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

к пределу текучести. В другой серии малоцикловому повреждению подвергались плоские образцы (см. рис. 80) из листовой стали 09Г2 толщиной 12 мм. Эти образцы первоначально испытывались на отнулевое внецентренное растяжение. Наибольшее номинальное напря­ жение цикла составляло 61 кгс/мм2 и было выше предела текучести;

Рис. 123. Признаки усталостного повреждения; а, в — сопротивление хрупкому разрушению в зависимости от глубины трещины; б, г — сопротивление хрупкому разрушению и глубина трещины в зависимости от числа циклов.

на образцах накапливалось неразрушающее повреждение и выращи­ вались трещины малоцикловой усталости глубиной до 5 мм.

После циклических пробегов при напряжении образцы обоих типов испытывались до разрушения. Средством перевода образцов в хрупкое состояние служило их охлаждение в жидком азоте (—196° С). На рис. 123 представлены значения номинальных напря­ жений при хрупком разрушении образцов в зависимости от длины трещины и от числа циклов. По полученным результатам можно заключить, что циклические пробеги при напряжении начинают от­ рицательно влиять на сопротивление хрупкому разрушению еще до возникновения трещин усталости, свидетельствуя о предваритель­ ном накоплении неразрушающего усталостного повреждения мате­ риала. Сопротивление хрупкому разрушению, после возникновения трещин, рассчитанное по минимальному сечению, оказалось не за­ висящим от длины этих трещин. Другими словами, нагрузка, вызы­

178

вающая хрупкое разрушение, снижалась только из-за уменьшения поперечного сечения образца при углублении трещин.

Основываясь на результатах рассмотренных экспериментов, можно заключить, что на практике малоцикловое эксплуатационное повреждение конструкции при неблагоприятных условиях может стать причиной хрупкого разрушения ее от незначительного внешнего

а)

S)

п г )

Рис. 124. Вероятность хрупкого разрушения в связи со сближением критической и эксплуатационных температур (а) или вследствие сближения параметра объемной напряженности и реологической характеристики (б).

---------- сталь в состоянии поставки; — — — сталь с накопленным эксплуатационным пов­ реждением.

или внутреннего воздействия. Это обусловлено тем, что в результате повреждения повышается критическая температура хрупкого раз­ рушения материала или понижается его реологическая характери­ стика (рис. 124, штриховые линии). Согласно вероятностной трак­ товке, сближение распределений критической и эксплуатационной

§ 42

Средства повышения циклической прочности

Циклическая прочность материалов при экс­ плуатации деталей оказывается ниже, чем при испытаниях образцов, что является следствием проявления масштабного эффекта. Что же касается отрицательного действия концентрации напряжений, по­ верхностной неровности и шероховатости, остаточных напряжений, коррозии и вибрации, то они могут устраняться или ослабляться конструктивно-технологическими и эксплуатационными мерами,

кчислу которых относятся:

1.Ограничение концентрации напряжений, достигаемое совер­ шенствованием конструктивных форм.

2.Прогрессивная технологическая подготовка, обеспечивающая качественную поверхность, плавные профили сварных швов, преду­ преждение подрезов, снижение остаточных растягивающих напря­ жений объемного характера, поверхностное упрочнение наклепом посредством обкатки или дробеструйной обработки, цементация, азотирование, поверхностная закалка с применением нагрева то­ ками высокой частоты.

3.Улучшение эксплуатационных условий: предупреждение чрез­ мерных амплитуд вынужденных колебаний, недопущение поверхност­ ных повреждений, защита от коррозии покрытиями и облицовками.

4.Применение материалов, устойчивых против коррозии, для деталей, эксплуатируемых в агрессивной среде, а также оказываю­ щих высокое сопротивление накоплению повреждения.

В благоприятных условиях в качестве материала высокой ци­ клической прочности можно применять легированные стали, улуч­ шенные термообработкой. При ограниченной циклической долговеч­ ности, а также при знакопостоянных напряжениях, легированные стали, обладая более высокими характеристиками статической проч­ ности по сравнению с углеродистыми сталями, оказываются предпо­ чтительнее также и по циклической прочности. Но и в условиях не­

ограниченной долговечности, а также в случае симметричного цикла легированные стали, несмотря на повышенную чувствительность к от­ рицательно действующим факторам, обладают преимуществом перед углеродистыми сталями при условии умеренной концентрации на­ пряжений, чисто обработанной поверхности, отсутствия коррозион­ ной среды.

§ 43

Теории усталости

Изучение процесса усталости металлов в ци­ клически перенапряженных деталях и образцах привело исследова­ телей к выдвижению ряда физических теорий, объясняющих уста­ лость изменениями свойств и структуры материала при повторно­ переменной деформации и циклическом действии напряжений.

180

Ранние теории усталости рассматривали материал как сплошную и однородную среду. Усталостное разрушение объяснялось пласти­ ческой деформацией, а предел усталости принимался равным пре­ делу упругости. С развитием учения о зернисто-кристаллической неоднородной структуре металлов была разработана теория упроч-

нения. По этой теории процесс усталости представлялся тремя перио­ дами: 1) пластическая деформация микрозерен, наклеп и упрочне­ ние материала таких зерен; 2) зарождение микротрещин усталости, когда способности наклепанных зерен деформироваться пластически

разупрочнение материала и снижение его сопротивления разрушению (рис. 126). В случае циклического недонапряжения разупрочнение незначительное, а при перенапряжении разупрочнение предопреде­ ляет разрушение от усталости.

Теория отождествления предела выносливости и предела упру­ гости, теория упрочнения, а также теория упрочнения и разупрочне­ ния оказались недостаточными для объяснения целого ряда факто­ ров, влияющих на предел выносливости, прежде всего масштабного

181

эффекта и градиента напряжений. По рассмотренным теориям нельзя объяснить сильного рассеяния значений циклической прочности одного и того же металла, которое наблюдается даже на образцах одинаковой формы и размеров.

Статистические теории усталостной прочности рассматривают вероятность нахождения в материале зерен с заданными характери­ стиками прочности. Эти теории отражают влияние масштаба и гра­ диента напряжений на циклическую прочность.

Дислокационные теории рассматривают усталость на атомном уровне, объясняя пластические деформации наличием пороков атомно-кристаллической решетки — дислокаций и вакансий.

Рассматривая нарушение междуатомных связей в кристалличе­ ских зернах металлов, исследователи обратили внимание на подобие разрушения этих связей под влиянием нагрева и, следовательно, теплового движения атомов, а также под действием механического фактора — напряжения. В результате возникла структурно-энерге­ тическая теория усталости, предполагающая независимость энергии разрушения от способа подвода энергии. По представлениям В. С. Ивановой [32], существует аналогия процессов механического разрушения и плавления, а на этой основе ею находятся связи между термодинамическими и прочностными характеристиками. Энергети­ ческая теория усталости разработана не совсем строго, вследствие существующих различий между процессами деформирования и плав­ ления металла. Ведь известно, что пластическая деформация разви­ вается неоднородно по объему и разрушение происходит локально, поскольку нарушаются не все междуатомные связи, а лишь самые слабые. В отличие от деформирования и разрушения, плавление

терных предельных состояний, исключающих эксплуатацию кон­ струкций из-за повреждения или разрушения перенапряженных деталей. В приведенных там примерах аварийных ситуаций не имелось ссылок на повреждения, обусловленные фибровой теку­ честью при изгибе пластин и стержней массивных сечений и при кру­ чении круглых стержней. В результате создается впечатление, что угроза разрушения в таких случаях отсутствует. Это объясняется

182