Развитие трещин

Для прояснения характера развития трещин от ударов с учетом указанного выше двойственного эффекта испытания на образцах проводили в два этапа.

На первом этапе определяли только влияние концентрации напряжений на искусственно поврежденных образцах, на втором- влияние ударов, для чего образцы подвергали соответствующим нагрузкам.

Первый этап испытаний

Сначала образцы толщиной 10 мм, свободные от остаточных напряжений и искусственно поврежденные в средней части электроэрозией с созданием надреза конической формы с углом в вершине 105° и радиусом 1 мм, испытывали на растяжение и сжатие.

Взяли две партии образцов. Образцы одной партии имели надрезы глубиной 0,5 мм, другой- 1 мм, чтобы сравнить результаты испытаний при двух разных значениях коэффициента K_t, равных 1,4 для глубины 0,5 мм и 2,2 для глубины 1 мм. В процессе испытаний к образцам прилагали знакопеременную нагрузку, соответствующую изменению напряжений в диапазоне от ±180 до ±250 МПа.

В ходе испытаний измеряли длину трещин на поверхности по методу репликации, а в ходе сопутствующих наблюдений под микроскопом сопоставляли моменты начала разрыва образцов поврежденного и цельного шлифованного.

Из результатов испытаний следует, что для разных значений K_t и напряжений кривые, выражающие зависимости изменения длины трещин в функции отношения N/N_r, где N- число выполненных циклов нагружения за период наблюдений; N_r- общее число циклов нагружения до усталостного разрушения образца, хорошо согласуются (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость длины трещины от соотношения N/N_r (первый этап испытаний): а- при K_t = 1,4; б- при K_t = 2,2

Рассмотрение под микроскопом поверхностей излома позволило, в частности, констатировать, что структура металла, по всей видимости, не играет решающей роли при возникновении трещин. Места зарождения трещин определяются местоположением максимальных локальных напряжений, обусловленных искусственным надрезом.

Второй этап испытаний

Затем для имитации ударов частиц балласта образцы обстреливали из пневматического ружья. Примененные для этого пули (рис. 4), изготовленные из стали 45NCD6, имели массу 60 г и угол конусности в вершине 105°. С целью получения следов от удара глубиной 0,5 и 1 мм обстрел производили с двумя значениями скорости выброса пуль из ружья. Профиль повреждений поверхности пулями оказался подобным профилю искусственных повреждений электроэрозией.

Рис. 4. Схема пули для имитации ударной нагрузки

Обработанные таким способом образцы подвергали испытаниям и измерениям по аналогичной методике и в тех же режимах нагрузки.

Из результатов этого этапа испытаний видно, что в данном случае для разных значений K_t и напряжений кривые, выражающие зависимости изменения длины трещин в функции отношения N/N_r, согласуются плохо (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость длины трещины от соотношения N/N_r (второй этап испытаний): а- при K_t = 1,4; б- при K_t = 2,2

Анализ этих кривых в сопоставлении с кривыми, полученными для образцов, поврежденных электроэрозией, позволил сделать следующие выводы:

разброс показателей для образцов, подвергнутых ударной нагрузке, оказался больше, чем поврежденных электроэрозией. Это, по-видимому, объясняется бóльшим разнообразием следов от удара, чем от электроэрозии;

на образцах, подвергнутых ударной нагрузке, темп развития трещин в начальной стадии (до значений N/N_r порядка 0,8) оказался ниже, чем поврежденных электроэрозией. Это можно объяснить созданием в металле непосредственно под следами от ударов остаточных напряжений сжатия (холодного наклепа), которые сдерживают развитие трещин. По миновании этой зоны в концах трещин темп возрастает.

По-другому это явление можно рассмотреть с использованием кривых Вёлера (Wöhler), отражающих пределы усталостной прочности образцов, подвергнутых испытаниям двух видов и имеющих повреждения разного происхождения и величины, для двух значений K_t (рис.6). Видно, что влияние холодного наклепа от ударов выражается в увеличении усталостной прочности на 20- 40 Мпа.

Рис. 6. Кривые Вёлера