжатии с высокими

ческого разрушения меньше, а линия фронта становится более по­

логой (см. рис. 16,6).

На рис. 17 дана схема усталостного излома при двустороннем изгибе: на рис. 17, а — при высоких номинальных напряжениях, когда усталостная трещина образуется с двух сторон и глубина ее проникновения с обеих сторон примерно одинакова; на рис. 17, б — при умеренных номинальных напряжениях, когда один очаг обра­ зуется раньше другого, а поэтому глубина проникновения трещины

различна.

На рис. 18 приведена схема усталостного излома вала с круго­

вой выточкой (концентратором напряжений) при симметричном из­ гибе. Здесь характерной особенностью линии фронта является боль­ шая скорость передвижения усталостной трещины на флангах. По-

34

этому уже при небольшой глубине проникновения линия фронта становится выпуклой по отношению к очагу А.

Следы линии фронта на усталостном изломе появляются вслед­ ствие остановки распространения усталостной трещины. Чаще всего такие остановки возможны при умеренных номинальных напряже­

Д

ниях, когда трещина встречает на своем пути более прочные объёмы металла и распространение ее прекращается.

Если напряжение в детали было значительно больше предела вы­ носливости, то таких остановок почти не наблюдается. Они могут появиться только вследствие прекращения работы машины или из­ менения напряжения, испытываемого деталью. И если последнее окажется в 2—2,5 раза меньше, чем напряжения, которые вызвали образование трещины и ее первоначальное развитие, то рост тре­ щины вообще прекращается [5].

Естественно, что характерные зоны на поверхности усталостного излома и следы линии фронта усталостной трещины на этом изломе можно наблюдать только вско­ ре после разрушения. С течением времени поверхность излома окисляется, чем исключается возможность тако­

го наблюдения. Более того, окисление зоны усталостно:

го разрушения возможно уже в процессе работы де­ тали, до разрушения.

§ 8. ТЕОРИИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

Объяснением особенностей усталостного разрушения (§ 6) еще не решается вопрос об истинной природе тех

физических изменений, которые происходят внутри ме­ талла при его циклическом нагружении и вызывают усталостное разрушение.

Для решения этого вопроса надо проникнуть в глубь металла, изучить внутренний механизм явления уста­ лости, который еще недостаточно изучен.

Отсутствие правильного понимания процесса «уста­ вания» металла является главной причиной, затрудняю­ щей решение вопросов усталостной прочности и приво­ дящей к различному истолкованию этого процесса.

Из значительного количества теорий усталостного разрушения, предложенных до настоящего времени,

наиболее полно освещает поведение материала при пе­

ременных нагружениях теория Н. Н. Афанасьева [6]. Научное и широко доступное истолкование этой тео­

рии дается в работе [7] и кратко излагается ниже.

Для наблюдения за процессом усталостного разру­ шения Н. Н. Афанасьев сконструировал небольшую

усталостную машину, которая устанавливалась на сто­ лике металломикроскопа.

Поверхность испытуемого образца предварительно полировалась и протравливалась (как шлиф для микро­ скопического исследования). Затем образец устанавли­ вался на машину и подвергался переменному изгибу в одной плоскости.

В процессе нагружения образца велись наблюдения за его поверхностью с помощью микроскопа.

Эти наблюдения показали следующее.

После первых нескольких тысяч циклов в отдель­ ных зернах появляются такие же линии сдвигов (усту­ пы), как и при однократном пластическом растяжении. Постепенно число этих линий увеличивается, а ширина их растет, пока в некоторый момент одна из них (иду­ щая обычно от поверхности) или несколько не обратят­ ся в микротрещину Т (рис. 19).

Первым признаком превращения линии сдвигов в трещину служит образование у конца ее густой системы линий сдвигов, напоминающих по форме корневище (см. рис. 19). Образование корневища закономерно, так как в конце образовавшейся трещины имеет место кон­ центрация напряжений, которая и обусловливает интен­ сивное сдвигообразование и дальнейший рост трещины.

Впроцессе этого роста, продолжающегося длитель­ ное время, микротрещина превращается в макротрещи­ ну, приводящую к усталостному разрушению.

Визложенном остается неясной следующая подробность. Обыч­

но под статическим пределом упругости мы понимаем такое наи­ большее напряжение, при котором материал еще испытывает лишь обратимые деформации. Поэтому естественно было бы ожидать, что

36