книги из ГПНТБ / Школьник, Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла
.pdfважно, произойдут ли при этом структурные и фазовые превращения или нет.
4. На величине характеристик механических свойств,
как правило, не отражается |
о с т а т о ч н о е |
н а п р я |
ж е н и о е с о с то я и и е детали |
или образца, |
которое |
оказывает значительное влияние на скорость роста тре щин и может перекрыть влияние механических свойств.
5. Не учитывается |
различное |
влияние, которое мо |
|
жет оказывать |
уровень |
средних, |
т.е. с т а т и ч е с к и х |
н а п р я ж е н и й |
цикла. |
|
|
6. В л и я н и е с п о с о б а в ы п л а в к и, р а с к и с л е - и и я, в а к у у м и р о в а н и я э л е к т р о ш л а к о в о г о п е р е п л а в а стали, отражающееся на dl/dN и К[С в большей степени, чем на других механических свойствах.
1.ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
ИМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Для анализа скорости роста трещин в сталях, нике ле, монельметалле, бронзе, меди и некоторых других материалах с различными модулями упругости (табл. 12)
использован критерий А = а31 |
(см. стр. 98). |
Критическое |
|
значение константы А = а~\1Р, |
при котором |
трещина не |
|
растет, устанавливали |
по диаграммам аз/—N таким же |
||
образом; как и предел |
выносливости. |
|
|
Исследование [54] выполнено на плоских образцах |
|||
толщиной 5—7 мм с острыми |
боковыми надрезами при |
||
частоте 5000 и 9000 мин.-1. Предварительно |
выращивали |
||
усталостные трещины, после чего образцы прострагивали на глубину надрезов. Для релаксации остаточных нап ряжений производили отпуск образцов в вакууме.
Между критерием А и механическими свойствами материала внутри каждой исследованной группы тесной связи нет. Например, для четырех исследованных сталей значения А различаются мало, тогда как величины о-і различаются более чем в два раза.
Следует отметить, что для материалов с более высо ким модулем упругости Е характерны повышенные зна
чения А . Так, сплавы железа и никеля, обладающие на
ибольшим среди |
исследованных |
материалов значением |
||
Е, имеют |
самое |
высокое |
значение А . Убывание Е при |
|
переходе |
к сплавам на |
основе |
меди и алюминия, со- |
|
9* |
131 |
Т А Б Л И Ц А 12. ХИМИЧЕСКИ Й СОСТАВ, МЕХАНИЧЕСКИ Е СВОЙСТВА |в Л1н',иг (кГ/мм*)] И Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И РОСТА Т Р Е Щ И Н Р А З Л И Ч Н Ы Х МАТЕРИАЛО В ( „ _ ] Н А БАЗЕ 50 М Л Н . Ц И К Л О В )
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
А |
|
|
|
Материал |
|
|
|
|
6. % |
а 0 . І |
0 - 1 |
|
А |
|
F — |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 — 1 |
|
Мягкая |
|
углеродистая |
378 |
(37,8) |
— |
— |
175,0 |
(17,5) |
77,5 (7,75) |
342 000 |
0,0636 |
1950 |
||||||
Низколегированная сталь |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
(0,13% |
|
С; |
|
0,84% |
Cr; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0,043% |
|
V; |
|
1,0% |
Мп; |
730 |
(73,0) |
15 |
690 |
(69,0) |
405,0 (40,5) |
77,5 (7,75) |
342 000 |
0,0051 |
844 |
|||
1,19% |
Ni; |
0,48% |
Mo) . |
|||||||||||||||
Аустенитная |
сталь |
18-8 |
600 |
(60,0) |
46 |
244 |
(24,4) |
310,0 |
(31,0) |
54,0 (5.4) |
370 000 |
0,0124 |
1190 |
|||||
(0,13% |
|
С; |
|
8,55% |
Ni; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0,42% |
Si; |
|
18,78% |
Cr) |
810 |
(81,0) |
— |
— |
432,0 (43,2) |
50.6 (5,06) |
342 000 |
0,0043 |
790 |
|||||
Cr—Ni |
|
сталь |
|
|
||||||||||||||
Инконель |
|
(76,23% |
Ni; |
580 |
(58,0) |
37 |
222 |
(22,2) |
196,0 |
(19,6) |
