Файл: Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла.pdf

л. м. ш к о л ь н и к

СКОРОСТЬ РОСТА ТРЕЩИН И ЖИВУЧЕСТЬ МЕТАЛЛА

МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ»

1973

иНАБЛЮДЕНИЯ ЗА ИХ РАЗВИТИЕМ

3. Методы, основанные на фиксации изменении свойств мате-

Г л а в а I I I . ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

ПРИ ИЗУЧЕНИИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

иСПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

П Р Е Д И С Л О В ИЕ

Решениями XXIV съезда КПСС предусмотрено по­ вышение технического уровня и качества продукции всех видов. В связи с повышением требований, предъяв­ ляемых к деталям машин и конструкций, непрерывно совершенствуются методы оценки механических свойств материалов. Одним из ведущих направлений развития техники механических испытаний является разработка методов оценки влияния трещин на прочность материа­ лов. В исходном материале и в готовых изделиях (в осо­ бенности литых, сварных) необходимо считаться с воз­ можностью наличия дефектов типа трещин с размерами от субмикродо макроскопических. В деталях, уже про­ работавших часть ресурса, вероятность наличия трещин резко возрастает.

Усталостные трещины, возникающие при цикличе­ ских нагрузках, постепенно разрастаясь, подготавлива­ ют условия для хрупкого разрушения. В связи с этим особое значение приобретает изучение живучести мате­ риала или конструкции, т. е. способности воспринимать нагрузки при наличии трещин. Склонность к торможе­ нию трещин является одной из важнейших характери­ стик материала. Уменьшая скорость роста трещин, мож­ но существенно повысить срок службы и надежность де­ талей в эксплуатации.

Методика усталостных испытаний, по которой реги­ стрируют только число циклов до разрушения, не отве­ чает возросшим требованиям практики, не дает картины зарождения и распространения усталостных трещин. Анализ результатов усталостных испытаний должен проводиться с позиции двухстадийности процесса уста­ лостного разрушения. При этом следует иметь в виду, что процессы возникновения трещин и их развития под­ чиняются различным закономерностям. Расчет на проч­ ность, выполненный по стандартным характеристикам, не гарантирует отсутствия трещин. В зависимости от ряда частных условий распространение уже образовав­

S

Проблема установления закономерностей развития трещин приобретает особую актуальность в связи с при­ менением высокопрочных материалов, тенденцией со­ временной техники к облегчению машин, изысканием ре­ зервов прочности материалов, выбором оптимальных технологических процессов изготовления и упрочнения материалов, а также назначением оптимальных сроков службы и повышением надежности работы деталей.

Скорость роста усталостных трещин является новой важной характеристикой механических свойств. Ее ис­ пользование позволит улучшить выбор материалов для различных назначений, решить многие вопросы, связан­ ные с безопасной работой деталей, с одной стороны, и наиболее полным использованием их работоспособно­ сти, с другой. Для этого, естественно, необходим не только качественный, но и количественный анализ про­ цесса роста трещин. Длительность процесса разруше­ ния, а. также соотношение между размером трещины и остаточной прочностью дают представление о живу­ чести детали и косвенно о склонности поврежденной де­ тали к хрупкому разрушению. Эти данные создают базу для решения вопросов диагностики технического состоя­ ния, назначения рациональной периодичности осмотра и прогнозирования остатка ресурса ответственных дета­ лей, подверженных усталостным повреждениям.

Рассмотрению этих вопросов посвящена данная мо­ нография; она состоит из двух частей. В первой части дается характеристика различных типов кривых вынос­ ливости и их особенностей, освещены вопросы методики выявления начальных усталостных трещин и наблюде­ ния за их развитием. Показаны успехи в области ис­ пользования механики разрушения для анализа роста трещин. Рассмотрены различные способы выражения результатов исследования скорости роста трещин.

Во второй части изложены результаты исследований, в которых рассмотрены металлургические, конструктив­ ные и эксплуатационные факторы, оказывающие влия­ ние на скорость роста трещин и живучесть металла. Дается анализ влияния параметров циклического нагружения, таких как уровень напряжений, асимметрия и частота цикла, двухосное напряженное состояние, сту­ пенчатое нагружение и др. Показано влияние химиче­ ского состава} механических евойетр и методов поверх-

•

постного упрочнения па скорость роста трещин. Влия­ ние конструктивных факторов на скорость роста трещин охарактеризовано но результатам исследований, в кото­ рых варьировалась концентрация напряжений, анализи­ ровали влияние прессовых посадок и учитывали мас­ штабный фактор, а также проводили испытания натур­ ных деталей. Окружающая среда, ее состав, давление и температура оказывают большое влияние на скорость роста трещин. Оценка влияния внешних условии выпол­ нена для черных и цветных металлов.

• При' исследовании процессов развития усталостных трещин следует учитывать, что наряду с условиями, вы­ зывающими непрерывный рост трещин, иногда создают­ ся такие условия, при которых возникшая трещина пре­ кращает свое развитие. В монографии проанализирова­ ны причины, приводящие к остановке трещин. Следует, однако, отметить, что условия работы некоторых кон­ струкций таковы, что появление трещины может при­ вести к весьма быстрому разрушению. В этих случаях основное внимание, безусловно, должно быть уделено закономерностям, контролирующим само возникновение трещин.

Монография не претендует на исчерпывающее рас­ смотрение всех аспектов указанного нового направления в исследовании механических свойств, однако автор на­ деется, что выполненный им анализ представит интерес для лиц, занимающихся вопросами металловедения, прочности и надежности.

7

1

Ч А С Т Ь

МЕТОДИКА

ГЛАВА I

типы КРИВЫХ выносливости

И ИХ ОСОБЕННОСТИ

Приступая к исследованию скорости роста и живуче­ сти, необходимо достаточно четко представлять себе, с каким типом кривой выносливости вероятнее всего придется иметь дело и с каким превышением действую­ щего напряжения над пределом выносливости ведется испытание. Поэтому уместно привести краткую харак­ теристику основных типов кривых выносливости, точнее их левых ветвей, ограничивающих область циклическо­ го разрушения.

Процесс циклического разрушения зависит от уров­ ня приложенных напряжений, а также от различных ус­ ловий, интенсифицирующих действие механических на­ пряжений. В связи с этим могут наблюдаться:

1) чистая усталость, т. е. результат влияния только переменных напряжений, например, при проведении ис­ пытаний образцов армко-железа, свободных от остаточ­ ных напряжений;

и дополнительных процессов, протекающих в металле. Интенсивность, этих побочных влияний в свою очередь зависит от уровня и длительности действия напряжений.

Под окружающей средой в самом широком смысла этого слова понимают наличие влаги и химических ве­

9