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

Рис. 66. Эскиз плоского образца

( « ^ = 2 , 7 )

скорость

роста трещим (при более

высоких

оѵ и ов ско­

рость роста снижается). Для двух

марок

конструкци­

онных сталей

сопоставлены

[2] скорости

роста

трещин

в плоских образцах

(рис. 66)

с

круглым

отверстием

в середине рабочей части

(«мягкий» надрез). Сталь St52

отличается от стали

St37

повышенным

содержанием

марганца

и более высокими

прочностными

характерис­

тиками. Обе стали испытаны в состоянии

нормализации

(табл.17).

В идеальном

случае при использовании

таких

образ­

цов

зарождение

трещин

происходит

на

четырех

краях

Т А Б Л И Ц А

17. 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

СТАЛЕЙ S137 И S152

Мн/м-(кГ/мм")

V

06,

Сталь

Мп

Si

s

Al

•ф.

С

Р

Ми/м-

верх ­

ниж ­

%

%

<кГ/мм-)

ний

ний

St37

0,10

0,57

0,25

0,030

0,027

0,028

317

283

415

41,5

72.7

(31,7)

(28,3)

(41,5)

St52

0,19

1,38

0,42

0,027

0,022

0,035

441

433

598

33,1

63,0

(44,1)

(43,3)

(59,8)

отверстия.

Рост

трещин фиксировали

автоматическим

оптическим

регистрирующим

устройством. Испытания

проводили

при симметричном

цикле растяжения — сжа­

тия.

Пределы выносливости сталей St37 и St52 при испы­

тании образцов

с надрезом

( а 0 = 2 , 7 )

различаются

300

200

Рис.

67. Результаты

испытаний

стали

St37 (а) и

St52 (б):

/ — кривые

выносливости;

2 — линии

повреждаемости;

3 — граничные

линии следов деформации

только на 40 Mhjmm2

(АкГ/мм2).

Однако

при напряже­

из стали

St52 разрушаются

после

приложения к ним

большего

количества

циклов

нагружения по

сравнению

с

образцами

из стали

St37. Долговечность

стали St52

в

2—3 раза

выше, чем стали

St37

(рис.67).

При нагружении стали S152

в области

напряжений

от ±280 до ±400 Мн/мм2 (от 28

до 40 кГ/мм2)

возможен

ца. Сталь St52 превосходит в 1,6—2 раза

S137 в отноше­

нии распространения трещин только в области

напряже­

ний от ±280 до 150 Мн/мм2 (от 28 до 15 кГ/мм2),

т. е. от

предела текучести стали S137 до предела

выносливости

стали S152. Для роста трещин от размера

0,1 мм до раз­

ствующих

верхней

части указанной области,

требуется

в 3 раза

большее

количество циклов, чем для

образцов

стали S137; при снижении напряжений это соотношение

уменьшается до 2 (табл. 18).

«Мягкий» надрез позволяет получить при цикличес­

ком нагружении

несколько

трещин.

Т А Б Л И Ц А

18.

ХАРАКТЕР

Р А С П Р О С Т Р А Н Е Н И Я Т Р Е Щ И Н

В СТАЛЯХ St37 И St52

Количество циклов нагружения, необходи­

Амплитуда

мое для развития трещины

напряжения

±0" ,

длнноіі 0,1 мм д о разрушения образцов

Мн/м'(кГ/мм")

из St37(W3 7 )

из St52(/Vj,)

280(28)

<500

«1600

-

3

180(18)

<100 000

« 1 8 0 000

~

2

160(16)

« 2 8 0 000

« 5 5 0 000

~

2

150(15)

« 4 2 0 000

>107

>24

110(11)

>107

>10'

—

В л и я н и е т е м п е р а т у р ы

от п у с к а

п о с л е

з а к а л к и

и

о т п у с к н о й

кГ/h

,3/2

X р у п к о с т и исследовано

па за­

120

2й0

каленных в масле и отпущенных

1

при различных

температурах об­

8

разцах из стали 4340 (0,41% С;

6

rJ\o

1,83%

Ni; 0,72%

Мп; 0,33%

Si;

0,78%

Cr;

0,26%

Mo),

которые

4 'ото

испытывали

при

нагруженин

по

синусоидальному

циклу

с

часто­

2 л /а/У/

той 3 сек-1

[57]. Одновременно

0

1 1

80

обработанные

таким

же образом

40

образцы были испытаны на ста­

К,с,Пн/п3/г

тическое растяжение

и

ударный

изгиб

для

определения

вязкости

Рис. 68.

