книги из ГПНТБ / Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла

7. Ю. Д. Софронов [108] предложил характеризовать скорость развития магистральной усталостной трещины изменением площади или момента инерции оставшейся неразрушенной части сечения.

РІм введена функция повреждения

трещины.

Если известны изменения частоты собственных коле­ баний вследствие развития трещины, величина повреж­

падения жесткости, можно определить размеры усталост­ ной трещины [42]. Предложена методика расчетного оп­ ределения /П р (промежуточное редуцированное значение момента инерции) :

•Лір ~ Лір/Л)>

где / П р — приведенный момент инерции, / 0 — момент до появления трещины,

для различных видов деформации — изгиба, растя­ жения, сжатия и кручения. Для' случая растяжения — сжатия образца с отверстием расчетные формулы име­ ют следующий вид

101

где L — длина образца;

с — половина фактической ширины образца;

h — длина трещины в одной половине образца; / — длина рабочей части образца; г— ридус отверстия;

В = B\L.

Имеются также решения для изгиба оболочки и кон­ структивного элемента, кручения круглого образца.

8. В качестве сравнительных оценок Ю. С. Урбанский

Л^пр — т° ж е . соответствующее предельному состоя­ нию конструкции;

N6—то же, принятое за базу испытаний. Предложены и такие критерии живучести:

спроцессом усталости и размером усталостной трещины

ив зависимости от степени их развития сопротивление статическому, усталостному и хрупкому разрушению' мо­ жет резко снизиться. Рост имеющейся трещины происхо­ дит при напряжениях в 1,5—2 раза более низких, чем потребовавшиеся для ее возникновения. В зависимости от ряда частных условий существует определенный порог1 чувствительности образцов к размерам усталостных трещин.

В.И. Труфяков установил, что у крупномасштабных образцов из сталей Ст. 3, М16С и 14Г2 порог чувстви­ тельности к размерам усталостной трещины составляет 3,5—4,5 мм. При глубине трещин свыше указанной гіроч-

103

2

Ч А С Т Ь

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ГЛАВА IV

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ НА СКОРОСТЬ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Цикл напряжений — совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период про­ цесса их изменения (рис. 42).

Закон изменения величин напряжений за цикл выра­ жается уравнением

Важнейшими параметрами циклического нагружения являются:

a , i \ G m i n = ат — Va, 2 ( Т а = G m a x ~ ° m i n ;

^" "'min G mox>

Усталостная долговечность и скорость роста трещин зависят от указанных параметров, а также от того, что циклически изменяется при испытании: напряжение (мягкое нагружение) или деформация (жесткое нагружение).

Большое влияние оказывает характер изменения на­ грузки, т. е. очень важно, будет ли в процессе испытания нагрузка постоянной или постоянным будет выдержи­ ваться уровень напряжения в сечении, постепенно умень­ шающемся по мере роста трещины. Наибольшая ско­ рость роста трещин получена при испытаниях с постоян­ ной нагрузкой (/), когда действующие напряжения

104

возрастают по мере роста трещины (рис. 43), наименьшая скорость получена при сохранении начальных напряже­ ний постоянными (2). Испытание до полного соприкос­ новения стенок трещины в полуцикле сжатия при под­ держании постоянного уровня напряжений в полуцикле

ложении максимального напряжения в течение первого же цикла долговечность до излома значительно снижа­ ется по сравнению с тем случаем, когда нагружение до

105

для случая приложения полного напряжения в течение первого цикла связывают с увеличенной деформацией, не скомпенсированной процессом наклепа металла, и более ранним возникновением при этом зародышевых трещин в более мягких зонах зерен.

1.ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ Н А П Р Я Ж Е Н И Й

Сростом напряжений уменьшается общая длитель­ ность от начала испытания до окончательного разруше­

вершина будет притуплена. Эти обстоятельства, несом­ ненно, могут способствовать относительно более дли­ тельному периоду живучести при повышенных напря­ жениях.

В пользу приведенных выше соображений свидетель­ ствуют результаты непосредственных определений кон­ фигурации трещин и пластически деформированных зон вокруг их вершин; снижение эффективного коэффициен­ та концентрации напряжений Кд при увеличении уровня напряжений, а также то, что трещина, выращенная при повышенных напряжениях, может вообще прекратить свое развитие при снижении напряжений, хотя трещины,

106

возникшие при этих пониженных напряжениях, развива­ ются и приводят к разрушению.

