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

растягивающих. Редкие циклы сжатия при чередовании с основными циклами растяжения могут вызвать значи­ тельное (в 2—7 раз) снижение усталостной прочности [51]. Эксперименты, поставленные на трубчатых образ­ цах из сплава АВТ, показали, что приложение циклов сжатия приводит к сближению моментов появления пер­ вой и второй ветвей трещины у отверстия в стенке образ­ ца и, следовательно, к уменьшению асимметрии трещи­ ны, которое сопровождается сокращением длительности ее развития (рис. 55) до двух раз. При наличии сим­ метричной трещины циклы сжатия оказывают меньшее влияние на рост трещины. При неодинаковой длине тре­ щин с обеих сторон отверстия смыкание «берегов» тре­ щины приводит к более неравномерной пластической де­ формации и более интенсивному возникновению остаточ­ ных растягивающих напряжений, чем в случае симмет­ ричных трещин. Асимметрия развития трещин с обеих сторон отверстия | тем меньше, чем больше напряжение сжатия ас>к и чем чаще повторяются циклы сжатия. О на­

к возрастанию скорости роста трещин до величины, со­ ответствующей уровню напряжений перегрузки. В слу­ чае перехода с более высокой ступени на более низкую скорость роста, соответствующая данной низкой ступени, будет достигнута после прохождения переходного перио­ да с более низкой скоростью. Длительность этого перио­ да растет с увеличением абсолютной разницы в напря­ жениях на высокой и низкой ступени нагружения. Чем выше перегрузка, с которой спускаются на один и тот же уровень напряжений, тем сильнее выражено замедление скорости. Это в конечном счете приводит к тому, что после снижения уровня напряжений трещина прекратит свое развитие. В частности, прекращение роста трещин

121

исследовано на отожженных круглых образцах с надре­

литическим путем скорости роста трещин при многосту­ пенчатом цикле был предложен «закон умножения», КО­

ЛУ кГ/мм?

Рис. 56. Влияние редких циклов сжатия на длительность периода живучести и асимметрию развития трещины (%) :

122

торый позволяет на основании экспериментов с простым ступенчатым циклом определить степень снижения уста­ лостной долговечности и соответственно увеличения ско­ рости роста трещин при многоступенчатом цикле с уче­ том числа циклов на каждой ступени.

Скорость роста трещин при многоступенчатом цикле (варианты бив рис. 58) выше, чем при постепенном

X) предложен метод расчета скорости роста усталостных трещин при спектральной нагрузке, основанный на учете величины пластически деформированной зоны, образую­ щейся впереди вершины растущей трещины. Величина этой зоны зависит от прикладываемого усилия. Это обстоятельство объясняет различия в скорости роста тре­ щин при прямом й обратном (зеркальном) программном Нагружении. Фактическая скорость роста трещин при спектральном нагружении ниже, предсказываемой nd формулам Майнерэ (суммирование скорости На отделы-

123

60'

: гоо g* \

Рис. 59. Машина (о) и образец (б) для испытания с импульсными перегрузками

импульсных ударных нагрузок и дополнительных гармо­

ность свидетельствует то обстоятельство, что в осях под­ вижного состава железных дорог, претерпевающих уда­ ры на стыках, трещины могут возникать при всего лишь 0,5% от общей долговечности, рассчитанной по закону суммирования усталостных повреждений [53]. При ла­ бораторных усталостных испытаниях не зафиксировано появления трещин при таких низких значениях наработ­ ки. Это объясняется, 'по-видимому, тем, что-в лаборатор­ ных условиях фактически не воспроизводится эксплу­ атационный цикл нагружения с присущими ему импульс­

124

пульсмую нагрузку создавали падением груза 22 я (2,2 кГ) сч высоты 250 и 50 мм (напряжения приведены в табл. 11). Глубину трещин определяли по окисленной зоне излома, для чего на промежуточной ' стадии испытания образцы на­ гревали в печи до 450° С.

в особенности с увеличением ее размера все более уси­ ливается отрицательное влияние импульсной нагрузки. Приложение импульсной нагрузки сказывается на долго­ вечности сильнее, чем проведение испытаний с перегруз­ ками по трехступенчатому циклу (ступени — сплошные черные линии на рис. 61, огибающие осциллограмму).

Хотя природа влияния импульсного нагружения не раскрыта, несомненно то, что даже одноразовая импульс­

ная перегрузка вращающегося образца на стадии роста

125

трещины воздействует на последующий ее рост и окон­ чательное разрушение, сокращая усталостную долговеч­ ность.