Связь м е ж д у

пока­

разрушения,

ударной

вязкости и

зателем

степени

п

в

урав­

щин

и

вязкостью

разруше­

температуры

перехода

в хрупкое

нении

скорости

роста

тре­

ния К1С

состояние.

плоские

образ­

Использовали

цы 300X78X2,5 мм с

централь­

ным

отверстием;

за

ростом

трещин

следили

методом

К =

о0ѴТа,

где

а = 1 , 7 7

[1—0,1 (2Цхе)

+ (2//ш)2 ].

Для выражения скорости

роста трещин использова­

ли

уравнение

d(2l)dN

= С(ЛлО".

Вязкость

разрушения

при

плоско-деформированном

состоянии Кіс (при испытании

получен плоский излом)

но увеличивается,

тогда как при tncn=—50°

С почти

не

изменяется, если

не считать

небольшого

снижения

Кіс

при температурах

отпуска

от 320 до 430° С (рис. 69).

кое состояние, т. е. состояние отпускной

хрупкости при

отпуске в

диапазоне 260—320° С.

Обобщение

результатов

усталостных

испытаний, про­

веденных

при

комнатной

температуре

и при —46° С,

жение

происходит только в случае

повышения темпера­

туры

отпуска

до

320° С;

затем

оно

сменяется

увеличением скорости роста

трещин (табл.19).

Указанный характер изменения величины показателя

п в зависимости

от

температуры

отпуска

типичен не

ключить, что как при

положительных, так и при отри-

1Q-3

145

Т А Б Л И Ц А 19.

И З М Е Н Е Н И Е

КОНСТАНТ У Р А В Н Е Н И Я

СКОРОСТИ

РОСТА Т Р Е Щ И Н

dl/dN=C(AK)"

п при г 1 1 с п

С при

С, І С П

Т е м п е р а т у р а

о т п у с к а ,

°С

—'16° с

+ 20° С

—К" с

+'20° С

210

2,89

3,83

35,3-10—9

2,0 - 10 - »

260

2,53

• 2,76

88,6 - 10 - °

56,5 - 10 - °

320

2,24

2,46

208-10-°

118,2-10-»

380

2,26

3,02

211-10-°

19,0-10-»

430

—

3,24

—

9,65-10-°

н а т е л ь н ы х

т е м п е р а т у р а х испытания

с к о р о с т ь

роста

у с т а ­

л о с т н ы х

т р е щ и н

в ы р а ж а е т с я

у р а в н е н и е м

dl/dN

=

= С(Дл')", причем

констан ­

ты у р а в н е н и я и з м е н я ю т с я с

т е м п е р а т у р о й отпуска

и

ис­

пытания .

Сталь 4340 и д р у г и е

низ­

к о л е г и р о в а н н ы е

стали

под­

вержены

о т п у с к н о й

хрупко­

сти. Однако при низких зна­

чениях

у д а р н о й

в я з к о с т и

в

и н т е р в а л е

т е м п е р а т у р

отпу -

94

188 282 376 478 564 658

С К А -

В Ы З Ы В Э Ю Щ И Х

ОТПуСК-

Геплература, °С

ную

хрупкость,

скорость ро ­

ста

т р е щ и н и с о о т в е т с т в у ю ­

Рис.

70.

Связь

м е ж д у показателем

щий

п о к а з а т е л ь

п

также

степени п в уравнения скорости ро­

имели

и а и н и з ш и е

з н а ч е н и я .

ста

трещин и температурой отпу­

ска низколегированных

сталей

То, что о т п у с к н а я

х р у п к о с т ь

• в данном

с л у ч а е

не с о п р о ­

в о ж д а е т с я

у в е л и ч е н и е м с к о р о с т и

роста т р е щ и н ,

по-види­

ста т р е щ и н ,

так как п р и р о с т длины т р е щ и н ы

за цикл

н а г р у ж е и и я

по п о р я д к у равен р а з м е р у з е р н а

(около

чавшихся содержанием углерода (0,37%; 0,47%

и 0,87%)

и

механическими

свойствами

[а в

составлял

570,

640

и

720 Мн/м2

(57,0;

64,0

и 72,0

кГ/мм2) ; стт —

330,

350

и 370 Мн/м2

(33,0; 35,0 и 37,0 кГ/мм2);

Ô5—25, 22 и 14%].

