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

найти обобщенное приведенное напряжение по общеизвестной из тео­ рий пластичности формуле

(III, IV) - Г * ■>к. п (III, IV). (83)

Для проверки справедливости изложенных соображений восполь­ зуемся экспериментальными данными Ю. А. Шаманина [70] о пре­ делах длительной выносливости, установленных на круглых гладких образцах диаметром 12 мм. Образцы испытывали напряжения изгиба, изменяющегося по симметричному циклу (Rn = —1) при одновре­ менном действии постоянного крутящего момента (RK = +1). Ис­

107 циклов, а также результаты их аналитической обработки сведены в табл. 9. Пределы выносливости в приведенных напряжениях по третьей и четвертой теориям даны в абсолютных значениях и в про­ центах от предела выносливости при чистом изгибе, при котором воз­ буждалось линейное напряженное состояние. Как показала обра­ ботка рассмотренных экспериментальных данных, с переходом к сложному напряженному состоянию (переменный изгиб и постоян­ ное кручение) пределы выносливости составили от 86 до 97% от предела выносливости при чистом изгибе. Меньшие отклонения по­ лучились у пределов выносливости, полученных по третьей теории. Пз этого можно заключить, что обобщение предела выносливости при сложном напряженном состоянии и при различных коэффициентах асимметрии составляющих напряжений приемлемо для практических решений.

Таблица 9

Предельные напряжения (пределы выносливости) циклического изгиба и постоянного кручения

156

В случае несимметричных циклов сходимость пределов выносли­ вости металлических материалов осложняется циклической неравнопрочностью при растяжении и сжатии. Об этом свидетельствует значительная разница в пределах выносливости образцов с одинако­ выми соотношениями главных напряжений в области концентратора, когда вблизи концентратора в одном случае происходило знако­ постоянное растяжение, а в другом — знакопостоянное сжатие.

§ 38

Образование и распространение трещин усталости

Для усталости, как для необратимого процесса, характерны изменения микроструктуры материала. Под действием переменного напряжения зерна материала испытывают многократное внутрикристаллическое скольжение и в этих зернах возникают сдвиги, обнаруживаемые оптическим микроскопом в виде линий. Используя электронный микроскоп, обладающий еще большей раз­ решающей способностью, исследователи установили, что линии сдвига представляют собой скопления образовавшихся трубчатых дырок диаметром менее 1 мкм. При дальнейшем возрастании числа циклов линии сдвига расширяются в полосы, а при достаточно вы­ соком напряжении на месте полос возникают микротрещины, которые проходят преимущественно по телу зерна. Возникновению микро­ трещин способствуют стыки двойников, а также границы фрагмен­ тов, на которые делятся кристаллические зерна под действием пере­ менных напряжений. В случаях ослабления междузеренных связей металлов трещины усталости развиваются по границам зерен, на­ пример в перегретом при термообработке металле, при повышенных температурах, а для легкоплавких металлов и при комнатной тем­ пературе [55]. Если напряжения ограниченны и не достигают пре­ дельного значения, то изменения, происходящие в материале, могут затухать, т. е. образование микротрещин достигает насыщения. Но в случае циклического перенапряжения развитие микротрещин не останавливается, они срастаются, образуя усталостные макротре­ щины. Последние углубляются, ослабляя изделие или образец и предопределяя излом от усталости.

Поскольку самые благоприятные условия для пластического де­ формирования материала складываются на поверхности деталей или образцов, то поверхность оказывается более уязвимым местом для возникновения трещин усталости, чем внутренние области. С по­ нижением температуры для большинства металлических материалов возникновение трещин усталости сдерживается, а их распростране­ ние происходит медленнее, чем при обычных температурах. Однако на хладноломком металле даже неглубокая трещина может оказаться причиной хрупкого разрушения. По наблюдениям некоторых иссле­ дователей, на гладких образцах в условиях глубокого холода тре­ щины усталости иногда вообще не образуются, а материал либо выдерживает любое число циклов, либо сразу же разрушается. Это

157

объясняется затормаживанием пластической деформации из-за хо­ лода, вследствие чего накопление повреждения не происходит и раз­ рушение утрачивает усталостный характер.

