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

после термообработки подвергали поверхностному на­ клепу по дну концентраторов напряжении (обкатка дна надреза роликами с профильным радиусом 0,2 мм). По­ верхностный наклеп отожженной стали увеличивает ее предел выносливости по разрушению немногим более чем в два раза. Вместе с тем наклеп вызывает появле­ ние весьма широкой области нераспространяющихся (или очень медленно растущих) трещин при напряже­ ниях ниже предела выносливости. Предел выносливости по трещинообразованию увеличивается в этом случае только на 15% (см. рис. 73).

В результате закалки и естественного старения пре­ дел выносливости образцов без наклепа увеличился по сравнению с пределом выносливости аналогичных отож­ женных образцов на 235% и оказался на 57% выше пре­ дела выносливости по излому отожженных образцов после поверхностного наклепа (рис. 74).

В результате поверхностного наклепа закаленной и состаренной стали ее сопротивление усталости еще больше возросло (на 35% по сравнению с ненаклепанным состоянием). В этом случае нераспространяющиеся трещины возникают в широком диапазоне уровней нагружения: от предела выносливости по разрушению наклепанных образцов [385 Мн/м2 (38,5 кГ/мм2)] до напряжений значительно ниже предела выносливости ненаклепанных образцов [190 Мн/м2 (19,0 кГ/мм2)]. Это объясняется возрастанием остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях в результате наклепа. Предел выносливости по трещинообразованию был бли­ зок к 180 Мн/м2 (18 кГ/мм2).

Испытания [95] ступенчатых валов из стали 45 с различным радиусом галтельного перехода показали, что у неупрочнеиных валов с галтелями малого радиуса (p/D = 0,05; Ка=2) пределы выносливости по трещино­ образованию и по разрушению совпадают. В отличие от этого у упрочненных образцов развитие усталостной трещины тормозится, вследствие чего оказываются раз­ личными пределы выносливости по трещинообразова­ нию и разрушению.

При обкатывании галтелей самоустанавливающимся роликом под углом 45° к оси вала без продольной по­ дачи эффективность упрочнения была меньше, чем при обкатывании пригалтельной зоны и самой галтели за

один проход. Пределы выносливости по трещипообразо-

б, м»/мг

і> 5о

350 h

300

гзо

гоо і

няющая обкатка пригалтельной зоны дает не только

162

ну общую трещину. В верхней части образца в зоне сжатия трещины также зарождаются, но значительно

ненных образцах можно отнести за счет более медлен­ ного роста усталостной трещины как по периферии, так и по глубине упрочненного слоя надреза. В течение при­ близительно четверти второго периода усталостная тре­ щина в упрочненных образцах очень медленно распро­ страняется по глубине и по периферии надреза и не создает опасности быстрого разрушения образца.

Непосредственное упрочнение сварных швов поверх­ ностным наклепом с помощью специальных пучковых ударных упрочиителей, предложенных И. В. Кудрявце­ вым, повышает усталостную прочность и живучесть сварных конструкций. При наличии . точечной сварки весьма эффективным оказалось упрочнение путем хо­ лодного деформирования металла вокруг мест точечной сварки (при помощи колец и штампов) [94]. Испытаны образцы из листовой мягкой стали толщиной 1,6 мм\ сваренные внахлестку двумя точками по длине образ­ цов. Предел выносливости при переменном изгибе свар­ ных образцов составил 0,715 предела выносливости гладких образцов без сварки.-

После холодного деформирования металла вокруг мест сварки при помощи колец и штампов усталостное разрушение переместилось в основной металл, однако непосредственно у сварных точек были обнаружены не­ развивающиеся малые усталостные трещины. Рентгеноструктурное исследование показало, что в результате обжатия остаточные напряжения у сварных точек из растягивающих перешли в сжимающие. Начальные тре­ щины у сварных точек возникали после практически одинакового числа циклов, независимо от знака остаточ­ ных напряжений. Знак и величина остаточных напряже­ ний влияли главным образом на распространение тре­ щин; сжимающие остаточные напряжения резко снижа­ ли темп их роста.

Одними из наиболее типичных концентраторов на­ пряжений являются отверстия. Упрочнение зон металла с отверстиями достигается путем продавливаиия пуан­ соном или обжатия специальными штампами с одно-

164

временным выдавливанием вокруг отверстия кольцевой канавки.

