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

Для трещин многоцикловой усталости характерно их распростра­ нение по главным площадкам. Например, при повторно-переменном изгибе излом стальных осей от усталости распространяется по по­ перечному сечению (рис. 109, а). На участке вала, испытывающего повторно-переменное кручение, излом от усталости распространяется по косому сечению — тоже по главной площадке, которая составляет угол 45° с образующей (рис. 109, б). Распространение трещин уста­ лости по главным площадкам свидетельствует о том, что, несмотря на пластическую природу накопления повреждения, образование трещины происходит, видимо, в результате отрыва.

Рис. 109. Расположение трещин усталости на круглых деталях.

Разработка строгой аналитической''зависимости, характеризую­ щей скорость распространения трещин усталости, желательна для оценки ресурса эксплуатационной долговечности переменно-напря­ женных деталей. Однако эта разработка встречает трудности из-за влияния на скорость распространения трещин одновременно несколь­ ких факторов. К ним относятся: значение напряжения, вид напря­ женного состояния, способ нагружения (заданная сила или заданная деформация), температура, внешняя среда, свойства материала. В зависимости от этих факторов, при одних условиях трещина рас­ пространяется на большую глубину, а при других, менее благо­ приятных условиях лишь небольшая трещина предшествует остаточ­ ному излому. Иногда трещина распространяется неравномерно, с ускорениями и остановками. По многим наблюдениям, первичная трещина усталости сначала распространяется сравнительно быстро, затем движение ее замедляется и может оказаться равномерным с нарастанием числа циклов. С приближением к излому скорость развития трещины снова возрастает. Поэтому практически иногда принимаются в расчет средние скорости распространения трещин усталости.

Приведем данные экспериментального исследования распростра­ нения трещин усталости на образцах толщиной 2,6 мм, шириной 305 мм из листов алюминиевого авиационного сплава [44]. Посере­

160

дине ширины образцов находилось отверстие с боковыми надре­ зами, вызывающими местное напряжение при теоретическом коэф­ фициенте концентрации аа — 7,4. Образцы испытывались при ком­ натной температуре осевой силой. Напряжения изменялись по сим­ метричному циклу. На рис. ПО, а представлено увеличение длины трещин усталости /тр с возрастанием циклического пробега. Из ри-

Рис. ПО. Появление и скорость распространения трещин устало­ сти в зависимости от числа циклов и напряжения.

с/нка видно также, что с переходом к более высоким напряжениям развитие трещин от длины 5,1 мм до размера, вызывающего разру­ шение, происходит при меньшем числе циклов.. Характерным яв- л ется и неравномерное распространение трещин, которое ускоряется с приближением к излому от усталости. Распространение трещин усталости исследовалось также И. А. Разовым и Л. Ф. Художниковой [12] на плоских образцах с центральным отверстием, имеющим боковые надрезы, изготовленных из судокорпусных сталей марок 15ХСНД (СХЛ-1) и 10ХСНД (СХЛ-4), подвергавшихся осевому на­ гружению при напряжениях симметричного цикла (рис. 110, б). Представленные данные свидетельствуют о более высокой скорости распространения трещин в начальной и конечной стадиях их раз­ вития. Такие же выводы относительно развития трещин усталости получили С. Л. Маневич и М. Я. Шашин [46] в случае изгиба по

симметричному циклу плоских образцов с центральным отверстием из стали 10ХСНД.

Интересные данные о скорости распространения трещин уста­ лости в зависимости от номинального напряжения получены Г. Н. Всеволодовым на плоских образцах со скругленным концентра­ тором напряжений [17]. Образцы изготовлялись из свариваемой судокорпусной стали повышенной прочности (ав = 75 кгс/мм2, ф = 62%) и испытывались при напряжениях симметричного цикла