87.5 (8,75) |
493 000 |
0,066 |
2510 |
||||
6,3%, Fe; 16,3% Cr) |
. . |
|||||||||||||||||
Никель |
(99,35%) . |
. . |
427 |
(42,7) |
34 |
248 |
(24,8) |
122,0 |
(12,2) |
87.5 (8,75) |
460 000 |
0,254 |
3760 |
|||||
Монель |
|
|
(31,2% |
Си; |
400 |
(40,0) |
41 |
223 |
(22,3) |
213,0 |
(21,3) |
67,5 (6,75) |
245 000 |
0,0254 |
1160 |
|||
66,9% |
Ni) |
|
|
|
|
|||||||||||||
Фосфористая |
|
бронза |
283 |
(28,3) |
66 |
109 |
(10,9) |
114,6 |
(11,46) |
43.6 (4,36) |
106 300 |
0,0706 |
930 |
|||||
(94,05% |
Си; |
4,2% |
Sn) . |
|||||||||||||||
Латунь |
|
|
|
(60,3% |
Си; |
291 |
(29,1) |
57 |
87,6 |
(8,76) |
91,0 |
(9,1) |
44,6 (4,46) |
68 300 |
0,0806 |
750 |
||
39,7% |
Zn) |
|
|
|
|
|||||||||||||
М е д ь |
|
|
|
|
|
|
196 |
(19,6) |
— |
— |
54,0 |
(5,4) |
3,65 (0,36) |
21 200 |
0,250 |
393 |
||
Сплав |
AI—4,5% Си |
. . |
390 |
(39,0) |
— |
— |
122,0 (12,2) |
25,6 (2.56) |
12 700 |
0,007 |
104 |
|||||||
АЛЮМИНИЙ |
(99,7%) |
. . |
68,8 |
(6,88) |
45 |
27,0 |
(2,7) |
23,6 |
(2,36) |
14,8 (1,48) |
2 160 |
0,165 |
80 |
|||||
провождается |
убыванием А. Скорость роста трещин, на |
|||
оборот, возрастает при переходе |
от сплавов |
железа и |
||
никеля к медным и алюминиевым |
сплавам. |
|
||
Связь скорости роста трещин |
с модулем |
упругости |
||
определяется |
тем, что развитие трещины |
зависит от то |
||
го, насколько |
широко она раскрывается |
в течение цик- |
||
/ г J 4 S 6 7 6m/6a
Рис. 62. Изменение критерия Ат — аЧ в зависимости от ° т І а а ' а — алгоминиево-медный сплав; б — бронза и титан; в — медь; г—ни
кель (/) и монель (2); а — с т а л и : 18/8 (/); мягкая углеродистая (2);
низколегированная (3)
ла нагружения. Для трещины определенной длины рас крытие «берегов» будет изменяться обратно величине Е и. потому при данном напряжении у материала с мень
шим Е раскрытие будет |
больше. |
|
|
Скорость роста усталостных |
трещин |
оказывается |
|
приблизительно одинаковой в |
различных |
материалах, |
|
если она выражена не в |
амплитудах напряжений, а в |
||
амплитудах деформаций, так как максимальное раскры тие устья трещины зависит от деформации материала;
Данные, приведенные на рис.62 и на рис.63; переведе-
133
ны в амплитуды |
деформации |
Ат/Е3 |
и |
представлены |
|||||||||
в зависимости |
от от/оа- |
Разброс минимальных |
значений |
||||||||||
значительно |
снизился по сравнению |
с диаграммами |
на |
||||||||||
рис. 62. |
Если |
исключить |
результаты для |
меди, |
низколе |
||||||||
|
|
|
|
|
|
гированной H мартенсит- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
но-стареющей стали, то |
|||||||
|
|
|
|
|
|
минимальное |
значение |
А |
|||||
|
|
|
|
|
|
для |
остальных |
10 |
иссле |
||||
|
|
|
|
|
|
дованных |
|
материалов |
|||||
|
|
|
|
|
|
близко |
к 0,2 |
£ 3 / Ю 1 4 . Низ |
|||||
|
|
|
|
|
|
кие |
минимальные |
значе |
|||||
|
|
|
|
|
|
ния |
Ат |
для |
меди |
объяс |
|||
|
|
|
|
|
|
нены |
влиянием |
коррозии, |
|||||
|
|
|
|
|
|
так как наличие влаги в |
|||||||
|
А ѵ Я ^ |
|
|
атмосферном |
воздухе |
в |
|||||||
|
|
|
значительной |
|
степени |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
1 |
3 |
|
5 |
|
-1 |
влияет |
па |
скорость |
роста |
||||
|
7 |
9 |
трещин в |
этом |
материа |
||||||||
|
|
бт/ба |
|
aie |
ле. |
|
Низколегированная |
||||||
G3. |
Изменение |
отношения |
и мартенситыо-стареющая |
||||||||||
в |
зависимости |
от |
о „ . / о . |
|
стали |
показали |
более |
||||||
|
|
|
|
|
|
низкие |
значения |
Л „ т і п , |
|||||
чем мягкая сталь, хотя при симметричном цикле вели чина А достаточно близка к полученным для остальных сталей.
