Файл: Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов.pdf

Прочности обобщенное напряжение сгш = аг — аг = сгь а условие пластичности удовлетворяется при at = стт. С продолжением растя­ жения пластическая область распространяется от поверхности к оси образца. В центральной области, вследствие объемного напряжен­ ного состояния и повышенного значения Yi , напряжения могут

Т

оказаться выше, чем у поверхности надреза. На рис. 67, в представ­ лено перераспределение продольного напря­ жения 0 [ с переходом от упругого растяже­ ния (кривая 1) к пяти пластическим ста­ диям (кривые 2—6), предшествующим раз­ рыву. Из-за объемного растяжения пласти­ ческая деформация в зоне надреза разви­ вается при значительно больших напряже­ ниях, чем при растяжении гладких образ­ цов. Поэтому сопротивление разрыву над­ резанных образцов оказывается выше, чем гладких. Об этом убедительно свидетель-

вой проточкой.

ствуют экспериментальные данные, установленные П. Людвиком на образцах из мягкой стали (рис. 68). С переходом от гладкого образца 1 к образцам 2, 3, 4 и 5 с усиливающейся концентрацией напряжений ординаты кривых растяжения возрастают, вследствие увеличения сопротивления пластической деформации, а абсциссы уменьшаются (рис. 69, а) в связи со сдерживающим влиянием над­ реза на остаточное удлинение. Согласно результатам испытаний образцов (табл. 5), временное сопротивление растяжению надрезан­ ных образцов сгв н выше, чем гладких ав г, но истинное напряжение при разрыве почти постоянно, о чем свидетельствуют кривые истин­ ных напряжений (рис. 69, б).

90

Для обеспечения равных условий испытания нескольких одина­ ковых надрезанных образцов на растяжение важное значение имеет центровка. Однако практически имеет место меньшее или большее

<5)

S,kzc/ mm1

Рис. 69. Кривые условных (а) и истинных (б) напряжений растяжения образцов, показанных на рис. 68.

смещение линии действия растягивающей силы от геометрической оси, вследствие чего растяжение оказывается внецентренным. С раз­ витием пластической деформации образец самоцентрируется, и пер­ воначальное влияние эксцентриситета постепенно утрачивается. Однако для материалов, склонных к хрупкости, под влиянием над-

91

реза колебания эксцентриситета приводят к рассеянию эксперимен­ тальных данных о предельной пластичности и о сопротивлении раз­ рыву. Можно задать эксцентриситет и заведомо испытывать надре­ занный образец на внецентренное растяжение. Таким образом сни­ мается предпосылка к рассеянию экспериментальных данных. В частности, внецентренное растяжение надрезанных образцов про­ исходит благодаря применению неплоской шайбы, подкладываемой под головку образца вблизи надреза с возбуждением продольной

PD

силы Р и изгибающего момента М = — (рис. 70, а).

Рис. 70. Сопротивление внецентренному растяжению круглых образ­ цов с кольцевым надрезом.

При рассмотренном испытании круглого образца с одним кольце­ вым надрезом в некоторой степени воспроизводится работа материала болтов с резьбой, для которых не исключена возможность внецентренного растяжения. Экспериментально установлено, что внецентрен­ ное растяжение надрезанных образцов с усилением перекоса (с уве­ личением угла а шайбы) оказывается более жестким испытанием, чем осевое растяжение этих же образцов. Выяснилось, что для некоторых сталей временное сопротивление надрезанных образцов по сравнению с временным сопротивлением гладких образцов увеличивается лишь при осевом растяжении и уменьшается при внецентренном растяже­ нии (рис. 70, б). В последнем случае снижение временного сопротив­ ления образцов из-за перекоса свидетельствует о повышенной чув­ ствительности сталей к надрезу и об их пониженной способности де­ формироваться пластически. Указанное испытание использовалось С. Е. Беляевым [2 ] с целью получения данных для оценки качества сталей при изготовлении высокопрочных болтов. Внецентренное растяжение обеспечивалось применением косых шайб с углами скоса а = 4 и 8°. Испытывались образцы из легированной стали после закалки (890° С) и отпуска при 200 и 600° С. С отпуском при 200° временное сопротивление гладких образцов 0Вг (см. рис. 70, б) оказалось выше, чем с отпуском при 600° (рис. 70, в). Однако на

92

надрезанных образцах низкоотпущенная сталь обнаружила чув­ ствительность к перекосу, уступив в этом высокоотпущенной стали.

