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

il другие факторы, оказывающие влияние иа протекание процесса усталости и изменяющие вид кривых выносли­ вости. Не меньшее значение имеет характер и интенсив­ ность протекания внутренних процессов, происходящих •в металле под влиянием циклического нагружеиия, та­ ких как накопление пластических деформаций, возник­ новение и релаксация остаточных напряжений, измене­ ние плотности, фазовые и структурные превращения.

Накопление необратимых явлений усталостного по­ вреждения выражается в возникновении и движении ди­ слокаций, смещении зерен и сдвигах внутри них, «раз­ рыхлении» решетки кристаллитов, в процессах, связан­ ных с диффузией и изменением растворимости и др.

На поверхности, кроме того, происходят окисление, адсорбция, возникают экструзии н интрузии, имеет мес­ то избирательная пластическая деформация, что приво­ дит к изменению микрогеометрии.

Для сопряженных деталей к этим факторам добав­ ляются схватывание, износ, коррозия трения, электроэррозиоішые процессы, диффузия, а также структурные изменения, вызванные нагревом при трений и пластиче­ ской деформации.

В тех случаях, когда нагружеиие является комбини­ рованным или температура испытания повышенная, на процессы усталости накладывается ползучесть, со всеми сопровождающими этот вид деформации эффектами.

С изменением уровня напряженности изменяется со­ отношение между живучестью и общей долговечностью, изменяются значения эффективного коэффициента кон­ центрации напряжений, а также корреляция между дол­ говечностью, с одной стороны, и механическими свойст­ вами или составом материала, с другой стороны.

Все перечисленные явления в большей или меньшей степени влияют на характеристические особенности кри­ вых усталости, прохождение инкубационной стадии и развитие усталостных трещин.

В общем виде кривые выносливости схематически представляют в виде двух областей, одна из которых характеризует выносливость материала в области упру­ гих напряжений, другая — в упруго-пластической обла­ сти. В связи с этим явления малоцикловоіі и многоцик­ ловой усталости рассматривают раздельно.

Экспериментальные кривые выносливости имеют раз-

10

личный вид: с четко выраженным горизонтальным уча­ стком, с асимптотическим приближением к оси абсцисс, с переломами, разрывами, ступеньками и сдвигами од­ ной части кривой относительно другой.

Основными причинами различий кривых выносливо­ сти являются:

1) изменение механизма разрушения с переходом от разрушения по границам зерен к разрушению по зерну при изменении уровня действующих напряжений, а так­ же в связи с влиянием окружающей среды и темпера­ туры и ритмичностью процесса разрушения;

2) различный характер разрушения с переходом от малоцикловых изломов с сильно выраженным влияни­ ем статики к чисто усталостным изломам;

3) изменение вида излома с переходом от преимуще­ ственно концентрических к эксцентрическим изломам, в связи с различным уровнем напряжений, изменение соотношения зон усталостного развития и хрупкого долома в изломе в связи со схемой иагружеиия (с посто­ янным моментом или с фиксированной деформацией);

4) изменение места разрушения в связи с различной долей влияния на усталостный процесс коррозии трения и сдвиговых процессов при трении, интенсивность влия­ ния которых постепенно накапливается с длительностью действия.

Основным типом кривой выносливости является кри­ вая с четко выраженным горизонтальным участком, рас­ положенным на уровне предела выносливости (рис. Uà). Этот вид кривых выносливости типичен для черных ме­ таллов и сплавов титана.

Кривые выносливости с асимптотическим приближе­ нием правой ветви к горизонтальной линии (рис. 1,6) характерны для цветных металлов, а также и для чер­ ных металлов в 'случае влияния коррозионной среды и коррозии трения.

Разновидностью указанных двух типов являются

(рис. 1,е), в зависимости от интенсивности дополнитель­ ного деформационного упрочнения материала в процес­ се циклического нагружения при больших амплитудах напряжений, а также от соотношения стадий упрочне­ ния и разупрочнения и расширения деформированной

i l

температура, среда) слабым местом материала могут быть либо границы зерен, либо сами зерна, т. е. с из­ менением условий испытания может изменяться меха­ низм разрушения. На рис. 1,е показано семейство кри­ вых образцов хромоникелевой стали, полученных в диа­ пазоне температур от^—196 до 500° С. При—196 и + 2 0 ° С на кривых нет разрывов, но при 300° С и более высоких температурах каждая кривая делится на два участка, соответствующих разрушению по границам зерен (ле­ вые участки) или по зерну (правые участки). Таким об-, разом, повышение температуры испытания приводит не только к снижению предела выносливости, но и изме-

12

il я от взаимное расположение кривых и приводит к Из­ менению самого .вида кривых.

