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

зывает особое воздействие на масштабный эффект. В коррозионной среде, в отличие от воздушной среды, масштабный эффект прояв­ ляется двояко и его влияние может быть не только отрицательным, но и положительным. В частности, для конструкционных сталей при сравнительно больших напряжениях и небольших числах цик­ лов масштабный эффект сказывается отрицательно, т. е. при увели­ чении размеров поперечного сечения образца предел выносливости в коррозионной среде снижается. При меньших напряжениях и боль­

Существует несколько объяснений снижения циклической проч­ ности под влиянием коррозии. Сторонники более ранней химической теории основной причиной считали образование окислов на поверх­ ности металла, соприкасающегося с коррозионной средой. Но, с дру­ гой стороны, под влиянием переменного напряжения окислы разру­ шаются и поэтому слабее защищают металл от дальнейшей коррозии, чем при постоянном напряжении. Другое, более современное объ­ яснение вытекает из теории электрохимической коррозии. Согласно этой теории поверхность металла, соприкасающегося с раствором электролита, например с водным раствором солей, служит короткозамкнутым многозлектродным гальваническим элементом. Микро­ элементы образуются из неоднородных участков структурных состав­ ляющих материала, обладающих разными электропотенциалами. В напряженном металле при наличии некоторой поверхностной не­ ровности с сопутствующей микроконцентрацией напряжений разность потенциалов увеличивается. При этом ионы металла с анодных участ­ ков переходят в раствор электролита, и эти участки разрушаются. При переменной напряженности и при образовании трещин рас­ смотренный процесс становится интенсивнее, чем при постоянной напряженности.

150

Усиление усталостного процесса при соприкосновении с корро­ зионной средой может объясняться адсорбционной теорией. Согласно этой теории адсорбция поверхностно-активных элементов в местах начальных трещиноподобных дефектов вызывает расклинивание де­ фектов, образование и углубление трещин, в связи с чем понижается сопротивление усталостному разрушению.

Обстоятельное и подробное рассмотрение природы коррозионной усталости металлов дано в работе В. В. Романова [60].

Частота циклов. Зависимость циклической прочности от частоты циклов напряжения оказывается сложной. В разных условиях экс­ перимента влияние частоты может быть противоположным.

Повышение частоты циклов увеличивает скорость деформирова­ ния, что, в свою очередь, вызывает увеличение сопротивления пла­ стической деформации и, следовательно, сдерживает развитие реоло­ гического процесса. Соответственно задерживается накопление по­ вреждений, предшествующее излому от усталости. Поэтому при высокочастотных испытаниях циклическая прочность может ока­ заться больше, чем при низкочастотных.

С возрастанием частоты циклов усиливается выделение тепла, эквивалентное работе внутренних сил, в связи с упругими несовер­ шенствами материала образца и петлей гистерезиса каждого цикла. При неудовлетворительном отводе тепла температура образца может существенно повыситься, что усилит фазовые превращения в мате­ риале, способствующие дисперсионному упрочнению; в случае силь­ ного повышения температуры происходит восстановление свойств (отдых) материала. Преобладание либо фазового превращения, либо отдыха материала в зависимости от температуры нагрева и продол­ жительности испытания может изменять свойства материала в про­

тивоположных направлениях.

В условиях коррозионной среды частота циклов может влиять на усталостную прочность только в одном направлении. При низкоча­ стотных испытаниях пределы выносливости и усталостная долго­ вечность судокорпусных сталей в коррозионной среде, как правило, оказываются меньшими, чем при высокочастотных испытаниях.

По экспериментальным данным X. А. Кулдма [41], полученным при изгибе с вращением круглых образцов из углеродистой и низко­ легированной сталей в воздушной среде при частоте 340, 640 и 3000 об/мин, пределы выносливости на базе 5 -10е циклов оказались одинаковыми для всех трех частот. Для большинства серий образ­ цов линии усталости при частоте 3000 цикл./мин расположились с меньшим наклоном, чем при частоте 340 цикл./мин. С возрастанием перенапряжения линии пересекаются. Пересечение линий усталости обусловлено влиянием на свойства стали нагрева, который оказы­ вается значительным при больших перенапряжениях.

С целью изучения влияния частоты циклов на предел выносливости испытывались на усталость плоские образцы из судокорпусных угле­ родистых и низколегированных сталей при напряжениях изгиба, изменявшихся по симметричному циклу с частотой 16 и 500 цикл./мин [9]. Линии усталости при большей частоте расположились также

151

с меньшим наклоном, чем при меньшей частоте, и пересекались при напряжении, близком к пределу текучести, т. е. тогда, когда проис­ ходит заметный нагрев испытываемых образцов. Из-за длительности низкочастотных испытаний пробег ограничивался 4-105 циклами, и предел длительной низкочастотной выносливости не определялся. При равных циклических долговечностях разница между предель­

ниченной выносливости, при­ мерно равному пределу текучести. Пределы длительной низкочастот­ ной и высокочастотной усталости можно считать одинаковыми.