Результаты

испытаний образцов из указанных сталей

обобщаются одним уравнением

dlW

= С(А/С)4.

толщина 25,4

и 50,8 мм) при однозначном

растяжении.

Обобщенные

данные

показывают, что за

исключением

Т А Б Л И Ц А

20. 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 СТАЛЕЙ

Сталь

с

Мп

Si

Ni

Cr

Mo

Co

HY-80

0,16

0,30

0,22

2,25

1,42

0,29

HY-130

0,11

0,80.

0,30

4,91

0,56

0,58

—

lONi—Cr—Mo-Со

0,12

0,10

0,06

9,88

2,09

1,05

8,00

12Ni—5Сг—ЗМо

0,02

0,06

0,06

12,16

4,94

2,92

—

10*

147

Продолжение

табл. 20

Сталь

Мн/мЦкГ/мм-)

V

б „ %

Ф. %

Мн/м'(кГ/яш'')

HY-80

610(61,0)

730(73,0)

25

72

HY-130

970(97,0)

1020(102,0)

19

70

lONi—Cr—Mo— Со

1335(133,5)

1440(144,0)

17

72

12Ni—5Сг—ЗМо

1293(129,3)

1300(130,0)

14

62

I

I

I

I

I

0.25

2,5

25

250

2500

dl/dN-W~,5riM/uim[)

Рис.

71.

Зависимость

м е ж д у скоростью

роста усталост­

ных

трещин и размахом интенсивности напряжений для

сталеЛ,

указанных в

табл .

20

С—(0,27

—0,66)-Ю- 8 при одинаковом показателе накло­

на линии

п = 2,25, можно

сделать вывод, что по сравне­

нию с А

К механические

свойства, состав и геометрия

на

различную

твердость

(табл. 21 и 22).

Для хрупких материалов с низким значением Ки (за­

каленные

на

высокую

твердость стали

4340

и

H—11

с твердостью

56HRC)

показатель степени п доходит до

6, тогда как для

вязкой

мартенситно-стареющей

стали

(та

же

сталь

4340,

но закаленная

на

твердость

Т А Б Л И Ц А

21. Х И М И Ч Е С К И Й СОСТАВ

{%) В Ы С О К О П Р О Ч Н Ы Х

М Л Р Т Е Н С И Т Н О - С Т Л Р Е Ю Щ И Х СТАЛЕЙ

Сталь

С

Мп

р

s

Si

Cr

Mo

V

Ni

Co

Ti

Н-11

0,41

0,30

0,030

0,009

0,78

4,84

1,22

0,49

4340

0,40

0,72

0,011

0,014

0,33

0,84

0,23

—

1,72

—

—

18—Ni

0,02

0,04

0,010

0,009

0,09

—

4,90

—

18,00

8,05

0,50

Т А Б Л И Ц А

22. М Е Х А Н И Ч Е С К И Е СВОЙСТВА

И ПОКАЗАТЕЛЬ

СТЕПЕНИ п У Р А В Н Е Н И Я СКОРОСТИ

РОСТА Т Р Е Щ И Н

В Ы С О К О П Р О Ч Н Ы Х

М А Р Т Е Н С И Т Н О - С Т А Р Е Ю Щ И Х

СТАЛЕЙ

4340

95

1330

2340

56

7,2

17,2

0,089

0,191

41,7

6,73

(133)

(234)

(4,17)

4340

260

1530

1720

51

7,5.

26,3

0,039

0,307

61,2

3,29

(153)

(172)

(6,12)

4340

540

1120

1210

36

11,5

38,8

0,043

0,489

91,7

3 , 1 /

(112)

(121)

(9,17)

4340

785

430

668

12

2,40

53,3

0,133

0,761

55,6

3,95

(43)

(66,8)

(5,56)

18Ni

485

1700

1780

52

5,7

31,0

0,020

0,372

84,5

2,68

(170)

(178)

(8,45)

18—Ni

600

1500

1600

46

9,8

35,6

0,039

0,438

90,3

2,53

(150)

(1600)

(9,03)

H—11

515

1430

1970

56

5,5

31,8

0,033

0,383

25,3

6,62

(143)

(197)

(2,53)

* s / = l n ( l — I | J ) .

* * / i = l n ( l +

en),

где e„—максимальная деформа­

ция .