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

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 19.10.2024

Просмотров: 122

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Ктах указывает

на

одновременное

уменьшение

Ктт и

снижение от. Если

рассмотреть

вертикальные

разрезы

на диаграмме, то можно видеть, что

увеличение

А К со­

провождается снижением скорости роста трещин.

Чувствительность к уровню средних напряжений цик­

ла в некоторых

случаях связана

с

остаточными

напря­

жениями в материале. Мягкая сталь, обычно нечувстви­ тельная к средним напряжениям цикла, приобретает та­ кую чувствительность после холодной прокатки.

Аналогичные результаты были получены па образцах бериллиевой бронзы после упрочняющего старения. Из­

менение

коэффициента

А связывают

с периодическими

остановками в развитии трещин, в

свою

очередь

обус­

ловливаемыми остаточными

напряжениями, окружаю­

щими зоны Гинье — Престона.

 

 

 

 

 

Влияние асимметрии

цикла на скорость роста трещин

в диапазоне 0=^/^0,8

удовлетворительно

аппроксими­

руются эмпирическим уравнением

Формана

 

 

 

dim-—С(А*>*

 

 

,

 

 

 

 

( I — Ä ) f f i e

—Д/С

 

 

где Кс — критическое значение

коэффициента интенсив­

 

ности напряжений;

 

 

 

 

 

С и п — константы материала.

 

 

 

 

 

В л и я н и е д в у х о с н о г о

н а п р я ж е н н о г о

сос ­

т о я н и я .

Основным параметром, контролирующим

ско­

рость роста трещин, является коэффициент интенсивнос­ ти напряжений К- Согласно линейной теории упругости при двухосном напряженном состоянии напряжения, па­ раллельные трещине, не изменяют напряженного состо­ яния и потому считается, что они не должны влиять на усталостную прочность и вязкость разрушения. При от­ сутствии пластичности в вершине трещины К может быть рассчитано по линейной теории упругости. Однако в ре­ альных материалах вблизи трещины возникает сложное напряженное состояние и пластическая зона. При нали­ чии пластичности Ирвин и другие предложили корректи­ вы при расчете вязкости разрушения.

Теория максимальных напряжений может быть при­ менена в предельном случае, когда размеры пластичес­ кой зоны приближаются к нулю, т. е. для совершенно хрупкого материала. Если необходимо вводить поправку

8*

115


на пластически деформированную зону, теория макси­ мальных напряжений не может быть использована, по­ скольку размер пластической зоны зависит от общего напряженного состояния. В этом случае применима тео­ рия максимальной энергии формоизменения, согласно которой эквивалентные напряжения равны (при ст3=0)

а

-

Г'

 

 

 

! ° 2 -

 

 

 

 

 

Показано, что

напряжения, параллельные

трещине,

могут или упрочнять или ослаблять

материал в зависи­

мости от величины

 

коэффициента

Пуассона

и от того,

какое состояние преобладает — плоско-деформированное или плоско-напряженное. Двухосное напряженное состояние изменяет гео­ метрические параметры трещины. Установлено, что при соотношении ху=0,25 у алюминиевых образ-

916

I ь.ов

Возникновение

трещина/

О 2 6 8 10 12 Число циялод, NW3

Рис. 50. Образцы для испытаний при различной степени дпухосиостн напря­ женного состояния (а) и рост усталостных трещин в указанных образцах (б)

цов и Ох/оу—1 у образцов плексигласа вязкость разру­ шения увеличивается на 25%.

Влияние двухосного напряженного состояния при соотношении главных напряжений 1:1, 1 : 0,86 и 1 : 0,75 (серии А, В и С) исследовано на круглых и эллиптичес­

кой

формы

плоских образцах

толщиной 6,25 мм

(рис.

50, а)

из алюминиевого сплава 2024—Т351 (0,1%

Zn;

1,5% Mg; 0,1% Cr;

0,60%'Mn;

ö B = 4 9

Мн/м2

(4,9

кГ/мм2)\

сгт = 24 Мн/м2

(2,4 кГ/мм2),

ô 5 = 1 8 % )

[97].

Циклическое

нагружение создавалось

давлением,

пода­

вавшимся попеременно .(частотой

100 мин~1) на каждую

из сторон образца, зажатого по

периметру. На одной

116


стороне в центре образца вдоль

направления прокатки

наносили

сегментные надрезы

(длина 3 мм,

глуби­

на 1,5 мм).

Через каждые 500 циклов испытание

прекра­

щали и измеряли длину трещины

на инструментальном

микроскопе.

 

 

• Скорость роста трещины имеет наибольшее значение приСт2= сті (серия А). С уменьшением этого отношения наблюдается пропорциональное уменьшение скорости роста трещин (рис. 50, б). Расчет значении эквивалент­ ных напряженийпроизводили по приведенной выше фор­ муле. Третье главное напряжение не учитывали из-за его малости. Если эффект двухосности учитывать по те­ ории максимальной энергии формоизменения, сущест­ вует тесная корреляция между скоростью роста трещин и коэффициентом концентрации напряжений. Величины напряжений устанавливали тензометрированием, вы­ полненным при отсутствии трещин (для получения срав­ нительных результатов такой прием вполне допустим).

Уменьшение скорости роста трещин при двухосном напряженном состоянии установлено при испытании лис­ товых образцов крестообразной формы с щелевидным надрезом в центре образца. Материал образцов — алю­ миниевые сплавы 6061-Т4 и 6061-Т6 и плексиглас.