Как уже упоминалось, при внецентренном растяжении временное сопротивление надрезанного образца ав н из низкоотпущенной стали

Временное сопротивление высокоотпущенной стали почти не изменяется при изменении угла скоса шайбы, и оно всегда выше, чем у гладкого образца: ав н ^ const > сгв г (см. рис. 70, в).

Таким образом, высокоотпущенная сталь, обладая меньшим вре­ менным сопротивлением (ав г = 112 кгс/мм2), оказалась предпочти­ тельнее по пластичности в жестких условиях, чем низкоотпущенная сталь с большим временным сопротивлением (сгв. г = 195 кгс/мм2). В эксплуатационных условиях высокоотпущенные болты работают надежнее низкоотпущенных.

Согласно схеме внецентренного растяжения (см. рис. 70, а), в на­ чале испытания происходит изгиб стержня образца из-за поворачи­ вания его головки до соприкосновения с косой-шайбой. Вследствие изгиба материал левой стороны надреза сжимается, а правой сто­ роны — растягивается. После полного соприкосновения головки с шайбой материал левой стороны начнет растягиваться, испытывая один цикл знакопеременного напряжения. Таким образом, рассмот­ ренный эксперимент приближается к испытанию на малоцикловую усталость с минимальным числом циклов.

На основании изложенного можно заключить, что испытание над­ резанных образцов на растяжение с перекосом служит эффективным средством проверки высокопрочных сталей на способность их дефор­ мироваться пластически.

§ 28

Изгиб надрезанных образцов

Для таких испытаний характерны простота выполнения и отчетливость результатов, свидетельствующих о спо­ собности металлических материалов деформироваться пластически в неблагоприятных условиях. Поскольку испытания надрезанных образцов предназначаются для исследования перехода материалов от пластичного состояния к хрупкому, то оказывается важным исклю­ чить факторы рассеяния из результатов эксперимента. При испытании на растяжение таким фактором служит случайный эксцентриситет нагрузки. Однако при изгибе некоторая неточность приложения усилия относительно надреза не оказывает влияния на эксперимен­ тальные данные даже при хрупком изломе. По этим соображениям испытание надрезанных образцов на изгиб оказывается предпочти­ тельнее, чем на растяжение, поэтому оно нашло наибольшее приме­ нение в случае оценки качества конструкционных сталей как мате­ риалов с двойственной природой прочности, требующих жесткого контроля пластичности, поскольку при гладких образцах не обеспе­

93

чивается такого контроля. Вследствие влияния на склонность метал­ лических материалов к переходу в хрупкое состояние формы концен­ тратора, абсолютных размеров, скорости деформирования и темпе­ ратуры, надрезанные образцы изготовляются и испытываются по государственным стандартам: ГОСТ 9454—60 и ГОСТ 9455—60. Фор­

Рис. 71. Надрезанные образцы для испытания на изгиб до излома: а — скругленный надрез; б — заостренный надрез; в — объемное растяжение в области местных напряжений.

стороне. В этом случае, при достаточно большом эксцентриситете, решающее значение имеет опять-таки деформация изгиба. Для не стальных металлических материалов испытания надрезанных образ­ цов не представляются столь важными, как для сталей.

Возбуждаемые в области надреза объемные местные напряжения

чительно больше единицы. В зависимости от способности стали при данных условиях деформироваться пластически, кривые сопротивле­ ния надрезанных образцов изгибу или внецентренному растяжению представляются тремя видами (рис. 72). Они соответствуют трем реологическим состояниям стали, характерные признаки которых указаны в табл. 6.

Кроме рассмотренных характерных видов кривых возможны промежуточные виды и соответственно промежуточные состояния стали. На рис. 73 представлена кривая изгиба, свойственная переходу от состояния высокой пластичности к состоянию ограниченной пла­ стичности. Первичный надрыв образуется при Ртах. Срывам нагрузки на нисходящей части кривой соответствуют мгновенные частичные распространения излома с кристаллической поверхностью блестя­

94

щего вида, а наклонным участкам — постепенное распространение излома с волокнистой поверхностью.

Согласно формулам (16) и (18) условия, не благоприятные для развития пластической деформации, складываются при повышении

параметра у х и при снижении реологической характеристики уотр.

т

К сближению значений ух и уотр прибегают с целью ужесточения

Т

испытаний образцов, чтобы проверить способность сталей деформи­ роваться пластически.

95