то, что материалы с низкими модулями, при прочих равных условиях, накапливают большую потенциальную энергию дефор­ мации, чем материалы с высокими модулями. Накопление большой потенциальной энергии деформации способствует раскрытию тре­ щин усталости и ускоряет их распространение. Это подтверждается экспериментальными данными Л. Демера, приведенными Р. Форре­ стом [67] для двух легких сплавов: одного■магниевого 1 (Е — = 4000 кгс/мм2), другого алюминиевого 2 (Е = 7000 кгс/мм2) — и для мягкой стали 3 (Е — 20 000 кгс/мм2) (рис. 111). В той же публикации указывается, что доля числа циклов, приходящаяся на распростра­ нение трещин усталости, оказывается больше для высокопластичных материалов, чем для материалов, склонных к хрупкости. Многие исследователи стремились выразить аналитически скорость распро­ странения трещин усталости как приращение длины трещины, от­ несенное к соответствующему приращению числа циклов напряже­ ния. Для материалов с заданными свойствами такая зависимость приближенно связывалась нелинейно с номинальным напряжением и с коэффициентом интенсивности напряжений в зоне трещины уста­ лости. Однако пока не появилось уверенности в справедливости вытекающих решений. ' .

162

В результате анализа и обсуждения многочисленных практи­ ческих и экспериментальных данных о неразрушающих и разрушаю­ щих повреждениях, у специалистов сложилось представление о су­ ществовании двух независимых стадий трещинообразования. Пер­ вая стадия представляет собой зарождение трещины, вторая стадия — распространение трещины, приводящее к излому, поэтому рас­ сматриваются раздельно сопротивления материала зарождению тре­ щины и ее распространению,

Предполагается, что, в случае усталости, с заострением надрезов и усилением концентрации напряжений сопротивление зарождению

имели надрезы разной остроты, вследствие которых теоретический коэффициент концентрации напря­

жений аа мог повышаться до 15. По ординатам, в зависимости от аа, отложены напряжения (пределы выносливости), соответ­ ствующие полному разрушению образцов от усталости (кривые 1), а также напряжения, при которых у дна надреза зарождались нераспространяющиеся трещины усталости (кривая 2). Кроме того, нанесена нисходящая кривая 3 расчетного напряжения, полученного путем деления предела выносливости гладких образцов <т_1гл на теоретический коэффициент концентрации напряжений аа, кото­ рое должно было бы вызывать усталостное повреждение после достижения величины аа значения, превышающего a ffKp. В действи­ тельности же этого не получилось (отсутствие горизонтального уча­ стка). При значениях a a > «акр заострение концентратора напря­ жений не влияет на предел выносливости (см. кривую /, горизон­ тальный участок). Но заострение надреза служит причиной образо­ вания нераспространяющихся трещин усталости, которые, однако, не снижают разрушающего напряжения. Таким образом,' при a<j>a<jKp сопротивление зарождению трещины меньше сопротивле­ ния распространению трещины.

§ 39

Влияние остаточных напряжений на предел выносливости

Остаточные напряжения, возникающие после пластического изгиба (см. § 19), например при выпрямлении сталь­ ного проката, обычно не превышают половины предела текучести и не имеют объемного характера. Эти напряжения изменяют крайние напряжения цикла и не влияют на значение и амплитуду сга. По экспериментальным данным, указанные остаточные напряжения не

Значительные остаточные напряжения возникают вследствие осе­ вой пластической деформации в области концентраторов. Например, после первоначального пластического сжатия надрезанного образца (см. рис. 67) вблизи надреза возникают остаточные растягивающие напряжения (рис. 114, а, области между кривыми 1 и 2). В случае повторно-переменного отнулевого сжатия напряжение у дна надреза оказывается знакопеременным (рис. 114, б, кривая 3) и обусловливает образование трещин усталости. В центре образца напряжение знако­ постоянное (кривая 4). Гладкие образцы, даже при больших напря­ жениях, превышающих предел текучести, не разрушаются от уста­ лости при отнулевом сжатии.

Остаточные же напряжения сжатия возбуждаются в результате поверхностной пластической деформации после обкатки деталей ро­ ликом или шариком, а также после дробеструйной обработки. Эти остаточные напряжения действуют в тонком поверхностном слое наклепанного металла. Они положительно влияют на циклическую прочность деталей, препятствуя образованию и раскрытию трещин

164

усталости. В судостроительной промышленности поверхностному упрочнению путем обкатки подвергаются гребные валы, гребные винты и другие детали, что обеспечивает значительное повышение их циклической прочности и долговечности.