3.ВЛИЯНИЕ ПЕРЕГРУЗОК, НЕДОГРУЗОК

ИСТУПЕНЧАТОГО НАГРУЖЕНИЯ

П е р е г р у з к и р а с т я ж е н и е м . Влияние одно­ кратных перегрузок растяжением на рост трещин в пло­

ских образцах низколегированной

стали марки WB 35

(0,19%

С; 1,64%

Мп; 0,38% Si;

0,01% Р;

0,09%

N;

0,037%

AI; 0,15%

V и 0,30% Mo) выразилось

в том,

что

кривая роста приобрела ступенчатый вид. Сразу же пос­ ле перегрузки трещина росла с неизменной скоростью, но после прохождения всего 0,3—0,5 мм скорость ее резко уменьшалась. Впоследствии скорость роста трещины снова увеличивалась. В результате одноразовых дву­ кратных перегрузок живучесть резко—примерно в 5 раз возросла ,(рис. 51) [49]. Чем выше напряжение перегруз­ ки, тем больше замедляется скорость роста трещин и увеличивается живучесть (рис. 52). Этот процесс проис­ ходит до тех пор, пока после достаточно большой пере­ грузки трещина вообще перестает расти (это один из

117


случаев превращения растущей трещины в неразвиваю­

щуюся) .

 

 

 

 

 

 

Работа

авиационных

конструкций,

весьма часто вы­

полняемых

из

алюминиевых

сплавов,

характеризуется

тем, что после высоких

перегрузок (на

взлете) следует

длительный

период цикличе­

 

ского воздействия

относитель­

2&а ' 172 Пфг

но

низких напряжений.

На

(П,гпГ/гт!)

плоских образцах с щелевид-

 

пой

прорезью

из

алюминиево­

 

го сплава 7075-Т6 трещину

 

получали

на

низкой

ступени

 

нагружения

(до

длины

в

 

*.âû

 

 

 

 

200

tOO

 

600

 

 

 

 

 

Число

tiuiuwô,

N

10'

 

 

 

Рис.

52. З а м е д л е н и е

роста

тре­

 

 

щин

в

зависимости

от

величи­

Шичестбо

циклов,N70°

ны одноразовой

перегрузки

при

длине

трещин 30 мм;

 

напряже­

 

 

 

Рис. 51. Живучесть образцоР без пере­

ние

перегрузки;

1 — 0;

2 — н а ­

пряжение перегрузки

229

Мн/м1;

грузок (/) H при

одноразовых двукрат­

(22.9

 

кГ/мм-);

3 — 343

 

Мн/м';

ных перегрузках через к а ж д ы е 10 мм

(34,3

 

кГІМм"-);

4 — 457

Мн/м'

увеличения длины трещин (2)

 

 

(45,7

кГ/мм-)

 

 

6,4 мм). Влияние циклов перегрузки оценивали: 1) по числу циклов последующего нагружения до разрушения на низкой ступени нагружения и 2) по эквивалентному числу циклов, необходимому для развития трещины рав­ ной длины при постоянной амплитуде [50].

Для анализа скорости ростатрещин принимали во внимание концентрацию напряжений в вершине трещи­ ны ас т сгпетто с учетом того, что оба параметра изменяются по мере роста трещины:

а

=

1 +

0,5

1)

У Up-

er

=

 

,

о

 

1

'

\

о-0

)

*

if,

нетто

 

(

9 ^ '

где сса

=

ад—для

отверстия;

 

 

 

 

 

 

 

аа — концентрация

напряжений

у

вершины'

 

 

 

трещины;

 

 

 

 

 

 

 

 

2 / — длина трещины.

 

 

 

 

 

118


По результатам испытания алюминиевых образцов установлено:

а) циклы с более высокими напряжениями снижают скорость роста трещин на более низком уровне тем в большей степени, чем больше аа о"н е т т о (рис. 53) ;

б) в течение ^ 1 0 перегрузок происходит постепенное уменьшение скорости роста трещин, которое затем

J. I

 

Гн/п'(3100пГ/rm')

 

 

 

 

 

 

 

9Г»/м'(г5вО/<Г/ппг)

 

 

 

 

 

1,55/н/п'(1550пГ/пп1)

 

 

 

 

 

 

 

 

/<76 W5

 

W00

3000

5000

10 10г

103

W5 7

 

Запед/іение

роста

трещин

Junednenue роста

трещим

â цімлах

 

 

в

циклах

 

 

 

 

 

 

Рис. 53. З а м е д л е н и е

скорости

роста тре­

Рис.

54.

З а м е д л е н и е

скорости

щин в зависимости от уровня перегру­

роста

трещин в зависимости от

зочных напряжений

( а В 0 Н Е Т Т Ц указано

количества

циклов

перегрузок

на

кривых)

 

 

 

 

 

 

вплоть до 30-й перегрузки не изменяется. Одна

перегруз­

ка дает Ѵ4> а 10 перегрузок

'/2 от максимально возмож­

ного замедления роста

трещин в циклах (рис. 54);

в) при нагружении

по

трехступенчатой

программе

(1—многократное первоначальное, 2—однократное вы­ сокое среднее и 3— многократное низкое заключительное нагружение) циклическое нагружение перед однократ­ ной перегрузкой может существенно задержать рост' тре­ щины на последующем .(третьем) ' более низком уровне нагрузок. Чем выше первоначальная перегрузка при постоянной средней перегрузке, тем больше замедляется рост трещин на заключительном этапе нагружения-.

Таким образом, при наличии начальных усталостных трещин или острых концентраторов напряжений конст­

руктивного или технологического характера

одиночные

перегрузки или ограниченное число перегрузок растяже­

нием могут существенно повысить усталостную

долговеч­

ность, замедлив скорость роста трещин и увеличив дли­ тельность периода живучести. Замедление в развитии

119