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
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 (ах/ау=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 |
(а |
— |
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 /О7 |
|
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