Таким образом, в целом можно заключить, что для
разных материалов с одинаковым модулем |
упругости |
значения Л т т і | 1 весьма близки между собой. |
Возмож |
ность развития краевой трещины длиной /, глубина ко торой мала по сравнению с шириной образца, при цик
ле От±Оа(от^оа |
и |
ат-\-оа<іоТ |
зависит, |
как |
показали |
|
испытания образцов |
из 12 материалов, |
от |
величины |
|||
При <7ц/>Л т трещина будет |
расти, при |
а\1<.Ат— |
||||
трещина не растет |
(Л,„ зависит |
от материала |
и аш /о"а). |
|||
Естественно, что существует минимальное значение |
||||||
длины и циклического раскрытия трещины, ниже |
кото |
|||||
рого трещина |
не будет расти. Из уравнения А = а31р |
мож |
||||
но установить длину /р поверхностной трещины, которая
может быть допущена без опасности снизить |
усталост |
ную прочность материала (/р определяется |
при а = |
= 0Г-.). |
|
Кратко рассмотрим характеристику F*=A/e-.{. Де^
184
таль, сконструированная с учетом |
а-і из |
материала |
с более высоким значением F, будет |
более |
надежно ра |
ботать при циклических нагрузках, чем деталь из мате риала с более низким F. Это следует из того, что в слу чае, если трещина возникает при непредвиденных обсто
ятельствах, |
циклические напряжения, необходимые |
для |
ее роста, будут составлять тем большую долю от |
рас |
|
четных, чем |
выше F. Коэффициент F можно рассматри |
|
вать как характеристику степени устойчивости матери ала против усталостного разрушения.
Материалы, содержащиеся, в работе [49], позволяют проанализировать случай снижения прочностных свойств, сопровождающегося как падением, так и повы шением характеристик пластичности (рис.64). Химиче ский состав сталей приведен в табл.13. Скорость роста трещин устанавливалась при двух уровнях действующих напряжений на образцах 400X100X10 мм с централь ным отверстием.
Т А Б Л И Ц А |
13. Х И М И Ч Е С К И Й |
СОСТАВ СТАЛЕЙ СкбО И N - A - XTRA |
(в %) |
|||
Сталь |
с |
Мп |
Si |
Mo |
|
Cr |
СкбО |
0,57—0,65 |
0,65 |
0,25 |
|
|
|
N-A-XTRA |
0,18 |
0,85 |
0,75 |
0,50 |
1,03 |
|
При изменении температуры |
отпуска |
от |
700 |
до |
||
1300°С прочностные характеристики стали СкбО снизи лись, причем это сопровождалось уменьшением пластич ности. С повышением температуры отпуска прочностные характеристики стали Af=/1 = XTRA также уменьши лись, но это сопровождалось не снижением, а повыше нием пластичности.
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что для стали N=A=XTRA характерна тесная положи тельная корреляционная связь между скоростью роста трещин и прочностными характеристиками, при отрица тельной связи с характеристиками пластичности (табл. 14). Для стали СкбО проявляется тесная отрицательная связь как с прочностными, так и с пластическими хара ктеристиками. Отсутствие однозначной зависимости для
135
J |
I |
I |
I _L |
Тепператуоа |
отпуска. °L |
|
Рис. 64. Зависимость характеристик прочности н скорости |
роста трещин |
|
в сталях N — A — XTRA (/) и СкбО |
(2) от температуры |
отпуска |
136
обеих марок стали, возможно, объясняется протекани ем различных структурных превращений. Во всяком слу чае достоверно установлено, что для обеих сталей ско рость роста трещин тем ниже, чем выше пластичность.
Т А Б Л И Ц А 1-1. К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т Ы К О Р Р Е Л Я Ц И И , В Ы Р А Ж А Ю Щ И Е
С В Я З Ь |
М Е Ж Д У М Е Х А Н И Ч Е С К И М И СВОЙСТВАМИ СТАЛЕЙ СкбО |
||||
|
И N - A - XTRA И СКОРОСТЬЮ |
РОСТА |
Т Р Е Щ И Н |
|
|
Сталь |
Действующее |
|
|
|
fi |
напряжение |
|
стт |
ц> |
||
|
ЛІн/,«'-'(кГ/лілі-) |
|
|
|
|
СкбО • |
250(25) |
—0,80 |
—0,98 |
—0,93 |
—0,36 |
N-A-XTRA |
250(25) |
0,81 |
0,67 |
—0,93 |
—0,73 |
|
150(15) |
0,63 |
0,55 |
—0,58 |
— |
Повышение прочности, сопровождающееся |
снижени |
||||
ем пластичности, действует отрицательно, вызывая уско рение роста трещин.
