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

В качестве меры накопления повреждения при заданном пере­ менном напряжении можно рассматривать неразрушающую цикли­ ческую долговечность п, отнесенную к числу разрушающих циклов N. При линейном суммировании повреждений, накопленных, напри­ мер, при напряжениях начальном сгн (долговечности пи и NH) и ко­ нечном сгк (долговечности пк и NK), формула будет иметь вид

Сложение накопленных усталостных повреждений удобно предста­ вить графически в координатах nH/NH, nK/NK (рис. 116). Диагональ Л

указанное условие далеко не всегда существует. В одних случаях

гласно кривой В значение ^ < 1, что характеризует разупрочне­

ние материала, вследствие первоначальной перегрузки под напря­ жением он при пн циклов.

При нестационарных параметрах циклического нагружения при изгибе и вращении круглых образцов, исследованиями по усталости, выполненными на сталях и сплавах титана, установлено, что факти­ ческие значения суммарной относительной долговечности находятся

в пределах неравенства 0,3 < " ^ -^ -< 1 Ю [12]. В частных случаях

можно подобрать благоприятные циклические перегрузки, способ­ ствующие значительному упрочнению материала; на рис. 116 этому будет соответствовать линия Б.

167

Оценка накопления усталостного повреждения при нестационар­ ном режиме нагружения посредством линейного суммирования от­ носительных пробегов, по мнению некоторых исследователей, физи­ чески не обоснована и принята по произвольным соображениям. В частности, при такой оценке не учитывается влияние на [развитие усталостного повреждения очередности высоких и низких ступеней

ного суммирования повреждений по фор­ муле (84) в случаях многоступенчатого циклического нагружения.

Стремясь к физическому совершенствованию метода сумми­ рования усталостных повреждений А. В. Гурьев и В. В. Козуб обратили внимание на деформационный и энергетический критерии в связи с петлей гистерезиса, обусловленного упругими несовершен­ ствами материала. Используя указанные критерии, эти исследова­ тели предложили рассматривать в качестве признака усталостного повреждения скольжение в отдельных микрообъемах и эксперимен­ тально установили на образцах из стали справедливость линейного

суммирования накопления повреждений по формуле = 1,где

т — число зерен на участке поверхности с полосами скольжения при неразрушающем повреждении под влиянием циклического пере­ напряжения, а М — число зерен на том же участке поверхности образца при разрушении его от того же перенапряжения.

168

Таблица 10

Пределы выносливости образцов, кгс/мм2, неповрежденных

и с трещинами усталости от предварительной перегрузки

Как уже излагалось в § 38, при кратковременных перегрузках сопротивления возникновению и распространению трещин усталости имеют одинаковые значения. Если же остановить перегрузку при

с весьма существенным повышением сопротивления распростране­ нию трещины усталости. Так, например, в одном исследовании [8] испытывались плоские образцы из сталей Ст. 3 и 10ХСНД при воз­ буждении в них напряжений чистого изгиба, изменяющихся по сим­ метричному циклу с частотой 1500 цикл./мин. Ширина образцов составляла 50 мм, толщина 10 мм, боковые надрезы глубиной 8 мм, возбуждающие концентрацию напряжений, уменьшали ширину ослабленного сечения до 34 мм. На одних образцах надрезы пред­ ставляли собой щели с просветом 0,3 мм, а на других — дно надрезов скруглялось радиусом 1 мм. Помимо обычных испытаний на уста­ лость, образцы циклически перегружались, сначала для получения первичных трещин усталости после 10—20 мин, а затем испытыва­ лись серийно до разрушения. На рис. 117 представлены кривые усталости для неповрежденных и поврежденных образцов из стали 10ХСНД. Установленные по кривым усталости пределы выносливости приведены в табл. 10. Оказалось, что вызванные кратковременными перегрузками первичные трещины усталости, несмотря на предель­ ную остроту, слабее снижали циклическую прочность, чем надрезы, сделанные режущим инструментом. Такая «приспособляемость» ма­ териала к неблагоприятным условиям переменных напряжений сви­ детельствует о значительном деформационном упрочнении его и о на­ личии предположительно полезных остаточных напряжений, воз­ никающих вблизи надрезов при первоначальном кратковременном перенапряжении. Меньшая чувствительность материалов к усталост­ ной трещине, чем к надрезу, объясняется тем, что в случае знако­ переменного напряжения трещина при сжатии не срабатывает как концентратор из-за захлопывания. Поэтому амплитуда знакопере­ менного напряжения при трещине меньше, чем при надрезе.

169

§ 41

Влияние накопления усталостного повреждения на механические характеристики материалов и на хрупкую прочность сталей

Для усталостного повреждения характерно не только образование трещин усталости, но и неблагоприятное измене­ ние свойств материалов в результате действия повторно-перемен­ ного напряжения. Если значение циклического напряжения ниже предела выносливости, то действие такого напряжения не вызывает накопления большого повреждения и существенного изменения меха­ нических свойств. Но под влиянием циклического напряжения выше предела выносливости может несколько снизиться модуль упру­ гости, заметно измениться прочностные характеристики и способ­ ность материалов деформироваться пластически.

Рассмотрим изменения некоторых механических характеристик под влиянием усталостного повреждения по экспериментальным данным А. М. Затипякина для сталей и сплава титана [31 ]. Накопле­ нию повреждения подвергались круглые образцы при напряжениях симметричного цикла от изгиба или кручения. Переменные напря­ жения на образцах большинства серий превышали предел вынос­ ливости, но были ниже предела текучести, а на образцах некоторых серий составляли 95% от предела выносливости.

Повреждающие циклические пробеги п при напряжениях выше предела выносливости составляли (0,2н-0,8) N (N — число разру­ шающих циклов); при напряжениях ниже предела выносливости циклические пробеги имели значения от 1 до 10 млн. циклов. После накопления повреждения образцы испытывались на статическое кру­ чение до разрушения, в результате чего определялись модуль сдвига, предельные напряжения и максимальный относительный сдвиг.

Для оценки усталостного повреждения были вычислены отно-

Тповр —

шения механических характеристик —---- = т исследованных ма­

териалов в поврежденном и исходном состояниях.

При напряжении выше предела выносливости от статического кру­ чения (рис. 118) наблюдались сложные изменения относительных

пределов пропорциональности тпц и текучести т0,3 в зависимости от относительного числа циклических пробегов, свидетельствующие

о взаимодействии процессов упрочнения и разупрочнения материала

вусловиях повторно-переменного деформирования. Предел теку­ чести взят по ГОСТ 3565—58 как напряжение при 0,3% от остаточ­

ного сдвига.

На рис. 118, а приведены экспериментальные данные для стали марки 20. Верхние границы областей тпц и т0,3 соответствуют отно­ сительным циклическим пробегам при напряжениях 1,1т_х— при кручении и 1,05а_! — при изгибе, а нижние границы — при напря­ жениях ЕЗт.! и 1 ^Зсг^ соответственно. На рис. 118, б представлены те же характеристики для стали 09Г2С: 1 — материал нормализо­ ванный; 2 — материал перегретый; циклический пробег происходил

170