Наибольшее сопротивление разрушению от усталости оказывают гладкие образцы небольших размеров, излом которых наступает лишь при сравнительно высоких напряжениях. Зарождение первич­ ной трещины усталости, вызывающей местные напряжения, ускоряет процесс усталости. Появление трещины усталости можно обнаружить лишь при тщательном наблюдении за поверхностью исследуемого образца или детали. Отчетливо трещина видна на гладком шлифо­ ванном образце; в области надреза трещину заметить труднее; Однако на небольших гладких образцах, испытываемых на быстроходных машинах, от возникновения видимой трещины до излома проходит лишь несколько секунд или минут, что требует особой внимательности наблюдателя. С возрастанием размеров поперечного сечения гладких образцов распространение трещин усталости становится продолжи­ тельнее. Однако скорость распространения трещин при больших размерах образца может оказаться несколько выше, чем при малых. Можно считать, что при испытаниях на усталость гладкие образцы до возникновения трещины выдерживают не менее 90% общего числа циклов, а на распространение трещины с последующим изломом требуется не более 10% циклов. Практически при испытаниях глад­ ких образцов незначительный промежуток времени от появления трещины до излома образца не принимается во внимание, и при рас­ четах число циклов до появления трещины считается равным числу циклов от начала испытания образца до его излома от усталости.

Надрезанные образцы и детали с неизбежной концентрацией на­ пряжений разрушаются от усталости при значительно меньших номинальных напряжениях, чем небольшие гладкие образцы. Как уже отмечалось, первичные трещины усталости в надрезах видны не вполне отчетливо, и для их своевременного обнаружения жела­ тельно пользоваться лупой. Можно поверхность в зоне будущей усталостной трещины покрыть маслом или установить там тензометр. Появление пузырьков на масле и увеличение показаний тензометра будут свидетельствовать о скором появлении видимой трещины [49]. Вследствие сравнительно низкого напряжения, первичная трещина усталости не изменяет очень контрастно условий работы мате­ риала надрезанного образца или детали по сравнению с гладким образцом. Поэтому в низконапряженных надрезанных образцах или деталях, особенно при предельных заострениях надрезов, трещины усталости развиваются медленными темпами и распространение их может затягиваться. Так, например, при изгибе по симметричному циклу пластин из судокорпусной стали со сварными необработан­ ными швами распространение трещин усталости на 3/4 ширины

158

объясняется затормаживанием пластической деформации из-за хо­ лода, вследствие чего накопление повреждения не происходит и раз­ рушение утрачивает усталостный характер.

Наибольшее сопротивление разрушению от усталости оказывают гладкие образцы небольших размеров, излом которых наступает лишь при сравнительно высоких напряжениях. Зарождение первич­ ной трещины усталости, вызывающей местные напряжения, ускоряет процесс усталости. Появление трещины усталости можно обнаружить лишь при тщательном наблюдении за поверхностью исследуемого образца или детали. Отчетливо трещина видна на гладком шлифо­ ванном образце; в области надреза трещину заметить труднее: Однако на небольших гладких образцах, испытываемых на быстроходных машинах, от возникновения видимой трещины до излома проходит лишь несколько секунд или минут, что требует особой внимательности наблюдателя. С возрастанием размеров поперечного сечения гладких образцов распространение трещин усталости становится продолжи­ тельнее. Однако скорость распространения трещин при больших размерах образца может оказаться несколько выше, чем при малых. Можно считать, что при испытаниях на усталость гладкие образцы до возникновения трещины выдерживают не менее 90% общего числа циклов, а на распространение трещины с последующим изломом требуется не более 10% циклов. Практически при испытаниях глад­ ких образцов незначительный промежуток времени от появления трещины до излома образца не принимается во внимание, и при рас­ четах число циклов до появления трещины считается равным числу циклов от начала испытания образца до его излома от усталости.

Надрезанные образцы и детали с неизбежной концентрацией на­ пряжений разрушаются от усталости при значительно меньших номинальных напряжениях, чем небольшие гладкие образцы. Как уже отмечалось, первичные трещины усталости в надрезах видны не вполне отчетливо, и для их своевременного обнаружения жела­ тельно пользоваться лупой. Можно поверхность в зоне будущей усталостной трещины покрыть маслом или установить там тензометр. Появление пузырьков на масле и увеличение показаний тензометра будут свидетельствовать о скором появлении видимой трещины [49]. Вследствие сравнительно низкого напряжения, первичная трещина усталости не изменяет очень контрастно условий работы мате­ риала надрезанного образца или детали по сравнению с гладким образцом. Поэтому в низконапряженных надрезанных образцах или деталях, особенно при предельных заострениях надрезов, трещины усталости развиваются медленными темпами и распространение их может затягиваться. Так, например, при изгибе по симметричному циклу пластин из судокорпусной стали со сварными необработан­ ными швами распространение трещин усталости на 3/4 ширины

158