Следует отметить, что с понижением уровня дейст вующих напряжений корреляционная зависимость меж ду скоростью роста трещин и механическими свойствами
ослабевает. |
Для |
стали |
N-A-XTRA при снижении |
|||
напряжений |
с 250 до 150 Мн/м2 |
(с 25 до 15 |
кГ/мм2-) |
|||
значения коэффициентов корреляции |
уменьшились не |
|||||
значительно, тогда как для стали |
СкбО они снизились до |
|||||
нуля. |
|
|
|
|
|
|
В л и я н и е с т а р е н и я |
на скорость |
роста |
усталост |
|||
ных трещин в различных алюминиевых сплавах |
исследо |
|||||
вали на плоских |
образцах |
(240Х25ХЮ мм) при пере |
||||
менном растяжении — сжатии [81]. Образцы были снаб жены поперечным односторонним надрезом в виде щели
длиной 11 мм. |
Распространение трещины изучали по |
||
электрои иой микрофр актогр а м ме. |
|||
Механические |
свойства |
и характеристики С и а в |
|
уравнении скорости роста |
трещин dl/dN='С (АК)п при |
||
ведены в табл.15 |
|
|
|
Значения lg С изменялись |
от 4,36 до 7,71. Наиболь |
||
шие значения соответствуют |
AI—Si—Mn—Mg-сплаву |
||
в состоянии естественного и искусственного старения по сле закалки. Статистическая обработка эксперимен-
137
Т А Б Л И Ц А 15. Т Е Р М И Ч Е С К А Я ОБРАБОТКА . М Е Х А Н И Ч Е С К И Е СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ У Р А В Н Е Н И Й СКОРОСТИ РОСТА Т Р Е Щ И Н А Л Ю М И Н И Е В Ы Х С П Л А В О В
Сплав
Al—2,5Mg
Al—4,5Mg
Al—Si—Mn—Mg
To же
»
5A1—Zn—Mg
To же
»
Термическая |
|
V |
6. % |
нѵ |
- ige |
п |
<Ѵс в |
|
обработка |
Мн/мг(кГ/мм*) |
|||||||
Мн/м-(кГ/мм') |
||||||||
Нет |
133(13,3) |
232(23,2) |
21 |
66 |
5,48 |
3 , 0 7 ± 0 , 2 5 |
0,573 |
|
» |
240(24,0) |
350(35,0) |
— |
101 |
4,36 |
2,42x0,25 |
0,686 |
|
530° С/1 ч + |
132(13,2) |
277(27,7) |
24 |
72 |
7,71 4 , 3 3 ± 0 , 3 2 |
0,476 |
||
+ 2 0 ° С/144 ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
530° С/1 <( + |
293(29,3) |
342(34,2) |
18 |
112 |
6,'37 |
3,47^0,17 |
0,857 |
|
+ 175° С/8 •( |
|
|
|
|
|
|
|
|
530° С/1 <j-f- |
209(20,9) |
256(25,6) |
18 |
78 |
5,58 |
2,95 ± 0 , 3 0 |
0,818 |
|
+220° С/8 н |
|
|
|
|
|
|
|
|
465° С/1 ч + |
184(18,4) |
352(35,2) |
14 |
58 |
5,49 |
3 , 1 2 ± 0 , 2 5 |
0,524 |
|
+ 2 0 ° С/144 ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
465° С/1 « + |
392(39,2) |
444(44,4) |
13 |
134 |
4,87 |
2,64x0,28 |
0,883 |
|
+120° С/24 ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
465° С/1 ч + |
280(28,0) |
340(34,0)' |
13 |
115 |
4,83 |
2,71+0,15 |
0,822 |
|
+ 175° С/8 -( |
|
|
|
|
|
|
|
|
тальных данных,'приведенных в работе [81], показала, что связь между характеристиками механических свойств и показателем степени п в уравнении роста ха рактеризуется следующими коэффициентами корреля ции:
Р К |
») =-- - 0,52; р (стп, п) = |
— 0,40; р (ат ап , п) = — 0,44. |
||
С |
увеличением а т и ап |
скорость |
роста усталостных |
|
трещин |
в исследованных |
сплавах |
снижалась (рис. |
|
65,а). |
Наиболее тесная статистическая связь обнаруже- |
|||
•dl/dN'C(ùK)''
HS) (го) (?5) |
(J0) ш со) |
|
|
Рис. 65. Влияние 0"т |
н _ 0" в на показатель п в уравнении роста усталостных тре |
||
щин в алюминиевых |
сплавах |
(а) и на твердости НѴ в бронзе (б): |
|
/ — ff m =3 2 Мн/м2 |
(3,2 |
кГ/мм2); |
2 — 47,5 (4,75); 3 — 64,0 (6,4); 4 — 80(8) |
на между скоростью роста трещин и пределом текучес
ти материала. |
|
|
|
Отсутствие связи |
между |
скоростью |
роста трещин |
и твердостью, вытекающее из результатов |
данного ис |
||
следования, нельзя |
считать |
общей закономерностью. |
|
Например, на образцах бериллиевой бронзы была выяв лена Четкая зависимость между указанными характерис тиками.