Концы усталостных кривых могут быть сдвинуты от­ носительно друг друга по оси долговечностей при более или менее четко выраженном различии в характере раз­ рушения, когда область малоцикловой усталости с из­ ломами, приближающимися по своему виду к статиче­ ским, имеет резкую границу с областью многоцикловой усталости с типично усталостными изломами (рис. \,ж из) . Верхняя ветвь кривой чаще всего смещается к боль­ шим долговечностям (см. рис. 1,з), что свидетельствует об увеличении выносливости металла в результате воз­ никновения пластических деформаций. Разрыв на кри­ вых выносливости чаще наблюдается при напряжениях, соответствующих пределу текучести.

Различный наклон левых ветвей кривых выносливо­ сти при испытании одного и того же материала чаще всего обусловлен схемой нагружения, характером на­ пряженного и деформированного состояния, а также частотой испытаний. При испытании с постоянной де­ формацией левые ветви кривых выносливости смещают­ ся к большим долговечностям по сравнению с кривыми, полученными при испытании того же материала с по­ стоянной амплитудой нагружения (рис. 1,ы). С увели­ чением частоты циклов наблюдается повышение преде­ ла выносливости, сопровождаемое, как правило, умень­ шением угла наклона левых ветвей кривых выносливости (рис.

При испытании образцов, подвергнутых объемному или, в особенности, поверхностному упрочнению (дефор­ мационному, термическому), в большинстве случаев на­ блюдается четко выраженная закономерность снижения наклона левых ветвей кривых выносливости с ростом прочности (см. также рис. 1,/с).

При испытании деталей в узлах в сборе со смежны­ ми элементами конструкций явление усталости оказы­ вается особенно сильно осложненным. Взаимодействие деталей приводит как к изменению характера разруше­ ния, так и к смещению самого места излома. Показа­ тельными в этом отношении являются результаты испы­ таний осей, запрессованных в ступицы колес, и рельсо­

13

рис. \,л) разрушения осей происходят по галтели, тог­

и с прессовыми посадками характерно наличие двух пределов выносливости: по полному разрушению и по

вающихся трещин (Б) и трещин, приводящих к разру­ шению (В).

Не менее показательной является кривая на рис. 1,н, относящаяся к натурным рельсовым стыкам. Верхняя часть кривой 1 соответствует разрушению сечений с мак­ симальным изгибающим моментом (в зазоре между концами рельсов), нижняя — разрушению, связанному только с пятнами фактического контакта накладки с рельсом, где развивалась коррозия трения и возника­ ли натиры. Эти побочные явления при их длительном воздействии настолько^ослабили металл, что область разрушения не соответствовала зоне действия макси­ мальных рабочих напряжений.

ГЛАВА I I

МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН И НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ИХ РАЗВИТИЕМ

Для выявления усталостных трещин, наблюдения за ходом их развития и установления скорости этого про­

Выбор метода зависит от цели и объекта исследо­ вания: ставится ли задача анализа влияния структуры металла или рассматриваются натурные детали различ­ ной величины и назначения, производится ли исследо­ вание в лабораторных или эксплуатационных условиях, в открытых или закрытых для непосредственного на­ блюдения местах, находится ли очаг разрушения на по­ верхности или имеет место подповерхностное развитие

14

начальной усталостной трещины, ставится ли задача фиксировать только момент возникновения микроили макротрещины или скорость ее развития в связи с ха­ рактером напряженного состояния, масштабным факто­ ром, структурным состоянием, механическими свойства-

ми, рабочей средой, остаточными напряжениями, фор­ мой и размерами деталей, поверхностным или объемным упрочнением и т. п.

Большое количество известных в настоящее время методов (более 44), основанных на самых различных принципах и предпосылках, позволяют выявлять и ана­ лизировать процесс усталостного разрушения на раз­ личных стадиях его развития при проведении самых разнообразных исследований.

Начало образования трещины само по себе доста­ точно неопределенно и констатация его бывает весьма затруднительна. Вместе с тем следует отметить, что при­ менение современных методов дефектоскопии показыва­ ет, что при надлежащем разрешении (чувствительности метода) уже в пределах отдельных зерен или их частей удается обнаружить дефекты, которые могут являться зародышами разрушений.

На рис. 2 приведены размеры трещин, начиная от зародышевых й кончая макротрещинами.

Для решения задач, связанных с определением раз­ меров трещин и анализом их роста., методы дефектоско­ пии уже не пригодны и их дополняют методами дефектометрии и дефектографии. Это позволяет не только обнаруживать усталостные трещины (различного раз-

15

Рис. 3. Схема методов обнаружения н наблюдения за ростом усталостных трещин