Коэффициент асимметрии цикла. Пределы выносливости, выра­ женные через наибольшие крайние напряжения цикла, существенно

зависят от коэффициента асимметрии R = °?-|п ■. Представим из-

Чгаах

менение во времени напряжений при некоторых знакопеременных и знакопостоянных циклах и рассмотрим в качестве наиболее кон­ трастных напряжения симметричного цикла (R — — 1) и постоян­ ное напряжение (R = +1) (рис. 105). В указанных случаях предель­ ные напряжения составляют неравенство 0(^=_i) </O(r=0) <

< ог(0<«<1) < °(.R=+1) •

Общеизвестно, что пределы выносливости стали при отнулевом и симметричном циклах связаны зависимостью

Эта зависимос1ь проверена экспериментально [8J при изгибе образ­ цов из судокорпусной стали со сварными соединениями.

На основании инженерной практики и экспериментальных дан­ ных исследователи разрабатывали аналитические зависимости пре­ дела выносливости от характеристик цикла. Еще в 1909 г., используя

152

fe качестве экспериментальной характеристики прочности предел текучести при осевом растяжении, И. Г. Бубнов [6], по практическим соображениям, предложил брать предельное наибольшее напряжение цикла по формуле

Этой формулой до недавнего времени руководствовались корабле­ строители для приближенной оценки прочности корабля с учетом переменности эксплуатационной нагрузки.

По линейному графику, построенному согласно формуле (81) (рис. 106, а), предельные напряжения при разных коэффициентах

153

асимметрии цикла R составляют отношение: ог_х : сг0 : ст+1 -= = 1: 1,5:2. Это отношение характеризует возрастание предельного на­ пряжения с переходом от напряжения симметричного цикла к по­ стоянно действующему напряжению. Изменение предельных напря­ жений представляется также графически зависимостью крайних на­ пряжений цикла от среднециклового напряжения (рис. 106, б) или зависимостью амплитуды напряжения от этого же напряжения (рис. 106, в). По рис. 106, в предельные напряжения несколько умень­ шаются с возрастанием среднециклового напряжения. Согласно за­

Предел выносливости можно представить также в виде зависимости от среднециклового напряжения:

где ф 0,4 — коэффициент влияния среднециклового напряженияЭта формула рекомендована семинаром по усталости, проведенным НТО Судпрома в 1972 г.

Обобщение пределов выносливости. При разных напряженных состояниях пределы выносливости теоретически обобщаются в за­ висимости от главных напряжений. Так, для материалов, обладаю­ щих пластичностью, накопление повреждений, предшествующих раз­ рушению от усталости, можно рассматривать как следствие повторно­ переменной микропластической деформации. Следовательно, для этих материалов есть основание обобщать предел выносливости при разных напряженных состояниях по теориям пластичности. Справед­ ливость такого решения можно проверить, если сравнивать пределы выносливости, например, при линейном и плоском напряженных состояниях, соблюдая равные условия градиента напряжений и мас­ штаба. Как известно, линейное напряженное состояние возбуждается при изгибе узких образцов, в случае которого для растянутого во­

изгибе широких полос, в условиях которого для растянутого во­ локна Yj может достигать значения 1,13. Градиенты напряжений

7

изгиба и кручения могут считаться одинаковыми.

Пределы выносливости исследовались при изгибе и при кручении круглых гладких образцов из машиноподелочных сталей, углероди­ стой и легированной, а также при изгибе узких и широких полос из судокорпусной низколегированной стали [12]. В результате испы­ таний нескольких серий образцов установлена удовлетворительная сходимость пределов выносливости при симметричном цикле в обоб­ щенных напряжениях по теориям пластичности. Об этом свидетель­ ствуют отношения предела выносливости при плоском напряженном

154

состоянии по третьей теории ст_i (III) и по четвертой теории a_i (iv> к пределу выносливости при линейном напряженном состоянии в за­

для образцов в виде широких полос. Сходимость пределов выносли­ вости при плоском и линейном напряженных состояниях оказалась лучшей при использовании на­

сравнимого с пределом выносли­ вости гладкого образца. При этом в качестве экспериментальных

где Kz = KjKMK„ характеризует действие факторов, отрицательно влияющих на амплитудную часть напряжения в связи с концентра­ цией напряжений, масштабным эффектом, состоянием поверхности. Здесь значения Ка, Кы и Кп устанавливаются экспериментально при изменении напряжений по симметричному циклу. В частности, при изгибе, возбуждающем напряжения симметричного цикла (Rи — — 1),

155