Связь |
между |
с к о р о с т ь ю |
р о с т а |
т р е щ и н . |
||||
и т в е р д о с т ь ю бериллиевой |
бронзы (1,7—1,9% Be; |
|||||||
0,06—0,4% Со), состаренной при различных |
температу |
|||||||
рах |
(210—300°С), устанавливали |
[98] при циклическом |
||||||
•растяжении |
образцов 450X100 |
мм, имеющих |
централь |
|||||
ный щелевидный |
надрез с острыми |
вершинами. Ско |
||||||
рость роста |
трещин описывается |
уравнением |
dl/dN— |
|||||
Aa3l. |
Зависимость |
константы |
А |
от |
твердости |
бронзы |
||
139
и уровня |
средних напряжений |
ат представлена |
на |
||||
рис. 65. С увеличением |
твердости |
скорость роста |
тре |
||||
щин снижается. Искусственное |
старение |
исследованно |
|||||
го сплава приводит к уменьшению |
скорости при фикси |
||||||
рованном значении ат; |
при одной |
и той |
же твердости |
||||
повышение |
ат |
вызывает |
ускорение |
роста |
трещин. В ко |
||
нечном счете |
скорость |
роста |
трещин |
в бериллиевой |
|||
бронзе становится такой же, как в меди, т. е. в матрице.
Одновременно с повышением ат |
процесс |
роста |
трещин |
||||||
становится |
более плавным, без |
остановок |
и |
ступенек. |
|||||
Последние |
два обстоятельства связывают |
с |
влиянием |
||||||
остаточных |
напряжений, окружающих |
зоны |
|
Гинье— |
|||||
Престона. При высоком уровне ат |
происходит |
|
релакса |
||||||
ция остаточных напряжений. |
|
|
|
|
|
|
|||
Особый |
интерес представляет |
изучение |
с к о р о с т и |
||||||
р о с т а |
т р е щ и н |
в в ы с о к о п р о ч н ы х |
|
|
с т а л я х |
||||
в связи |
с проблемой |
облегчения |
веса при |
сохранении |
|||||
достигнутого уровня |
надежности. |
В |
этом |
отношении |
|||||
весьма |
перспективными, как известно, |
являются |
мартен- |
||||||
ситно-стареющие стали. При изучении марок 250 и 300 указанной стали (табл.16) оптический (измерительный микроскоп) и электроинофрактографический методы оказались в одинаковой степени пригодными для опре деления скорости роста трещин. Исследование выпол нено на плоских образцах 300X100X7 мм с централь ным щелевидным надрезом, начальные усталостные тре щины имели длину 12—14 мм. Установлено [99], что скорость роста усталостных трещин в обеих сталях опи
сывается |
зависимостью |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
di'dN - |
1!М(АК)\ |
|
|
|||
где M — константа материала. |
|
|
|
|
|||||
|
|
Т А Б Л И Ц А |
16. Х И М И Ч Е С К И Й |
СОСТАВ |
(%) |
|
|||
И. М Е Х А Н И Ч Е С К И Е |
СВОЙСТВА М А Р Т Е Н С И Т Н О - С Т А Р Е Ю Щ И Х СТАЛЕП |
||||||||
|
|
|
М А Р О К |
250 И |
300 |
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
а т |
|
|
Сталь |
Мп |
Ni |
Mo |
•Со |
Ті |
Мн/м"(кГ/мм-) |
б, % |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
250 |
0,05 |
<0,02 |
19,33 |
4,70 |
8,65 |
0,50 |
1730 |
1840 |
7,6 |
|
|
|
|
|
|
|
(173) |
(184) |
|
300 |
0,05 |
<0,02 |
18,88 |
4,78 |
8,59 |
0,74 |
1970 |
2080 |
4,1 |
|
|
|
|
|
|
|
(197) |
(208) |
|
140