В л и я н и е н е д о г р у з о к . В соответствии с новой концепцией эффект недогрузки или тренировки связыва­ ют с благоприятным изменением формы вершин нераз­ вивающихся трещин, независимо от природы возникнове-1

Рис. (il. Осциллограмма изменения напряжении при импульсном нагруженин

ния этих трещин. Указанная точка зрения получила оп­ ределенные экспериментальные доказательства в случае возникновения неразвивающихся трещин, как в резуль­ тате значительного снижения уровня действующих нап­ ряжений (трещины образовались при высоком их уров­ не), так и в результате действия напряжений ниже пре­ дела выносливости по разрушению, но выше предела выносливости по трещинообразованию (т. е. при прове­ дении тренировки с самого начала испытания). Меха­ низм этого явления, по-видимому, следующий. Когда уровень напряжений низок для возбуждения достаточ­ ной движущей силы, в вершине неподвижной трещины могут действовать сравнительно высокие напряжения, под влиянием которых произойдут благоприятные изме­ нения формы вершины. Действительно, металлографиче­ ски показано, что при недогрузках происходит скруглеиие вершины неподвижных трещин. Естественно, что ус­ талостная прочность материала, имеющего трещины со скругленными вершинами, будет выше, чем при острых трещинах, что и определяет повышение прочности в ре* зультате недогрузки; .

Что же происходит при отсутствии в материале н&- развивающихся усталостных трещин? Для алюминие­ вых сплавов, предел выносливости которых зависит dt'

126

базы испытания, трещины могут расти практически пріі любом напряжении, эффект тренировки недогрузками отсутствует. Даже в мягкой стали недогрузки не повы­ шают усталостной прочности, если амплитуда напряже­ ния настолько мала, что неразвивающиеся трещины не возникают. Аналогичные результаты дает и включение этапов недогрузки при двух- и многоступенчатых испы­ таниях. Следовательно, эффект недогрузок зависит от того, возможно ли при данном уровне напряжений воз­ никновение в материале неразвивающихся трещин.

Приведенное объяснение следует вероятно, рассмат­ ривать как дополнение к гипотезе влияния недогрузок, трактующей вопрос с позиции диффузии инородных атомов к вершине трещины, а также выборочного упроч­ нения наиболее слабых зерен, которая не дает удовлет­ ворительного объяснения многим экспериментальным фактам.

Исследование влияния предварительного циклическо­ го нагружения ниже предела усталости на долговеч­ ность стальных образцов привело Окабо и Китаоку к выводу о существовании оптимального размера уста­ лостных трещин, способствующих влиянию предвари­ тельного нагружения на усталостную прочность.

ГЛАВА V

ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА НА СКОРОСТЬ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Для решения проблемы прочности и надежности выбор материала имеет не меньшее значение, чем обес­ печение рациональных конструктивных форм. По мере усложнения условий работы деталей изменяются крите­ рии оценки материала, определяющие его пригодность4 для тех или иных эксплуатационных условий.

При вероятности чисто усталостного разрушения на­ ряду с традиционными показателями конструктивного качества стали для циклически нагруженных деталей (предел выносливости и чувствительность к концентра­ ции напряжений) улучшение свойств материалов долж­ но идти по пути получения:

127

щин dljdN ;

в) повышенной сопротивляемости возникновения ус­ талостных трещин ІѴТ;

г) повышенной остаточной прочности при наличии более или менее развитых усталостных трещин.

Кроме того, в зависимости от частных условий долж­ ны, естественно, учитываться износостойкость, устойчи­ вость к коррозии, прочность при коррозии трения, при

мость стали хрупкому разрушению следует рассмат­ ривать как важнейшую характеристику качества мате­ риала.

Если детали работают в агрессивной среде и возмож­ но коррозионное растрескивание под напряжением, при разработке новых материалов для этих деталей допол­

А К в агрессивной среде.

Выбор материала на основе испытаний, позволяющих учитывать только момент возникновения трещин, может в некоторых случаях приводить к ошибочному заключе­

роста усталостных трещин и остаточной прочности, при­

128

Более того, влияние одних и тех же механических свой­ ств в различных работах представляется и как положи­ тельное, и как отрицательное; корреляционные статисти­

ясняется рядом причин, недостаточно учитываемых ис­

пришлось неоднократно упоминать на протяжении всей

Различия в скорости роста трещин, наблюдаемые в ма­ териалах с различными механическими свойствами при средних и отчасти высоких напряжениях, в значитель­ ной степени нивелируются при низких напряжениях, а статистические связи, устанавливаемые между механи­ ческими свойствами и скоростью роста трещин, опреде­ ленной при высоких напряжениях, не находят подтверж­ дения при учете скорости роста трещин при других уров­

При термической обработке большинства материалов снижение прочностных характеристик сопровождается повышением пластичности и вязкости, но в отдельных случаях этого не происходит. Поэтому учет только проч­ ностных или только пластических свойств может приве­

с т р у к т у р а , что искажает влияние чисто механическо­ го фактора. Далеко не безразлично, за счет какого фак­ тора и какого вида термической или иной обработки до­ стигнуто изменение механических свойств, т. е. очень

130