Исследование влияния одиночных и группосых кон­ центраторов напряжений на усталостную прочность поз­ волили установить, что значения Ка не остаются посто­ янными и зависят от уровня напряжений, количества

ирасположения надрезов, а также от свойств материала.

Сповышением уровня напряженности меняется ха­ рактер разрушения, наблюдается переход от разрушения по зернам к разрушениям по их границам, ослабевает корреляционная связь между усталостной долговеч­

ностью и о"в, но усиливается влияние от ; возрастает ин­ тенсивность обогащения наиболее напряженных зон об­ разца стали водородом за счет его миграции из менее напряженных зон.

Всвязи с современной тенденцией оценки несущей способности деталей с учетом рассеяния усталостной

прочности отметим, что с уменьшением вероятности раз-

Т А Б Л И Ц А 8. П Р О Д О Л Ж И Т Е Л Ь Н О С Т Ь Р А З В И Т И Я Т Р Е Щ И Н В З А В И С И М О С Т И ОТ У Р О В Н Я Д Е Й С Т В У Ю Щ И Х Н А П Р Я Ж Е Н И И

ИВЕРОЯТНОСТИ Р А З Р У Ш Е Н И Я

107

рушения период развития трещины па одном уровне на­ пряжении укорачивается в абсолютных значениях чисел циклов, но увеличивается в относительных величинах Nm/NK. В табл. 8 приведены соответствующие данные по результатам испытаний образцов AI—Си—Mg сплава. АВТ [45]. Относительная длительность развития трещин с уменьшением вероятности возрастает.

При всех вероятностях время развития трещин увели­ чивается с понижением действующего напряжения. Од­ нако при переходе к меньшим вероятностям разрушения влияние величины напряжений на период развития тре­

2. ВЛИЯНИЕ АСИММЕТРИИ ЦИКЛА, ВЕЛИЧИНЫ СРЕДНИХ Н А П Р Я Ж Е Н И И

И ДВУХОСНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Выше были рассмотрены влияние уровня приложен­ ных напряжений при постоянной асимметрии цикла и некоторые общие закономерности развития трещин, не зависящие от асимметрии цикла.

Соотношение M ежД у СГтах И О-ЩІЦ ( П Л И / ( m a x I I Ктіп)

определяет как асимметрию цикла, так и уровень сред­ них напряжений. Поскольку среднее напряжение ат яв­ ляется статической (положительной пли отрицательной) составляющей цикла, на которую накладываются пере­ менные амплитудные напряжения, по величине ат можно судить, имеются ли условия для прохождения чисто ус­ талостного процесса или на явление усталости наклады­ ваются статические процессы и связанная с их влиянием

тельством является увеличение склонности к релаксации остаточных напряжений с увеличением ат и R. В связи с тем что эта релаксация остаточных напряжений зави­ сит также от свойств материала, чувствительность к из­ менению указанных параметров будет в значительной степени определяться свойствами материала.

108

В целом можно отметить следующую общую законо­ мерность. С увеличением асимметрии цикла скорость роста усталостных трещин снижается, причем макси­ мальные ее значения относятся к симметричному циклу. Амплитудные значения напряжений оказывают на ско-

средние, однако при одинаковых амплитудных напряже­ ниях возрастание средних их значений приводит к уве­ личению скорости роста трещины.

Коэффициент асимметрии цикла R = от-т 0 т а х сильно влияет на скорость роста усталостных трещин. Чем боль­ ше минимальные напряжения цикла приближаются к максимальным напряжениям (чем больше асимметрия цикла), тем ниже скорость роста трещин. Семейства пря­ мых, выражающих связь между максимальными значе­ ниями / ( m a x цикла и скоростью роста трещин при различ­ ной асимметрии цикла в мартенситно-стареющей стали с 18%Ni и в бронзе, показаны на рис. 45 и 46. Были испы­ таны клиновидные образцы при частоте 500 мин-1.

Поскольку Ктах<К\с, работа, необходимая для полу­ чения новых поверхностей трещин, зависит от размаха интенсивности напряжений. Пересечение прямых на рис. 46 с линией dl/dN = 0 дает значение порога коэф­ фициента интенсивности напряжения, ниже которого не будет происходить рост трещин.

109

Для выявления влияния уровня средних напряжений

хе на скорость роста трещин в стали 9Ni—4Со—0,25С [0,25% С; 0,28% Мп; 8,31% Ni; 3,78% Со; 0,40% Сг;

ной 11,5 мм с односторонним надрезом в рабочем сече­ нии (для фиксации направления развития трещины с

110