Испытания, выполненные на рельсах типа Р50 про­ изводства Кузнецкого металлургического комбината, с болтовыми отверстиями, просверленными и продавлен­ ными пуансоном, позволили установить, что наиболь­ шую долговечность до разрушения имеют упрочненные рельсы, т. е. с продавленными отверстиями. Снятие во­ круг отверстия фаски, хотя и повышает долговечность, но всего лишь на 15—16% (табл. 27), тогда как упроч­ нение продавливанием пуансона повышает долговеч­ ность в три и более раз. При этом наибольший эффект был обнаружен на сырых рельсах. Абсолютная живу-

* Числитель — тысячи циклов, знаменатель — проценты.

165

честь рельсов в результате упрочнения значительно воз-' росла, однако относительная (в долях от общей долго­ вечности) снизилась. Испытания рельсов проводили на машине с гидравлическим пульсатором при частоте 7 гц на изгиб с нагрузками Лпах=49 т и Рт\п=1 т, прило­ женными в середине пролета 0,5 м; отверстие в шейке рельса находилось иа расстоянии 0,125 м от опоры.

А. И. Скаков применил для упрочнения отверстий в рельсах штампы различной формы: конические, коль­ цевые и комбинированные — конические со сплошным . и секторным кольцом. Испытания выявили наибольший эффект упрочнения при одновременной раздаче отвер­ стия и штамповке вокруг него концентрической канав­ ки. Насколько эффективно такое упрочнение замедляет рост трещин, можно судить по тому, что рельс, имев­ ший начальную трещину у кромки болтового отверстия размером около 3 мм, после наклепа оказался практи­ чески таким же прочным, как если бы он не имел тре­ щины. Опыты показали, что упрочнение болтовых от­ верстий обжатием в штампах позволяет полностью по­ давить развитие небольших начальных трещин и в значительной степени замедлить дальнейший рост боль­ ших сквозных трещин длиной 15—20 мм.

3. РАССЕЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫНОСЛИВОСТИ ПО НАЧАЛУ ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН, ПЕРИОДУ РАЗВИТИЯ

И ОКОНЧАТЕЛЬНОМУ РАЗРУШЕНИЮ

Повышение надежности и гарантированная долговеч­ ность высоконагруженных элементов конструкций требу­ ют учета рассеяния усталостных свойств материалов при расчете на прочность, что в свою очередь обусловливает вероятностный подход к оценке надежности и долговеч­ ности.

Усталостным испытаниям материалов свойственен больший разброс, чем другим видам испытаний. Это обу­ словливается изменением некоторых факторов, неизбеж­ ным в процессе длительного эксперимента. Колебания чистоты обработки поверхности, размеров образцов, ве­ личины нагрузки, степени неоднородности материала, распределения неметаллических включений, температуры и других факторов вызывают изменение напряженности и рассеяние характеристик выносливости.

166

Как показано в работе [96], при анализе закономер­ ностей распространения трещины не следует ограничи­ ваться сравнением дисперсий логарифмов чисел циклов,

ошибочному заключению, что рассеяние по окончатель­ ному разрушению меньше, чем по началу возникновения трещины. Такой вывод может ,быть следствием иеучета особенностей процесса логарифмирования. Поэтому реко­ мендуется рассеяние по началу возникновения трещины и окончательному разрушению оценивать по дисперсии са­ мих величин, а не их логарифмов. Важно также выяснить

напряжений а с т = 4 ) , вырезанных вдоль направления про­ катки из плакированного алюминиевого сплава Д16-АТ. Длины трещин измерялись автоматически с помощью фольговых датчиков и самопишущего устройства. УѴТ ко­ лебалось в пределах от 210 до 730 килоциклов, a NK от 448 до 1190 килоциклов.

(рис. 76). В пределах линейного участка справедливо ра­ венство

ѵl g / ( Л 0 - l g / ( Л М

167

тельному разрушению. Наименьшее рассеяние показы­ вает живучесть /Ѵ,к. Коэффициент корреляции между /Ѵт и vig- составляет —0,308, что означает, что скорость роста трещин в среднем тем меньше, чем позже она поя-

01

вилась. Положительный коэффициент корреляции между JVT И Л / ж позволяет сделать заключение, что чем позже возникает трещина, тем дольше она распространяется.

168

J