Рис. 114. Отнулевое пластическое сжатие круглого образца с надрезом: а — рас­ пределение напряжений по сечению образца; б — изменение напряжений при цик­ лическом сжатии.

1 — напряжение при сжатии; 2 — напряжения, снимаемые при разгрузке; 3 — изменение напряжений на поверхности надреза; 4 — изменение напряжений в центре образца,

§ 40

Циклическая прочность при нестационарных параметрах цикла

Представленные ранее кривой вероятностного распределения по частотам (см. рис. 91) эксплуатационные напря­ жения конструкций фактически нестационарны во времени. В не­ которых случаях рассеяние эксплуатационных напряжений незна­ чительно. Но многие конструкции при эксплуатации могут иметь недогрузки и испытывать сильные перегрузки, в связи с чем возбу­ ждаемые напряжения колеблются в значительных пределах. За по­ следние годы внешним силам и их вероятностному анализу уделяется большое внимание [5], [28], [37].

В результате научных разработок к настоящему времени сло­ жились методы оценки статистических распределений переменных нагрузок на корпус судна за исключением области их экстремальных значений. На основе существующих представлений о нагрузках становятся возможными решения задач по усталостной долговечности конструкций. Однако создание оборудования для эксперименталь­ ных исследований усталостной прочности отстает от современных требований и далеко не обеспечивает приближения механического режима эксперимента к практическим режимам нагружения кон­

струкций. При таком положении усталостная прочность экспери­ ментально исследуется при произвольном назначении переменного напряжения. На основе сказанного можно заключить, что наиболее распространенные испытания образцов на усталость при постоянном синусоидальном изменении напряжений не обеспечивают механи­ ческого подобия между условиями эксплуатации и эксперимента. В целях приближения к механическому подобию целесообразно про­ водить эксперименты при нестационарной циклической напряжен­ ности образцов, задаваясь чередованием уровней напряжений. В частности, получило некоторое распространение испытание по двухступенчатому режиму напряженности, для которого характерны первоначальная неразрушающая циклическая перегрузка и после­ дующее, завершающее испытание при некотором предельном напря­ жении для выявления признака усталостного повреждения. Таким признаком может служить изменение сопротивления гладких образ­ цов завершающему статическому растяжению с неблагоприятным

ное повреждение оценивают по изменению петли гистерезиса при циклическом нагружении, используя деформационный и энергети­ ческий критерии. Не менее целесообразно проводить экспери­ менты на надрезанных образцах, подвергая их первоначально циклической перегрузке, а после повреждения испытывать на статический или ударный излом с определением разрушающего усилия или энергопоглощения, а также критической темпера­ туры хрупкости, что дает основание оценивать усталостное повреж­ дение по снижению способности материала деформироваться пла­ стически.

В качестве признака усталостного повреждения образцов, пер­ воначально подвергавшихся неразрушающим циклическим пере­ грузкам, можно рассматривать уменьшение предела выносливости материала этих образцов. Соответствующий эксперимент склады­ вается из следующих последовательных этапов. Сначала часть образ­ цов испытывается серийно на усталость общеизвестным методом, строится линия усталости 1 (рис. 115) и устанавливается предел вы­ носливости на базовом числе циклов. Далее другая часть образцов подвергается кратковременной неразрушающей перегрузке на не­ скольких уровнях напряжений сгн при неразрушающей циклической долговечности пи циклов. Затем последняя часть образцов испы­ тывается при напряжении, равном пределу длительной выносливости,

шихся образцов наносятся аналогичные точки, характеризующие циклическую тренировку и приспособляемость материала к пере­ грузке. По точкам проводится линия повреждаемости 2, ниже которой располагается область неповреждающих перегрузок. Между линиями повреждаемости и усталости перегрузки оказываются по­ вреждающими.

166