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

костью сильное влияние оказывает влажность воздуха. Это обстоятельство необходимо учитывать при оценке скорости роста трещин в таких материалах.

При низких К скорость роста приблизительно посто­ янна для всех исследованных материалов, несмотря на

Влияние поверхностного наклепа на скорость роста трещин при низком уровне напряжений может быть про­ иллюстрировано данными, полученными на углеродистой строительной стали (рис. 73) [44].

Можно провести аналогию между скоростью роста

J5I

трещин при низких К и. пределом выносливости образ­ цов с острым надрезом. И в том, и в другом случае рас­ сматриваемые характеристики меньше зависят от свойств материалов. При наличии острого надреза долговечность можно рассматривать как длительный период развития

6,Мн/м2(кГ/ппг) 2Ь0 (2І)

ai 02 04 on 2 i 7 10 0,1 0,2 0,4 0,7 1 г it i ю

•Число цинлоо, N- JО 6

•— излом):

•без наклепа; 0 - поверхностным наклепом концентраторов на­

пряжений

трещины. Эта аналогия правомочна потому, что предел выносливости всегда ниже такого напряжения, которое может вызвать излом и, таким образом, "предел выносли­ вости при остром надрезе является по-существу наиниз­ шим напряжением, которое может вызвать рост тре­ щины.

При переменных нагрузках происходит циклическое деформирование материала в зоне вершины трещины. Связь скорости роста трещин с суммированием повреж-

152

153

ния деформации вблизи вершины оптическим интерфе­ ренционным методом.

Расчет, выполненный для образцов 7075-Т6 с цен­ тральным отверстием, показал вполне удовлетворитель­ ное совпадение с экспериментом; то же отмечено для других материалов. Уравнения позволяют не только рас­ считывать скорость роста трещин, но и устанавливать корреляцию между этой скоростью в различных мате­ риалах и характеристиками их статического и цикличес­ кого деформирования. При достаточно малом отношении ст/стт • 0,2 и при одинаковой геометрии образцов скорость роста трещин менее точно может быть выражена урав­ нением

но считать константой материала.

Таким образом, поскольку сопротивление материала росту усталостных трещин отражает его способность вы­

роста трещин. Как было показано, расчетное и экспери­ ментальное значения скорости роста трещин хорошо кор­ релируют между собой.

Установлено, что наряду с анизотропией других меха­ нических свойств вдоль и поперек прокатки существует анизотропия скорости роста трещин. Рост усталостных трещин изучали в листовых образцах анизотропных ма­ териалов— алюминиевых и титановых сплавов Д16-АТ, 01911-Т1 и ВТ1-1М [61]; образцы имели центральное отверстие и прорези по диаметру. Образцы из алюминие­ вых сплавов разрушались в условиях плоского напря­ женного состояния (угол между поверхностями излома и образца близок к 45°), а образцы из титанового спла­ ва — в условиях плоской деформации (плоскости их из­ ломов перпендикулярны к поверхности образца). Поэто-

154

му соответствующие значения коэффициентов интенсив­ ности напряжений в вершине трещины общей длиной 21 вычисляли по различным формулам.

При плоском напряженном состоянии:

при плоской деформации (в общем случае — для объ­ емного напряженного состояния) :

Скорость роста трещин вдоль направления прокатки была значительно выше, чем поперек этого направления и под углом 45° к нему. В табл. 24 приведены параметры разрушения при одном и том же произвольно взятом значении долговечности образцов из листа ВТ1-1М. Ана­ логичные результаты получены и для других исследован­ ных сплавов.

ТА Б Л И Ц А 24. ПАРАМЕТРЫ . Р А З Р У Ш Е Н И Я

ВР А З Л И Ч Н О О Р И Е Н Т И Р О В А Н Н Ы Х О Б Р А З Ц А Х из листов BTI—IM П Р И N=27000 Ц И К Л О В

155

Испытания проводились при асимметричном отнулевом цикле растяжения с частотой 6 мин-1. Для последу­ ющей фрактографической оценки скорости роста трещин через каждые 1000 циклов нагрузку снижали, что при­ водило к образованию слабых отметок на изломе.

Скорость роста трещин вдоль и поперек прокатки оказалась различной (табл. 25). Сопротивление распро­ странению усталостных трещин в обеих сталях было больше по толщине, чем в осевом направлении, что мож­ но объяснить формой и ориентировкой неметаллических включений. Эти включения обычно вытянуты в осевом направлении и могут тормозить развитие трещин по толщине.

Влияние текстуры материалов с г. ц. к. решеткой на рост усталостных трещин исследовано на образцах сплава AI—2,5 Mg, меди и сверхчистого алюминия [63]. Установлено, что кристаллографическая текстура ока­ зывает существенное влияние на механизмы зарожде­ ния и распространения трещин. Начальные усталостные повреждения в материале со структурой холодной про-

.. катки накапливаются в результате образования ячеис­ той субструктуры (механизм Я), тогда как в отожжен­ ном материале с кубической текстурой — в результате накопления локализованных сдвигов по плоскостям

16?

Т А Б Л И Ц А 26. М Е Х А Н И З М Н А Ч А Л Ь Н Ы Х С Т А Д И И УСТАЛОСТИ

ВЗ А В И С И М О С Т И ОТ ТЕКСТУРЫ

ИУ 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 Й

Влияние дисперсионного твердения в результате ис­ кусственного или естественного старения обнаруживает­

15В

же-iiiie скорости роста трещин за счет повышения чисто­ ты стали достигало десятикратной величины. Макси­ мальный эффект получен при большем А/С и при более низком R. Эффект чистоты стали при испытании на воз­ духе был более заметен, чем в вакууме.

2. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Упрочнение детален путем поверхностного пластиче­ ского деформирования и методами химико-термической обработки является весьма эффективным средством не только повышения их общей усталостной прочности, но и снижения скорости роста трещин. Поверхностный слой играет чрезвычайно важную роль в усталостных процес­ сах, являясь местом образования полос скольжения и трещин, приводящих в конечном счете к усталостному разрушению. На поверхности сосредоточено наиболь­ шее количество конструктивных, технологических и экс­ плуатационных концентраторов напряжений, снижаю­ щих уровень прочности и ускоряющих возникновение трещин.

Остаточные напряжения сжатия, возникшие в по­ верхностной зоне деталей при их поверхностном пласти­ ческом деформировании или в результате термической и химико-термической обработки, оказывают сущест­ венное влияние на закономерности зарождения и разви­ тия усталостных трещин. Большое влияние оказывает

ла. Изменение шероховатости поверхности следует рас­ сматривать как фактор, оказывающий влияние только на момент появления трещины.

Замедление развития усталостных трещин в мягкой низкоуглеродистой стали в связи с термообработкой и пластическим деформированием весьма обстоятельно исследовано в [44]. Оказалось, что выбор рациональ­ ных видов термической обработки или пластического де­ формирования может в значительной степени повысить сопротивление низкоуглеродистой стали усталостному разрушению.

Часть образцов из стали с 0,07% С и 0,18% Мп цик­ лическииспытывали после закалки в воду с 700° С и ес­ тественного старения в течение 14 суток, другую часть

160